烟气脱硝技术培训概要

烟气脱硝技术培训概要第一节低NOx燃烧技术据统计，目前人为排放的NOx90%以上来自于矿物燃料的燃烧过程，如煤、石油、天然气等等。随着人类生产活动和社会活动的增加，特别是自工业革命以来，由于大量燃料的燃烧、工业废气和汽车尾气的排放，使大气环境质量日益恶化，到现在已是非治不可。在各类大气污染物中，燃煤产生的污染最为严重，属不清洁能源。燃煤产生的SO2和NOx污染控制是目前我国大气污染控制领域最紧迫的任务。国外发达国家早已把对NOx的控制放到防治酸雨的首位，纷纷制定严格的火电厂NOx排放浓度标准（如欧盟的NOx排放浓度标准为200～400mg/m3）。我国火电工业每年耗煤近5.3亿吨，环保压力非常巨大。2004年国家新的大气排放标准实施后，对火电厂氮氧化物排放要求有了大幅度的提高，制定了火电厂NOx排放浓度标准（分为三个时段），NOx排污收费标准为0.63元/kg。一．燃烧过程中NOx的生成机理“热力”NOx——氮气氧化N2+O2=2NONO+1/2O2=NO2影响“热力”NOx的主要因素是温度、氧气浓度和停留时间。“快速”NOx——碳化氢燃料过浓时燃烧在温度低于2000K时，NOx的形成主要通过CH-N2反应，即“快速”NOx途径。当温度升高，“热力”NOx比重增加。影响“热力”NOx的主要因素是CH原子团的浓度及其形成过程、N2分子反应生成氮化物的速率、氮化物间相互转化率。通常情况下，在不含N的CH燃料低温燃烧时，才重点考虑“快速”NOx。与“热力”NOx和“燃料”NOx相比，它的生成要少得多。“燃料”NOx——燃烧时有机物中的原子N分解出来并生成NOx燃料氮转化成NOx的量主要取决于空燃比，较少依赖于反应温度。当燃料中氮的含量超过重量的0.1%时，化学地结合在燃料中的N转化成NOx的量就越来越占主要地位。煤、重油和其它高N燃料，“燃料”NOx的形成是主要的。(4)煤燃烧过程中NOx的生成煤粉燃烧过程中生成的NOx大部分是“燃料”NOx。煤中的N生成NOx是通过挥发分中N的气相氧化和碳中的N多项氧化两个途径。煤中的N在挥发分中和在碳中的比例与热解速度有关。温度低时，绝大部分N留在碳中；温度高时，70%~90%的氮在挥发分中，此时“燃料”NOx主要来自挥发分中的氮。一些研究数据表明，在贫燃料燃烧时挥发N生成NOx中的57%~61%，而在富燃料时，这个比例迅速降低，使碳中N的多相氧化成为NOx的主要来源。挥发分N向NOx的转化对于空燃比很敏感，通过合理调节燃烧过程形成富燃料区，可以大大减少这种转化。基于以上特点，减少燃煤生成的NOx，主要是设法建立富燃料区，使燃料N在其中尽可能多地挥发，在贫氧、富燃料条件下使易氧化的燃料N转化为稳定无害的N2。二．低NOx燃烧技术低NOx燃烧控制主要是抑制和减少锅炉燃烧过程中的NOx的产生，有以下几种形式：低氧燃烧、排气循环燃烧、注入水蒸气或水、二级燃烧、浓淡燃烧、分段燃烧、降低空气比等。其中效果最好的是二级燃烧和浓淡燃烧。燃烧控制能减少20%～50%的NOx生成，技术简单，不占地，费用较低。但是进一步提高NOx的脱除率很难，不能满足环保标准的提高，而且低NOx燃烧通常伴随的是燃烧效率降低，不完全燃烧损失增加，煤耗增加。同时会使飞灰特性发生变化，影响灰渣的凝硬性及烧失量，给电厂灰渣的综合利用带来影响。要进一步降低烟气中NOx的浓度，当前脱硝最有效、技术最成熟的方法就是燃烧后控制即烟气脱硝。第二节选择性催化还原烟气脱硝技术选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术，是20世纪80年代初开始逐渐应用于燃煤锅炉烟气脱除NOx，是目前世界上应用最多而且最有成效的烟气脱硝技术。一．SCR工艺流程和过程化学（一）SCR工艺流程选择性催化还原是基于在催化剂的作用下，喷入的氨把烟气中的NOx还原成N2和H2O。还原剂以氨为主。催化剂有板式和蜂窝式两类。SCR反应器置于锅炉之后，如下图所示。