某造纸厂2×110TH锅炉SNCR法脱硝工程设计

某造纸厂2110T/H锅炉SNCR法脱硝工程设计目 录摘 要1第一章 绪 论31.1设计背景31.2设计任务概况31.2.1纸厂介绍31.2.2地震状况31.2.3锅炉基础数据31.2.4烟气参数31.2.5锅炉设计煤种及校核煤种41.2.6入炉燃料成分41.2.7入炉设计混合燃料分析41.2.8纸厂气象条件51.2.9设计烟气出口参数51.3设计内容和任务51.4设计依据61.5设计原则71.5.1 SNCR脱硝装置的总体设计要求71.5.2 材料的要求7第二章 NO2控制技术及脱硝工艺选择92.1 NO2的产生机理92.2 NOX的危害92.3 电厂烟气与脱硝92.3.1不同国家燃煤电厂NOX排放标准92.3.1.1美国的标准102.3.1.2日本的标准102.3.1.3欧盟的标准112.3.1.4中国的标准122.3.1.5其他国家和地区标准132.3.1.6小结132.3.2我国燃煤电厂NOX排放现状132.3.3烟气脱硝方法的选择142.3.3.1 低NOx燃烧技术（LNBs）152.3.3.2选择性催化还原法（SCR）152.3.3.3选择性非催化还原法（SNCR）15第三章SNCR工艺流程详述173.1 化学原理173.2 工艺流程173.3 SNCR的主要影响因素193.3.1温度193.3.2停留时间193.3.3混合程度193.3.4NH3/NOX摩尔比193.4还原剂的选择203.4.1 无水氨203.4.2 氨水203.4.3 尿素213.4.4 小结213.5尿素SNCR工艺223.5.1 尿素溶液的储存与制备233.5.2 尿素溶液的输送233.5.3 尿素溶液的计量分配233.5.4 尿素溶液的喷射系统233.6 储存与制备系统计算与说明243.6.1系统反应的计算243.6.1.1 NOx的产量243.6.1.2 NOx的处理量243.6.2 尿素料仓的设计263.6.2.1 尿素料仓体积263.6.2.2尿素料仓的直径 263.6.2.3小结273.6.3 尿素溶解罐的设计273.6.4 尿素溶液混合泵273.6.5 尿素储罐的设计273.6.5.1尿素储罐的体积273.6.5.2 尿素储罐的直径283.6.5.3尿素储罐的材质283.6.5.4 小结293.7 输送系统计算与说明293.7.1 管道材料的选择293.7.2 管道流速的设定293.7.3 管道管径的计算293.7.4 管道管径一览表333.7.5 管道的长度及弯头数333.7.6管道参数一览表343.8 阀门的选型353.8.1 阀门的材料353.8.2 阀门的规格353.9 泵的选用353.9.1 液体输送管一览表353.9.2 选用泵的种类36第四章 混合系统的选用374.1 选用方法374.2 喷枪的选用374.3 流量计的选用374.4 空压机的选用38第五章 电气和自动控制系统395.1自动控制方案概述395.1.1自动控制系统的介绍395.1.2 DCS系统概述395.1.3 DCS控制系统设计405.1.3.1设计原则405.1.3.2组网设计415.2 DCS控制系统在SNCR中的应用41第六章 脱硝经济技术分析436.1 概述436.2 工程造价436.2.1 SNCR工艺投资成本436.2.2 SNCR系统原料及公用工程消耗446.2.3系统运行费用估算44参考文献46致 谢47附录1 SNCR工艺流程图附录2带点控制的SNCR工艺流程图附录3 平面布置图附录4 设备一览表某造纸厂2110T/H锅炉SNCR法脱硝工程设计摘 要本设计为某造纸厂2110T/H锅炉进行烟气脱硝技术改造，每台锅炉排放烟气量为236000Nm3/h，其中氮氧化物含量为450mg/Nm3,其主要成分是一氧化氮（约占92.5%）和二氧化氮（约占7.5%）。炉膛出口烟气温度为750890，要求经脱硝处理后的烟气氮氧化物含量低于180mg/Nm3。采用选择性非催化还原法（SNCR）,设计内容包括SNCR脱硝工艺流程图、SNCR的系统计算及设备选型、自动控制系统设计、经济分析等。关 键 词：氮氧化物 催化还原 SNCR 烟气脱硝 A paper mill in 2 110T/H boiler SNCR denitrification engineering design AbstractThis is a design for flue gas denitrification technology of a paper mill in 2 * 110T/H boiler. Each boiler flue gas emissions of 236000 standard cubic meters per hour which wherein the nitrogen oxide content of 450 milligrams per standard cubic meter.In these