脱硝SCR知识培训.ppt
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1、朱朱 全全 利利 锅炉脱硝锅炉脱硝-SCR第第1章章 NOX的生成的生成 煤燃烧产生的煤燃烧产生的NOx 主要是主要是NO 和和NO2,另有少量,另有少量N2O。在煤的燃烧过程中,。在煤的燃烧过程中,NOx的生成量和排放量与燃烧的生成量和排放量与燃烧方式,特别是燃烧温度和过量空气系数等密切相关,燃烧方式,特别是燃烧温度和过量空气系数等密切相关,燃烧形成的形成的NOx可分为燃料型、热力型和快速型。可分为燃料型、热力型和快速型。(一)燃料型(一)燃料型NOx 煤中的氮一般以氮原子的形态与各种碳氢化合物结合煤中的氮一般以氮原子的形态与各种碳氢化合物结合成氮的环状或链状化合物,燃烧时,空气中的氧与氮原
2、子成氮的环状或链状化合物,燃烧时,空气中的氧与氮原子反应生成反应生成NO,NO 在大气中被氧化成毒性更大的在大气中被氧化成毒性更大的NO2。这种燃料中的氮化合物经热分解和氧化反应而生成的这种燃料中的氮化合物经热分解和氧化反应而生成的NO 称为燃料型称为燃料型NOx。煤燃烧产生的。煤燃烧产生的NOx,其中,其中7590%是燃料型是燃料型NOx。(二)热力型(二)热力型NOxv热力型热力型NOx 是指空气中的是指空气中的N2 与与O2 在高温条件下反应在高温条件下反应生成的生成的NOx。以煤粉炉为例,在燃烧温度为以煤粉炉为例,在燃烧温度为1350时,时,几乎几乎100%是燃料型是燃料型NOx,但当
3、温度为但当温度为1600时,除了时,除了反应温度对热力型反应温度对热力型NOx的生成有决定性影响外,还和的生成有决定性影响外,还和N2 浓度以及停留时间有关。过量空气系数和烟气停留时间对浓度以及停留时间有关。过量空气系数和烟气停留时间对热力型热力型NOx的生成有很大影响。的生成有很大影响。(三)快速型(三)快速型NOxv快速型快速型NOx主要是指燃料中碳氢化合物在燃料浓度较高主要是指燃料中碳氢化合物在燃料浓度较高的区域燃烧时所产生的烃,与燃烧空气中的的区域燃烧时所产生的烃,与燃烧空气中的N2 发生反应,发生反应,形成的形成的CN和和HCN化合物继续被氧化而生成的化合物继续被氧化而生成的NOx。
4、第第2章章 SCR 催化原理催化原理催化还原法催化还原法(SCR)v根据根据NOx 还原作用与还原剂的关系可以分为非选择性化还原还原作用与还原剂的关系可以分为非选择性化还原(Non-Selective Catalytic Reduction)和选择性催化还原和选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction)两种。非选择性两种。非选择性NO 催化还原的机理类似于催化还原的机理类似于直接分解,还原剂的作用只是清除催化剂表面的氧,废气中氧气、直接分解,还原剂的作用只是清除催化剂表面的氧,废气中氧气、H2O 和和SO2 等都会对催化剂的活性产生严重的影响,因此非选择性还等都
5、会对催化剂的活性产生严重的影响,因此非选择性还原没有实际应用前景。原没有实际应用前景。v当前应用最多的当前应用最多的SCR 技术以技术以NH3 作还原剂,作还原剂,V2O5/TiO2 为催化剂为催化剂来降解火电厂排放的来降解火电厂排放的NOx,这也是目前唯一能在氧化气氛下脱除,这也是目前唯一能在氧化气氛下脱除NOx 的实用方法。的实用方法。1979 年,世界上第一个工业规模的年,世界上第一个工业规模的SCR 装置在日本装置在日本Kudamatsu 电厂投入运行。电厂投入运行。NH3-SCR 过程通常是在空气预热器过程通常是在空气预热器的上游将还原剂的上游将还原剂NH3 注入含有注入含有NOx
