电厂scr为什么不会出现so2u盘中毒 scr

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电厂锅炉SCR烟气脱硝系统设计优化
环境保护( 脱硫脱硝技术专栏)第 38 卷第 11 期 年 11 月 第 2005 11 期中国电力 赵宗让 : ELECTRIC 电厂锅炉 POWER S CR 烟气脱硝系统设计优化Vol. 38 , No . 11 Nov. 2005电 厂 锅 炉 SCR 烟 气 脱 硝 系 统 设 计 优 化赵宗让( 西安热工研究院有限公司 , 陕西 西安710032 )摘要 : 为满足日趋严格的环保要求 , 我国燃煤火电厂今后将逐步建设烟气脱硝装置。系统地研 究 总 结 和分析国内外燃煤电厂锅炉选择性催化还原 ( SCR) 烟气脱硝系统的设计特点与运行经验 , 包括 SCR 系 统 的 技 术原理与设计要求、技术关键、反应塔布置及其催化剂特性、氨逃逸及其对空气预热器的影响、供 氨 与 喷 氨系统等设计优化技术 , 对我国火电厂今后发展 SCR 烟气脱硝技术提供借鉴与指导。 关键词 : 电厂锅炉 ; 烟气脱硝 ; SCR 中图分类号 : X701.3 文献标识码 : A 文章编号 : 1004-9649 ( 2005 ) 11-0069-06氮气 ( N2) 。目前烟气脱硝的主流技术是选择性催化0引言燃 煤 火 电 厂 是 造 成 氮 氧 化 物 ( 主 要 是 NO、 NO2还原 ( SCR ) 与选择性非催化还原 ( SNCR ) , 其中 SCR 烟气脱硝效率可达 90% 以上。在实际工 程 应 用 中 , 降 低 燃 煤 电 厂 锅 炉 NOx 排 放 最 经 济 实 用 的 技 术 途 径就是尽可能通过采用燃烧措施或燃烧系统技术改 造 , 在燃烧过程中最大限度地 抑 制 NOx 的 生 成 , 从 而减少 SCR 脱硝装置的负担 , 降低运行成本。以及少量的 N2O 等 , 统称为 NOx) 排放的主要来源之 导致酸雨 , 在阳光的 一。 NOx 排放会造成环境污染、 作用下生成对人类健康和环境有害的地面层臭氧 ( 烟雾 ) 。根据国家 2003 年环境公报统计数据 , 2003 年全国 SO2 排放量为 2 158.7 万 t , 其中工业生产排 放 的 SO2 约 占 80% , 而 火 电 厂 SO2 排 放 量 估 算 为 目前 , 二氧 950 万 t , 约占全国 SO2 排放总量的 50% 。 化硫污染产生的酸雨 , 已危害了我国国土总面积的 此外 , 我国目前燃煤火电厂的 NOx 排放量估算 30% 。 为 500 万 t/a 左右。 预计在将来的 30 ̄50 a 内 , 煤炭在我国一次能 源生产与消费中的比例将继续保持在 70% 左右。我 国电力工业中以煤炭为 主 的 能 源 格 局 不 会 改 变 , 这 种格局是由中国富煤缺油少气的能源资源特点和经 这种 济发展阶段所决定的 , 煤炭消耗量将持续增长。 以煤炭为主的一次能源生产和消费结构带来了严重 的环境污染问题 , 严重损害了可持续发展的经济和 环境基础。 燃 煤 电 厂 锅 炉 NOx 排 放 控 制 技 术 措 施 可 区 分 为一次燃烧控制措施与 二 次 烟 气 净 化 措 施 ( 烟 气 脱 当仅仅采取一次燃烧措施还不能满足 NOx 硝装置 ) 。 排放标准时 , 就需要在锅炉尾部烟道安装烟气脱硝 装置。 二次控制措施是在燃烧过程结束后 , 在锅炉尾 部烟道进行的烟气净化处理过程 , 即通过烟气脱硝 装置 , 将已经在炉内燃烧过程 中 形 成 的 NOx 还 原 成 收稿日期 : 2005-06-08 ; 修回日期 : 2005-09-061S CR 烟气脱硝技术的发展现状及其在燃 煤火电厂的应用SCR 技 术 自 20 世 纪 70 年 代 在 欧 洲 和 日 本 首先用于燃油和燃气电厂锅炉 , 随后于 80 年代开始逐 渐应用于燃煤电厂锅炉。为满足严格的 NOx 排放标 准, 日 本 开 发 出 了 钒 基 /钛 基 催 化 剂 并 取 得 成 功 经 自 日 本 于 1980 年 底 投 运 了 第 1 台 燃 煤 电 厂 锅 炉 SCR 装置后 , 德 国 为 了 验 证 日 本 开 发 的 SCR 技 术对德国燃煤电厂锅炉的适应性 , 在 60 多个燃煤锅 炉机组进行了 SCR 工业性试验研究 , 并于 1985 年 底在欧洲投运了第 1 台燃煤电厂锅炉 SCR 装置。 