nitrogen oxide , the main components are NO(about 92.5%) and NO2 (about 7.5%). The temperature of furnace exit flue gas is 750 890 . This design will make the flue gas content of nitrogen oxide below 180 milligrams per standard cubic meter after using the denitrification technique.Selective non-catalytic reduction (SNCR), the design includes SNCR denitrification process flow diagram, SNCR computing systems and equipment selection, automatic control system design, maintenance and operation of economic analysis.Key words: Nitrogen oxides Catalytic Reduction selective non-catalytic reduction (SNCR） gas denitration 第一章 绪 论1.1设计背景氮氧化物（NOX）是大气的主要污染物之一，在我国，氮氧化物的主要来源是煤炭的直接燃烧。近些年来，随着造纸业的产能集中，工业污水治理的技术已逐渐发展成熟，工业锅炉及水泥窑等排放出的尾气，尤其是涉及燃煤的烟气治理问题已逐渐成为新的研究方向。雾霾等恶劣的大气污染正在逐年加重，控制NOX的排放也被各部门提上议事日程，成为“十二五”期间的主要任务之一。1.2设计任务概况对某造纸厂公司的自备电厂进行锅炉烟气脱硝技术改造，使其排放的氮氧化物达到火电厂大气污染物排放标准（GB13223-2011）的要求。1.2.1纸厂介绍纸厂位于某风景区东侧，东临京广铁路一公里、京珠高速公路两公里，西临107国道两公里，交通便利。公司目前已形成制浆、造纸、热电、废水处理、产品营销等门类齐全、功能完善的企业运行系统，企业现年制浆能力10万吨，成品纸年生产能力达到30万吨以上；主要产品有胶版印刷纸、静电复印纸、精书写纸、轻型纸等。1.2.2地震状况厂区处于地震相对稳定区，地震基本烈度为 6 度。1.2.3锅炉基础数据纸厂现有锅炉基本信息见表1.1。表1.1 锅炉基础数据设备型号JG-110/5.3-M数量2台主要设计参数项目参数项目参数生产厂家某能源环保股份有限公司额定蒸汽温度480主蒸汽压力5.3MPa排烟温度150给水温度150锅炉设计效率84.1%1.2.4烟气参数 表1.2锅炉排放烟气情况项目单位数据备注锅炉出口烟气量Nm3/h263000锅炉设计参数炉膛出口烟气温度750890锅炉出口飞灰浓度mg/Nm34562原始SO2排放mg/Nm32400极限值脱硫后SO2排放mg/Nm3200处理前NOx浓度mg/Nm3450极限值 1.2.5锅炉设计煤种及校核煤种表1.3锅炉使用煤种信息序号名称符号单位设计校核1碳Car%61.4454.552氢Har%3.093.323氧Oar%2.695.314氮Nar%0.830.915硫Sar%0.361.036灰分Aar%29.5932.887水分Mar%21.48发热量Qnet，ar，pKcal/kg23706.89212809挥发分Vdaf%14.6822.771.2.6入炉燃料成分1台炉110t/h额度产汽量情况下，燃煤为设计煤种，不考虑沼气。表1.4入炉燃料成分序号名称符号单位沉淀污泥湿草渣麦糠三级处理污泥助燃煤1含碳量Car%8.1313.6913.744.7761.442含水量War%60.0060.0038.9460.002.003含硫量Sar%0.060.020.490.400.364含氮量Nar%0.420.290.400.270.835含灰量Aar%24.0015.2030.2423.4929.596含氧量Oar%6.429.0714.4710.002.697含氢量Har%0.981.741.721.073.098低位发热值Qnet.arKJ/kg1770.805562.33926.99170.423706.899处理量湿重t/d1253080651.2.7入炉设计混合燃料分析1台炉各种工况负荷下，燃煤为设计煤种，不考虑沼气。