SCR脱硝原理及工艺

SCR脱硝原理及工艺NOXNH3N2H2O4NO+4NH3+O24N2+6H2O3N2+6H2O4NO2+2NH3+O2基本反应方程式副作用方程式SO2+1/2O2NH3+SO3+H2OSO3NH4HSO4SCR脱硝原理SCR脱硝效率的主要影响因素1.催化剂ƒ催化剂的活性ƒSCR反应选择性ƒ催化剂的钝化2.反应温度3.n(NH3)/n(NOx)NH3/NOx摩尔比与氨泄漏、脱硝率的关系4.接触时间5.Sv值ƒSv即空速(h-1)，指烟气流量与催化剂体积之比。a)高含灰布置方案选择性催化还原法(SCR)常规布置方式b)低含灰/尾部布置方案高含尘布置方案的技术特点ƒ烟气未经过除尘，烟气中重金属，SO2等含量较高，对催化剂的活性存在不利影响，容易造成下游设备和反应器本体堵灰。ƒ反应温度比较合适(300～400℃)，运行费用较低ƒ对于高含尘烟气，催化剂烟气通道必须加大以避免堵灰，这样会降低催化剂的比面积，从而会增大催化剂的用量。ƒ钢材耗量较大。a)高含灰布置方案低含尘布置方案的技术特点ƒ飞灰含量小，适用于场地无法按照高含尘方式布置的改造项目或烟气中毒性物质过高的情况。ƒ烟气温度低于反应温度，需要辅助热源进行烟气再热，可以采用蒸汽加热或二次燃烧加热，一般再热系统需要增加约3%的厂用电率。ƒ由于大部分毒性物质和灰尘已经在除尘和脱硫装置中脱除，所以催化剂寿命可以大大延长。ƒ可以选用较小的催化剂烟气通道，大大提高催化剂的比面积，从而降低催化剂的整体用量，降低初投资和催化剂更换运行费用。b)低含灰/尾部布置方案省煤器混合器液氨蒸发槽氨气缓冲罐空预器锅炉脱硝装置稀释风机液氨储罐选择性催化还原法(SCR)系统工艺流程系统主要组成:SCR反应器及催化剂烟道系统氨储存供应系统氨喷射及混合系统(AIG)控制系统电气部分演示氨区主要设备组成－卸料压缩机－储氨罐－氨蒸发槽－氨气缓冲罐－氨稀释槽－废水池－管道及阀门等附件省煤器混合器液氨蒸发槽氨气缓冲罐空预器锅炉脱硝装置稀释风机液氨储罐SCR工艺系统－氨区（一）‹无色、有强烈刺激性气味的气体；‹在标准状况下，密度（0.7708kg/m3）小于空气；‹易液化，在常压下冷却至－33.5℃或在常温下加压至700kPa～800kPa气态氨就液化成无色液体,液氨常用作制冷剂；‹属于有毒类化合物，接触要小心；‹极易溶于水（1：700），溶液是碱性物质氨的一般性质氨区设计遵循的标准和规范国家有关标准和规范：《建筑设计防火规范》GB50016-2006《石油化工企业设计防火规范》GB50160-1992《石油化工储运系统罐区设计规范》SH3007-1999《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058-1992《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》SH3063-1999《危险化学品重大危险源辨识》GB18218-2009氨区布置原则布置的原则（1）区域规划（全年最小频率风向的上风侧）（2）确定罐区与周边建筑物的防火间距（3）确定罐区与厂内主要道路及次要道路的防火间距（4）确定罐区内设备的防火间距（5）罐区要设防火堤（6）罐区要设遮阳蓬（7）罐区要设冷却喷淋（8）罐区要设消防通道SCR系统工艺流程－液氨液氨储罐蒸发器内部结构氨气缓冲罐氨蒸发槽氨稀释槽卸料压缩机SCR系统工艺流程－尿素还原剂比较项目液氨氨水尿素反应剂费用便宜1.0较贵1.50最贵1.50运输费用便宜贵便宜安全性有毒有害无害存储条件高压常压常压，干态储存方式液态液态微粒状初投资便宜贵贵运行费用便宜，需要蒸发液氨贵，需要高热量蒸发水和氨贵，需要高热量水解尿素和蒸发氨设备安全要求有法律规定需要基本上不需要SCR工艺系统－氨与稀释风的混合（二）稀释风与氨气的混合作用¾将氨稀释到浓度为5％；¾使氨气分布更加均匀；¾增加动能，提高氨气的扩散能力。我的爆炸浓度范围为15－28%,请让我远离这个数值吆！