毕业设计论文燃煤电厂SCR低温脱硝工艺设计.docx

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毕业设计论文燃煤电厂SCR低温脱硝工艺设计

毕业设计

2013年06月08日

燃煤电厂SCR低温脱硝工艺设计

摘要:

本文结合我国环境的现实情况，对比了各种脱硝技术的优劣，选择了

最佳的脱硝技术方案----选择性催化还原法（SCR）烟气脱硝工艺。

SCR工艺与其它的工艺相比，具有较高的NOx脱除率（80%以上），将燃煤电厂烟气排放NOx控制在较低的浓度，以满足不断更新更加严格的排放标准。

而且该工艺无副产物，不形成二次污染，装置结构简单，运营可靠，便于维护。

本设计针对电厂燃煤锅炉产生烟气的排放要求和一些工程实例，根据工艺参数,对SCR系统的工艺结构进行了设计计算，最后确定反应器的高度为6m，横截面积为1.28m2，形状为正方形，内部设置3层催化剂，1层为预留层，并设有烟气整流层，声波吹灰器等辅助设施；并对辅助设备进行了选型，确保整个系统在低温条件下安全、稳定的发生氮氧化物的选择性催化还原反应。

关键词:

氮氧化物，SCR工艺，低温，催化剂

Coal-firedpowerplantSCRNOxprocessdesigntemperature

Abstract:

Inthispaper,therealityofenvironment,comparedtheadvantageanddisadvantagedofvariousdenitrificationtechnology,chosebestdenitrationtechnologysolutions----selectivecatalyticreduction（SCR）fluegasdenitrificationprocesses.TheSCRcraftcompareswithothercrafts,hasthehighNOxremovingrate（above80%）,willburncoalthepowerplanthazetodischargetheNOxcontrolinthelowdensity,andsatisfiesthestricteremissionstandardwhichrenewsunceasingly.Moreoverthiscraftdoesnothavetheby-product,doesnotformsecondarypollution,theinstallmentstructureissimple,theoperationisreliable,isadvantageousforthemaintenance.

Thedesignforthepowerplantfluegasemissionsfromcoal-boilerrequirementsandexamplesofsomeprojects,accordingtoprocessparaments,processstructureforSCRsystemdesigncalculationscarriedouttofinalizethereactorheightof6m,cross-sectionalareaof1.28m2,shapeasquarelayer3providedinsidethecatalyselayeroflayer1isreserved,andagasrectifyinglayersonicsootblowerandotherauxiliaryfacilities;auxiliaryequiomentfortheselectionandtoensurethesafetyunderlowtemperatureconditions,theoccurrenceofstableNoxselectivecatalyticreduction.

Keywords：

Nitrogenoxide,SCRprocess,Hypothermia，catalyst

1引言

1.1综述

1.1.1选题背景

我国是能源生产与消费的大国，一次能源供应以煤炭为主，石油、天然气资源短缺。

然而我国污染物排放总量长期居高不下，远远超过环境自净能力。

其中氮氧化物的污染不断加剧，特别是北京、上海、广州、天津等一些大城市，氮氧化物含量超标，局部地区甚至出现了光化学烟雾。

煤作为我国主要的一次能源，尤其是火力发电厂在燃烧过程中释放出SO2、NOx等污染物而带来酸雨和其他环境污染问题。

就NOx污染物排放来说。

据环保部统计和有关研究，2000年的排放量约为1200万吨，2005年的排放量约为1700万吨，到2010年排放量将达到2194万吨。

在国家“十一五”规划中，加大了对主要污染物的排放控制，要求在2010年，全国主要污染物排放总量要比2005年降低10％。

我国从上世纪70年代开始就进行酸雨的控制研究工作，但重点放在了SO2的治理上。

并相继出台了大气污染防治法、排污费征收政策和火电厂脱硫电价补贴政策。

与SO2相比，NOx不但对酸雨的形成影响很大，而且还是光化学烟雾形成的催化剂，其对大气的污染要远大于SO2形成的污染。

1.1.2研究意义

目前我国脱硫工作已经取得较大进展，但氮氧化物的污染问题尚未得到有效控制，酸雨类型已经从硫酸型向硫酸和硝酸复合型转化。

火电厂是氮氧化物的主要排放源，因此，对火电厂进行“脱硝”迫在眉睫。

最新颁布的《火电厂大气污染物排放标准》与2009年发布的初稿相比，无论是“脱硝”完成时间要求还是减排力度都有明显提高。

该标准计划从2012年开始实施，其中，从2012年1月1日开始，所有新建火电机组NOx排放量要达到100mg/m3从2014年1月1日开始，重点地区所有火电投运机组NOx排放量要达到100mg/m3而非重点地区2003年以前投产的机组达到200mg/m3。