美 国 于 20 世 纪 90 年 代 初 期 建 立 了 SCR 工 业 示 范 装 置 , 对美国燃用高硫煤电厂锅炉采用 SCR 技术的适 应性进行了详细的工业性试验验证。 此后 , 为满足日 趋严格的 NOx 排放标准 ( 200 mg/m3) , 欧 洲 其 他 国 家 及美国相继在燃煤电厂锅炉安装了 SCR 装置。 到 1997 年 底 , 日 本 有 61 个 电 厂 约 23 GW 的 欧 洲 约 有 55 GW 燃 煤 锅 炉 机 组 安 装 了 SCR 装 置 , 验 , 奠定了当今 SCR 催化剂技术的基础。的 锅 炉 机 组 共 安 装 了 150 多 台 大 型 SCR 装 置 。 其作者简介 : 赵宗让 ( 1963-) , 男 , 陕西岐山人 , 高级工程师 ( 教授级 ) , 从事发电新技术与洁净煤发电技术研究工作。zhaozongrang@tpri.com.cn69 环境保护( 脱硫脱硝技术专栏) 中 国 电 力 第 38 卷中 德 国 自 1985 年 以 来 , 总 容 量 约 33 GW 的 烟 煤 锅 炉 机 组 安 装 了 SCR 烟 气 脱 硝 装 置 , 大部分为现役 锅 炉 SCR 工 程 改 造 。 美 国 有 8 台 燃 煤 锅 炉 机 组 约 到 2004 年 底 , 美 国 有 3 GW 容 量 安 装 了 SCR 装 置 。 近 200 台 总 容 量 约 100 GW 燃 煤 锅 炉 机 组 安 装 了SO3 转化率表示。在有水的条件下 , SCR 中未参与反应 的 氨 会 与 烟 气 中 的 SO3 反 应 生 成 硫 酸 氢 铵 ( NH4HSO4) 与 硫 酸 铵 ( ( NH4) 2SO4) 等 一 些 不 希 望 产 生的副产品。其副反应过程为 :2SO2+1/2O2 → 2SO3 2NH3+SO3+H2O → ( NH4) 2SO4 NH3+SO3+H2O → NH4HSO4SCR 装 置 。燃煤电厂锅炉 SCR 烟气脱硝技术经历了 30 多 年的研究发展与工程实践 , 在技术上已发展成熟 , 目 前 已 成 功 地 应 用 于 300 MW、 600 MW 与 1 000 MW 大型燃煤电厂锅炉 , 其 中 单 机 容 量 最 大 的 是 应 用 于 美国 Gavin 电厂的 2× 1 300 MW 燃煤锅炉机组。 SCR 脱 硝 效 率 可 达 90% ~ 95% , SCR 装 置 与 低 NOx 燃 烧 系统相结合,32.2高效 S CR 烟气脱硝系统的性能优化设计要求SCR 脱硝效 率 主 要 取 决 于 催 化 剂 特 性 ( 反 应 活性、 结构类型、 使用寿命等) 、 SCR 反 应 塔 入 口 烟 气 参数分布 ( 烟气温度、 烟气流 速 、 NOx 浓 度 与 飞 灰 浓 度、 NH3/NOx 摩 尔 比 等 ) 、 SCR 反 应 塔 设 计 ( 空 塔 速 度―― ―烟气在反应塔空间内停留时间的尺度、烟气 流速、 催化剂层数 ) 等因素。 图 2 为 SCR 脱硝效率和 氨逃逸与 NH3/NOx 摩尔比的关系曲线。可 将 燃 煤 电 厂 锅 炉 NOx 排 放 控 制 在50 mg/m 以内。22.1S CR 烟气脱硝系统性能优化设计S CR 烟气脱硝技术原理典型的燃煤电厂锅炉选择性催化还原 ( SCR ) 烟气 脱 硝 系 统 采 用 氨 ( NH3) 作 为 还 原 介 质 , 主 要 由 供 烟气管道与控制系 氨与喷氨系统、 催化剂 ( 反应塔 ) 、 统等组成。如图 1 所示 , SCR 反应塔通常布置在锅 炉省煤器出口与空气预热器入口之间 , 离开锅炉省 煤 器 的 热 烟 气 在 进 入 SCR 反 应 塔 前 , 在 远 离 SCR 图2 反 应 塔 的 上 游 烟 道 中 喷 入 氨 ( NH3) , 使 氨 与 烟 气 充 分均匀混合后进入反应塔。氨在反应塔中催化剂的 作用下, 在有氧气的条件下选择性地与烟气中的S CR 脱硝效率和氨逃逸与 NH3/NO x 摩尔比的关系 NO x reduction and NH3 s lip vs NH3 /NO x molar ratioFig.2燃 煤 电 厂 锅 炉 SCR 烟 气 脱 硝 装 置 的 脱 硝 效 率 与锅炉设计、 燃烧方式、 燃用煤种及锅炉运行工况密 切相关。