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朱全利 锅炉脱硝 SCR 第1章NOX的生成 煤燃烧产生的NOx主要是NO和NO2 另有少量N2O 在煤的燃烧过程中 NOx的生成量和排放量与燃烧方式 特别是燃烧温度和过量空气系数等密切相关 燃烧形成的NOx可分为燃料型 热力型和快速型 一 燃料型NOx煤中的氮一般以氮原子的形态与各种碳氢化合物结合成氮的环状或链状化合物 燃烧时 空气中的氧与氮原子反应生成NO NO在大气中被氧化成毒性更大的NO2 这种燃料中的氮化合物经热分解和氧化反应而生成的NO称为燃料型NOx 煤燃烧产生的NOx 其中75 90 是燃料型NOx 二 热力型NOx热力型NOx是指空气中的N2与O2在高温条件下反应生成的NOx 以煤粉炉为例 在燃烧温度为1350 时 几乎100 是燃料型NOx 但当温度为1600 时 除了反应温度对热力型NOx的生成有决定性影响外 还和N2浓度以及停留时间有关 过量空气系数和烟气停留时间对热力型NOx的生成有很大影响 三 快速型NOx快速型NOx主要是指燃料中碳氢化合物在燃料浓度较高的区域燃烧时所产生的烃 与燃烧空气中的N2发生反应 形成的CN和HCN化合物继续被氧化而生成的NOx 第2章SCR催化原理 催化还原法 SCR 根据NOx还原作用与还原剂的关系可以分为非选择性化还原 Non SelectiveCatalyticReduction 和选择性催化还原 SelectiveCatalyticReduction 两种 非选择性NO催化还原的机理类似于直接分解 还原剂的作用只是清除催化剂表面的氧 废气中氧气 H2O和SO2等都会对催化剂的活性产生严重的影响 因此非选择性还原没有实际应用前景 当前应用最多的SCR技术以NH3作还原剂 V2O5 TiO2为催化剂来降解火电厂排放的NOx 这也是目前唯一能在氧化气氛下脱除NOx的实用方法 1979年 世界上第一个工业规模的SCR装置在日本Kudamatsu电厂投入运行 NH3 SCR过程通常是在空气预热器的上游将还原剂NH3注入含有NOx的烟道气中 随后NOx在催化剂的作用下被还原为N2和水 典型的SCR脱硝反应器示意图 NH3喷射 温度范围 350 400 可达到90 以上脱硝率 投资费用高 空间限制 NH3泄漏 SO3排放 催化剂中毒失火 应用 超过75台锅炉 旋风炉 墙燃炉 切燃炉 容量范围 122 1300MW 原理 利用NH3做还原剂 在300 400 温度范围和一定的催化剂 铁 钒 铬 铜 钴或钼等金属氧化物 作用下 使烟气中的NOX还原为无害的N2和H2O 主反应机理 8NH3 6NO2 7N2 12H2O4NH3 6NO 5N2 6H2OSCR特点 1 90 95 NOX削减率 2 氨泄漏量低 0 5ppm 3 极好的空燃比控制 接近1 0 4 广泛应用于日本 欧洲的燃气 燃油和燃煤锅炉问题 投资及运行费用高 催化剂中毒 氨储存 粉煤灰综合利用 第3章SCR的工艺与设备 选择性催化还原系统安装于锅炉省煤器之后的烟道上 NH3通过固定于注氨格栅上的喷嘴喷入烟气中 与烟气混合均匀后一起进入填充有催化剂的脱硝反应器 反应器通常垂直放置 也有个别水平放置的 NOx与NH3在催化剂的作用下发生还原反应 反应器中的催化剂分上下多层 经过最后一层催化剂后 使烟气中的NOx控制在排放限值以内 省煤气旁路是用来调节温度的 即通过调节经过省煤器的烟气与通过旁路的烟气比例来控制反应器中的烟气温度 氨喷射器安装位置在反应器的上游足够远处 以保证喷入的氨与烟气充分混合 一 供氨与注氨系统贮存在液氨罐的高纯液氨经气化器加热后 由液态氨转为气态氨 通过供氨管路送至催化剂反应器前的喷氨汇流排上 