表1.5入炉设计混合燃料分析名称符号单位100%负荷90%负荷80%负荷70%负荷60%负荷50%负荷含碳量Nar0.610.600.590.570.550.53含水量War26.4627.9529.6331.5533.7636.31含硫量Sar0.310.300.300.290.290.53含氮量Nar0.610.600.590.570.550.53含灰量Aar27.3227.1827.0226.8426.6426.40含氧量Oar5.936.136.356.616.907.24含氢量Har2.242.192.132.061.991.90低位发热值Qnet.arkJ/kg13619.9613005.1312310.4811519.3910610.289554.611.2.8纸厂气象条件表1.6纸厂气象条件一览表极端最高气温/C极端最低气温/C多年平均气温/C年平均相对湿度/%平均最大风速/m.s-1年平均降水量/mm日最大降水量/mm地震裂度/度41.7-16.615732.53972.2636.461.2.9设计烟气出口参数表1.7处理后的烟气参数项目单位指标备注出口NOx的浓度mg/m3180入口NOx450 mg/Nm3NH3逃逸量mg/m38NH3/NO3摩尔比1.21.6SNCR脱硝效率%60%出口180mg/Nm3系统可用率%981.3设计内容和任务（1）还原剂用量的设计（2）还原剂储罐的尺寸、类型和布置方式的设计（3）还原剂储仓的尺寸、类型和布置方式的设计（4）还原剂溶解池的尺寸、类型和布置方式的设计（5）输送管道的大小、类型和布设方式的设计 （6）管道管径大小、管长及管部件类型的设计 （7）阀门类型的选择（8）泵参数及类型的选择 （9）喷枪类型的选择 （10）流量计的选择 （11）空压机的选择（12）设计计算书一份（包括工艺系统计算、各个构筑物计算、工艺管道计算） （13）设计图纸一套，要求采用CAD制图，内容包括 选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术工艺流程图 选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术带控制点的工艺流程图 选择性非催化还原（SNCR）脱硝工艺平面布置图 1.4设计依据（1）火电厂大气污染物排放标准（GB13223-2011）（2）火电厂烟气脱硝工程技术规范-选择性非催化还原法（HJ563-2010）（3）环境空气质量标准（GB3095-1996）（4）化工工艺设计手册（第一版）（上册）（5）环境工程专业毕业设计指南（6）大气污染控制工程（第三版）（7）环境工程设备（8）烟气脱硫脱硝技术手册1.5设计原则1.5.1 SNCR脱硝装置的总体设计要求（1）SNCR脱硝系统满足全天24小时的连续运行，年运行时间不小于8000小时； （2）装置系统先进、安全、可靠、便于运行维护；（3）所有的设备和材料都是新的，并且与尿素溶液有关的设备、管道阀门及相关辅助都采用耐腐材质； （4）两年内装置连续使用率要大于95%； （5）工艺流程具有较强的可实施性、系统布置简洁美观、占地面积小、运行维护费用低、经济效益好、便于观察和监视、运行人员少； （6）要求SNCR脱硝装置在调试过程中，不影响锅炉的正常工作； （7）SNCR脱硝装置能快速投入使用，在负荷调整时有良好的适应性，在运行条件下能可靠且稳定地连续运行，并具有以下运行特性：能适应窑炉的启动、停机及负荷变动； （8）检修时间间隔与机组的要求需一致，不增加机组的维护、检修时间； （9）在设计上留有足够的通道，满足施工、检修的吊装要求。 1.5.2 材料的要求（1）所有关键设备、材料均为全新进口，根据物性及工艺要求，氨水溶液管道材质应选用不锈钢无缝钢管，氨水溶液的相关设备、管道阀门及相关辅材材质选用不锈钢；稀释水管道、压缩空气管道选用普通无缝钢管，稀释水管道、压缩空气管道的阀门及相关辅助材料选用碳钢材质。 （2）所有隔热表面最大温度当环境温度27时不超过50，当环境温度27时保证不大于25加环境温度。 （3）钢结构和设备采用满足区域防腐要求的优质油漆，涂刷不少于两底两面。 （4）SNCR脱硝系统管道介质流向按照电力企业通用要求表示第二章 NO2控制技术及脱硝工艺选择2.1 NO2的产生机理大气中NO2的来源主要有两种，即自然来源和人为来源，人为来源是指在人类在生产活动中产生的，如燃料的燃烧，化工生产等，其中以燃料燃烧产生的NOX最多。燃烧过程中形成的NO2分为三类。一类由燃料中固定氮生成的NO2，称为燃料型NOX（fuel NOX )。天然气中基本不含氮的氧化物，石油和煤中氮原子通常与碳或氢原子化合，大多为氨、氮苯以及其他胺类。这些氮化物的结构可表示为R-NH2，其中R为有机基或氢原子。燃烧中形成的第二类NOX由大气中的氮生成，主要产生于原子氧和氮之间的化学反应。这种NOX只在高温下形成，所以通常称作热力型NOX（thermal NOX)。在低温火焰中由于含碳自由基的存在，还会生成第三类NOX，通常称为瞬时NOX（prompt NOX）。燃烧烟气中NOX主要为NO和NO2，其中NO约占NOX总量的90%以上。2.2 NOX的危害NO对血红蛋白有很强的亲和力，是氧的数十万倍。NO一旦进入血液中，就会取代氧化血红蛋白中的氧，与血红蛋白牢固地结合。