因此 , 一个高效的 SCR 烟气脱硝系统不仅 需要对催化剂进行详细的 优 化 设 计 , 而 且 需 要 对 供 氨与喷氨系统、 烟气管道及控制系统进行优化设计 , 使 SCR 系统实现最佳运行状态 , 脱硝效率达到 90% 以上 , 并使氨逃逸量控制在 ( 2~ 3 )× 10- 6 以内。NOx ( 主 要 为 NO 和 少 量 的 NO2) 发 生 化 学 反 应 , 将 NOx 转换成无害的氮气 ( N2) 和水蒸气 ( H2O) 。 SCR 反应塔中的主反应过程为 :4NO+4NH3+O2 → 4N2+6H2O 2NO2+4NH3+O2 → 3N2+6H2O该 反 应 过 程 为 放 热 化 学 反 应 , 由 于 SCR 入 口 烟 气 中 的 NOx 浓 度 一 般 为 烟 气 体 积 流 量 0.05%SCR 系 统 的 技 术 核 心 是 催 化 剂 的 配 方 与 生 产技术工艺。为了使 SCR 脱硝效率达到最高 , 同时使 氨逃逸量控制在最低水平 , 其 技 术 关 键 是 如 何 精 确 控 制 与 调 节 SCR 反 应 塔 入 口 烟 气 中 NH3/NOx 摩 尔 比的分布、 烟气速度分布 以 及 烟 气 温 度 分 布 这 3 个 重要参数 , 使其实现均匀分布。要使 SCR 系统实现 优化运行 , 则要求 SCR 反应塔顶部入口截面上的烟 气速度分布最大允许偏差为 10%~ 15% , 烟气温度分 布最大允许偏差为 10~ 15 ℃, 的最大允许偏差为 5%~ 10% 。~ 0.01% , 还 原 NOx 的 放 热 反 应 所 释 放 的 热 量 相 对较小。 选择性反应意味着不应发生氨和二氧化硫的氧 化反应过程。 然而在催化剂的作用下 , 烟气中的一小 部 分 SO2 会 被 氧 化 为 SO3, 其 氧 化 程 度 通 常 用 SO2/NH3/NOx 摩尔比分布2.3关于 S CR 反应塔的布置方案对于新建或现役燃煤电厂锅炉机组, 根据锅炉燃烧方式、 燃用煤质特性、 场地空间, 以及所 图1 典型的 S CR 烟气脱硝系统流程 使 用 催 化 剂 等 , SCR 反 应 塔 主 要 有 以 下 3 种 布 置 方案。Fig.1Typical S CR proces s for flue gas De-NO x s ys tem70 环境保护( 脱硫脱硝技术专栏) 第 11 期 赵宗让 : 电厂锅炉 S CR 烟气脱硝系统设计优化2.3.1高温侧高飞灰烟气段布置( 5~ 7 m/s) 以清扫催化剂表面。这种布置方案在日本 早期投运的 SCR 装置中应用较多 , 高温静电除尘器 通常在 300 ̄400 ℃高温下运行 , 一般情况下烟气在 进 入 SCR 反 应 塔 前 具 有 足 够 高 的 温 度 而 不 需 要 进 行再加热。SCR 反 应 塔 直 接 安 装 在 省 煤 器 出 口 与 空 气 预热 器 入 口 之 间 ( 见 图 3) , 即 布 置 在 空 气 预 热 器 与 静 电除尘器之前。其主要特点是烟气经过省煤器后进 入 SCR 反应塔时的温度通常为 300~ 430 ℃, 适 合 于 大多数催化剂所要求的工作温度 , 这种方案烟气在 进入 SCR 反应塔前不需要采用气 - 气加热器对其进 行再加热 , 因而投资费用与运行费用较低 , 目前已成 为 新 建 与 现 役 燃 煤 电 厂 锅 炉 安 装 SCR 烟 气 脱 硝 装 置时普遍采用的标准化布置方案。2.3.3低温侧低飞灰尾部烟气段布置SCR 反 应 塔 布 置 在 空 气 预 热 器 和 静 电 除 尘 器以及烟气脱硫装置的下游 ( 见图 4 ) 。即布置在除尘 器与脱硫装置之后。主要应用于欧洲早期对现役锅 烟气经过高温除尘器与脱 炉机组的 SCR 改 造 工 程 。 硫 装 置 后 , SCR 反 应 塔 入 口 飞 灰 浓 度 与 SO2 含 量 极 低, 很少会发生催化剂磨蚀与堵塞问题, 可采用比 表面积较大、中等孔径的催化剂, 催化剂用量少 ( 约 为 高 温 侧 高 飞 灰 烟 气 段 布 置 方 案 的 80% ) , 使 此外, 由于氨在除尘器与脱硫 用 寿 命 较 长 ( 3~ 5 a) 。 