最后由喷氨格栅均匀地注入反应器前的烟道 由于氨的爆炸极限15 28 在空气中的体积比 为保证安全和分布均匀 氨气注入烟道前由稀释风机提供空气并进行体积浓度稀释 实现氨气与空气的混合比为低于5 二 催化反应系统注入烟道后的氨气随烟气气流自上而下垂直进入SCR脱硝反应器 在280 400 的温度条件下及催化剂的作用下 将烟气中的NOx催化降解为无害的N2和H2O 三 检测与控制系统氨的注入量控制是由SCR进出口在线的NOx O2监视分析仪测量值 烟气温度测量值 稀释风机流量 烟气流量 由燃煤流量换算求得 来控制的 NH3监视分析仪监视NH3的逃逸率 设计上一般小于3 超限则报警并自动调节NH3注入量 四 辅助系统氨气注入格栅前分配管上设有压缩空气管道 当注入格栅喷头发生堵塞时进行吹扫 在氨气进装置分管阀后设有氮气预留阀及接口 在停工检修时用于吹扫管内氨气 SCR内设置吹灰器 吹扫介质为蒸汽 吹扫频率根据SCR压差决定 工艺参数 一 入口NOx浓度由于各种组分 包括NOx NH3 在烟气中分布并不均匀 以下所说的组分浓度均为平均浓度 对于特定的锅炉 SCR反应器入口烟气NOx浓度受锅炉运行条件的影响 煤质变化 锅炉负荷变化 燃烧条件 如配风方式 过剩空气量等 的变化都会使反应器入口烟气NOx浓度发生变化 二 脱硝率SCR反应器出口烟气NOx浓度 或脱硝效率 一般根据环保法规 排放限值 排污收费 通过技术经济比较来选择 脱硝率定义为反应器进口前的NOx浓度扣除反应器出口后的NOx浓度 再除以反应器进口前的NOx浓度的比值 它直接反映了烟气中氮氧化物的脱除效率 三 空间速率空间速率 SV 是SCR反应器中最重要的设计参数之一 SV定义为单位时间内单位体积的催化剂所能处理的单位烟气的体积量 单位为h 1 反映了烟气在SCR反应器内的停留时间的大小 式中 SV为空间速率 h 1 Vfg为烟气流量 m3 h 空间速率是催化反应器SCR反应器中的空间速率是一个关键设计参数 也主要设计依据 空间速率的确定除受催化剂特性的影响之外 需要考虑脱硝效率 运行温度 氨的允许逃逸量以及烟气中的粉尘含量 锅炉形式 催化反应器布置位置等诸多因素 烟气的空间速率越大 其停留时间越短 一般而言 SCR的脱硝效率将随烟气空间速率的增大而降低 空间速率通常是根据SCR反应器的布置位置 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 空间速率大 烟气在反应器内的停留时间短 则NOx降解反应有可能不完全 这样氨的逃逸量就会比较大 同时烟气对催化剂骨架的冲刷也大 相反 空间速率太小 则增加了催化剂的消耗量 运行的经济性下降 空间速率一般控制在2500 3500h 1 四 反应温度 每一种催化剂都有其充分发挥活性的反应温度范围 SCR工艺所用的催化剂也不例外 反应温度不仅决定反应物的反应速度 而且决定催化剂的反应活性 以目前广泛使用的钒 钛催化剂为例 反应操作温度大多设定在320 420 之间 如果温度过低 反应速率慢 甚至出现了一些不利于NOx降解的副反应 如铵盐的生成反应加快 如果温度过高 则会出现催化剂活性微晶受高温烧结的现象 影响了催化剂的使用寿命 五 反应时间反应时间即为烟气流经反应器时 在所有催化剂孔道内停留的总时间 根据定义 反应时间的计算式如下 4 3 式中Qg为烟气体积流量 Vc为催化剂体积 为催化剂孔道横截面积与催化剂整体横截面积的比率 六 NH3 NOx的摩尔比氨氮摩尔比简称为氨氮比 它的定义是SCR反应器入口烟气中氨的摩尔浓度与氮氧化物的摩尔浓度的比值 其定义式如下 4 4 式中和分别为反应器入口烟气中NH3和NOx的摩尔浓度 理论上 1mol的NOx需要1mol的NH3去脱除 