长时间处于11.5mg/L的NO环境中易引起慢性咽喉炎、慢性支气管炎等病变，高浓度NO中毒会导致肺部充血和水肿，严重时会窒息死亡。NO还会促使人体早衰、支气管上皮细胞发生淋巴组织增生，甚至肺癌等疾病的发生。氮氧化物与碳氢化合物混合时，在阳光的照射下还会形成光化学烟雾，刺激人的眼睛，发生红眼病，对人的鼻咽喉等呼吸器官有明显的刺激作用，增大呼吸阻力。光化学烟雾对植物的损害，严重时会使作物减产、树木枯死等。氮氧化物还会导致酸雨酸雾的产生，破坏臭氧层，另外，氮氧化物也是导致雾霾的主要物质之一。2.3 电厂烟气与脱硝2.3.1不同国家燃煤电厂NOX排放标准为了控制NOX的排放，大多数工业发达的国家和地区都颁布了明确的法律规定NOX的排放标准。美国1990年的清洁空气法修正案（CAAA)、欧共体1988年发布的88/609/EEC号指令、日本1982年颁布的实施NOX的质量控制规定等，都对这些国家减少NOX的排放起到了宏观指导作用。2.3.1.1美国的标准1971年美国环保署颁布的新固定源排放标准中规定了每个污染源的排放限值和减排效率，其中对NOX排放限值和减排效率见表2.1。美国从1997年7月9日以后，对火电厂氮氧化物的排放限值以绩效标准(Ib/MWh)和单位输入热量的排放(Ib/MBtu)同时给出，2005年2月28日以后新建电厂的排放标准则只有绩效标准，淡化了标准限值与燃煤种类、机组效率之间的关系。表2.1 美国电站锅炉NOX排放标准大于73MW（热）以上的发电机组排放限值Ib/MBtu 折合mg/Nm31971年8月17日1978年9月18日建成的发电机组0.78601978年9月18日1997年7月9日之间建成的机组0.50.6 65%去除率6157401997年7月9日以后建成的发电机组1.6 Ib/MBtu.h（0.15 Ib/MBtu)1002.3.1.2日本的标准早在1973年日本就对燃用化石燃料锅炉提出了NOX排放标准，对燃油燃气锅炉规定了NOX排放限值，并考虑了燃料性质，锅炉形式，烟气量，投产时间等诸多因素。1974年又补充了燃煤锅炉NOX的排放限值，之后经过多次修订和强化，对锅炉NOX排放限值详见表2.2。表2.2日本燃煤电厂NOX排放标准气体排放速度排放限值适用范围700000Nm3/h300ppm（616mg/Nm3)1973年8月10日至1987年3月31日之间建设的电厂200ppm(411mg/Nm3)1987年4月1日以后开始建设的燃煤电厂2.3.1.3欧盟的标准1988年欧洲共同体发布了88/609/EEC导则，该导则适用于12个国家的热功率大于50MW的燃烧装置大气污染物排放限值，并要求欧盟各国在1990年底前对建造的新污染源的污染物排放控制按照此导则执行，同时还要求欧盟各国的现有工厂以1980年的排放量为基准，到1993年排放总量削减10%，1998年前削减30%。之后经过多次修改，于2001年发布了新的导则，对新建和现有火电厂的NOX限值提出严格要求。具体见表2.3。表2.3欧盟2001/80/EC NOX排放限值新建或已有机组燃料类型限值（mg/Nm3)固态：50500MWth500MWth偏远地区600；600（从2016年7月1日起）500；200（从2016年7月1日起）650；1300（挥发分500MWth偏远地区450400450气态：50500MWth500MWth偏远地区3002003502.3.1.4中国的标准我国1991年颁布了燃煤电厂大气污染物排放标准(GB132231991)，之后历经1996年、2003年和2011年三次修订，1996年修订的火电厂大气污染物排放标准中对新建1000t/h以 上的锅炉(对应300MW机组)规定了NOX的排放浓度要求，对于其他锅炉的NOX排放则没有要求。2003年修订的火电厂大气污染物排放标准(GB132232003)，按时段和燃料特性分别规定了燃煤、燃油锅炉的NOX排放限值。2011年修订的火电厂大气污染物排放标准，将新建、已建脱硝装置和预留脱硝场地的燃煤电厂氮氧化物排放限值由200mg/m3调整为100mg/m3 ，火电厂脱硝标准较2003年制定的标准更为严格。除国家标准之外，个别省级政府还根据当地实际情况，颁布了更为严格的地方性排放标准。北京、上海要求新、扩、改建火电厂同步建设烟气脱硝装置，其他省份则是以低氮燃烧技术为原则。北京还要求已有电厂也安装烟气脱硝装置。关于我国燃煤电厂大气污染物排放标准（GB-132232011）中对燃煤锅炉氮氧化物排放的要求见表2.4。表2.4 火力发电锅炉及燃气轮机组大气NO2排放浓度限值序号燃料和热能转化设施类型污染物项目适用条件限值/mg.m-31燃煤锅炉氮氧化物（以NO2计）全部 100 200（1）2以油为燃料的锅炉或燃气轮机组氮氧化物（以NO2计）新建燃油锅炉100现有燃油锅炉200燃气轮机组1203以气体为燃料的锅炉或燃气轮机组氮氧化物（以NO2计）天然气锅炉100其他气体燃料锅炉200天然气燃气轮机组50其他气体燃料燃气机组120注：（1）采用W型火焰炉膛的火力发电锅炉，现有循环流化床火力发电锅炉，以及2003年12月31日前建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批的火力发电锅炉执行该限值。