锅炉燃煤烟气脱硝处理初步设计方案.doc

锅炉燃煤烟气脱硝处理初步设计方案目 录1、项目概况42、脱硝工艺简述42.1 脱硝工艺介绍42.2 选择性催化还原法（SCR）技术介绍42.2.1 SCR工作原理42.2.2 SCR系统组成52.2.3 SCR工艺流程52.3.4 SCR反应过程62.3.5 SCR技术特点62.4 选择性非催化还原法（SNCR）技术介绍62.4.1 SNCR工作原理62.4.2 SNCR系统组成62.4.3 SNCR工艺流程62.4.4 SNCR反应过程72.4.5 SNCR技术特点82.5 SNCR+SCR联合工艺介绍82.5.1 SNCR+SCR联合工艺工作原理82.5.2 SNCR+SCR联合工艺的系统组成92.5.3 SNCR+SCR联合工艺流程92.5.4 SNCR+SCR联合工艺反应过程92.5.5 SNCR+SCR联合工艺特点93、本方案采用的SNCR系统123.1 系统组成123.2 系统简述133.2.1 尿素溶液输送系统133.2.2 喷射器布置133.2.3 炉前喷射设备143.3 其工艺流程简图如下：143.4 SNCR工艺的经济性分析154、后续的SCR工艺165、工艺计算165.1设计基础参数(单台)165.2物料衡计算175.2.1 影响脱硝率的因素175.2.2 设计参数取值175.2.3 计算过程176、SNCRSCR联合工艺脱硝预期效果171、项目概况有两台200t/h燃煤锅炉，已建成除尘脱硫装置，但随着国家对烟气排放标准要求的日益提高，锅炉的脱硝工作也被提到了议事日程，在这个背景下，受该公司委托，我公司特编报此脱硝初步方案，供业主参考。2、脱硝工艺简述2.1 脱硝工艺介绍氮氧化物（NOx）是在燃烧工艺过程中由于氮的氧化而产生的气体，它不仅刺激人的呼吸系统，损害动植物，破坏臭氧层，而且也是引起温室效应、酸雨和光化学反应的主要物质之一 。世界各地对NOx的排放限制要求都趋于严格，而火电厂、垃圾焚烧厂和水泥厂等作为NOx气体排放的最主要来源，其减排更是受到格外的重视。目前全世界降低电厂锅炉NOX排放行之有效的主要方法大致可分为以下四种：（1）低氮燃烧技术，即在燃烧过程中控制氮氧化物的生成，主要适用于大型燃煤锅炉等；低NOX燃烧技术只能降低 NOX 排放值 的3050%，要进一步降低NOX 的排放, 必须采用烟气脱硝技术。（2）选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction ，SCR），主要用于大型燃煤锅炉，是目前我国烟气脱硝技术中应用最多的；（3）选择性非催化还原技术（SNCR，Selective Non-Catalytic Reduction），主要用于垃圾焚烧厂等中、小型锅炉，技术成熟，但其效率低于SCR法；投资小，建设周期短。（4）选择性催化还原技术（SCR）+选择性非催化还原技术（SNCR），主要用于大型燃煤锅炉低NOx排放和场地受限情况，也比较适合于旧锅炉改造项目。2.2 选择性催化还原法（SCR）技术介绍2.2.1 SCR工作原理选择性催化剂还原法（Selective Catalytic Reduction）简称SCR，指在一定的温度和催化剂的作用下，以液氨或尿素作为还原剂，有选择性地与烟气中的氮氧化物反应并生成无毒无污染的氮气和水。该技术可使用液氨或尿素为脱硝还原剂。SCR脱硝工艺采用催化剂使氮氧化物发生还原反应，反应温度较低（300450）。其方法是，将还原剂喷入装有催化剂的反应器内，烟气通过催化剂与之产生化学反应进行脱硝。