烟气脱硝装置( SCR)技术

 

烟气脱硝装置( SCR)技术

发明专利申请号201310427521.5

实用新型专利申请号201320579960.9

关键词:  烟气脱硝,脱硝 , 烟气脱硝模块, 脱硝模块

 SCR装置运行原理如下:

氨气作为脱硝剂被喷入高温烟气脱硝装置中,在催化剂的作用下将烟气中NOx 分解成为N2和H2O,其反应公式如下:

催化剂

4NO + 4NH3 +O2 →4N2 + 6H2O

催化剂

NO +NO2 + 2NH3 →2N2 + 3H2O

一般通过使用适当的催化剂,上述反应可以在200 ℃～450 ℃的温度范围内有效进行, 在NH3 /NO = 1的情况下,可以达到80～90%的脱硝效率。

烟气中的NOx 浓度通常是低的,但是烟气的体积相对很大,因此用在SCR装置的催化剂一定 是高性能。因此用在这种条件下的催化剂一定满足燃煤锅炉高可靠性运行的要求。

 烟气脱硝技术特点

SCR脱硝技术以其脱除效率高,适应当前环保要求而得到电力行业高度重视和广泛的应用。 在环保要求严格的发达国家例如德国,日本,美国,加拿大,荷兰,奥地利,瑞典,丹麦等国SCR脱硝技术已经是应用*多、*成熟的技术之一。根据发达国家的经验, SCR脱硝技术必然会成为我国火力电站燃煤锅炉主要的脱硝技术并得到越来越广泛的应用。图1为SCR烟气脱硝系统典型工艺流程简图。

 SCR脱硝系统一般组成

图1为SCR烟气脱硝系统典型工艺流程简图, SCR系统一般由氨的储存系统、氨与空气混合系统、氨气喷入系统、反应器系统、省煤器旁路、SCR旁路、检测控制系统等组成。

液氨从液氨槽车由卸料压缩机送人液氨储槽,再经过蒸发槽蒸发为氨气后通过氨缓冲槽和

输送管道进人锅炉区,通过与空气均匀混合后由分布导阀进入SCR反应器内部反应, SCR反应器设置于空气预热器前,氨气在SCR 反应器的上方,通过一种特殊的喷雾装置和烟气均匀分布混合,混合后烟气通过反应器内催化剂层进行还原反应。

SCR系统设计技术参数主要有反应器入口NOx 浓度、反应温度、反应器内空间速度或还原剂的停留时间、NH3 /NOx 摩尔比、NH3 的逃逸量、SCR系统的脱硝效率等。

 氨储存、混合系统

每个SCR反应器的氨储存系统由一个氨储存罐,一个氨气/空气混合器,两台用于氨稀释的 空气压缩机(一台备用)和阀门,氨蒸发器等组成。氨储存罐可以容纳15天使用的无水氨,可充 至85%的储罐体积,装有液面仪和温度显示仪。液氨汽化采用电加热的方式,同时保证氨气/空气混合器内的压力为350 kPa。 NH3 和烟气混合的均匀性和分散性是维持低NH3 逃逸水平的关键。为了保证烟气和氨气在烟道分散好、混合均匀,可以通过下面方式保证混合:在反应器前安装静态混合器;增加NH3 喷入的能量;增加喷点的数量和区域;改进喷射的分散性和方向;在NH3 喷入后的烟道中设置导流板;同时还应根据冷态流动模型试验结果和数学流动模型计算结果对喷氨系统的结构进行优化。

 喷氨系统

喷氨系统根据锅炉负荷、反应器入口NOx 浓度、反应器出口NOx 浓度测量的反馈信号,控制 氨的喷入量。

 反应器系统

SCR反应器采用固定床形式,催化剂为模块放置。反应器内的催化剂层数取决于所需的催化剂反应表面积。典型的布置方式是布置二至三层催化剂层。在*上一层催化剂层的上面,是一层无催化剂的整流层,其作用是保证烟气进入催化剂层时分布均匀。通常,在第三层催化剂下面还有一层备用空间,以便在催化剂活性降低时加入第四层催化剂层。在反应器催化剂层间设置吹灰装置,定时吹灰,吹扫时间30～120分钟,每周1～2次。如有必要,还应进行反应器内部的定期清理。反应器下设有灰斗,与电厂排灰系统相连,定时排灰。

 省煤器和反应器旁路系统

在省煤器前和反应器之间设置旁路,称之为省煤器旁路。当锅炉负荷降低,烟气流量减少,进入反应器的烟气温度低于要求值时,旁路开通,向反应器导入高温烟气,提高反应器内的温度。此外,在反应器入口和出口间装有一个大的旁路,称之为反应器旁路。反应器旁路的作用是:锅炉负荷降低时使用。例如开机和停机时使用,低负荷时使用和季节性使用。以防止低温造成催化剂中毒及催化剂污染。所有SCR系统旁路的插板门均要保证零泄露。

 催化剂

催化剂是电厂SCR工艺的核心,它约占其投资的l/3。为了使电站安全、经济运行,对SCR工 艺使用的催化剂应达到下列要求:

———低温度时在较宽温度范围具有较高的活性

———高选择性( SO2 向SO3 转换率和其他方面作用低即副反应少)

———对二氧化硫( SO2 ) 、卤族酸(HCl, HF)和碱金属(Na2O、K2O)和重金属(如As)具有化学 稳定性

———克服强烈温度波动的稳定性

———对于烟道压力损失小

———寿命长、成本低理想的催化剂应具有以下优点: 1. 高活性; 2.抗中毒能力强; 3. 好的机械强度和耐磨损性; 4. 有合适的工作温度区间。

 SCR法催化剂基本概念  

 催化剂种类

形状:*初开发的催化剂是粒状的。现在为了防止催化剂层被粉末堵塞,减少压力的损失,而 采用蜂窝状或平板状催化剂。这种催化剂可根据排气中粉末浓度选定格子的间距。图2是蜂窝状催化剂的外观照片。