2.3.1.5其他国家和地区标准其他国家和地区氮氧化物排放标准见表2.5表2.5其他国家和地区NOX排放标准国家装机容量或热输入排放标准mg/m3澳大利亚燃料燃烧设备460加拿大所有热输入264GJ/h的新锅炉460新西兰新机组410中国香港670印尼1996年起17002000年起850韩国1999年1月1日720墨西哥1996年起8401998年1月1日785菲律宾1998年1月1日1090中国台北720泰国9402.3.1.6小结与美国、日本以及欧盟的排放标准相比较，可以看出，我国燃煤机组氮氧化物的排放限值与欧盟规定的限值相当，比美国的标准宽松，日本的标准明显严于我国。与许多亚太国家相比，我国的氮氧化物排放标准相对来说还是较为严格的。由于我国燃煤电站所使用的煤质与外国有一定的区别，所以制定的标准也有出入，但是这些标准是符合我国实际情况的，有现实意义。2.3.2我国燃煤电厂NOX排放现状长期以来，我国的能源结构始终以煤为主，78%左右的电力装机是以煤为燃料的火电机组，84%的发电量来自煤电，这一结构给环境保护带来了巨大的挑战。2000年我国所排放的NOX总量约为1200万吨，其中火电厂排放的NOX占35.8%，约430万吨，2004年我国NOX排放量为1860万吨，电力行业约占670万吨，2007年我国火电NOX排放量为838万吨，比2003年的597.3万吨增加近40.3%，2010年该数据增到1050万吨，预计到2020年我国氮氧化物的排放量将达到2900万吨, 如果不加以控制, NOX将对我国大气环境造成严重的污染。我国历年来氮氧化物排放情况见图2-1。基于此，“十二五”期间，国家将加强对氮氧化物的控制力度。图2.1我国历年火电厂排放氮氧化物情况2.3.3烟气脱硝方法的选择根据NOX的产生机理，NOX的控制根据时间可分为燃烧前脱硝、燃烧过程脱硝、燃烧后脱硝。燃烧前脱硝主要是对燃料进行脱硝处理，主要有加氢脱硝和对燃料的洗选，燃前脱硝技术至今尚未发展很好。燃烧中的脱硝技术主要有低温燃烧；低氧燃烧；循环流化床燃烧技术；低氮燃烧；煤粉浓淡分离；烟气再循环技术；燃烧后脱硝是主要的脱硝技术。分为干法脱硝，半干法脱硝和湿法脱硝。干法脱硝包括选择性非催化还原法(SNCR)、选择性催化还原法(SCR）和电子束联合脱硫脱硝法等；半干法有活性炭联合脱硫脱硝法等；湿法有臭氧氧化吸收法、酸吸收法、碱吸收法、氧化吸收法和络盐吸收法。目前通行的烟气脱硝技术是低NOx燃烧技术（LNBs）；选择性非催化还原法(SNCR)和选择性催化还原法(SCR)。2.3.3.1 低NOx燃烧技术（LNBs）我国低NOx燃烧技术开始于20 世纪80 年代, 主要有低氮燃烧器技术、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术。低氮燃烧技术工艺相对简单、经济, 但不能满足较高的NO2排放标准，NOX的脱除率一般为40%，最高只能达到50%。2.3.3.2选择性催化还原法（SCR）选择性催化还原脱硝技术是指在催化剂的存在下，氨基还原剂与烟气中氮氧化物反应生成无害的氮气和水从而达到烟气脱硝效果的一种脱硝技术。该技术脱硝效率高，最高可达90%，技术发展成熟，但是耗费较大，适用于大型锅炉。2.3.3.3选择性非催化还原法（SNCR）此法的脱硝效率约为40%-60%，SNCR建设周期短、投资少、脱硝效率中等，比较适合于中小型燃煤锅炉脱硝改造项目，SNCR技术是已投入商业运行的比较成熟的烟气脱硝技术。三种方法优缺点见表2.6。表2.6各种烟气脱硝方法比较脱硝技术脱销效率工程造价（万元）运行费用（万元/年）经济技术分析性价比LNBs20-30302-3不能保证达标排放系统可靠性不高差SNCR40-60140-1507-8投资较SCR技术低80烟风系统阻力小，可忽略不需要更换引风机良SCR 70-90600-700(不含更换引风机)15-20（不含风机电量增加）投资高，经济效益差催化剂寿命有限，仅3-5年引风机压头余量不足，需更换烟风系统阻力增加1000Pa引风耗电增加15较差由表2-6可以看出，相对于低NOX燃烧技术和选择性催化还原技术，SNCR脱硝技术具有以下优点：（1）系统结构简单，不需改变现有锅炉的设备设施，只需在现有锅炉的基础上增加氨或尿素储罐和喷射装置即可； （2）系统投资小，不需要昂贵的催化剂，运行成本低，有很大的经济优势； （3）系统占地面积小； （4）系统阻力小，对锅炉的正常运行影响小； （5）建设周期短，可尽早投入使用，适用于中小锅炉的改建。结合本工程造纸厂实际情况，综合考虑各项因素选择SNCR脱硝法。