NH3量不足会导致NOx的脱除效率降低 但NH3过量又会带来NH3对环境的二次污染以及产生氨盐等腐蚀性物质 通常喷入的NH3量随着机组负荷的变化而变化 NH3量与NOx脱除效率的关系必需通过现场的调试来实现 在设定的脱硝率下 如果喷氨调节阀的性能越好 喷氨格栅的混合性能越强 那么 实际NH3 NOx的摩尔比就越接近理论值 七 SO2转化率钒 钛催化剂在降解NOx的过程中 也会把烟气中的部分SO2催化氧化为SO3 当SO3的转化率过高 不仅容易导致空气预热器的堵灰和后续设备的腐蚀 而且会造成催化剂中毒 因此 在SCR运行时 一般要求SO2的转化率小于1 降低SO2氧化为SO3的主要措施是通过改善催化剂成份来实现的 例如 在钒 钛催化剂体系中加入钨 钼等成份 可有效地抑制SO2被氧化为SO3 八 NH3逃逸率NH3逃逸率是指催化反应器出口烟气中所含NH3体积分数 它反映了未参加反应的NH3的量 NH3逃逸率之所以受到高度的重视 主要有两个原因 一是逃逸了的NH3浪费了生产成本 可能造成环境的二次污染 二是逃逸了的NH3与烟气中的SO3反应生成NH4HSO4和 NH4 2SO4等粘稠状的铵盐 粘结在空预器等下游设备上 并腐蚀这些设备 同时增大了沿程阻力 NH3逃逸率一般控制在小于3 减少NH3逃逸率的措施要通过设计合理的空间速率和NH3 NOx的摩尔比来实现 九 反应器运行压降反应器运行压降指省煤器出口至空预器进口之间烟道的压降 主要反映了烟气经过SCR反应器催化剂层后的压头损失 正常情况下 反应器运行压降小于1000Pa 美国和欧洲部分电厂的SCR工艺参数 供氨设备 目前 电站锅炉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 欧洲很多电站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 德国仅有个别电站使用氨水作为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气化 液氨被气化为氨气后 通过专用的稀释风机提供稀释风 也可以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 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 通过布置在烟道中的氨喷嘴均匀喷入SCR反应器前的烟气管道 二 供氨设备 一 贮氨罐液氨是一种高毒性的物质 对它的防护安全问题受到了相关职业安全和健康管理部门以及环保主管部门的高度重视 各国都建立了相关的法规对液氨的储存 运输和使用进行严格的规范与限制 这里着重讨论液态NH3的储存与使用 作为SCR还原剂的液氨系统包括液氨卸料压缩机 液氨储存罐 液氨蒸发器 氨气缓冲槽等 另外还必须备有喷淋设施 废水泵 废水池等附属设施 同时安装计量和监测仪表 在管理上严格遵守有关安全操作规程 液态NH3存放在圆形或圆柱形压力罐内 如图 储存罐的容积一般在50 200m3之间 总储存容量按可供两周的使用时间设计 每个厂最少配备两个储罐 每个储罐只装一半 以便需要时可用泵将一个罐里的氨送到另一个罐里去 这样做除了安全的考虑外 还为了保证一个罐在检修时SCR反应器能不间断地工作 国外贮氨罐实物图 国内贮氨罐实物图 储存罐可以放置在地面或地下 但位于市区内的电厂必须置放在地下 储存罐外面要涂敷防护层 其中的地下式储罐需要涂沥青防腐层 地面式储罐需要涂特殊的热反射层 大量的液态NH3由压力罐车通过火车或汽车运送 小量的则由钢瓶或压力罐由汽车运送 无论火车运输还是汽车运输 都必须具有运输危险化学品的资质 送到后利用气体平衡方法 采用专用泵将液态NH3输送到储罐内 