脱硝技术解决方案

来源: 索佳  作者: 索佳  发布于: 2014/3/15 14:28:49  关注度:


一、技术背景

氮氧化物(NOX)是大气污染的主要成分之一,我国氮氧化物的排放量中70%来自于煤炭的直接燃烧,而电力工业又是我国的燃煤大户,因此火力发电厂是NOX排放的主要来源之一。近年来,我国氮氧化物排放量随着能源消费的快速增长而迅速上升。统计数据显示,2007年我国火电厂排放的氮氧化物总量已增至840万吨。据专家预测,若不控制,2020年我国氮氧化物排放总量
将达到1452万吨。环保部门表示,“十二五”期间,氮氧化物总量控制将在全国范围内实行,并提交全国人大常委会批准作为“十二五”一项新的减排目标。

燃煤电厂烟气脱硝分为选择性催化还原SCR)、选择性非催化还原(SNCR)和SCR/SNCR联用三种技术。目前,NH3选择性催化还原(SCR)NO 被认为是一种最有效的烟气脱硝方法。


二、脱硝技术工艺介绍

1、SCR烟气脱硝技术(选择性催化还原技术)

近几年来选择性催化还原烟气脱硝技术(SCR)发展较快,在欧洲和日本得到了广泛的应用,目前催化还原烟气脱硝技术是应用最多的技术。

1)SCR脱硝反应

目前世界上流行的SCR工艺主要分为氨法SCR和尿素法SCR两种。此两种方法都是利用氨对NOX的还原功能,在催化剂的作用下将NOX(主要是NO)还原为对大气没有多少影响的N2和水。还原剂为NH3,其不同点则是在尿素法SCR中,先利用一种设备将尿素转化为氨之后输送至SCR触媒反应器,它转换的方法为将尿素注入一分解室中,此分解室提供尿素分解所需之混合时间,驻留时间及温度,由此室分解出来之氨基产物即成为SCR的还原剂通过触媒实施化学反应后生成氨及水。尿素分解室中分解成氨的方法有热解法和水解法,主要化学反应方程式为:

NH2CONH2+H2O→2NH3+CO2

在整个工艺的设计中,通常是先使氨蒸发,然后和稀释空气或烟气混合,最后通过分配格栅喷入SCR反应器上游的烟气中。

在SCR反应器内,NO通过以下反应被还原:

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

当烟气中有氧气时,反应第一式优先进行,因此,氨消耗量与NO还原量有一对一的关系。

在锅炉的烟气中,NO2一般约占总的NOX浓度的5%,NO2参与的反应如下:

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

上面两个反应表明还原NO2比还原NO需要更多的氨。

在绝大多数锅炉烟气中,NO2仅占NOX总量的一小部分,因此NO2的影响并不显著。

SCR系统NOX脱除效率通常很高,喷入到烟气中的氨几乎完全和NOX反应。有一小部分氨不反应而是作为氨逃逸离开了反应器。一般来说,对于新的催化剂,氨逃逸量很低。但是,随着催化剂失活或者表面被飞灰覆盖或堵塞,氨逃逸量就会增加,为了维持需要的NOX脱除率,就必须增加反应器中NH3/NOX摩尔比。

从新催化剂开始使用到被更换这段时间称为催化剂寿命。

2)SCR系统组成及反应器布置

在选择催化还原工艺中,NOx与NH3在催化剂的作用下产生还原。催化剂安放在一个固定的反应器内,烟气穿过反应器平行流经催化剂表面。催化剂单元通常垂直布置,烟气自上向下流动。SCR系统一般由氨的储存系统、氨与空气混合系统、氨气喷入系统、反应器系统、烟气系统、检测控制系统等组成。

SCR反应器在锅炉烟道中一般有三种不同的安装位置,即热段/高灰布置、热段/低灰和冷段布置。

a.热段/高灰布置:反应器布置在空气预热器前温度为350℃左右的位置,此时烟气中所含有的全部飞灰和SO2均通过催化剂反应器,反应器的工作条件是在“不干净”的高尘烟气中。由于这种布置方案的烟气温度在250~400℃的范围内,适合于多数催化剂的反应温度,因而它被广泛采用。但是由于催化剂是在“不干净”的烟气中工作,因此催化剂的寿命会受下列因素的影响:

①烟气所携带的飞灰中含有Na,Ca,Si,As等成分时,会使催化剂“中毒”或受污染,从而降低催化剂的效能;

②飞灰对催化剂反应器的磨损;

③飞灰将催化剂反应器蜂窝状通道堵塞;

④如烟气温度升高,会将催化剂烧结,或使之再结晶而失效,如烟气温度降低,NH3会和SO3反应生成酸性硫酸铵,从而会堵塞催化反应器通道和污染空气预热器;