混合器液氨蒸发槽氨气缓冲罐空预器锅炉脱硝装置稀释风机液氨储罐稀释风从送风机出口选取¾降低造价¾现场布置简单氨/空气混合器ƒ保证氨和烟气的均匀混合ƒNH3/NOx沿烟道截面均匀的分布氨喷射格栅(AIG)NH3喷射格栅SCR工艺系统－喷氨系统（三）调整氨的流量分配阀门NH3/NOx分布不均匀状况的调节恶劣的流速分布将导致NH3/NOx的严重不均匀通过注氨量的局部微调达到NH3/NOx的均匀分布CV=44%CV=8%←Centerofboiler←Centerofboiler端部阀门调节后端部阀门调节前SCR工艺系统－烟道部分（四）烟道布置和作用•烟道布置要简洁、流场通顺；•有利于氨与烟气的自然混合；•烟气阻力降小；•烟道内布置混合器、导流板等。烟道的组成•反应器入口烟道；•反应器出口烟道；•省煤器旁路烟道；•反应器旁路烟道。省煤器旁路省煤器旁路作用：－机组在低负荷运行时，保证SCR入口烟气温度。一般对SCR入口温度的要求大约是300－400℃。缺点：－系统复杂，增加控制的复杂性；－需要设置旁路烟道和挡板门，增加投资。－需要设置密封风机，增加厂用电。反应器旁路反应器旁路作用：－用来在锅炉启动和停止期间或紧急状况下隔离SCR反应器，使催化剂不受到损害；－机组在长期不脱硝时隔离SCR装置以节约引风机的电耗。。缺点：－系统复杂，增加控制的复杂性；－需要设置旁路烟道和挡板门，增加投资。－需要设置密封风机，增加厂用电。烟气流场的要求:氨气与烟气的充分混合和流场均匀性是保证脱硝装置性能的关键¾确保NOX/NH3分布均匀¾确保烟气速度均匀¾减小烟气温度偏差¾获得最小的烟气压降¾防止积灰在反应器第一层催化剂的上部条件是：速度最大偏差：平均值的±15%温度最大偏差：平均值的±10℃NH3/NOx混合不均匀性：5％烟气入射催化剂角度（与垂直方向）：±10°空预器锅炉脱硝装置SCR工艺系统－CFD和实物模型试验（五）氨与烟气均匀混合措施¾氨与稀释风的混合设计（混合器）¾喷氨格栅设计（AIG）¾反应器入口设计（筛网平板）¾烟道内部件设计（导流板，静态混合器等）¾计算机流场模拟（CFD）和实体物理模型试验（Flowmodel）最终混合措施的确定依据；所有SCR工程都需要做CFD＋Flowmodel烟道内的导流/混合装置氨和烟气的混合装置：•通过烟道自然混合；•使用烟道结构件进行混合，如导流板、静态混合器等混合装置CFD软件（ComputationalfluidDynamics）是计算流体力学软件的简称，是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件，相当于虚拟地在计算机上做试验，用以模拟仿真实际的流动状态。CFD=流体力学＋热学＋数值分析＋计算机科学流体力学：层流和湍流，牛顿流体和非牛顿流体热学：热力学和传热学数值分析：解析计算方程计算机科学：计算机语言、图形技术、图表计算机CFD模拟流场的建立¾确保NOX/NH3分布均匀¾确保烟气速度均匀¾减小烟气温度偏差¾获得最小的烟气压降CFD设计示例（黄岛电厂）均匀的流场有利于：－氨与NOx充分反应，保证脱硝效率；－降低氨的逃逸率，减少氨对灰分和环境的影响；－减少催化剂出现局部磨损；－降低烟气阻力。实体物理模型（Flowmodel）阳城电厂600MW机组实物流体模型根据脱硝装置的设计方案，建立实物模型„实物模型包括从省煤器出口至空预器入口的完整SCR流动路径。„比例为1:15或1:10„验证和优化整个烟气系统流场分布。„维持系统低的烟气压降。试验条件a．环境空气作为试验用流体，物理模型的流体速度应与实际流场速度一致。b．如果雷诺数足够大，模型烟道的模拟结果就能反映实际流场。雷诺数的取值决定于模型比例和流体速度，典型的雷诺数是10000。试验内容a.利用风速仪测量AIG和第一层催化剂上游的速度；b.利用跟踪气体测量第一层催化剂上游的氨的混合度；c.利用皮托管测量锅炉出口到反应器出口的压降；d.