此工艺的脱硝效率可达90%以上，是国内外电厂应用最多，技术最成熟的一种烟气脱硝技术2.2.2 SCR系统组成SCR脱硝系统主要由烟气系统、脱硝反应器、还原剂制备系统、电气控制系统等几部分组成。2.2.3 SCR工艺流程1、燃煤锅炉烟气脱硝：锅炉省煤器脱硝反应器空预器除尘脱硫装置引风机烟囱2、工业窑炉烟气脱硝：窑炉余热锅炉前段脱硝反应器余热锅炉后段除尘脱硫装置引风机烟囱脱硝反应器通常设置在锅炉省煤器和空气预热器之间。脱硝反应器入口与锅炉省煤器出口通过烟道连接，出口与空气预热器通过烟道连接，烟气由上至下垂直通过脱硝反应器催化剂层。如下图所示：2.3.4 SCR反应过程1、主反应NO+NO2+2NH32N2+3H2O4NO+4NH3+O24N2+6H2O2NO2+4NH3+O23N2+6H2O2、副反应2SO2+O22SO32.3.5 SCR技术特点l SCR的技术指标如下：脱硝效率85%氨逃逸率3ppmSO2/SO3的转换率1%l SCR的技术特点：SCR技术具有脱硝率高、氨逃逸低等显著特点，因此目前锅炉烟气脱硝措施中，由于SCR是最为成熟的商业性NOx控制处理技术，国内更多是采用SCR脱硝技术。但该技术也有着明显的缺点，就是投资巨大、运行费用高昂。此外，SCR技术需要的反应温度为300450，在反应温度较高时，催化剂会产生烧结及（或）结晶现象；在反应温度较低时，催化剂的活性会因为硫酸铵在催化剂表面凝结堵塞催化剂的微孔而降低。2.4 选择性非催化还原法（SNCR）技术介绍2.4.1 SNCR工作原理选择性非催化还原(SNCR)脱硝工艺是将含有 NHx 基的还原剂(如氨气、 氨水或者尿素等)喷入炉膛温度为900-1100的区域，还原剂通过安装在屏式过热器区域的喷枪喷入，该还原剂迅速热分解成 NH3和其它副产物，随后 NH3 与烟气中的 NOx 进行 SNCR 反应而生成 N2和H2O。2.4.2 SNCR系统组成SNCR脱硝系统主要由还原剂存储与制备、输送、计量分配、喷射系统和电气控制系统等几部分组成。2.4.3 SNCR工艺流程SNCR的典型工艺流程为：还原剂锅炉/窑炉（反应器）除尘脱硫装置引风机烟囱。还原剂一般以尿素为主，尿素被溶解制备成浓度为50%的尿素溶液，经输送泵送至计量分配模块，与稀释水模块送过来的水混合，尿素溶液被稀释至10%，通过计量分配装置精确分配到每个喷枪，然后经过喷枪喷入炉膛，实现脱硝反应。如下图所示：2.4.4 SNCR反应过程1、NH3 作为还原剂：4NO+4NH3+O24N2+6H2O2NO+4NH3+2O23N2+6H2O6NO2+8NH37N2+12H2O2、尿素作为还原剂：CO(NH2)2+ 2NO 2N2+CO2+2H2OCO（NH2）2+ H2O2NH3+CO24NO+4NH3+O24N2+6H2O2NO+4NH3+2O23N2+6H2O6NO2+8NH37N2+12H2O2.4.5 SNCR技术特点l SNCR技术特点：1、脱硝效率可达3040%2、氨逃逸较高812ppm3、系统简单，投资省4、无催化剂，运行费用省5、占地面积小l SNCR技术投资成本低，建设周期短，脱硝效率中等，比较适用于缺少资金的发展中国家和适用于对现有中小型锅炉的改造。这种技术的不足之处就是 NOx的脱除效率不高，氨逃逸比较高。所以单独使用 SNCR技术受到了一些限制。但对于中小型机组或老机组改造，由于它在经济性能方面的优势，仍不失其吸引力。l SNCR法不使用催化剂，采用炉膛喷射脱硝，氨还原NO在900-1100这一狭窄温度范围内进行。喷入的氨与烟气良好混合是保证脱硝还原反应充分进行、使用最少量氨达到最好效果的重要条件。