装置下游喷入, 没有影响。 因此喷氨对飞灰质量与脱硫废水图3S CR 高温侧高飞灰烟气段布置方案Fig.3S CR reactor at high temperature and high dus t s ide但是 , 由于离开锅炉省煤器的烟气中的全部飞 灰 和 SO2 等 要 全 部 流 过 催 化 剂 , SCR 入 口 烟 气 中 飞 灰浓度较高 ( 20~ 30 g/m3) , 飞灰颗粒粗大 ( 15~ 25 μ m) , 且 SO2 含量较高。催化剂表面的微孔易被飞灰颗粒 及副反应产物硫酸氢铵堵塞 , 飞灰中的微量元素化 合物尤其是气态 As2O3 等会引起催化剂中毒 , 催化 剂表面受粗大飞灰颗粒的冲刷也易被磨损 , 烟气温 度过高时会使催化剂烧结或失效 , 从而使催化剂反 应活性逐渐降低 , 导致脱硝效率的降低。此外 , 氨逃 除 逸 会 影 响 SCR 装 置 的 下 游 设 备 ( 如 空 气 预 热 器 、 尘 器 ) 运 行 性 能 , 同 时 也 影 响 飞 灰 质 量 与 FGD 脱 硫 废水氨含量。 因此 , SCR 采用高温侧高飞灰烟气段布置时 , 需 选择具有较高抗飞灰腐 蚀 与 堵 塞 性 能 的 催 化 剂 , 通 常采 用 较 低 的 烟 气 流 速 ( 4 ~ 6 m/s) , 必 要 时 需 要 对 催 化剂进行硬化处理 , 并需采用较大孔径 ( 7~ 10 mm) 的 催化剂。催化剂用量较大 , 使用寿命约 2~ 3 a。 图4S CR 低温侧低飞灰尾部烟气段布置方案 S CR reactor at low temperature tail end of flue gas s ideFig. 4由 于 烟 气 经 过 脱 硫 塔 后 进 入 SCR 反 应 塔 时 温 度较低 ( 55~ 70 ℃) , 需采用昂贵的气 - 气加热器对烟 气 进 行 再 加 热 ( 250 ℃以 上 ) , 并 需 采 用 燃 油 或 燃 气 进一步提高烟气温度 , 其投资费用与运行费用较高 , 目前很少采用这种方案。2.4氨逃逸及其对下游设备运行性能的影响SCR 反应塔出口烟 气 中 未 参 与 反 应 的 氨 ( NH3)称为氨逃逸。氨逃逸量一般随 NH3/NOx 摩尔比的增 大与催化剂的活性降低而增大 ( 见图 2 ) 。 因此 , 氨逃 逸 量 的 多 少 可 反 映 出 SCR 系 统 运 行 性 能 的 好 坏 及 催化剂活性降低的程度。 在 很 多 情 况 下 , 可 依 据 氨 逃 逸 量 确 定 是 否 需 要 添 加 或 更 换 SCR 反 应 塔 中 的 催化剂。SCR 系统日常运行中监测氨逃逸量的经济 实用方法是对飞灰氨含量进行测试分析。氨逃逸会 导致 : 生成硫酸铵盐造成 催 化 剂 与 空 气 预 热 器 沾 污 积灰与堵塞腐蚀 , 烟气阻力损失增大 ; 飞灰中的氨含 量增大 , 影响飞灰质量 ; FGD 脱硫废水及空气预 热 器清洗水的氨含量增大。 对于燃煤电厂锅炉 , 当 SCR 布置在空气预热器 前时 , 硫酸铵盐会沉积在 空 气 预 热 器 的 受 热 面 上 而2.3.2高温侧低飞灰烟气段布置SCR 反 应 塔 安 装 在 高 温 静 电 除 尘 器 出 口 与 空气预热器入口之间 , 即布置在高温静电除尘器后面。 主 要 特 点 是 烟 气 进 入 SCR 反 应 塔 前 已 经 过 高 温 除 尘器除尘 , 其粉尘含量特别低 ( 0.05~ 0.10 g/m3) , 飞灰 颗粒较细 ( 5~ 10 μ m) , 但 SO2 含量仍然较高。细灰颗 粒易粘结 , 并且无粗 大 飞 灰 颗 粒 的 自 清 扫 作 用 , 因 此易导致催化剂堵塞, 需要采用较高的烟气速度71 环境保护( 脱硫脱硝技术专栏) 中 国 电 力 第 38 卷产生堵塞、 沾污积灰与 腐 蚀 问 题 。 早 期 设 计 的 SCR 要求逃逸控制在 5 × 10- 6 以下 , 但目前的设计要求是 将 氨 逃 逸 控 制 在 ( 2~ 3) × 10 影响。 烟气温 硫酸铵盐的生成取决于 NH3/NOx 摩尔比、 度与 SO3 浓度以及所使用的催化剂成分。