高粉尘低粉尘尾部设置第一种布置的优点是进入反应器烟气的温度达到300~400℃，多数催化剂在此温度范围内有足够的活性，烟气不需要加热可获得好的NOx脱除效果。但催化剂处于高尘烟气中，寿命会受下列因素影响：（1）飞灰中K、Na、Ca、Si、As会使催化剂污染或中毒；（2）飞灰磨损反应器并使蜂窝状催化剂堵塞；（3）烟气温度过高会使催化剂烧结或失效。第二种布置的优点是催化剂不受飞灰的影响。但需高温电除尘器。第三种布置若SCR反应器置于湿式FGD系统之后，催化剂既不受飞灰的影响，也不受SO3等气态毒物的影响，但由于烟温较低，一般需用气-气换热器或采用燃料气燃烧的方法将烟气温度提高到催化还原反应所必须的温度。在工业应用中常常采用第一种布置。整个SCR烟气脱硝系统分为两大部分，即SCR反应器系统（反应器、催化剂、氨喷射器等）和液氨存储及供应系统（氨压缩机、液氨储罐、蒸发器、缓冲罐、稀释槽等）。SCR系统设置分有烟气旁路和没有烟气旁路两种。如有旁路，SCR反应器中烟气的温度可通过调节经过省煤器的烟气与通过旁路烟气的比例来控制。氨喷射器（AIG）的安装位置在SCR反应器的上部以保证喷入的氨与烟气充分混合。（二）SCR过程化学SCR的化学反应机理比较复杂，但主要的反应是NH3在一定的温度和催化剂的作用下，有选择地把烟气中的NOx还原为N2。4NH3+4NO+O2─4N2+6H2O（A）4NH3+2NO2+O2─3N2+6H2O（B）上面第一个反应是主要的，因为烟气中几乎95%的NOx是以NO的形式存在的。在没有催化剂的情况下，上述化学反应只在很窄的温度范围内（980℃左右）进行，即选择性非催化还原（SNCR）。通过选择合适的催化剂，反应温度可以降低，并且可以扩展到适合电厂实际使用的290~430℃范围。催化剂中最常用的金属基含有氧化钒、氧化钛。在反应条件改变时，还可能发生以下副反应：4NH3+3O2─2N2+6H2O（1）2NH3─N2+3H2（2）4NH3+5O2─4NO+6H2O（3）发生NH3分解的反应式（2）和NH3氧化为NO的反应式（3）都在350℃以上才进行，450℃以上才激烈起来。在一般的选择性催化还原工艺中，反应温度常控制在300~400℃，因此NH3氧化为N2的副反应式（1）很难发生。NH3和NOx在催化剂上反应的主要过程为：1.NH3通过气相扩散到催化剂表面；2.NH3由外表面向催化剂孔内扩散；3.NH3吸附在活性中心上；4.NOx从气相扩散到吸附态NH3表面；5.NH3和NOx反应生成N2和H2O；6.N2和H2O通过微孔扩散到催化剂表面；7.N2和H2O扩散到气相主体。由上述反应过程可知，反应式（A）和式（B）主要是在催化剂表面进行的，催化剂的外表面积和微孔特性很大程度上决定了催化剂的反应活性，上述7个步骤中，速度最慢的为控制步骤。二．SCR脱硝效率的主要影响因素在SCR脱硝工艺中，影响脱硝效率的主要因素是反应温度、反应时间、催化剂性能、NH3/NOx摩尔比等。（一）反应温度的影响低温催化剂中温催化剂脱硝率(%)催化剂厚度反应温度(C)反应温度对脱硝率有较大的影响。在300~400℃范围内（对中温触媒），随着反应温度的升高，脱硝率逐渐增加，升至400℃时，达到最大值（90%），随后脱硝率随温度的升高而下降。在SCR过程中温度的影响存在两种趋势，一方面是温度升高是脱硝反应速率增加，脱硝率升高；另一方面温度的升高NH3氧化反应开始发生，使脱硝率下降。因此，最佳温度是这两种趋势对立统一的结果。（二）NH3/NOx摩尔比对脱硝率的影响脱硝率(%)在310℃下，脱硝率随NH3/NOx摩尔比的增加而增加，NH3/NOx摩尔比小于0.8使，其影响更明显，几乎呈线形正比关系。该结果说明若NH3投入量偏低，脱硝率受到限制；若NH3投入量超过需要量，NH3氧化等副反应的反应速率将增大，从而降低脱硝率，同时也增加了净化气中未转化NH3的排放浓度，造成二次污染。