若喷入的氨未充分反应，则泄漏的氨会影响锅炉炉尾部受热面，不仅使烟气飞灰容易沉积在受热面，且烟气中氨遇到三氧化硫会生成硫酸氨，易堵塞空气预热器，并有腐蚀危险。l 目前，国外对 SNCR的研究除了进一步提高其效率和安全性之外，另一个重点是对 SNCR和其它脱硝技术的联合应用的研究。2.5 SNCR+SCR联合工艺介绍2.5.1 SNCR+SCR联合工艺工作原理联合SNCR - SCR烟气脱硝技术不是选择性催化还原法(以下简称SCR)工艺与选择性非催化还原法(以下简称SNCR)工艺的简单组合,它是结合了SCR技术高效、SNCR技术投资省的特点而发展起来的一种新型工艺。该工艺将SNCR工艺的还原剂喷入炉膛技术与SCR工艺利用逃逸氨进行催化反应结合起来，进一步脱除NOx。混合脱硝工艺以尿素作为吸收剂，是炉内一种特殊的SNCR工艺与一种简洁的后端SCR脱硝反应器有效结合，充分发挥了SNCR工艺投资省、SCR工艺脱硝效率高的优势。2.5.2 SNCR+SCR联合工艺的系统组成脱硝系统主要由还原剂存储与制备、输送、计量分配、喷射系统、烟气系统、脱硝反应器、电气控制系统等几部分组成。2.5.3 SNCR+SCR联合工艺流程烟气锅炉/窑炉还原剂SCR反应器除尘脱硫塔引风机烟囱排放SNCR反应器混合SNCR - SCR 工艺具有2 个反应区，还原剂一般以尿素为主，尿素被溶解制备成浓度为50%的尿素溶液，经输送泵送至计量分配模块，与稀释水模块送过来的水混合，尿素溶液被稀释至10%，通过计量分配装置精确分配到每个喷枪，然后经过喷枪喷入第1个反应区炉膛，在高温下,还原剂与烟气中NOx 在没有催化参与的情况下发生还原反应,实现初步脱氮。过量逃逸的氨随烟气进入第2个反应区炉后的脱硝反应器，在催化剂作用下，氨与氮氧化物发生化学反应，实现进一步的脱硝，同时也将氨逃逸率降到可接受的范围。混合SNCR - SCR工艺最主要的改进就是省去了SCR工艺设置在烟道里的复杂的氨喷射格栅(Ammonia Injection Grid,简称A IG)系统,并大幅度减少了催化剂的用量。2.5.4 SNCR+SCR联合工艺反应过程CO(NH2)2+ 2NO 2N2+CO2+2H2OCO（NH2）2+ H2O2NH3+CO2NO+NO2+2NH32N2+3H2O4NO+4NH3+O24N2+6H2O2NO2+4NH3+O23N2+6H2O2.5.5 SNCR+SCR联合工艺特点l 脱硝效率高单一的SNCR工艺脱硝效率低(一般在40%以下) ,而混合SNCR - SCR工艺可获得与SCR工艺一样高的脱硝率(80%以上) 。l 催化剂用量小SCR工艺由于脱硝催化剂的使用,大大降低了反应温度并提高了脱硝效率,但是,由于催化剂非常昂贵,一般占整个SCR工艺总投资的1 /3左右,并且由于需要定期更换,运行费用也很高。混合法工艺由于首先采用了SNCR工艺初步脱硝,降低了对催化剂的依赖。与SCR 工艺相比,混合工艺的催化剂用量可以大大减少。混合脱硝工艺中,当SNCR阶段脱硝效率为55% ,而要求总脱硝效率为75%时,混合法工艺与SCR工艺相比可节省50%的催化剂;当要求总脱硝效率为65%时, SCR阶段催化剂的用量可以节省70%。l SCR反应塔体积小,空间适应性强由于混合法工艺催化剂用量少,通过对锅炉烟道、扩展烟道、省煤器或空气预热器等进行改造来布置SCR反应器,大大缩短了反应器上游烟道长度。它与单一的SCR工艺相比,不需复杂的钢结构,节省了投资且不受场地的限制。l 脱硝系统阻力小由于混合法工艺的催化剂用量少, SCR反应器体积小,其前部烟道较短,因此,与传统SCR工艺相比,系统压降将大大减小,减少了引风机改造的工作量,降低了运行费用。