烟气中 SO3 的生成量取决于 2 个因素 : 锅炉燃烧形成的 SO3 以及-6烟气在 SCR 反应塔 中 的 空 塔 速 度 是 SCR 的 一 个 关 键设计参数 , 它是烟气体积流量 ( 标准状态下的湿烟 气 ) 与 SCR 反 应 塔 中 催 化 剂 体 积 比 值 , 反 映 了 烟 气 在 SCR 反应塔内的停留时间的大小。 烟气的空塔速度越大 , 其停留时间越短。一般以内, 目的是尽量减少硫酸铵盐的形成 , 以减少氨逃逸对 SCR 下游设备的SCR 的脱硝效率将随烟气 空 塔 速 度 的 增 大 而 降 低 。空 塔 速 度 通 常 是 根 据 SCR 反 应 塔 的 布 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 , 如表 1 所示。 表1 燃煤电厂锅炉 S CR 空塔速度与烟气流速SCR 反 应 塔 中 SO2 在 催 化 剂 的 作 用 下 氧 化 形 成 的 SO3。SCR 设计中通常要求 SO2/ SO3 转化率小于 1%。对于硫酸铵盐造成的堵塞问题 , 大多数电厂使 用吹灰器进行清洗。 经验表明 , 硫酸氢铵容易用水清 除 , 安装 SCR 后空气预热器的清洗次数要增加 , 必 要时空气预热器低温段受热面采用搪瓷材料以避免 酸腐蚀。Tab. 1S uperficial and flue gas velocity of S CR reactor for coal- fired boilers锅炉排渣方式 固态排渣炉 布置在 除尘器前 布置在 除尘器后 液态排渣炉 布置在 除尘器前 布置在 除尘器后SCR的布置方案2.5S CR 烟气旁路系统的设置不同类型的催化剂有不同的最佳工作温度。通空塔速度 /h- 1 烟气流速 /m ? s-12 500~ 3 500 5 500~ 6 500 1 500~ 2 500 4 000~ 5 500 6.1~ 7.4 7.2~ 8.6 3.7~ 5.4 5.3~ 7.2常 , 典型的氧化钛和氧化钒基催化剂的工作温度范 围为 340~ 400 ℃, 最佳反应温度约为 370 ℃, 最低工 作温度约为 320 ℃。 SCR 最低运行温度取决于烟气 中 SO3、 NH3 以及水分等。SCR 反应塔入口烟气温度 较低时易发生硫酸铵盐的沉积 , 烟气温度较高时会 增大 SO2/SO3 的转化率 , 而且长时间处在 450 ℃以上 时会烧结催化剂的活性表面 , 降低反应活性。因此 ,2.7S CR 催化剂的选取SCR 催化剂类型及其使用温度范围 : 氧化钛基催化剂 : 270~ 400 ℃; 氧化铁基催化剂 : 380~ 430 ℃; 沸 石催化剂 : 300~ 430 ℃; 活性碳催化剂 : 100~ 150 ℃。SCR 催 化 剂 的 选 取 是 根 据 锅 炉 设 计 与 燃 用 煤种、 烟气 SCR 反应塔的布 置 、 SCR 入 口 的 烟 气 温 度 、 允许的氨 流速与 NOx 浓度分布以及设计脱 硝 效 率 、 逃逸量、允许的 SO2/ SO3 转化率与催化剂使用寿命 保证值等因素确定的。 氧化钛基催化剂的基体成分为活性 TiO2, 同时 添加增强活性的 V2O5 金属氧化物 , 在需要进一步增 加活性时通常还要添 加 WO3。 此 外 , 还 需 添 加 一 些 其他组分以提高抗断裂和抗磨损性能。根据烟气中SCR 运行期间需严格控制 反 应 塔 入 口 的 烟 气 温 度 ,使 SCR 入 口 烟 气 温 度 维 持 在 最 低 运 行 温 度 以 上 并 应尽量维持在最佳工作温度范围内 , 以避免硫酸铵 盐的沉积 , 提高脱硝效率。 当 SCR 反 应 塔 布 置 在 省 煤 器 与 空 气 预 热 器 之 间时, 为 使 SCR 催 化 剂 在 最 佳 工 作 温 度 范 围 内 运 行 , 通常设置省煤器烟气旁路来调节 SCR 入口烟气 温 度 ( 见 图 1、 3) , 目 的 是 在 锅 炉 低 负 荷 运 行 等 工 况 下当烟气温度降低时 , 以保证 SCR 反应塔中的烟气 温度高于硫酸氢铵的凝结温度 , 从而有效地控制由 于硫酸铵盐凝结导致的催化剂及其空气预热器的沾 污积灰与腐蚀堵塞。 当锅炉启停较为频繁时 , 通常需要采用省煤器 烟气旁路系统 , 对于停炉后快速启动 SCR 装置运行 具有重要作用。