每个储存罐均应配备安全泄压阀 液位变送器和液位开关作为超压保护装置 液氨供应管道还应配备止回阀和安全泄压阀 万一液氨管道出现事故和操作错误时 可以避免出现严重泄漏 储存罐还装有温度计 压力表液位计和相应的变送器将信号送到脱硝控制系统 当储存罐内温度或压力出现高限报警时 储存罐四周安装有工业水喷淋管线及喷头装置启动 对罐体进行自动喷淋减温 当有微量氨气泄漏时也可启动自动喷淋装置 对氨气进行吸收 控制氨气扩散污染 二 卸氨装置液氨的纯度为 99 9 由槽车运来的液氨用压缩机 图4 6 进行卸料 通过卸料压缩机的压差将槽车内的液氨送至储存罐内 卸氨过程产生的尾气收入装有水的吸收罐内 避免对环境造成影响 由于卸氨过程液氨减压后蒸发吸热 所以卸氨管道上经常会大量结冰或化霜 为减少此类问题的发生 确保卸氨过程的安全 经常在槽车之后的卸氨管上联接一台蛇形管自然吸热器 减少液氨管道的结冰或化霜现象 图4 7为蛇形管自然吸热器实物图 槽车中液氨的排出是通过向槽车上部空间输入高压氨气把液氨压出来的 高压氨气是通过连通液氨储罐上部饱和氨气获得的 通过氨气压缩机将氨气增压 增压后的氨气进入槽车并起到驱逐其中液氨的作用 图4 8是压缩机卸氨的工作原理图 另外槽车中余下的氨气 可通过压缩机反向旋转把氨气压回储罐 当储罐需要进行维修时 压缩机还可用于两个储罐之间的液氨的倒罐输送 以及用来放出储罐里的氨气 图4 6压缩机实物图 图4 7蛇形管自然吸热器实物图 三 气化器气化器的作用在于把液态氨转化为气态氨 气化器的加热源一般采用蒸汽加热 也可用电加热头加热 加热温度控制在50 左右 气化器的气化能力一般按最大需氨量的1 2 1 5倍来考虑 液氨气化器为螺旋管式 图4 9是气化器的内部结构图 图4 10是气化器的实物图 气化器盘管内为液氨 管外为温水 用蒸汽直接喷入水中 并把水加热到一定的温度 再以温水将液氨气化 并加热至常温 蒸汽流量受蒸发器本身水浴温度控制调节 当水的温度高过设定值时切断蒸汽气源 气化器上装有压力控制阀将氨气压力控制在设定值内 当出口压力达到设定值时 则切断液氨进料 在氨气出口管线上也装有温度检测器 当温度低于设定值时切断液氨 使氨气至缓冲槽维持适当温度及压力 气化器还装有安全阀 可防止设备压力异常过高 每套气化器装置配有一个调压管道 它把氨气输送到SCR系统 另外应有一个备用的气化器 在出现故障或维修的时候用来保证系统的安全运行 图4 9气化器的内部结构图 图4 10是气化器的实物图 六 氮气吹扫脱硝系统最关键的安全问题是 保持液氨储存及供应系统的严密性 防止氨气的泄漏和氨气与空气的混合造成爆炸 基于此方面的考虑 供氨系统的卸料压缩机 液氨储罐 氨气气化器 氨气缓冲罐等都应备有氮气吹扫管线 在设备初次投运或检修后投运 液氨卸料之前必须通过氮气吹扫管线对与氨直接接触的设备分别进行严格的系统严密性试验和氮气置换 防止氨气泄漏和系统中残余的空气混合爆炸 并造成爆炸的危险 七 排放系统排放出的液氨或气氨通过装有水的氨吸收罐吸收 再经由废水泵送到工业废水处理站 八 防护装置氨具有强烈的刺激性 氨对皮肤 眼睛及软组织有强烈的腐蚀作用 如不慎接触会造成伤害 为保障人身安全 应完善防护措施 如配有防护服 防毒面具 氨站还必须安装应急淋浴 应急淋浴水应为饮用水 如不慎造成与氨水接触 应立即冲洗 氨站还应设有洗眼器 冲洗用水必须是饮用水 在氨水不慎进入眼睛时 要用大量的水冲洗至少15分钟 然后立即就医 氨进入人体眼部后 有强烈的刺激感 疼痛感 容易引起角膜炎 眼睛红肿 造成角膜腐蚀 严重时可能导致失明 注氨设备 一 稀释风机SCR脱硝系统采用的氨 NH3 还原剂 其爆炸极限 在空气中体积 15 28 为保证氨 NH3 注入烟道的绝对安全以及均匀混合 需要引入稀释风 