l 减少SO2 向SO3 的转化,降低腐蚀危害催化剂的使用虽然有助于提高脱硝效率,但也存在增强SO2 向SO3 转化的副作用,而烟气中SO3含量的增加,将生成更多的NH4HSO4。 NH4HSO4 的黏结性很强,在烟气温度较低时,会堵塞催化剂并对下游设备造成腐蚀。混合法由于减少了催化剂的用量,将使这一问题得到一定程度的遏制。l 省去SCR旁路的建造机组频繁启、停且长期低负荷运行或超负荷运行时,都可能由于排烟温度的不适宜而缩短催化剂的寿命。为此, SCR工艺一般需要设置旁路系统,以避免烟温过高或过低对催化剂造成的损害。而旁路的设置又增加了初期投资,并对系统控制和场地面积等也提出了更高的要求。混合SNCR - SCR工艺由于催化剂用量大大减少,因此,可以不再设置旁路系统,从而降低了控制系统的复杂程度和对场地的要求,减少了初期投资,简化了控制。l 催化剂的回收处理量减少脱硝系统目前所用催化剂寿命一般为23年。催化剂所用材料中的V2O5 有剧毒,大量废弃的催化剂会造成二次污染,必须进行无害化处理。混合法工艺催化剂用量小,可大大减少废弃催化剂的处理量。l 简化还原剂喷射系统为了获得高效脱硝反应,要求喷入的氨与烟气中的NOx有良好的接触并要求在催化反应器前形成分布均匀的流场、浓度场和温度场,为此,单一的SCR工艺除必须设置复杂的氨喷射格栅(A IG)及其控制系统外,还往往需要在多处安放掺混设施、加长烟道以保证A IG与催化剂之间有足够远的距离等措施,以达到上述要求。而混合工艺的还原剂喷射系统布置在锅炉炉墙上,与下游的SCR反应器距离很远,因此,无需再加装混合设施,也无需加长烟道,就可以在催化剂反应器入口获得良好还原剂与NOX的混合及分布。l 加大了炉膛内还原剂的喷入区间, 提高了SNCR阶段的脱硝效率单纯的SNCR 工艺为了满足对氨逃逸量的限制,要求该工艺还原剂的喷入点必须严格选择在适宜反应的温度区域内。而在混合SNCR - SCR技术中, SNCR过程中形成的氨泄漏是作为SCR反应的还原剂来设计的,因此,对SNCR阶段氨逃逸的问题的考虑可以大大放宽。相对于独立的SNCR工艺,混合工艺氨喷射系统可布置在适宜的反应温度区域稍前的位置, 从而延长还原剂的停留时间。在SNCR过程中未完全反应的氨将在位于下游的SCR反应器被进一步利用。混合工艺的这种安排,有助于提高SNCR阶段的脱硝效率。目前,混合工艺的SNCR阶段的脱硝效率已经可以达到55%以上。l 可以方便地使用尿素作为脱硝还原剂由于液氨在运输和使用过程中存在诸多不安全因素,更多的SCR 开始寻求其他安全的替代还原剂。尿素制氨系统成为SCR工艺一个主要的发展方向,如北京高碑店电厂以及石景山电厂都采用尿素热解制氨系统,然而由于该系统需要复杂和庞大的尿素热解装置,投资费用大。而混合法工艺通过直接将尿素溶液喷入炉膛,直接利用锅炉的高温,将尿素溶液分解为氨,从而省去了热解装置,既方便又安全。SCR催化剂吹灰需布置多层吹灰器，占地面积较大。SNCRSCR吹灰器最多布置一层占地面积较小。2.6 本方案选择的脱硝工艺*公司2200t/h锅炉系统设计中没有考虑脱硝，造成场地受限，如果完全采用SCR法，由于前期没有考虑脱硝措施，锅炉省煤器和空预器之间不可能有足够的空间安装催化剂，一旦催化剂的安装空间受到场地条件的限制，则实施的难度将非常大，并且改造锅炉风烟系统的工程量会非常大，同时也会造成整个系统的阻力等问题，有可能造成引风机压头不够等情况。为此，本方案考虑采用实施比较简单可行SNCR法，先进行炉内脱硝处理。