⑤高活性的催化剂会促使烟气中的SO2氧化SO3,因此应避免采用高活性的催化剂用于这种布置。

为了尽可能地延长催化剂的使用寿命,除了应选择合适的催化剂之外,要使反应器通道有足够的空间以防堵塞,同时还要有防腐措施。

b.热段/低灰布置:反应器布置在静电除尘器和空气预热器之间,这时,温度为250~400℃的烟气先经过电除尘器以后再进入催化剂反应器,这样可以防止烟气中的飞灰对催化剂的污染和将反应器磨损或堵塞,但烟气中的SO3始终存在。采用这一方案的最大问题是,静电除尘器无法在250~400℃的温度下正常运行,因此很少采用。

c.冷段布置:反应器布置在烟气脱硫装置(FGD)之后,这样催化剂将完全工作在无尘、无SO2的“干净”烟气中,由于不存在飞灰对反应器的堵塞及腐蚀问题,也不存在催化剂的污染和中毒问题,因此可以采用高活性的催化剂,减少了反应器的体积并使反应器布置紧凑。当催化剂在“干净”烟气中工作时,其工作寿命可达3~5年(在“不干净”的烟气中的工作寿命为2~3年)。这一布置方式的主要问题是,当将反应器布置在湿式FGD脱硫装置后,其排烟温度仅为50~60℃,因此,为使烟气在进入催化剂反应器之前达到所需要的反应温度,需要在烟道内加装燃油或燃烧天然气的燃烧器,或蒸汽加热的换热器以加热烟气,从而增加了能源消耗和运行费用。

以上三种方案为SCR反应器的基本布局方式,就现场设备而言,一般要遵循以下布置原则:

a.在规划基本的现场布置方案时,建筑和设备的位置应该按照需要的功能来布置,并考虑进出方便、建造难易、操作、维护、和安全性。

b.一台锅炉可以有一个SCR反应器,根据现场空间和现有设备系统的条件来决定。

c.为SCR反应器留有适当的空间,用来设置过道,便于催化剂模块的安装和操作。

d.为催化剂模块的抬升预留足够的空间。

e.通道应该尽可能连续,所有的主要通道能允许叉式升降机或铲车)通行,并考虑其转动半径。

对于一般燃油或燃煤锅炉,其SCR反应器多选择安装于锅炉省煤器与空气预热器之间,因为此区间的烟气温度刚好适合SCR脱硝还原反应,氨被喷射于省煤器与SCR反应器间烟道内的适当位置,使其与烟气充分混合后在反应器内与氮氧化物反应,SCR系统商业运行业绩的脱硝效率约为60%~80%。

2 SNCR烟气脱硝技术(选择性非催化还原技术)

选择性催化还原脱除NOX的运行成本主要受催化剂寿命的影响,一种不需要催化剂的选择性还原过程或许更加诱人,这就是选择性非催化还原技术。该技术是用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,而且还需要一定的停留时间。还原剂喷入炉膛温度为850~1100℃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850~1100℃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850~1100℃范围内,NH3或尿素还原NOX的主要反应为:

NH3为还原剂

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

尿素为还原剂

NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+H2O

当温度高于1100℃时, NH3则会被氧化为

4NH3+5O2→4NO+6H2O

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850~1100℃。当反应温度过高时,由于氨的分解会使NOx还原率降低,另一方面,反应温度过低时,氨的逃逸增加,也会使NOx还原率降低。NH3是高挥发性和有毒物质,氨的逃逸会造成新的环境污染。

引起SNCR系统氨逃逸的原因有两种,一是由于喷入点烟气温度低影响了氨与NOx的反应;另一种可能是喷入的还原剂过量或还原剂分布不均匀。还原剂喷入系统必须能将还原剂喷入到炉内最有效的部位,因为NOx在炉膛内的分布经常变化,如果喷入控制点太少或喷到炉内某个断面上的氨分布不均匀,则会出现分布较高的氨逃逸量。在较大的燃煤锅炉中,还原剂的均匀分布则更困难,因为较长的喷入距离需要覆盖相当大的炉内截面。为保证脱硝反应能充分地进行,以最少的喷入NH3量达到最好的还原效果,必须设法使喷入的NH3与烟气良好地混合。若喷入的NH3不充分反应,则逃逸的NH3不仅会使烟气中的飞灰容易沉积在锅炉尾部的受热面上,而且烟气中NH3遇到S03会产生(NH4)2S04易造成空气预热器堵塞,并有腐蚀的危险。

SNCR烟气脱硝技术的脱硝效率一般为25%~50%,受锅炉结构尺寸影响很大,多用作低NOX燃烧技术的补充处理手段。采用SNCR技术,目前的趋势是用尿素代替氨作为还原剂,值得注意的是,近年的研究表明,用尿素作为还原剂时,NOX会转化为N2O,N2O会破坏大气平流层中的臭氧,除此之外,N2O还被认为会产生温室效应,因此产生N2O问题己引起人们的重视。
SNCR系统烟气脱硝过程由下面四个基本过程完成:

•接收和储存还原剂;

•还原剂的计量输出、与水混合稀释;

•在锅炉合适位置注入稀释后的还原剂;

•还原剂与烟气混合进行脱硝反应。

3 SNCR/SCR混合烟气脱硝技术

SNCR/SCR混合烟气脱硝技术是把SNCR工艺的还原剂喷入炉膛技术同SCR工艺利用逃逸氨进行催化反应的技术结合起来,进一步脱除NOX。它是把SNCR工艺的低费用特点同SCR工艺的高效率及低的氨逃逸率进行有效结合。该联合工艺于20世纪70年代首次在日本的一座燃油装置上进行试验,试验表明了该技术的可行性。理论上,SNCR工艺在脱除部分NOX的同时也为后面的催化法脱硝提供所需要的氨。SNCR体系可向SCR催化剂提供充足的氨,但是控制好氨的分布以适应NOX的分布的改变却是非常困难的。为了克服这一难点,混合工艺需要在SCR反应器中安装一个辅助氨喷射系统。通过试验和调节辅助氨喷射可以改善氨气在反应器中的分布效果。资料介绍SNCR/SCR混合工艺的运行特性参数可以达到40%-80%的脱硝效率,氨的逃逸小于5~l0ppm。 

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