将氨浓度降低到爆炸下限以下 一般应控制在5 以内 稀释风机为氨气的稀释与混合提供空气 风机的出力按烟气最大量时稀释氨气所需风量来考虑 并留有裕度 混合后的氨气 空气混合物的体积比在BMCR工况下为5 稀释气流流量的控制在开始启动时手动调整 以后无需再调 图4 12 图4 13是稀释风机实物图 图4 12国外氨气稀释风机实物图 图4 13国内氨气稀释风机实物图 二 供氨母管 集管经稀释风机稀释后的氨气与空气实现了混合 氨气注入烟道之前 供氨母管沿着烟道的垂直断面又分成若干个集管 以利喷入的氨气均匀分布在烟道的各个断面上 图4 14是氨气稀释后注入烟道前的供氨管路示意图 图4 15则为相应的实物图 三 注氨格栅 AIG 注氨格栅 AmmoniaInjectionGrid AIG 见图4 16 是SCR系统中的关键设备 注入的氨气在烟道中分配的均匀性 直接关系到脱硝效率和氨的逃逸率两项重要指标 保证注入的氨气在烟道中与烟气均匀混合是选择性催化反应顺利进行的先决条件 注氨格栅一般采用碳钢材质 布置在省煤器出口与催化反应器进口之间的烟道上 目前 注氨格栅的形式较多 但一般由安装在烟道垂直断面上的若干喷氨支管与支管上的喷嘴组成 大型燃烧设备的SCR的喷射系统中 喷嘴 图4 17 达数百个之多 根据SCR催化剂的反应动力学原理 氨和NOx的混合程度对提高SCR工艺的脱硝效率具有极大的影响 如果还原剂和NOx不能充分混合 而又要达到NOx排放量指标要求 则无疑将导致催化剂的用量大增和氨的外逸 造成运行成本的提高和新的环境污染 为了达到还原剂和NOx的充分混合接触 最理想的状况是使还原剂的浓度分布与NOx的浓度分布相一致 即在NOx的浓度高的位置 喷入的氨也相应多一些 而在NOx的浓度低的位置 喷入的氨也相应少一些 而要达到这一要求就需要根据NOx的分布单独调整每一个喷嘴的喷氨量 因此 喷射系统需要做成可以调节的 通过对每一个喷嘴的喷氨量的调节 建立与NOx的通量剖面相一致的氨的喷入剂量 将有助于大幅度提高脱硝效率 图4 18喷嘴 静态混合器的布局图 图4 19静态混合器 注氨格栅和喷射点的密度是影响混合均匀度的重要因素 图4 17 喷嘴数量越多越有利于形成混合均匀的流动 但数以百计的喷嘴无疑增加了设计 安装与运行维护的复杂性 所以 利用较少喷嘴达到同样效果的探索一直是该领域中研究的另一个热点 一种通过将氨喷射到转盘上 然后利用旋转运动使氨均匀扩散开来的喷氨方式可以使喷嘴数目大幅度减少 为了进一步提高氨气 烟气的混合效果 不少供应商在烟道内部还设置了所谓的静态混合器 来控制整个反应器入口的横断面上烟气温度分布和流速分布 另外 在所有烟气转向处都安装了导流板 保证烟气流向正确 整个系统的压力损失降到最低程度 设计优良的喷射系统可以缩短扩散长度 减少压力损失 从而少占场地 节约建造费用和运行费用 目前已经有若干种成熟的高效注氨技术付诸商业应用 比如奥地利INTEGRAL公司所研制的注氨格栅综合考虑了在减少压力降和节省管道空间的前提下 实现氨气 烟气均匀分布和稳定混合的要求 通过把可调节喷射量的喷枪按设计要求安装在烟气管道的横截面上 并在氨喷入的地方造成烟气的紊流 使反应物充分混合 在使用液氨 氨溶液和尿素时都表现出了良好的性能 表4 4喷射格栅实验 反应器 一 本体催化反应器是一个与尾部烟道相连的安装催化剂和完成脱硝化学反应的容器 如前所述 催化剂反应器有高灰段 低灰段和尾部烟气段布置方式 燃煤锅炉烟气脱硝的SCR反应器都在很高的位置上垂直放置 燃天然气或燃油锅炉的反应器可以水平放置 在大部分设计中 烟气都是先在向上流动的烟道与氨混合 然后经过水平烟道再折转向下流过脱硝反应器 反应器和烟道的设计都采用传统的烟气流速用来保持飞灰在烟气中处于悬浮状态 