再考虑在锅炉风烟系统空间允许的条件下，在省煤器和空预器之间增加SCR脱硝部分（或在空预器后利用低温催化剂增加SCR脱硝部分，低温催化剂为贵金属催化剂价格高），形成SNCR+SCR的混合型烟气脱硝技术，即利用原有炉内 SNCR 系统的还原剂制备、稀释、喷射、控制系统的基础上，加装烟气尾部脱硝装置（SCR），组成 SNCR/SCR 联合脱硝工艺。3、本方案采用的SNCR系统3.1 系统组成本方案采用典型的SNCR脱硝工艺，其系统主要由尿素仓储系统、尿素溶液制备与储存系统、尿素溶液计量分配及喷射系统和电气控制系统等几部分组成。具体分为以下几个单元：1）还原剂和软化水储存及配送单元l 还原剂储罐l 还原剂泵送单元l 稀释水泵送单元2）还原剂和软化水混合及配送单元l 包括混合模块和喷射模块的工艺单元盘柜3）喷射系统l 喷射器 4）工艺控制和调整单元l 控制和调整单元如下图所示：3.2 系统简述SNCR 脱硝技术是一种较为成熟的商业性 NOx控制处理技术。SNCR 脱硝方法主要是将含氮的药剂在8701200 温度区域喷入含 NOx 的燃烧产物中, 发生还原反应, 脱除 NO , 生成氮气和水。SNCR 脱硝在实验室试验中可达到 90%以上的 NOx脱除率。在大型锅炉应用上, 短期示范期间能达到75%的脱硝效率, 典型的长期现场应用能达到30%50%的 NOx 脱除率。SNCR 脱硝技术是 20世纪 70 年代中期在日本的一些燃油、燃气电厂开始应用的, 80 年代末欧盟国家一些燃煤电厂也开始了SNCR 脱硝技术的工业应用, 美国 90 年代初开始应用 SNCR 脱硝技术, 目前世界上燃煤电厂SNCR 脱硝工艺的总装机容量在 2 GW 以上。本工程SNCR 脱硝系统选用的脱硝剂是尿素。固体尿素经加水溶解为尿素溶液, 再用输送泵送至炉前喷枪。3.2.1 尿素溶液输送系统尿素溶液储罐里的尿素溶液由供液泵输送, 供液泵出口处设有稀释水路, 根据运行要求将尿素溶液稀释, 稀释后的尿素溶液再经不锈钢伴热管送至炉前喷射器(以下简称喷枪) , 通过不锈钢软管与喷枪连接。3.2.2 喷射器布置锅炉共布置 42 只喷枪, 分 3 层布置在炉膛燃烧区域上部和炉膛出口处。前墙和侧墙喷枪分别布置在 28.5m、26 m、23.5 m 标高处, 后墙喷枪布置在 27.3 m、25.4 m 和 23.5 m 标高处。锅炉高负荷运行时, 投运上两层喷枪, 低负荷运行时, 投运下两层喷枪。在 SNCR 脱硝系统投运时, 一般投运一层或两层喷枪即可, 其余停运喷枪由控制系统控制退出炉膛, 以避免喷枪受热损坏。3.2.3 炉前喷射设备喷枪(含喷嘴) 采用不锈钢制造, 包括喷枪本体、喷嘴座、雾化头、喷嘴罩等四部分。喷枪本体上的尿素溶液进口和雾化蒸汽进口为螺纹连接, 通过两根金属软管分别与尿素溶液管路、蒸汽管路连接。软管后面的尿素溶液管路、蒸汽管路上就近各布置一个球阀。每只喷枪都配有电动推进器, 实现自动推进和推出喷枪的动作。推进器的位置信号接到 SNCR脱硝控制系统上, 与开(停)雾化蒸汽和开(停)尿素溶液的阀门动作联动, 实现整个 SNCR 脱硝系统喷枪自动运行。3.3 其工艺流程简图如下：3.4 SNCR工艺的经济性分析SNCR工艺以锅炉炉膛为反应器，可通过对锅炉外围的改造来实现对烟气的脱硝，工程建设周期短，其投资成本和运行成本与其它脱硝技术相比都是比较低的，因此非常适合对现有锅炉进行改造，特别适合于中小型锅炉的脱硝改造。如果再辅以炉后尾部烟气SCR脱硝技术联合使用，将是非常好的选择。一方面在较低投资条件下有效提高了脱硝的效率，另一方面，也很好的控制了氨逃逸。