6、的烟道气中,随后的烟道气中,随后NOx 在催化在催化剂的作用下被还原为剂的作用下被还原为N2 和水。和水。FGDAirHeaterStackBottomAshCoalMillFlyashFan3000 F2200 FSelective Catalytic Reduction550-750 F50-90%reduction 2 ppm NH3 slipSCRNOx Control700 FESP典型的典型的SCR 脱硝反应器示意图脱硝反应器示意图vNH3喷射,温度范围:喷射,温度范围:350400;v可达到可达到9090以上脱硝率;以上脱硝率;v投资费用高,空间限制,投资费用高,空间限制,NHN
7、H3 3泄漏,泄漏,SOSO3 3排放,催化剂中毒失排放,催化剂中毒失火;火;v应用:超过应用:超过7575台锅炉;旋风台锅炉;旋风炉,墙燃炉,切燃炉,炉,墙燃炉,切燃炉,v容量范围:容量范围:1221221300MW1300MW原理:利用原理:利用NHNH3 3做还原剂,在做还原剂,在300400300400温度范围和一定的温度范围和一定的催化剂(铁、钒、铬、铜、钴或钼等金属氧化物)作用下,催化剂(铁、钒、铬、铜、钴或钼等金属氧化物)作用下,使烟气中的使烟气中的NONOX X还原为无害的还原为无害的N N2 2和和H H2 2O O。主主反应机理:反应机理:8NH8NH3 3+6NO+6NO
8、2 2 7N 7N2 2+12H+12H2 2O O4NH4NH3 3+6NO 5N+6NO 5N2 2+6H+6H2 2O OSCRSCR特点:特点:(1 1)90909595NONOX X削减率;削减率;(2 2)氨泄漏量低)氨泄漏量低,0-5,0-5ppmppm (3 3)极好的空燃比控制,接近极好的空燃比控制,接近1.0.1.0.(4 4)广泛应用于日本、欧洲的燃气、燃油和燃煤锅炉)广泛应用于日本、欧洲的燃气、燃油和燃煤锅炉问题:投资及运行费用高、催化剂中毒、氨储存、粉煤灰综问题:投资及运行费用高、催化剂中毒、氨储存、粉煤灰综合利用合利用第第3 章章 SCR 的工艺与设备的工艺与设备选
9、择性催化还原系统安装于锅炉省煤器之后的烟道上,选择性催化还原系统安装于锅炉省煤器之后的烟道上,NH3通通过固定于注氨格栅上的喷嘴喷入烟气中,与烟气混合均匀后一过固定于注氨格栅上的喷嘴喷入烟气中,与烟气混合均匀后一起进入填充有催化剂的脱硝反应器。反应器通常垂直放置起进入填充有催化剂的脱硝反应器。反应器通常垂直放置(也也有个别水平放置的有个别水平放置的),NOx与与NH3在催化剂的作用下发生还原反在催化剂的作用下发生还原反应。反应器中的催化剂分上下多层,经过最后一层催化剂后,应。反应器中的催化剂分上下多层,经过最后一层催化剂后,使烟气中的使烟气中的NOx控制在排放限值以内。控制在排放限值以内。省煤
10、气旁路是用来调节温度的,即通过调节经过省煤器的烟气省煤气旁路是用来调节温度的,即通过调节经过省煤器的烟气与通过旁路的烟气比例来控制反应器中的烟气温度,氨喷射器与通过旁路的烟气比例来控制反应器中的烟气温度,氨喷射器安装位置在反应器的上游足够远处,以保证喷入的氨与烟气充安装位置在反应器的上游足够远处,以保证喷入的氨与烟气充分混合。分混合。一、供氨与注氨系统一、供氨与注氨系统贮存在液氨罐的高纯液氨经气化器加热后,由液态氨转为气态贮存在液氨罐的高纯液氨经气化器加热后,由液态氨转为气态氨,通过供氨管路送至催化剂反应器前的喷氨汇流排上,最后氨,通过供氨管路送至催化剂反应器前的喷氨汇流排上,最后由喷氨格栅均