第三章SNCR工艺流程详述选择性非催化还原（selective non-catalytic reduction,SNCR)脱硝技术，是在无催化剂的条件下，利用氨气或尿素等还原剂将锅炉中的烟气还原为无毒无害的N2和水的一种烟气脱硝方法。3.1 化学原理利用NH3、尿素等还原剂喷入炉内与NOx进行选择性反应，不用催化剂，因此必须在高温区加入还原剂。还原剂喷入炉膛温度为8501250的区域，该还原剂（尿素）迅速热分解成NH3并与烟气中的NOx进行SNCR反应生成N2，该方法是以炉膛为反应器。研究发现，在炉膛8001250这一狭窄的温度范围内、在无催化剂作用下，NH3或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx，基本上不与烟气中的O2作用，据此发展了SNCR法。在8001250范围内，NH3或尿素还原NOx的主要反应为：1、NH3为还原剂 （3.1） （3.2）2、尿素为还原剂（3.3） （3.4） （3.5）总反应为：（3.6）3.2 工艺流程 SNCR的系统流程图如图3.1所示。系统由还原剂储存、还原剂溶液的配置、还原剂的蒸发、系统喷射部分以及自动控制系统组成。炉膛壁面上安装有还原剂喷嘴，还原剂通过喷嘴喷入烟气中，并与烟气混合，反应后的烟气流出锅炉。氨是以气态形式喷入炉膛，而尿素是以液态喷入。当氨与NOx反应不完全时，未反应的NH3将从系统逸出。反应不完全的原因主要有两个，一是因为反应的温度低，影响氨与NOx的反应；另一个可能是喷入的还原剂与烟气混合不均匀。因此，还原剂喷入系统必须将还原剂喷入到锅炉内有效的部位，以保证氨与NOx反应完全。图3.1SNCR工艺流程示意图3.3 SNCR的主要影响因素影响SNCR脱硝效率的主要有以下几方面因素。3.3.1温度不同还原剂有不同的反应温度范围，此温度范围称为温度窗。NH3的反应最佳温度区为8501100。实验表面，当温度超过1100时，NH3会被氧化成NO，反而造成NOx排放浓度增大。其反应为： （3.7）而当温度低于900时，反应不完全，造成还原剂流失，使NOx还原率降低，对下流设备产生不利的影响，造成新的污染。可见温度过高或过低都不利于对污染物排放的控制。3.3.2停留时间任何反应都需要时间，所以在合适的温度范围内必须保证还原剂在烟气中有足够的停留时间，以期发生还原反应。在相同条件下，还原剂有较长的停留时间，脱硝效果更好。在此时间内，NH3或尿素等还原剂与烟气的混合、水的蒸发、还原剂的分解和NOx的还原等步骤须全部完成，一般要求时间为0.5s。而雾化状态的氨在分解炉的停留时间长短取决于反应炉体的尺寸、烟气流经反应炉体的速度、溶液雾化状况、雾场与烟气混合的形式等因素。尿素氨水的停留时间一般在0.3-0.5s之间。有实验表明停留时间从100ms升至500ms，NOx最大还原率可从60%升至83%左右。 3.3.3混合程度还原剂与烟气的混合程度决定了反应的进程和速度，还原剂和烟气在分解炉内是边混合边反应，混合的效果直接决定了脱销效率的高低。SNCR脱硝效率低的主要原因之一就是混合问题，例如，局部的NOx浓度过高，不能被还原剂还原，导致脱硝效率低；局部的NOx浓度过低，还原剂未全部发生还原反应，导致还原剂利用率低还，增加氨逃逸。因此，还原剂与烟气的混合程度的充分与否，直接影响脱硝成果。3.3.4NH3/NOX摩尔比资料显示，SNCR系统的NH3/NOX比控制在1.02.0之间时，脱硝效率较理想。超过2.5时，虽有利于NOX还原率增大，但同时氨逃逸也会增大，这将会增加运行成本。3.4还原剂的选择脱硝还原剂在整个脱硝系统中是最大的耗品，其使用成本直接影响到脱硝系统的经济评估，因此还原剂的选择是很重要的环节。目前SNCR脱硝系统最常用的还原剂有：无水氨、氨水和尿素。火电厂脱硝还原剂的选择应考虑以下因素：（1）运输和储存的安全性；（2）使用过程的便捷性（包括对员工的技术要求和管理）；（3）发生事故可能造成的经济和其他影响；（4）操作许可的批复；（5）占地面积；（6）投资和运行费用。3.4.1 无水氨无水氨，即液氨，无色气体，有刺激性恶臭，GB12268-90中规定的编号为23003的危险品。氨蒸气与空气混合物爆炸极限为1625%，93以上时亦有爆炸危险，若有石油或其他可燃性物质存在时，则危险性更高。氨气具有腐蚀性，如与氨直接接触，会刺激皮肤，灼伤眼睛，可导致眼睛暂时失明，严重时会永久失明。长期暴露在氨气环境中，会对肺部有害，产生咳嗽或呼吸急促等症状，严重时，会导致呼吸系统积水甚至是死亡。虽然大部分时间都在安全使用，但一旦事故发生，它将形成一个致命的毒云对周围的人群造成严重的伤害。根据建筑设计防火规范，液氨储罐与周围建筑物的防火间距不小于15m，即使按最紧凑的方式布置，液氨储罐区也要超过2000m2的布置场地。 3.4.2 氨水氨水与无水氨都属于危险化学品，含氨大于50%的氨溶液，其危险编号为23003，含氨在35%50%的氨溶液，其危险编号为82503。