国外SNCR脱硝系统的运行情况如下表所示：国外电厂已经行的SNCR脱硝技术经济指标锅炉功率/MW未脱硝前NOx含量/(10-6)NOx脱除率/(%)单位投资/(美元/kw)均化成本/(mills/(kwh)成本/(美元/吨NOx脱除)氨逃逸量/(10-6)10066050182.03114030066050101.659285006605081.57881200300302218065200300502216482014078031151033103209603710.677351103704715161.11.3770979104、后续的SCR工艺SNCRSCR联合脱硝工艺的核心为SNCR部分，SCR脱硝反应器只是辅助设备。在SNCR反应器内NOx已经被脱除了40%左右，并且由于较高的氨逃逸，到达SCR反应器的还剂还有相当的含量，因此在SCR反应器内不再喷射还原剂，因而不用再安装复杂的氨喷射格栅，而是在催化剂的作用利用残余的还原剂脱除烟气中的NOx。这样一来可以将烟气中最终氨逃逸控制在很小的范围内。另外，复合工艺中SCR反应器所需催化剂的数量也比常规SCR反应器大为减少，只需后者的一半至三分之一左右即可满足工艺要求，一般催化剂层只需布置一层即可。并且蒸汽吹灰系统也被简化为一层。在保证将NOx的脱除率提高到80%左右的前提下，还降低了运行费用和工程投资。自SCR反应器出来的烟气再进入后续的除尘、脱硫系统继续处理，最后由引风机排入烟囱。SNCRSCR联合脱硝工艺流程图如下：5、工艺计算5.1设计基础参数(单台)烟气量：24.0万m3/h（折算为标况为15.0万Nm3/h）NOX含量：小于550mg/Nm35.2物料衡计算5.2.1 影响脱硝率的因素影响脱硝效率的主要因素有：温度、摩尔比、反应时间，如果控制好脱硝剂的喷入位置，即可控制好反应温度和反应时间。NH3/ NOx摩尔比对 NOx还原率的影响很大，尽管从化学反应式来看，反应摩尔比为1，但是实际上都要比 1大才能达到较理想的 NOx还原率，NOx摩尔比过大虽然有利于 NOx还原率增大，但是氨的逃逸加大又会造成新的问题，同时还增加了运行费用。5.2.2 设计参数取值已有的运行经验显示，NH3/ NOx摩尔比一般1.12，超过2以后增加氨的喷入量对脱硝的效率影响已经很小。为此，本设计取NH3/ NOx摩尔比为1.5进行设计计算。固体尿素纯度按80%计。最佳温度区间为9001150，在此区间内的停留时间设计为0.5s以上。计算按全部生成NO计。5.2.3 计算过程 l 设计燃烧产生NOx值为550mg/Nm3，设计排放值按200mg/Nm3计，锅炉炉出口最大烟气排放量为150000Nm3/h。l 生成NO量：150000Nm3/h350 mg/Nm3=52500000 mg/h=52.5kg/h化学反应式：2NO+CO(NH2)2+1/2O2 2N2+CO2+2H2Ol 每小时消耗80%纯度固体尿素的量为：52.568601.580%=111.56kgl 每小时消耗水量为：111.5610%-111.56=1004.04kg6、SNCRSCR联合工艺脱硝预期效果本系统采用炉内脱硝SNCR和烟气尾部脱硝SCR工艺混合型技术，将体现以下优点：1、远远小于传统SCR系统成本即可达到85%的脱硝效率；2、改造工期短、改造工程量小；3、对锅炉系统影响小，不需对锅炉、烟风道、引风机等进行改造；4、减少SCR催化剂的使用量从而减少SO2到SO3的转换； 5、SO2/SO3转化所引起的腐蚀和空预器阻塞问题小； 6、较SCR反应器小，具有更好的空间适用性 ；7、脱硝系统阻力低，催化剂用量少，运行费用低；8、无需尿素热解系统，简化了工艺，节省了投资；9、安装灵活，可先安装SNCR，满足现行的脱硝要求，SCR部分可留待以后环保要求提高时再安装，脱硝工程分步实施，降低初始投资。