11、匀地注入反应器前的烟道。由喷氨格栅均匀地注入反应器前的烟道。由于氨的爆炸极限由于氨的爆炸极限1528%(在空气中的体积比在空气中的体积比),为保证安全,为保证安全和分布均匀,氨气注入烟道前由稀释风机提供空气并进行体积和分布均匀,氨气注入烟道前由稀释风机提供空气并进行体积浓度稀释,实现氨气与空气的混合比为低于浓度稀释,实现氨气与空气的混合比为低于5%。二、催化反应系统二、催化反应系统注入烟道后的氨气随烟气气流自上而下垂直进入注入烟道后的氨气随烟气气流自上而下垂直进入SCR脱硝反应脱硝反应器,在器,在280400的温度条件下及催化剂的作用下,将烟气中的温度条件下及催化剂的作用下,将烟气中的的NOx
12、催化降解为无害的催化降解为无害的N2和和H2O。三、检测与控制系统三、检测与控制系统氨的注入量控制是由氨的注入量控制是由SCR进出口在线的进出口在线的NOx、O2监视分析监视分析仪测量值、烟气温度测量值、稀释风机流量、烟气流量仪测量值、烟气温度测量值、稀释风机流量、烟气流量(由由燃煤流量换算求得燃煤流量换算求得)来控制的。来控制的。NH3监视分析仪监视监视分析仪监视NH3的的逃逸率,设计上一般小于逃逸率,设计上一般小于3%,超限则报警并自动调节,超限则报警并自动调节NH3注入量。注入量。四、辅助系统四、辅助系统氨气注入格栅前分配管上设有压缩空气管道,当注入格栅喷氨气注入格栅前分配管上设有压缩空
13、气管道,当注入格栅喷头发生堵塞时进行吹扫。在氨气进装置分管阀后设有氮气头发生堵塞时进行吹扫。在氨气进装置分管阀后设有氮气预留阀及接口,在停工检修时用于吹扫管内氨气。预留阀及接口,在停工检修时用于吹扫管内氨气。SCR内内设置吹灰器,吹扫介质为蒸汽,吹扫频率根据设置吹灰器,吹扫介质为蒸汽,吹扫频率根据SCR压差决压差决定。定。工艺参数工艺参数一、入口一、入口NOx 浓度浓度由于各种组分由于各种组分(包括包括NOx、NH3)在烟气中分布并不均匀,以下在烟气中分布并不均匀,以下所说的组分浓度均为平均浓度。对于特定的锅炉,所说的组分浓度均为平均浓度。对于特定的锅炉,SCR反应器反应器入口烟气入口烟气NO
14、x浓度受锅炉运行条件的影响,煤质变化、锅炉负浓度受锅炉运行条件的影响,煤质变化、锅炉负荷变化、燃烧条件荷变化、燃烧条件(如配风方式、过剩空气量等如配风方式、过剩空气量等)的变化都会使的变化都会使反应器入口烟气反应器入口烟气NOx浓度发生变化。浓度发生变化。二、脱硝率二、脱硝率SCR反应器出口烟气反应器出口烟气NOx浓度浓度(或脱硝效率或脱硝效率)一般根据环保法规一般根据环保法规(排放限值、排污收费排放限值、排污收费)通过技术经济比较来选择。脱硝率定义通过技术经济比较来选择。脱硝率定义为反应器进口前的为反应器进口前的NOx浓度扣除反应器出口后的浓度扣除反应器出口后的NOx浓度,再浓度,再除以反应
15、器进口前的除以反应器进口前的NOx浓度的比值,它直接反映了烟气中氮浓度的比值,它直接反映了烟气中氮氧化物的脱除效率。氧化物的脱除效率。三、空间速率三、空间速率空间速率空间速率(SV)是是SCR反应器中最重要的设计参数之一。反应器中最重要的设计参数之一。SV定义为单位时间内单位体积的催化剂所能处理的单位定义为单位时间内单位体积的催化剂所能处理的单位烟气的体积量。单位为烟气的体积量。单位为h-1。反映了烟气在反映了烟气在SCR反应器内反应器内的停留时间的大小。的停留时间的大小。式中,式中,SV为空间速率,为空间速率,h-1,Vfg为烟气流量,为烟气流量,m3/h。空间速率是催化反应器空间速率是催化
