煙氣脫硝裝置SCR技術

發明專利申請號201310427521.5

實用新型專利申請號201320579960.9

關鍵詞:  煙氣脫硝,脫硝 , 煙氣脫硝模塊, 脫硝模塊, SCR煙氣脫硝, SNCR煙氣脫硝

  SCR裝置運行原理如下:

氨氣作為脫硝劑被噴入高溫煙氣脫硝裝置中,在催化劑的作用下將煙氣中NOx 分解成為N2和H2O,其反應公式如下:

催化劑

4NO + 4NH3 +O2 →4N2 + 6H2O

催化劑

NO +NO2 + 2NH3 →2N2 + 3H2O

一般通過使用適當的催化劑,上述反應可以在200 ℃～450 ℃的溫度范圍內有效進行, 在NH3 /NO = 1的情況下,可以達到80～90%的脫硝效率。

煙氣中的NOx 濃度通常是低的,但是煙氣的體積相對很大,因此用在SCR裝置的催化劑一定 是高性能。因此用在這種條件下的催化劑一定滿足燃煤鍋爐高可靠性運行的要求。

  煙氣脫硝技術特點

SCR脫硝技術以其脫除效率高,適應當前環保要求而得到電力行業高度重視和廣泛的應用。 在環保要求嚴格的發達國家例如德國,日本,美國,加拿大,荷蘭,奧地利,瑞典,丹麥等國SCR脫硝技術已經是應用最多、最成熟的技術之一。根據發達國家的經驗, SCR脫硝技術必然會成為我國火力電站燃煤鍋爐主要的脫硝技術并得到越來越廣泛的應用。圖1為SCR煙氣脫硝系統典型工藝流程簡圖。

  SCR脫硝系統一般組成

圖1為SCR煙氣脫硝系統典型工藝流程簡圖, SCR系統一般由氨的儲存系統、氨與空氣混合系統、氨氣噴入系統、反應器系統、省煤器旁路、SCR旁路、檢測控制系統等組成。

液氨從液氨槽車由卸料壓縮機送人液氨儲槽,再經過蒸發槽蒸發為氨氣后通過氨緩沖槽和

輸送管道進人鍋爐區,通過與空氣均勻混合后由分布導閥進入SCR反應器內部反應, SCR反應器設置于空氣預熱器前,氨氣在SCR 反應器的上方,通過一種特殊的噴霧裝置和煙氣均勻分布混合,混合后煙氣通過反應器內催化劑層進行還原反應。

SCR系統設計技術參數主要有反應器入口NOx 濃度、反應溫度、反應器內空間速度或還原劑的停留時間、NH3 /NOx 摩爾比、NH3 的逃逸量、SCR系統的脫硝效率等。

  氨儲存、混合系統

每個SCR反應器的氨儲存系統由一個氨儲存罐,一個氨氣/空氣混合器,兩臺用于氨稀釋的 空氣壓縮機(一臺備用)和閥門,氨蒸發器等組成。氨儲存罐可以容納15天使用的無水氨,可充 至85%的儲罐體積,裝有液面儀和溫度顯示儀。液氨汽化采用電加熱的方式,同時保證氨氣/空氣混合器內的壓力為350 kPa。 NH3 和煙氣混合的均勻性和分散性是維持低NH3 逃逸水平的關鍵。為了保證煙氣和氨氣在煙道分散好、混合均勻,可以通過下面方式保證混合:在反應器前安裝靜態混合器;增加NH3 噴入的能量;增加噴點的數量和區域;改進噴射的分散性和方向;在NH3 噴入后的煙道中設置導流板;同時還應根據冷態流動模型試驗結果和數學流動模型計算結果對噴氨系統的結構進行優化。

  噴氨系統

噴氨系統根據鍋爐負荷、反應器入口NOx 濃度、反應器出口NOx 濃度測量的反饋信號,控制 氨的噴入量。

  反應器系統

SCR反應器采用固定床形式,催化劑為模塊放置。反應器內的催化劑層數取決于所需的催化劑反應表面積。典型的布置方式是布置二至三層催化劑層。在最上一層催化劑層的上面,是一層無催化劑的整流層,其作用是保證煙氣進入催化劑層時分布均勻。通常,在第三層催化劑下面還有一層備用空間,以便在催化劑活性降低時加入第四層催化劑層。在反應器催化劑層間設置吹灰裝置,定時吹灰,吹掃時間30～120分鐘,每周1～2次。如有必要,還應進行反應器內部的定期清理。反應器下設有灰斗,與電廠排灰系統相連,定時排灰。