由于催化反应器需要占用很大的空间 因此对于老厂加装烟气脱硝系统的改造工程来说 场地问题往往成为设计工作中经常遇到的难题 催化反应器通过设计合理的过渡段与烟气管道相连接 保证反应器内催化还原反应充分进行 需要在上游的烟气管道中配置烟气混合装置和转向导流装置 另外还需要在反应器内安装吹灰器 使催化剂保持清洁和反应活性 一台锅炉通常配两套催化反应器 每套反应器处理总烟气量的1 2 催化剂固定在反应器中 催化剂的支撑结构在保证牢固的情况下还应注意排列合理 尽量减少对烟流的阻碍 以及避免产生涡流出现烟气回流 反应器的本体由若干层催化剂层和承载催化剂的烟道壳体构成 可简单地视为装有催化剂的变形烟道 反应器的本体是实现烟气中氮氧化物降解的场所 SCR反应器体积大小是根据煤质数据 烟气条件 烟气粉尘量 燃烧介质元素成分 烟气流量 NOx进口浓度 脱硝效率 SOX浓度 反应器压降 使用寿命等决定的 图4 20为SCR反应器的结构剖面图 SCR安装在独立的金属构架平台上 截面成矩形 并且由起到加强作用的钢板托起 反应器的载荷通过它的侧墙均匀地分布 SCR反应器被固定在中心并向外膨胀 使水平膨胀位移量最小 SCR反应器外壁一侧在催化剂层处有检修门 用于将催化剂模块装入催化剂层 每个催化剂层都设有人孔 机组停运时通过人孔进入检查催化剂模块 烟气与注入的氨气接触后 首先经过混合栅 提高氨气与烟气的混合程度 混合栅一般为呈网状布置的金属构件 混合栅后 烟气 氨气经过折角导流栅 流向发生变化 在最后进入催化反应层之前 烟气 氨气流过小尽寸的正方形整流栅 烟气 氨气的混合的均匀性再度提高 并保证在催化剂层上的水平断面上均匀分配 混合栅 导流栅 整流栅的最佳几何尺寸 安装形式及设置的必要性通过流体模拟试验方法确定 催化剂箱由底部的支承钢梁组成 图4 24 反应器横截面和催化剂的层间距设计 应能保证吹灰器的安装和正常运行需要 图4 21烟气与氨气的混合栅 图4 22烟气与氨气折角导流栅 图4 23烟气与氨气的整流栅 图4 24催化剂箱的支承钢梁 吹灰器装在每个催化剂层的上方 采用过热蒸汽吹灰 吹掉催化剂上的积灰 催化剂反应器的下游设有一组取样管 取样管深入烟道的断面上 由多根取样插管组成 用于测量截面上NOx的浓度 及其它如NH3 SOx等的浓度 图4 25为取样管的现场拼装图 反应器壳体 参见图4 26 通常采用标准的板箱式结构 辅以各种加强筋和支撑构件来满足防震 承载催化剂 密封 承受荷载和抵抗应力的要求 并且实现与外界的隔热 反应器还设有门孔 观察口 单轨吊梁 用于催化剂的安装 运行观察和维护保养 板箱式反应器由钢结构支撑 图4 25取样管的现场拼装图 图4 26吊装中的反应器壳体 二 催化剂每个反应器内装填一定体积的催化剂 催化剂装填量的多少 取决于设计的处理烟气量 脱硝效率以及催化剂的性能 催化剂模块是商业催化剂的最小单元结构 若干个催化剂模块组成箱体结构 若干只箱体再组成催化剂层 每个反应器一般由3 4层的催化剂层组成的 1 催化剂模块催化剂模块是商业催化剂的最小单元结构 以蜂窝催化剂为例 每个模块上开有22 22个气流口 气流孔径的大小取决于锅炉所用燃料的种类 例如 普通的燃煤烟气脱硝催化剂采用的气流孔径为p 7mm 孔壁厚a 1mm 催化剂模块的断面随着设计的情况会出现变化 但长度一般不超过1m 图4 28蜂窝式与波纹式催化剂的单元模块 2 催化剂箱催化剂模块以箱体 图4 29 组合的形式安装 设计箱体主要是考虑到能保证催化剂在反应器中便于安装到适宜固定的位置 同时它也充当运输容器 保护催化剂模块在运输过程中免遭损坏 箱体由一个薄金属筒体构成 它的底部有一个用于固定的支撑格栅 顶部分布很多的小方格 烟气可以进入 格栅上采用优良的不锈钢网格 