SCR 反应塔烟气旁路则是为了在锅 炉机组在冷态启动时防止催化剂受到损害而设置 的。目前新建锅炉机组较少采用 SCR 烟气旁路 , 但 现役机组进行 SCR 改 造 时 采 用 SCR 烟 气 旁 路 的 较 多。设置反应塔烟气旁路时 , 通常在 SCR 反应塔入 口和出口的烟气管道安装隔断挡板, 可方便地对SO2 的含量 , 氧化钛基催化剂中 V2O5 组分的含量通常 为 1% ~ 5% , 在燃用高硫煤时, 为 了 控 制 SO2 向SO3 的转化率 , V2O5 的含量通常不超过 2% 。TiO2 具有较高的活性和抗 SO2 的氧化性。 V2O5 是重要的活 性成分 , 催化剂的 V2O5 含量较高时其活性也高 , 因 此脱硝效率较高 , 但 V2O5 含量较高时 SO2 向 SO3 的 转 化 率 也 较 高 。 添 加 WO3 则 有 助 于 抑 制 SO2 的 转 化 , 可将 SO2 的转化率控制在 1% 以下。 目前 , 燃煤电厂锅炉 SCR 催化剂的主流结构形 式有平板式和蜂窝式 2 种 ( 见图 5 ) 。平板式催化剂 通常采用金属网架或钢板作为基体支撑材料 , 制作 成波纹板或平板结构 , 以氧化钛 ( TiO2) 为基体 , 加入 氧 化 钒 ( V2O5) 与 氧 化 钨 ( WO3) 活 性 组 分 , 均 匀 分 布 在整个催化剂表面 , 将几层波纹板或波纹板与平板 相互交错布置在一起。蜂窝式催化剂则是将氧化钛 粉 ( TiO2) 与其他活性组分以及陶瓷原料以均相方式SCR 装置进行检修而不影响锅炉运行。2.6S CR 反应塔的优化设计SCR 反应塔 中 的 催 化 剂 通 常 垂 直 布 置 , 烟 气 自SCR 反应塔顶部垂直向下 平 行 于 催 化 剂 表 面 流 动 。72 环境保护( 脱硫脱硝技术专栏) 第 11 期 赵宗让 : 电厂锅炉 S CR 烟气脱硝系统设计优化结合在整个催化剂结构中 , 按 照 一 定 配 比 混 合 、 搓 揉均匀后形成模压原料 , 采用 模 压 工 艺 挤 压 成 型 为 蜂窝状单元 , 最后组装成标准 规 格 的 催 化 剂 模 块 。 目前采用日本技术生产的以 TiO2、 V2O5、 WO3 作为活 性成分的蜂窝式催化剂, 约占德国与日本火电厂初次安装的第 2 层催化剂。 更换下来废弃催化剂一般可进行再生处理、 回 收再利用或作为垃圾堆存填埋。一般对催化剂进行 再生处理后得到的催化剂的脱硝效果和使用寿命 接近于新催化剂, 再生处理费用约为新催化剂的SCR 烟气脱硝市场的 70% 。平板式与蜂窝式催化剂通常是制作成独立的 催 化 剂 单 元 ( 见 图 5) , 由 若 干 个 催 化 剂 单 元 组 装 成 安装与处理。平板式催 标准化模块结构 , 便于运输、 化剂的板间距与蜂窝式催化剂的孔径主要根据飞 灰特性确定。与蜂窝式催化剂 相 比 , 平 板 式 催 化 剂 不易发生积灰与腐蚀 , 常用于 高 飞 灰 烟 气 段 布 置 。 但平板式催化剂由多层材料构 成 , 涂 在 其 外 层 的 活 性材料在受到机械或热应力作用时容易脱落, 此 外 , 其活性表层也容易受到磨损。40%~ 50% 。2.9供氨与喷氨系统SCR 烟气脱硝系统以氨作为还原介质 , 供氨系统包括氨的储存、 蒸发、 输送与喷氨系统。氨的供应 有 3 种 方 式 : 液 氨 ( 纯 氨 NH3, 也 称 无 水 氨 或 浓 缩 氨 ) , 氨水 ( 氨的水溶液 , 通常为 25%~ 32% 的 氢 氧 化 铵溶液 ) 与尿素 ( 40%~ 50% 的尿素颗粒溶液 ) 。 目前 , 电厂锅炉 SCR 装置普遍使用的是液氨。 液氨属化学危险物质 , 对液氨的运输与卸载等处理 有非常严格的规程与规定 , 欧洲很多电厂的液氨供 应仅允许使用铁路运输。采用氨水就可以避开适用 于液氨的严格规定。虽然氨水可在常压下运输和储 存 , 但经济性差 , 需要 额 外 的 设 备 和 能 量 消 耗 , 并 需 采用特殊的喷嘴将氨水喷入烟气。德国仅有个别电 厂使用氨水作为 SCR 的还原剂。 采用液氨作为还原剂时, 在喷入烟气管道前需 采用热水或蒸汽对液氨进行蒸发。