脱硝用的氨水浓度通常是20%25%，无色透明液体，易分解出氨气，且随着温度的升高，分解速度加快，可形成爆炸性气氛，若温度过高，容器有开裂和爆炸的危险。如果逸出，氨水液体扩散范围较无氨水小，浓度范围易控制，但有强烈的刺激性气味，通常不需压力容器储存，相对无水氨安全，但接触限值与无氨水对人体的影响是一样的。从运输角度看，氨水因浓度较低（仅19%29%），与人接触的频率较无氨水（99%以上）多4倍，所以在这一点上，氨水比无氨水更佳。3.4.3 尿素尿素是白色或浅黄色的结晶体，易溶于水，水溶液呈中性反应。与无水氨和氨水相比，尿素是无毒、无害的化学品、是农业中常用的肥料，无爆炸性，完全不需考虑其危险性。尿素在运输、储存中无需考虑危险性，也无需制定紧急预案处理突发事故。3.4.4 小结对于三种还原剂的优缺点比较见表3.1。表3.1三种还原剂的优缺点比较还原剂优点缺点建议尿素没有溢出危险，设备投资成本低运行成本稍高推荐使用氨水如果溢出，蒸汽浓度较低运输，贮存成本较高不推荐液氨还原剂和蒸发成本最低；氨储罐体积小安全问题，二次污染不使用结合表3-1及三种还原剂的性能比较，从还原剂的安全性能、对环境的危害程度及纸厂的运行成本考虑，尿素在安全性及价格稳定方面占有一定优势。相对于无水氨和氨水，尿素是无毒无害的药品，在运输、储存中完全没有危险性，无需制定紧急预案处理突发事故，而且采用尿素为还原剂，无需对工人进行安全操作培训，可以减少管理费用。尿素的贮存也相对更安全，由于是安全可靠的还原剂，不存在安全防护的占地限制，其占地仅为300m2左右，也无需经过复杂的审批手续。并且中国是全球最大的尿素生产国，可以就近采购。根据本工程实际情况综合考虑，选择尿素作为脱硝还原剂。3.5尿素SNCR工艺以尿素为还原剂的SNCR系统，其工艺流程为：将尿素固体颗粒卸载至尿素料仓，经由计量给料装置进入溶解池，在加热的条件下将尿素固体可以配置成质量浓度为50%的尿素溶液，经输送泵送至尿素溶液储罐，对储罐中的尿素溶液加压从而输送到喷射系统，经布置在锅炉四周的雾化喷嘴喷入锅炉炉膛9001100的区域。从储罐输出的尿素溶液，可根据锅炉不同负荷的要求，配制成不同浓度的尿素溶液，从而达到最佳效果，可配置多个喷嘴以满足不同温度区域的要求。尿素SNCR脱硝工艺流程包括：1、尿素溶液的储存与制备 ；2、尿素溶液的输送；3、尿素溶液的计量分配；4、尿素溶液的喷射系统。见图3-2。图3.2SNCR工艺流程示意图3.5.1 尿素溶液的储存与制备尿素颗粒经料仓倒入溶解池中，同时向溶解池中加入适当温度的热水，将尿素制备成质量浓度为50%的尿素溶液。经输送泵将制备好的尿素溶液送至尿素溶液储罐储存。对于尿素溶液的储存与制备系统有以下几点说明：1、以尿素溶液的总储存量不小于所对应的SNCR系统在锅炉最大工况下5天（24小时）的总消耗量为要求来设计，本设计取7天（24小时）2、尿素溶解设备宜布置在室内，尿素溶液储存设备宜布置在室外。设备间距应满足施工、操作和维修的要求，结合电厂所在地域条件考虑尿素溶液管道的保温。3、尿素筒仓至少设置一个，应设计成锥形底立式碳钢灌，并且应设置热风流化装置和振动下料装置，以防止固体尿素吸潮、架桥及结块堵塞。4、尿素溶解罐应至少设置一座，材料采用不锈钢制造。5、尿素溶解罐应设置人孔、尿素或尿素溶液入口、通风孔、搅拌器口、液位表、温度表口和排放口。6、尿素溶解罐和尿素溶液储罐之间应设置输送泵，输送泵可采用离心泵。3.5.2 尿素溶液的输送对于输送系统的要求：1、多台锅炉可共用一套尿素溶液输送系统。尿素溶液输送泵宜采用多级离心泵。每套输送系统应设计两台输送泵，一台运行，一台备用。2、输送系统应设置加热器。加热器的功率应满足补偿尿素溶液输送途中热量损失的需要。尿素溶液输送系统应设置过滤器3.5.3 尿素溶液的计量分配每台锅炉宜配置一套计量分配系统，计量分配系统应设置空气过滤器。3.5.4 尿素溶液的喷射系统炉前喷射系统共分为5层，从上至下依次为第1喷射层、第2喷射层、第3喷射层、第4喷射层、第5喷射层。每一喷射层均由尿素溶液、雾化蒸汽以及喷枪组成。其中，每一层喷枪的布置均在炉膛折焰角附近。对于喷射系统有如下要求：喷射系统应尽量考虑利用现在锅炉平台进行安装和维修。多喷嘴喷射器应有足够的冷却保护措施以使其能承受反应温度窗口区域的最高温度，可采用风冷冷却。多喷嘴喷射器应有伸缩机构，当喷射器不使用、冷却水流量不足、冷却水温度高或雾化空气流量不足时，可自动将其从锅炉中抽出以保护喷射器不受损坏。每台锅炉应设置一套炉膛温度监测仪。宜结合常用煤种及运行工况进行SNCR计算流体力学和化学动力学模型试验，以确定最优温度区域和最佳还原剂喷射模式。