这样可以保护催化剂 避免外来物损伤催化剂 各模块之间采用弹性的矿物纤维进行密封 催化剂模块装入钢箱有利于运行与安装 防止催化剂的破损 以美国康宁公司生产的催化剂为例 每只钢箱内装有8 8 64个催化模块 块与块之间以及块与框子外壳之间安装有陶瓷纤维密封 参见图4 32 图4 33 用以防止未处理烟气的泄漏以及外部振动的影响 图4 29催化剂箱体实物图 图4 30催化剂箱体底部的支撑格栅 图4 31催化剂箱体顶部保护格栅 图4 32模块之间的纤维密封示意图 图4 33模块之间的纤维密封实物图 3 催化剂反应层每层催化剂由若干个装有催化剂单元的钢箱均匀排列组成 以300MW机组为例 每层催化剂由42只钢箱组成 为了防止烟气短路 钢箱之间采用密封钢条密闭 图4 34为蜂窝式催化剂反应层示意图 图中的每一小方块代表了催化剂钢箱 图4 35为催化剂反应层在反应器中的位置示意图 图4 36为反应器内就位好的催化剂层 图4 37为反应器内就位好的催化剂层的仰视图 防止催化剂箱体间烟气短路 在箱体与箱体顶部间隙之间焊接密封板或密封条 图4 38 箱体和反应器壁之间有斜板 这些部件可有效防止催化剂模块间烟气短路 在SCR壁板和催化剂之间的死角处装设屋脊状密封装置 图4 39 可以有效避免灰尘的堆积和碳粒的聚集 图4 36就位好的催化剂反应层 图4 37催化剂反应层仰视图 图4 38箱体顶部间隙之间的密封条 图4 39反应器死角处的密封装置 二 旁路不同类型的催化剂有不同的最佳工作温度 通常 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以及水分含量等 SCR反应器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成份 降低反应活性 因此 SCR运行期间需严格控制反应器入口的烟气温度 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反应器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 目的是在锅炉低负荷运行等工况下当烟气温度降低时 保证SCR反应器中的烟气温度高于硫酸铵与硫酸氢铵的凝固温度 从而有效地控制由于硫酸铵盐凝固导致的催化剂及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反应器烟气旁路则是为了在锅炉机组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 设置反应器烟气旁路时 通常在SCR反应器入口和出口的烟气管道安装隔断挡板 可方便地对SCR反应器进行检修而不影响锅炉运行 1 大旁路由于在锅炉低负荷运行时会降低SCR系统入口烟气温度 锅炉启 停时会导致烟气温度大幅度波动 因此可通过设置SCR旁路 从SCR入口到SCR出口 来减少锅炉工况变化对SCR催化剂的影响 在美国 一般采取设SCR旁路的措施使烟气绕过SCR反应器 在SCR系统停运期间 旁路可以防止催化剂中毒和污垢沉积 SCR旁路应采用零泄漏挡板 此外 美国设置SCR旁路也是考虑SCR装置季节性运行的需要 设置SCR旁路有利有弊 若设置SCR旁路 可以在锅炉低负荷时减少SCR催化剂的损耗 并且有利于SCR的检修 但旁路增压挡板的密封问题和积灰问题较为严重 投资 运行和维护费用较高 是否设置SCR旁路 主要依据锅炉冷态启动的次数 若每年在10次以内 则无需旁路 否则 推荐设置旁路 2 小旁路此外 也有设置从省煤器入口到SCR入口的小旁路 参见图4 40 其作用是当锅炉低负荷运行时 提高进入SCR的烟气温度 这种省煤器旁路流量一般设计为锅炉BMCR工况下总烟气流量的10 