氨被蒸发为氨气 后, 通常从送风机出口抽取一小部分冷空气( 约占 锅 炉 燃 烧 总 风 量 的 0.5% ~ 1.0% ) 作 为 稀 释 风 , 对 其 进行稀释混合 , 形 成 浓 度 均 匀 的 氨 与 空 气 的 混 合 物 ( 通常将氨体积含量控制在 5% 以内 ) , 通过布置在图5典型的平板式与蜂窝式催化剂单元与模块化结构烟 道 中 的 网 格 状 氨 喷 嘴 均 匀 喷 入 SCR 反 应 塔 前 的 烟气管道 ( 见图 1 ) 。 大型燃煤电厂锅炉烟气管道尺寸非常庞大, 如 前所述 , SCR 喷 氨 系 统 设 计 与 运 行 中 的 关 键 技 术 之 一 , 是如何保证 SCR 反应 塔 入 口 的 烟 气 流 速 和 NOx 浓度的分布与喷入氨的浓度分布相一致 , 以得到较 高的脱硝效率并避免氨逃逸。 为了提高 SCR 装置的 运行性能 , 同时防止飞灰腐蚀与堵塞问题 , 要求烟气 采取的技术措施是采用烟气 均匀进入 SCR 反应塔。 导流挡板与均流装置尽可能使反应塔入口烟气的温 度、 速度与 NOx 浓度均匀 分 布 。 SCR 反 应 塔 的 最 佳 形状与烟气导向挡板和均流装置的最佳结构 , 通常 是通过烟气冷态流动模型试验并结合三维两相流动 数值模拟计算结果来确定的。 同时 , 根据烟气速度分 布与 NOx 的分布 , 需要采 用 覆 盖 整 个 烟 道 截 面 的 网 格型多组喷嘴设计 , 把氨与空气的混合物均匀地喷 射到烟气中 , 并采用多组阀门以尽量单独控制各喷 嘴的喷氨量。 为使氨与烟气在 SCR 反应塔前有较长 的混合区段以保证充分混合 , 应尽可能使氨从远离 反应塔入口处喷入。Fig.5Typical plate-type and honey comb-type catalys t units and modules2.8S CR 催化剂的更换方案SCR 反应塔中的催化剂在运行一段时间后其反应活性会降低 , 导 致 氨 逃 逸 量 增 大 。 SCR 催 化 剂 活 性降低主要是由于重金属元素如氧化砷引起的催化 剂中毒、飞灰与硫酸铵盐在催化剂表面的沉积引起 的催化剂堵塞、 飞灰冲刷引起的催化剂磨蚀等 3 方 面的原因。 为了使催化剂得到充分合理利用 , 一般根据设 工 计脱硝效率在 SCR 反应塔中布置 2~ 4 层催化剂。 程 设 计 中 通 常 在 反 应 塔 底 部 或 顶 部 预 留 1~ 2 层备 用层空间 , 即 2+1 或 3+1 方案。采用 SCR 反应塔预 留备用层方案可延长催化剂更换周期 , 一般节省高 达 25% 的需要更换的催化剂体积用 量 , 但 缺 点 是 烟 道阻力损失有所增大。SCR 反应塔一般初 次 安 装 2 ~ 3 层催化剂, 当催化剂运行 2~ 3 a 后 , 其反应活性将降低到新催化剂 的 80% 左 右 , 氨 逃 逸 也 相 应 增 大 , 这 时 需 要 在 备 用 层空间添加一层新的催化剂 ; 在运行 6~ 7 a 后开始 更换初次安装的第 1 层 ; 运行约 10 a 后才开始更换SCR 脱硝效率是通过喷氨量来调整的 , 因此喷氨部位的选取同 NH3/NOx 比摩尔比一样重要。加氨73 环境保护( 脱硫脱硝技术专栏) 中 国 电 力 第 38 卷部位应在 NOx 浓度及烟气流速分布均匀的地方。加 氨 量 是 根 据 SCR 入 口 NOx 浓 度 和 允 许 的 NOx 排 放 以氨逃逸量作为 浓度 , 通过反馈信号来修正喷氨量。 反馈信号来控制加氨是不可靠的 , 因为很难精确测 定 NH3 的逃逸量。 NH3/NOx 摩尔比表示需要的喷氨 量的多少。脱硝效率一般随 NH3/NOx 摩尔比的增大 而增大 , 但当 NH3/NOx 摩尔比大于 1.0 时 , 氨逃逸量 会急剧增大。 同时 , 氨氧化等副反应的反应速率也将 增大。 所以 , 实际运行中通常将 NH3/NOx 摩尔比控制 在 0.75 ̄1.00 。的经验教训 , 对我国火电厂今后发展 SCR 烟气脱硝 技术具有重要的指导意义。SCR 烟气脱硝系统与锅 炉设计、 燃烧系统与燃用煤种 , 以及锅炉运行条件密 切 相 关 , 因 此 , 我 国 燃 煤 电 厂 锅 炉 今 后 发 展 SCR 烟 气脱硝技术应针对锅炉设计特点与燃煤特性, 对SCR 应用于我国燃煤电厂 锅 炉 的 适 应 性 进 行 深 入 、全面、 系统的试验研究。