 组成:一般,催化剂是由①基材(构成催化剂的骨架) 、②载体(使活性金属成分能够较好的分散合保持的材料)以及③活性金属(起催化作用的成分)构成。但现在使用的蜂窝状催化剂不是用基材的,它是把载体材料本身作为基材制成蜂窝状。表1为催化剂的结构及其功能。

 催化剂性能

对催化剂性能影响较大的因素有反应温度、催化剂量、氨的注入量,如图3所示。由于在250～450 ℃(*好是350～400 ℃) ,催化剂有*佳活性,通常脱硝反应设定在这个温度范围内。当反应温度不在这个温度范围内时,催化剂的性能将降低,尤其是在高温区域使用时,由于过热促使催化剂的表面被烧结,使催化剂寿命降低。

 但是,*近随着脱硝装置适用范围的扩大,同时也要求催化剂的使用温度范围扩大,如适用于反应温度200 ℃的垃圾焚化炉(袋滤器出口处设置的脱硝装置)的低温催化剂,或者是适用于反应温度超过550 ℃的单循环气轮机(在气轮机出口处设置的脱氮装置)的高温脱硝催化剂。催化剂反应温度的依赖特性是由催化剂的各种活性成分(V2O5、WO3 等)的含有浓度以及比例所决定的。通过适当地选择活性金属的组成,可以制造适合于各种用途且具有*佳特性的催化剂。图4为活性金属种类和催化剂活性。

 催化剂量是根据脱硝装置的设计能力和操作要求来决定的,增加催化剂量可以提高脱硝性能。在实际中,催化剂的初期充填量是设计要求的*适量和使用期间的损失量之和。一般用SV 值[ SV值=处理气体量(m3 (Vn ) /h ) /催化剂量(m3 ) ]来表示催化剂的充填量指标。脱硝反应时,排放气体中的NOx 和注入的NH3 几乎是以1: 1的物质的量之比进行反应,因此在相同的催化剂充填量下,通过增加NH3 的注入量,也会使NH3的泄漏量增加,所以在决定氨浓度和催化剂量时必须考虑对脱硝装置后部机器的影响。

NH3 量的注入指标用注入的NH3 和处理气体中的NOx 的物质的量(容量)之比(NH3 /NOx )表示,一般根据所要求的脱硝装置性能来设定NH3 /NOx。排放气体中含有的其他成分,如水(H2O) 、氧气(O2 )等,对脱硝性能仅有很小的影响,而SOX、NOx、N2 则没有影响。但是,因NH3 的注入量是根据NH3 和NOx 的物质的量之比决定的,所以NOx 浓度对NH3 泄漏浓度有影响

催化剂性能随时间的变化

在工业装置实际运行时,随使用时间的增加,催化剂性能的下降是不可避免的,其性能下降的

程度随工业装置运行条件(燃料性质、处理气体温度等)而有所不同。通常是以一定反应条件下的反应速度常数(它随着催化剂种类和反应温度而变化)来评价催化剂。催化剂的性能随着使用时间的增加而下降,当其性质不能满足设计要求时,就需要更换催化剂。催化剂从开始使用到换用时为止的时间被称为催化剂的寿命。但是催化剂的寿命与机械零件的寿命不同,催化剂寿命的长短也有很大差异。工业脱硝中,催化剂寿命随工业装置的种类而有所不同,一般燃煤锅炉为5～6 a,燃油锅炉为7～8 a,燃气锅炉为8～10 a。

对于燃煤机组,哈锅推荐脱硝装置选用蜂窝状催化剂,原因如下:

1)在世界燃煤机组的脱硝装置上,蜂窝状催化剂应用*广泛。

2)同波纹板式、板式催化剂相比,蜂窝状催化剂具有如下优点,如表2所示。

 SCR测量控制系统

反应温度控制

在一定温度范围内,随反应温度提高,NOx 脱除率急剧增加,脱硝率达到*大值时,温度继续升高会使NH3 氧化而使脱硝率下降; 反应温度过低,烟气脱硝反应不充分,易产生NH3 的逃逸。

因此要对SCR系统入口烟气温度进行监测并通过调节省煤器旁路开度控制SCR 系统入口烟气温度

氨量控制

在NH3 /NOx 摩尔比小于1 时,随NH3 /NOx摩尔比增加,脱硝效率提高明显; NH3 投入量超过

需要量, NH3 会造成二次污染, 一般控制NH3 /NOx 摩尔比在1. 0左右。NH3 的流量控制阀调节

控制NH3 的流量,控制系统根据反应器入口NOx的浓度、烟气流量、反应器出口所要求NOx 的排放浓度和氨的逃逸浓度计算出氨的供给流量。为保证人身和设备安全,发生下列情况,氨气

阀门自动关闭:低的烟气流量;高的氨气/空气比;催化剂入口烟气温度过高;催化剂入口烟气温度过低;没有来自锅炉的运行允许信号;启动急停开关。

氨稀释空气流量控制

氨稀释用空气流量在SCR 系统运行时被设定好,不再调整。两台空气压缩机,一台备用。当第1台空气压缩机输出气体压力低于设定值或发生故障时,第2台空气压缩机自动启动

氨气蒸发器

氨气蒸发器与储罐为一体化结构,加热器放置在无水氨的液体中,通过氨储罐内的压力控制加热器。当储罐内的压力低于设定压力时,加热器通电加热液氨;加热器过热则断电保护。

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