但设置省煤器旁路将减少省煤器吸热 影响锅炉主蒸汽温度和再热蒸汽温度 对于已投产的电站锅炉加装SCR 此方案将改变锅炉的整体包覆 钢架 门孔布置等 另外 锅炉在低负荷时NOx浓度相应较低 SCR装置在低负荷时可以停止喷氨 仅作烟气通道使用 因此 对于很少低负荷运行的燃煤电站 可不考虑设置省煤器烟气调温旁路 省煤器小旁路烟道通常使用一个可调节的挡板来调整经过旁路的热烟气与省煤器出口的冷烟气比率 锅炉负荷越低 挡板的开度就越大 旁路的热烟气就越多 省煤器出口烟道也需要安装调节挡板来提供足够的压力使烟气从旁路经过 省煤器旁路在设计时主要考虑的问题一是保持烟气的最佳反应温度 二是保证两股气流在进入SCR反应器之前均匀混合 数值模拟技术可以解决这一问题 并且已经在国外的一些SCR设计中取得了很好的应用成果 三 灰斗在锅炉BMCR工况下 省煤器出口烟气流速约为10m s 省煤器灰斗除灰占总灰量的5 SCR反应器内烟气流速约为4 6m s 势必形成一定的积灰 为保证SCR内催化剂的催化效果 在SCR内配置的吹灰器将会把积灰吹入空预器 因此 在保留省煤器灰斗的基础上 应考虑在SCR后布置灰斗 SCR灰斗的设置可以减少进入空预器内的灰量 对空预器的安全运行有利 但是 对于燃用较低灰份的煤种 同时反应器的布置与空预器的位置较近 可考虑不设灰斗 SCR吹灰器产生的灰量直接由空预器灰斗承担 此方案减少了SCR反应器的设备投资 并节省了空间位置 四 吹灰器吹灰器因燃煤机组的烟气中飞灰含量较高 通常在SCR反应器中安装吹灰器 以除去可能覆盖在催化剂活性表面及堵塞气流通道的颗粒物 从而使反应器的压降保持在较低的水平 吹灰器还能够保持空预器通道畅通 从而降低系统的压降 吹灰器通常为可伸缩的耙形结构 采用蒸汽或空气进行吹扫 一般每层催化剂的上面都设置吹灰器 各层吹灰器的吹扫时间错开 即每次只吹扫一层催化剂层或单层中的部分催化剂 以300MW机组为例 每台吹灰器的吹扫区域为 2540mm 8890mm 吹扫深度约2m左右 吹灰汽源压力为1 5MPa 温度350 左右 吹灰器的运行始于最上层的催化剂 止于最下层催化剂 从上到下 一层接一层吹灰 每个吹灰器的吹扫时间约5分钟 每个反应器的吹灰时间约为30分钟 当备用催化剂层投运时 每个反应器的吹灰时间约为45分钟 原则上 吹灰器每月吹灰一次 也可以根据反应器进出口的差压进行吹灰 使反应器的压力损失控制在一定的范围内 脱硝装置吹灰器的传动机构 动力系统 控制系统 蒸汽管路系统和锅炉的吹灰器基本相同 由于吹扫的对象不同 吹灰器在反应器内部结构和性能参数有所不同 耙式吹灰器的支吊分内部支吊和外部支吊两部分 内部的吹灰器滑行道轨悬吊于上一层催化剂支撑梁下部 外部的吹灰器本体悬吊于上一层吹灰器平台的下方 图4 41是耙式吹灰器的实物图 目前 声波吹灰器也逐渐得到应用 图4 42为Powerwave 声波吹灰器 Powerwave 声波吹灰器释放声波 产生共振 使堆积在催化转换器表面的粉尘松脱 这样气流就可将粉尘带走 Powerwave 声波吹灰器所产生的声频远高于设备结构的共振频率 也不会损害催化剂 如此一来 可以经常开启Powerwave 声波吹灰器 使催化反应器免受飞灰淤塞 合理安排Powerwave 声波吹灰器的运行周期 通常每10分钟运行10秒钟 可以使催化剂积灰量处于稳定的低水平 图4 41耙式吹灰器 图4 42Powerwave 声波吹灰器 五 SCR反应器的总体结构图4 43是SCR反应器的总体结构图 图4 44是SCR反应器的实物图 SCR反应器总体结构呈 字型 主要由垂直进口烟道 催化剂烟道 反应器 两大部分组成 同时设有注氨装置 AIG 吹灰器 烟气 氨气混合栅 导流栅等辅助设施