16、反应器SCR反应器中的空间速率是一个关反应器中的空间速率是一个关键设计参数,也主要设计依据,空间速率的确定除受催化键设计参数,也主要设计依据,空间速率的确定除受催化剂特性的影响之外,需要考虑脱硝效率、运行温度、氨的剂特性的影响之外,需要考虑脱硝效率、运行温度、氨的允许逃逸量以及烟气中的粉尘含量、锅炉形式、催化反应允许逃逸量以及烟气中的粉尘含量、锅炉形式、催化反应器布置位置等诸多因素。器布置位置等诸多因素。烟气的空间速率越大,其停留时间越短。一般而言,烟气的空间速率越大,其停留时间越短。一般而言,SCR的脱硝效率将随烟气空间速率的增大而降低。空间速率通的脱硝效率将随烟气空间速率的增大而降低。空间
17、速率通常是根据常是根据SCR反应器的布置位置、脱硝效率、烟气温度、反应器的布置位置、脱硝效率、烟气温度、允许的氨逃逸量以及粉尘浓度来确定的。允许的氨逃逸量以及粉尘浓度来确定的。空间速率大,烟气在反应器内的停留时间短,则空间速率大,烟气在反应器内的停留时间短,则NOx降解降解反应有可能不完全,这样氨的逃逸量就会比较大,同时烟反应有可能不完全,这样氨的逃逸量就会比较大,同时烟气对催化剂骨架的冲刷也大。相反,空间速率太小,则增气对催化剂骨架的冲刷也大。相反,空间速率太小,则增加了催化剂的消耗量,运行的经济性下降。空间速率一般加了催化剂的消耗量,运行的经济性下降。空间速率一般控制在控制在2500350
18、0 h-1。四、反应温度四、反应温度()每一种催化剂都有其充分发挥活性的反应温度范围,每一种催化剂都有其充分发挥活性的反应温度范围,SCR工艺所用的催化剂也不例外。反应温度不仅决定反应物的工艺所用的催化剂也不例外。反应温度不仅决定反应物的反应速度,而且决定催化剂的反应活性。以目前广泛使用反应速度,而且决定催化剂的反应活性。以目前广泛使用的钒的钒-钛催化剂为例,反应操作温度大多设定在钛催化剂为例,反应操作温度大多设定在320420之间。如果温度过低,反应速率慢,甚至出现之间。如果温度过低,反应速率慢,甚至出现了一些不利于了一些不利于NOx降解的副反应,如铵盐的生成反应加快。降解的副反应,如铵盐的
19、生成反应加快。如果温度过高,则会出现催化剂活性微晶受高温烧结的现如果温度过高,则会出现催化剂活性微晶受高温烧结的现象,影响了催化剂的使用寿命。象,影响了催化剂的使用寿命。五、反应时间五、反应时间反应时间即为烟气流经反应器时,在所有催化剂孔道内停反应时间即为烟气流经反应器时,在所有催化剂孔道内停留的总时间。根据定义,反应时间的计算式如下:留的总时间。根据定义,反应时间的计算式如下:(4-3)式中式中Qg为烟气体积流量;为烟气体积流量;Vc为催化剂体积;为催化剂体积;为催化剂孔为催化剂孔道横截面积与催化剂整体横截面积的比率。道横截面积与催化剂整体横截面积的比率。六、六、NH3/NOx 的摩尔比的摩
20、尔比氨氮摩尔比简称为氨氮比,它的定义是氨氮摩尔比简称为氨氮比,它的定义是SCR反应器入口烟反应器入口烟气中氨的摩尔浓度与氮氧化物的摩尔浓度的比值,其定义气中氨的摩尔浓度与氮氧化物的摩尔浓度的比值,其定义式如下:式如下:(4-4)式中和分别为反应器入口烟气中式中和分别为反应器入口烟气中NH3和和NOx的摩尔浓度。的摩尔浓度。理论上,理论上,1mol的的NOx需要需要1 mol的的NH3去脱除,去脱除,NH3量不量不足会导致足会导致NOx的脱除效率降低,但的脱除效率降低,但NH3过量又会带来过量又会带来NH3对环境的二次污染以及产生氨盐等腐蚀性物质。通常喷入对环境的二次污染以及产生氨盐等腐蚀性物质