3.6 储存与制备系统计算与说明3.6.1系统反应的计算3.6.1.1 NOx的产量由表1-7可知，设计燃烧产生NOx的量为450mg/Nm3，设计排放值按180mg/Nm3计，则脱硝效率为：每台锅炉出口最大烟气排放量为263000Nm3/h，两台锅炉共排放烟气 V0=2630002=526000Nm3/h则共排放NOx的量为： 526000450=236700000mg/h=236.7kg/h因为NOx中NO占92.5%，NO2占7.5%，则烟气中：NO的含量： 236.792.5%=218.95kg/hNO2的含量： 236.77.5%=17.75kg/h3.6.1.2 NOx的处理量1、NO的处理量： 218.9560%=131.37kg/h2、NO2的处理量：17.7560%=10.65kg/h3、NOx的处理量: mNOx=131.37+10.65=142.02kg/h4、逃逸的氨用量计算 = V0r （3.8）式中：逃逸的氨用量 V0烟气量，Nm3/h r氨逃逸率，mg/Nm3 则： = V0r10-6 =526000510-6 =2.63kg/h设氨氮比为1.5，则炉膛内每次喷射消耗的氨的理论量为： 总的氨投放量为：116.07+2.63=118.70kg/h则尿素的用量 60 34 M 117.391、尿素储罐中尿素溶液的质量浓度为50%，则每小时消耗浓度为50%的尿素溶液的量为 M1=209.4750%=418.94kg/h每小时消耗的溶解水量为 M水=209.47kg/h 容积流量为： M11=418.9411223600=0.0001m/s2、投入炉膛反应的尿素溶液的质量浓度为10%，则每小时消耗浓度为10%的尿素溶液的量为 M2=209.4710%=2094.7kg/h每小时消耗的稀释水量为 M水=2094.7 （1-10%）=1885.23kg/h容积流量为：M水2=1885.2310123600=0.0005m/s3.6.2 尿素料仓的设计3.6.2.1 尿素料仓体积 （3.9）式中：则:圆整为26Nm3。3.6.2.2尿素料仓的直径 式中： （3.10）式中：则：圆整为3.40m。3.6.2.3小结设置1套锥形底立式尿素筒仓，“锥形”斗部的斜度为600，筒仓体积为26Nm3，直径为3.40m，高度3m，制作材料采用碳钢，锥形内衬不锈钢。筒仓设计考虑配备流化风或振动装置来防止尿素吸潮、架桥及堵塞。3.6.3 尿素溶解罐的设计设置两只尿素溶解罐，每只溶解罐体积设计为3Nm3,采用两套螺旋给料机将固体尿素输送到溶解罐。在溶解罐中，用去离子水制成50%的尿素溶液。当尿素溶液温度过低时，蒸汽加热系统启动使溶液的温度升高。材料采用304不锈钢，内衬防腐材质。尿素溶液配制采用计量罐方式。溶解罐设有水流量和温度控制系统，另外还采用输送泵将尿素从储罐底部向侧部进行循环，使尿素更好地结合。3.6.4 尿素溶液混合泵尿素溶液混合泵为不锈钢本体，碳化硅机械密封的离心泵，每只尿素溶解罐设两台泵，一台运行一台备用，并列布置。尿素混合泵利用尿素溶解罐所配置的循环管道将尿素溶液进行循环，以获得更好的混合。3.6.5 尿素储罐的设计3.6.5.1尿素储罐的体积（3.11）式中：则： 取62.80Nm3。因为尿素在撞击、受热的情况下溶易生成氨气，根据工程资料，本设计留出20%左右的空间来防止尿素储罐的压力过高，所以尿素储罐的体积设计为V1=75.36Nm3， 共设置两座储罐，则每座储罐的体积为 37.68Nm3 ,圆整为V1=38Nm3 。 3.6.5.2 尿素储罐的直径（3.12）式中：则： 取3.20m。3.6.5.3尿素储罐的材质尿素具有腐蚀性，需要特殊材料制作的容器储存，根据火电厂烟气脱硝工程技术规范 (选择性非催化还原法) (HJ 5632010)中有关规定,尿素溶液储罐宜采用玻璃钢（FRP）或不低于304的不锈钢制造。本设计中尿素储罐的材质采用304不锈钢。304不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，防锈性能比200系列的不锈钢材料要强。耐高温方面也比较好，一般使用温度极限小于650。304不锈钢还具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。故尿素储罐选用不锈钢304作为制造材料。3.6.5.4 小结根据工程实际情况，本设计选用两座尿素储罐，分为A和B，用来储存配置好的尿素溶液，储罐A和B轮流工作，默认为A储罐，当A储罐液位偏低时换B储罐工作。每座储罐容积为38Nm3，高5.0m，直径3.20m,制作材料选用304不锈钢。储罐为立式平底柱形结构，装有液面、温度显示仪、人孔、梯子、通风孔及蒸汽加热装置（保证温度高于结晶温度50），储罐基础为混凝土结构，储罐放置于室外，四周加有隔离防护栏。3.7 输送系统计算与说明3.7.1 管道材料的选择根据本工程中的工艺物料及工艺要求，尿素溶液管道选用管材主要为不锈钢304无缝钢管，尿素溶液管道阀门及相关辅材用不锈钢304材质。工艺水、压缩空气选用普通锅炉用碳钢管，压缩空气管道阀门及相关辅材选用普通锅炉用钢。3.7.2 管道流速的设定根据化工工艺设计手册（下册）流体常用流速范围以及溶液等的体积流率确定各种输送管道流速和流量，见表3.1。表3.1 各种输送管道流速