而环保部2009年7月份发布的第一次征求意见稿则要求在2015年1月1日前完成现役机组“脱硝”其中，重点地区NOx排放量达到200mg/m3非重点地区达到400mg/m3[2]。

除了比2009年初稿要求更高之外，新标准也比欧盟相关规定要求更高。

SCR烟气脱硝这一技术在欧洲、日本、美国等发达国家和地区已得到了广泛的应用。

我国SCR技术的研究始于20世纪90年代，国内绝大多数企业采用的脱硝技术尚处于引进、消化吸收和初步应用阶段。

因此，对SCR工艺进行深入研究，对我国，脱硝技术的发展有着重要意义。

1.2NOx的特性、来源和危害

1.2.1NOx的特性

NOx即氮氧化物，氮氧化物包含多种化合物，如一氧化氮、一氧化二氮、二氧化氮、三氧化二氮和四氧化二氮等。

除NO2外，其余NOx均不稳定，条件变化时，如遇光、热、湿会变成NO2及NO而NO又变成NO2[7]。

常规职业环境中接触的是几种气体混合物，常称为硝烟，为NO2和NO，主要以NO为主。

一氧化氮性质不稳定，无色，在空气中易氧化成NO2。

溶于乙醇、二氧化碳，微溶于水和硫酸。

熔点-163.6℃，沸点-151.5℃，蒸气压力101.31kPa（-151.7℃）。

二氧化氮（NO2）性质较稳定，溶于碱、二氧化碳和氯仿。

在-11℃以下时为无色固体，在21.1℃以下时，暗褐色液体，21.1℃时，红棕色气体，气味刺鼻。

熔点-11.2℃，沸点21.2℃，蒸气压力101.31kPa（21℃）。

1.2.2NOx的来源

大气中NOx污染物来源于两个方面，一是自然源，二是人为源。

自然源的NOx主要来自微生物活动、生物体氧化分解、火山喷发、雷电、平流层光化学过程、土壤和海洋中的光解释放等[3]。

自然源产生的NOx数量比较稳定，且相对基本平衡变化大的是人为源。

人为源NOx由人类的生活和生产活动产生并排放进入大气。

产生的NOx的人类活动主要有：

（1）燃煤电站、交通车船和飞机等化石燃料燃烧过程产生的NOx；

（2）硝酸生产、冶炼等生产产品过程产生的NOx；

（3）垃圾和污泥焚烧等处理废物过程产生的NOx。

其中，化石燃料燃烧过程产生的NOx占主要地位，因为其随着社会的经济发展的需求呈现增长的趋势[8]。

目前的三大环境问题是：

（1）温室效应；

（2）酸雨；

（3）臭氧层破坏。

上述大气环境问题的污染物中，都有NOx，可知其对自然界的影响力之大。

NOx具有很强的毒性，是形成光化学烟雾、形成硝酸型酸雨、破坏臭氧层的主要物质之一[9]。

对环境、生态、人类的危害，对经济发展的阻碍都很大。

1.2.3NOx的危害

各种污染源产生的氮氧化物中，绝大部分为NO，毒性不是很大，但NO在大气中被氧化成NO2。

NO2比较稳定，毒性是NO的4-5倍。

NO2是一种红棕色有毒的恶臭气体，空气中只要有0.1ppm（1ppm=1μL/L）浓度就可闻到，1--4ppm即有恶臭，25ppm就恶臭难闻了。

空气中的含量在3.5×10-6体积分数，持续1小时，开始对人体有影响，含量为：

（20--50）×10-6时，对人眼有刺激作用，当含量达到150×10-6时，对人体器官有强烈的刺激[10]。

NO2对人类和动植物的危害很大。

更为严重的是，NO2在日光作用下会产生新生态氧原子：

（NO2→NO+O）这种新生态氧原子在大气中将会引起一系列连锁反，并与未燃尽的碳氢化合物一起形成光化学烟雾，其毒性更强。

如在20世纪70年代初，日本东京发生的一起光化学烟雾，使上万人喉头发炎，眼鼻受到刺激甚至昏倒。

因在这一些反应中产生了各种毒性很强的二次污染物[11]。