21、。通常喷入的的NH3量随着机组负荷的变化而变化,量随着机组负荷的变化而变化,NH3量与量与NOx脱除脱除效率的关系必需通过现场的调试来实现。在设定的脱硝率效率的关系必需通过现场的调试来实现。在设定的脱硝率下,如果喷氨调节阀的性能越好、喷氨格栅的混合性能越下,如果喷氨调节阀的性能越好、喷氨格栅的混合性能越强,那么,实际强,那么,实际NH3/NOx的摩尔比就越接近理论值。的摩尔比就越接近理论值。七、七、SO2 转化率转化率钒钒-钛催化剂在降解钛催化剂在降解NOx的过程中,也会把烟气中的部分的过程中,也会把烟气中的部分SO2催化氧化为催化氧化为SO3。当当SO3的转化率过高,不仅容易导的转化率过高,
22、不仅容易导致空气预热器的堵灰和后续设备的腐蚀,而且会造成催化致空气预热器的堵灰和后续设备的腐蚀,而且会造成催化剂中毒。因此,在剂中毒。因此,在SCR运行时,一般要求运行时,一般要求SO2的转化率小的转化率小于于1%。降低。降低SO2氧化为氧化为SO3的主要措施是通过改善催化剂的主要措施是通过改善催化剂成份来实现的,例如,在钒成份来实现的,例如,在钒-钛催化剂体系中加入钨、钼钛催化剂体系中加入钨、钼等成份,可有效地抑制等成份,可有效地抑制SO2被氧化为被氧化为SO3。八、八、NH3 逃逸率逃逸率NH3逃逸率是指催化反应器出口烟气中所含逃逸率是指催化反应器出口烟气中所含NH3体积分数,体积分数,它
23、反映了未参加反应的它反映了未参加反应的NH3的量。的量。NH3逃逸率之所以受到逃逸率之所以受到高度的重视,主要有两个原因,一是逃逸了的高度的重视,主要有两个原因,一是逃逸了的NH3浪费了浪费了生产成本,可能造成环境的二次污染;二是逃逸了的生产成本,可能造成环境的二次污染;二是逃逸了的NH3与烟气中的与烟气中的SO3反应生成反应生成NH4HSO4和和(NH4)2SO4等粘稠状等粘稠状的铵盐,粘结在空预器等下游设备上,并腐蚀这些设备,的铵盐,粘结在空预器等下游设备上,并腐蚀这些设备,同时增大了沿程阻力。同时增大了沿程阻力。NH3逃逸率一般控制在小于逃逸率一般控制在小于3%。减少减少NH3逃逸率的措
24、施要通过设计合理的空间速率和逃逸率的措施要通过设计合理的空间速率和NH3/NOx的摩尔比来实现。的摩尔比来实现。九、反应器运行压降九、反应器运行压降反应器运行压降指省煤器出口至空预器进口之间烟道的压反应器运行压降指省煤器出口至空预器进口之间烟道的压降,主要反映了烟气经过降,主要反映了烟气经过SCR反应器催化剂层后的压头损反应器催化剂层后的压头损失。正常情况下,反应器运行压降小于失。正常情况下,反应器运行压降小于1000 Pa。美国和欧洲部分电厂的美国和欧洲部分电厂的SCR工艺参数工艺参数电站电站PSNH Merrimack#1机组机组PP&L Montour#2机组机组BEWAGKW Reut
25、erD和和E机组机组Altbach HKWNeckar机组机组装机容量装机容量/MW122745300460燃料种类燃料种类烟煤烟煤烟煤烟煤烟煤烟煤烟煤烟煤烟气量烟气量/m3/h31275026063009300001300000进口进口NOx浓度浓度/mg/m32018600650650出口出口NOx浓度浓度/mg/m322660150200设计脱硝率设计脱硝率/%88.9907781.5设计温度设计温度/660725725698氨逃逸率氨逃逸率/ppm52599.9%,由槽车运来的液氨用压缩机,由槽车运来的液氨用压缩机(图图4-6)进进行卸料,通过卸料压缩机的压差将槽车内的液氨送至储存罐内
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