  省煤器和反應器旁路系統

在省煤器前和反應器之間設置旁路,稱之為省煤器旁路。當鍋爐負荷降低,煙氣流量減少,進入反應器的煙氣溫度低于要求值時,旁路開通,向反應器導入高溫煙氣,提高反應器內的溫度。此外,在反應器入口和出口間裝有一個大的旁路,稱之為反應器旁路。反應器旁路的作用是:鍋爐負荷降低時使用。例如開機和停機時使用,低負荷時使用和季節性使用。以防止低溫造成催化劑中毒及催化劑污染。所有SCR系統旁路的插板門均要保證零泄露。

  催化劑

催化劑是電廠SCR工藝的核心,它約占其投資的l/3。為了使電站安全、經濟運行,對SCR工 藝使用的催化劑應達到下列要求:

———低溫度時在較寬溫度范圍具有較高的活性

———高選擇性( SO2 向SO3 轉換率和其他方面作用低即副反應少)

———對二氧化硫( SO2 ) 、鹵族酸(HCl, HF)和堿金屬(Na2O、K2O)和重金屬(如As)具有化學 穩定性

———克服強烈溫度波動的穩定性

———對于煙道壓力損失小

———壽命長、成本低理想的催化劑應具有以下優點: 1. 高活性; 2.抗中毒能力強; 3. 好的機械強度和耐磨損性; 4. 有合適的工作溫度區間。

  SCR法催化劑基本概念 

  催化劑種類

形狀:最初開發的催化劑是粒狀的。現在為了防止催化劑層被粉末堵塞,減少壓力的損失,而 采用蜂窩狀或平板狀催化劑。這種催化劑可根據排氣中粉末濃度選定格子的間距。圖2是蜂窩狀催化劑的外觀照片。

  組成:一般,催化劑是由①基材(構成催化劑的骨架) 、②載體(使活性金屬成分能夠較好的分散合保持的材料)以及③活性金屬(起催化作用的成分)構成。但現在使用的蜂窩狀催化劑不是用基材的,它是把載體材料本身作為基材制成蜂窩狀。表1為催化劑的結構及其功能。

  催化劑性能

對催化劑性能影響較大的因素有反應溫度、催化劑量、氨的注入量,如圖3所示。由于在250～450 ℃(最好是350～400 ℃) ,催化劑有最佳活性,通常脫硝反應設定在這個溫度范圍內。當反應溫度不在這個溫度范圍內時,催化劑的性能將降低,尤其是在高溫區域使用時,由于過熱促使催化劑的表面被燒結,使催化劑壽命降低。

  但是,最近隨著脫硝裝置適用范圍的擴大,同時也要求催化劑的使用溫度范圍擴大,如適用于反應溫度200 ℃的垃圾焚化爐(袋濾器出口處設置的脫硝裝置)的低溫催化劑,或者是適用于反應溫度超過550 ℃的單循環氣輪機(在氣輪機出口處設置的脫氮裝置)的高溫脫硝催化劑。催化劑反應溫度的依賴特性是由催化劑的各種活性成分(V2O5、WO3 等)的含有濃度以及比例所決定的。通過適當地選擇活性金屬的組成,可以制造適合于各種用途且具有最佳特性的催化劑。圖4為活性金屬種類和催化劑活性。

  催化劑量是根據脫硝裝置的設計能力和操作要求來決定的,增加催化劑量可以提高脫硝性能。在實際中,催化劑的初期充填量是設計要求的最適量和使用期間的損失量之和。一般用SV 值[ SV值=處理氣體量(m3 (Vn ) /h ) /催化劑量(m3 ) ]來表示催化劑的充填量指標。脫硝反應時,排放氣體中的NOx 和注入的NH3 幾乎是以1: 1的物質的量之比進行反應,因此在相同的催化劑充填量下,通過增加NH3 的注入量<f