（三）接触时间对脱硝率的影响在310℃下和NH3/NOx摩尔比为1的条件下，脱硝率随反应气与催化剂的接触时间t的增加而迅速增加，t增至200ms左右时，脱硝率达到最大值，随后脱硝率下降。这主要是由于反应气体与催化剂的接触时间增加，有利于反应气体在催化剂微孔内的扩散、吸附、反应和产物气的解吸、扩散，从而使脱硝率提高。但是，若接触时间过大，NH3氧化反应开始发生，使脱硝率下降。（四）催化剂中V2O5含量对脱硝率的影响催化剂中V2O5含量的增加，催化效率增加，脱硝率提高，但是，V2O5含量超过6.6%时，催化效率反而下降，这主要由于V2O5在载体TiO2上的分布不同造成的。当V2O5含量在1.4%~4.5%时，V2O5均匀分布于TiO2载体上，并且以等轴聚合的V基形式存在；当V2O5含量为6.6%时，V2O5在载体TiO2上形成新的结晶区——V2O5结晶区，从而降低了催化剂的活性。三．SCR催化反应器的设计催化剂和反应器是SCR系统的主要部分。几乎所有的催化剂都含有少量的氧化钒和氧化钛，因为它们具有较高的抗SO3的能力。催化剂的结构、形状随它的使用环境而变化。为避免被颗粒堵塞，蜂窝状、板式催化剂部件都是常用的结构，而最常用的是蜂窝状，因为它不仅强度好，而且容易清理。为了使被飞灰堵塞的可能性减到最小，反应器都要垂直放置，并使烟气由上而下流动。此外，还可用吹灰器来防止颗粒的堆积。SCR系统的性能主要由催化剂的质量和反应条件所决定。在SCR反应器中催化剂体积越大，脱硝率越高同时氨的逃逸率也越低，然而SCR工艺的费用也会显著增加，因此，在SCR系统的优化设计中，催化剂体积是一个很重要的参数。在给定脱硝率和氨逃逸率的情况下，所需的催化剂的体积是由NOx的入口浓度所确定的；而当NOx的入口浓度和氨逃逸率一定时，所需的催化剂的体积则依赖于系统所需要的脱硝率。催化剂的体积也取决于催化剂的可靠寿命，因为催化剂的寿命受很多不利因素的影响，如中毒和固体物的沉积。对SCR系统进行优化设计则需考虑在催化反应器的入口处合理分布烟气和氨。研究表明导流板、混合器、氨喷射器和烟道等对SCR系统产生影响。在最初的催化剂体积的设计中也应考虑适当放大催化剂的量，同时还要考虑反应器中有效区域的变化。研究发现反应器中有些部位的温度常偏离设计温度从而导致脱硝率的改变，因此，催化反应器的设计通常在平均温度值的±15℃范围内进行，气流的入口装置应设计可使烟气各断面上相等。催化反应器的设计还要考虑气流的不均衡的扩散速度。对一个给定的脱硝率来说，NH3/NOx摩尔比不应超过理论值的±5%以上。过大的偏离会降低脱硝反应，导致氨逃逸率增大，并需要更大的催化剂体积。催化剂的寿命决定着SCR系统的运行成本。催化剂置换费用约占系统总价的50%。目前催化剂的寿命一般为2~3年。第三节国华太仓2×600MW机组烟气脱硝项目一．基本设计原则本脱硝工程安装脱硝装置的机组规模为2×600MW。安装两套处理100%烟气量的脱硝装置。脱硝工艺采用选择性催化还原脱硝法（SCR）。脱硝效率≥90%。脱硝装置不设省煤器旁路和反应器旁路。脱硝还原剂采用无水液氨。装置设计寿命为30年，与对应的主机寿命一致。系统可用率≥95%。锅炉主要参数2×600MW锅炉主要设备参数设备名称参数名称单位参数锅炉型号上海锅炉厂、超临界、中间再热、控制循环、四角切园、喷燃、固态排渣、露天布置、煤粉锅炉BMCR工况最大连续蒸发量t/h1913过热蒸汽压力MPa(g)25.4过热蒸汽温度℃571设备名称参数名称单位参数省煤器出口烟气量m3/h4487885省煤器出口烟气温度℃378省煤器烟气平均流速m/s9.85空气予热器型式回转式传热面积m2出口烟气温度℃129入口空气温度℃23/27出口空气温度℃323/337除尘器室数/电场数2/4除尘效率%≥99.75引风机型式静叶可调轴流式AN35e6数量\运行方式2台\并联风机入口体积流量（BMCR）m3/s2×414.72风机入口温度℃122风机全压升Pa4006风机轴功率kW1941烟囱型式单筒钢筋混凝土结构承重、双钢内筒，出口直径