利用石英砂模拟烟尘沉积-承载催化剂-预留加装备用层催化剂的空间-保证烟气均匀分布-密封装置-吹灰器SCR工艺系统－反应器和催化剂（六）烟气进口氨的喷入烟气出口催化剂层SCR工艺系统－反应器布置方式：一般采用2＋1或3＋1布置；备用层：将新催化剂安装在预留催化剂位置，以减少催化剂更换量，并充分利用尚未完全失效的旧催化剂，从而减少催化剂更换费用，提高脱硝效率。催化剂波纹板式板式主要成分：TiO2、V2O5、WO3蜂窝式板式/蜂窝式催化剂生产流程催化剂结构数据催化剂体积130100base815645适于燃煤机组含尘烟气干净烟气节距10mm3437mm4456mm5474mm7983mm1000AP（m2/m3）催化剂模块制造厂催化剂型式产品规格mm日立板式948x1881xHArgillon板式954x1882xHCometech蜂窝式960x1910xH东方凯特瑞蜂窝式970x1930xH‹便于安装‹缩短催化剂从反应器内搬出的时间催化剂性能比较性能参数板式蜂窝式波纹板式基材不锈钢金属板整体挤压玻璃纤维板活性中高高氧化率中高中压力损失低高中抗腐蚀性好中中抗堵塞性好中中催化剂的失活和中毒„SCR催化剂的工作条件比较恶劣，存在着中毒失效问题，必须定期更换，更换时间据具体情况而定。„催化剂性能下降的原因（1）微孔体积减少；（2）固体沉积物使微孔堵塞；（3）碱性化合物等（砷(As)，钾(K)、钠(Na)，其次钙(CaO)和镁(MgO)）引起中毒；（4）SO3中毒；（5）飞灰磨损和腐蚀。催化剂的寿命管理20%40%60%80%100%120%140%020,00040,00060,00080,000100,000120,000140,000160,000运行小时脱硝效率%024681012NH3-slip,ppmd@6%O2安装备用层更换第一层更换第二层更换第一层更换备用层催化剂安装催化剂模块起吊催化剂模块进入反应器催化剂安装(续)催化剂模块就位催化剂安装(续)催化剂模块安装催化剂安装(续)催化剂表面的积灰SCR工艺系统－吹灰器（七）蒸汽吹灰器－耙式吹灰器声波吹灰器项目声波吹灰器蒸汽吹灰器吹灰器本体进口产品价格高中等管道和附件需要安装直径为50mm的压缩空气气管。声波吹灰器很轻便，可以通过安装法兰很轻易地安装在SCR上，并仅仅伸出设备0.7m。需要直径较大的带保温层的高压蒸汽管道，SCR反应器外有很多管道备件需要安装，它伸出反应器外较长。运行成本10分钟吹10秒钟的频率。每次0.368立方米/声波吹灰器每天吹1次的频率维护成本声波吹灰器结构简单，维护方便。钛合金膜片是唯一一个活动部件，通常寿命为5年。每使用1－2年，蒸汽吹灰器的一些部件需要更换。环境影响噪音较大，在反应器外部的吹灰器发声部分必须做隔音处理，经过处理后的噪音水平可以降低到75dB以下。声音较小蒸汽吹灰器和声波吹灰器比较SCR控制系统（八）一.控制系统方案¾反应区控制系统纳入机组DCS¾氨区可采用PLC控制或纳入机组DCS二.主要受控对象¾喷氨量控制(脱硝效率、氨逃逸率）¾脱硝通风控制（包括稀释风系统）¾氨蒸发器水温控制和缓冲罐压力控制¾反应器入口烟气温度控制¾吹灰系统控制¾烟气挡板系统控制运行控制逻辑„NOx脱除率一般选择60～90％脱硝率适中，氨的逃逸合适，对空气预热器污染较小„NH3逃逸率一般控制在3ppm以内，以防造成二次污染„SO2/SO3转化率一般控制在1％以内，防止对下游设备产生不利影响„运行温度催化剂运行所需要的温度„烟气压力降:1000Pa„催化剂化学寿命：24000hSCR性能参数选取脱硝对机组的影响„对空气预热器的影响„对引风机和烟道的影响„对锅炉性能与安全性的影响¾烟气中部分SO2转化成SO3¾烟气中SO3的增加，引起酸腐蚀和酸沉积堵灰程度增加¾产生硫酸氢氨和硫酸氨NH3+SO3+H2OÆNH4HSO4/(NH4)2SO4¾NH4HSO4沉积温度150～230℃，粘度较大，加剧对空气预热器换热元件的堵塞和腐蚀¾空气预热器烟/风压差增加，空气预热器漏风略有增加对空气预热器的影响转子导向轴承装置径向密封传热元件扇形板漏风控制系统调节门轴向密封调节门调节装置传动围带支撑轴承转子外壳