参考文献 :[ 1 ] HIJALMARSSON A K. NOx Control technoloies for coal combustion3结语SCR 烟气脱硝技术在国际上已发展成熟 , 并已[ R ] . IEACR/24 , IEA Coal Research , 1990. [ 2 ] USDOE and Sourth CompanyServices.Clean coal technologyprogram,Control of nitrogen oxide emissions:Selective Catalyst Reduction成 功 地 应 用 于 600 MW、 1 000 MW 等 大 型 燃 煤 电 厂 锅 炉 。 我 国 在 SCR 烟 气 脱 硝 技 术 应 用 方 面 刚 刚 起 华阳电业有限公司 步 , 目前仅有台塑集团投资建设、 运营的福建漳州后石 6× 600 MW 超临界发电进口锅 国内目前正 炉机组全部安装了 SCR 烟气脱硝装置。 在建设的有福建厦门华夏国际电力公司( 嵩屿电 北京国华电 厂 ) 4× 300 MW 燃煤锅炉机组 SCR 工程、 力有限责任公司投资建设的浙江国华宁海电厂 4 号( SCR ) [ R ] .Topical report number 9 , 1997. [ 3 ] PRITCHARD S, KANEKO S, SUYAMA K, et al. Optimizing SCRcatalyst design and performance for coal-fired boilers ,EPA/EPRIjoint symposium for stationary combustion NOx control [ R ] .1995.[ 4 ] KIEFER R , Siemens AG, Power Generation ( KWU) . Post combustion NOx control measures and operating experiences [ R] . The Power- Gen Europe , 1997.[ 5 ] COPOLO T K . Low dust SCR system experience for coal fired boilers [ A] . 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Ltd. , Xi'an 710032 , China) Abstr act : Coal-fired power plants in China are to be equipped with flue gas De-NOx systems in the near future to meet the even more strict criteria for pollutant emission.This paper introduced the design features and operation experience of the Selective Catalyst Reduction( SCR ) to control NOx emission in large-scale coal-fired plants, mainly including the technical principle, design specification, keytechnology, reactor arrangement and catalyst characteristic, ammonia slip and its impact on the downstream air preheater, ammonia supply and injection system for SCR system performance optimization. The experiences make reference for the development of China's future SCR systems. Key wor ds: coal-fired boiler; flue gas De-NOx ; SCR保护环境74为民造福}

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