如臭氧、过氧乙酰硝酸酯，PAN、过氧基硝酸酯，PBN以及过氧硝基丙酰，PPN等[1]。

大气NOx浓度的微小增加都会加重光化学烟雾的污染。

造成区域性的氧化剂污染和细颗粒物污染，使区域空气质量退化，太阳辐射减少，气候发生变化，对生态系统造成损害使农作物减产。

光化学烟雾会使大气能见度降低，对眼睛、喉咙有强烈的刺激，并产生头痛、呼吸道疾病恶化,严重的甚至死亡[12]。

由于大气的氧化性，NO在大气中可形成硝酸和硝酸盐细颗粒物，同硫酸和硫酸细颗粒物一起，发生远距离传输，加速了区域性酸雨的恶化。

我国一些地方的酸雨污染已经由单一的硫酸型向硝酸根离子不断增加的复合型转化。

大气中的NOx也破坏着臭氧层，臭氧层对大气的循环以及大气的温度分布起着重要的作用。

臭氧层被破坏使平流层获得的热量减少，达到地球表面的太阳辐射增加，导致全球气候变化。

紫外线的UV-B段辐射增强会引起皮肤病、白内障及免疫系统的疾病等[2]。

大气被NO2污染后还会使得机器设备和金属建筑物过早地损坏,妨碍和破坏植物的生长，降低大气的可见度，阻碍热力设备出力的提高，甚至使设备的效率降低[1]。

1.2.4燃煤电站NOx的产生

煤燃烧产生的氮氧化物主要来自两个方面，一是燃烧时空气带进来的氮，在高温下与氧反应所生成的NO，二是来自燃料中固有的氮化合物经过复杂的化学反应所生成的氮的氧化物，这两部分氮的氧化物的形成机理是不同的[1]。

1.3SCR脱硝工艺

1.3.1SCR基本原理

SCR法中催化剂的选取是关键。

对催化剂的要求是活性高、寿命长、经济性好和不产生二次污染。

SCR法是国际上应用最多、技术最成熟的一种烟气脱硝技术。

SCR法的优点有：

使用了催化剂，反应温度较低，净化率高，可达85%以上，工艺设备紧凑，运行可靠，还原后的氮气放空，无二次污染。

但也存在一些明显的缺点：

烟气成分复杂，某些污染物可使催化剂中毒，高分散度的粉尘微粒可覆盖催化剂表面使其活性下降，系统中存在一些为反映的NH3和烟气中的SO2作用，生成易腐蚀和堵塞设备的硫酸铵盐，同时还会降低氨的利用率，投资与运行费用较高[13]。

SCR反应的基本原理：

选择性催化还原（SCR）脱硝原理是在一定的温度和催化剂的作用下，还原剂有选择地把烟气中的NOx还原为无毒无污染的N2和H2O。

催化的作用是降低分解反应的活化能，使其反应温度降低至150--450℃之间。

若无催化剂，反应温度较高（980℃左右），超出了电厂温度范围。

还原剂有氨水、液氨及尿素，工业上常应用的是液氨，其次是尿素。

实际中液氨的使用最多，其反应如下。

主反应方程式：

副反应方程式：

因为烟气中的几乎95%的NOx均是以NO的形式存在。

在反应过程中，NH3可以选择性地和NOx反应生成N2和H2O而不是被O2所氧化[14]，其基本原理如图1.1所示:

图1.1SCR基本反应原理

1.3.2典型SCR系统组成

典型的SCR低温脱硝流程如图1.2所示。

烟气脱硝系统主要由还原剂的制备系统和脱硝反应系统两部分组成，脱硝反应系统有SCR催化反应器、喷氨系统、稀释空气供应系统所组成。

液氨存储和供应系统有液氨卸料压缩机、液氨储槽、液氨蒸发槽、氨气缓冲槽、氨气稀释槽、废水泵和废水池等[2]。

图1.2SCR低温脱硝系统

1.3.3SCR工艺流程

典型的SCR主要工艺流程为:

还原剂即液氨用灌装卡车运输,以液体形态储存于氨罐中,液态氨在注入SCR系统烟气之前经由蒸发器蒸发汽化,汽化的氨和稀释空气混合,通过喷氨格栅喷入SCR反应器上游的烟气中,充分混合后的还原剂和烟气在SCR反应器中催化剂的作用下发生反应,以达到去除NOx的目的[5]。

SCR的基本操作运行主要包含以下几个步骤:

（1）氨的准备与储存；

（2）氨的蒸发并与预混空气相混合；

（3）氨与空气的混合气体在反应器的适当位置喷入烟气系统中,其位置通常在反应器入口附近的烟气管路内；

（4）喷入的混合气体与烟气的混合；

（5）各反应物向催化剂表面的扩散并进行反应。

本反应采用低温低尘布置系统：

这种布置方式通常将SCR反应器布置在所有的气体排放控制设备之后，此时的烟气经前面的气体控制设备，已经除去了绝大多数对催化剂有害的成分。

低温低尘布置的优点：

（1）烟气经过了除尘脱硫，可采用更大的流速，使催化剂消耗量减少；

（2）氨逃逸量与其它布置方式相比是最少的；（3）不会产生SO3防止二次污染[2]。

缺点：

（1）烟气经除尘脱硫后，温度降低，低于氨还原NOx反应所需的温度,需要重新加热，增加投资和运行成本；

（2）很难找到符合反应条件的催化剂。

1.4催化剂

选择优良的催化剂是SCR技术的关键。

催化剂有贵金属和普通金属，贵金属易与硫氧化物反应，又昂贵，工程中不建议采用。

常用的金属基催化剂为锰-铁氧化物作为催化剂，用介孔二氧化硅作为支撑，容易将碱性的NH3捕捉到催化剂表面，其特定的氧化优势有利于将氨和NOx转化为氮气和水，并且工作温度较低能在富氧环境下工作，抗中毒能力较强[5]。

目前用于SCR中的催化剂主要有3种类型：

蜂窝式、板式及其它形式。

蜂窝式催化剂采用介孔二氧化硅作骨架材料，具有模块化、相对质量比较轻长度易于控制、比表面积大、回收利用率高等优点。

2SCR系统的设计与计算

2.1设计执行标准

1《火电厂大气污染物排放标准》GB13223-2003

2《燃煤电站SCR烟气脱硝技术及工程应用》-2007

3《燃煤电站SCR烟气烟气脱硝工程技术》-2009

2.2原始数据

烟气流量：

Q=2×104Nm3/h；

烟气温度：

T=150℃；

进口浓度：

NOXin=700ppm；

进口O2浓度：

O2in=4.0vol%；

进口H2O（g）浓度：

H2Oin=3.5vol%；

操作压力：

0.1Mpa；

空速范围：

8000--10000h-1；

脱硝效率：

>85%；

选择性：

>90%。

2.3SCR反应器设计计算

2.3.1SCR反应器的物料恒算

在燃煤电站SCR工艺中由于NO的含量占整个NOx的95%左右，所以

是主要反应。

首先进行浓度换算:

表2.1烟气浓度换算

进口烟气

浓度

浓度（mol/m3）

NO

700ppm

3.125×10-5

O2

4.0vol%；

1.7857×10-3

H2O（g）

3.5vol%；

1.5625×10-3

进口NO的浓度为700ppm换算浓度为3.125×10-5mol/m3

1.反应的NO计算

NO的出口浓度为0.46875×10-5

所以参与的NO的浓度=NOin-NOout=3.125×10-5-0.46875×10-5

=2.65625×10-5mol/m3

2.反应的NH3的计算

氨的逃逸率为10ppm

根据反应原理:

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

可以得到反应的氨为:

11.9Nm3/h。

NH3in=NH3反应+NH3逃逸

=0.2+11.9

=12.1Nm3/h

所以喷入氨速率为：

12.1Nm3/h

3.反应过程中O2,N2,H2O的浓度增量为：

O2out=O2in-O2反应

=1.7857×10-3-2.65625×10-5/4

=1.7791×10-3mol/m3

N2out=2.65625×10-5mol/m3

H2O（g）out=H2O（g）in+H2O（g）反应

=1.5625×10-3+2.65625×10-5×1.5

=1.6023×10-3mol/m3

4.稀释风量估算：

为了系统的安全性和保障你好和延期有效混合，一般需要在NH3进入烟气之前，先和一定量的空气混合。

目前国内NH3稀释空气比在设计时满足锅炉在BMCR时NH3含量小于5%[15],因此可以根据NH3的消耗量估算稀释风的量，具体计算公式为：

；

Vair------标态下稀释空气比率，m3/h；

qVNH3------标态下NH3流量，m3/h；

所以稀释空气的速率为：

229.9m3/h。

管道的选型：

根据气体的流速大约为：

10m/s。

根据公式：

VS----体积流速，m3/s；

R----管道半径，m；

V----流体的线速度，m/s。

稀释空气体积流量为：

Vair=229.9m3/h=0.064m3/s。

5.稀释空气管道的半径为：

所以稀释空气管道选取公称直径为50mm的管径。

氨气的体积流量为12.1m3/h=0.00336m3/s

6.氨气的管道的半径为：

所以氨气管道选取公称直径为50mm的管径。

烟气的体积流量为：

20000m3/h=5.56m3/s

7.烟气的管道的半径为：

所以烟气管道半径选取公称直径为450mm的管径。

8.液氨储罐的选型：

选型原则：

保证储罐里面的液氨容量供系统连续运转一个月。

m液氨=12.1×24×30×103/22.4×17=65t

液氨储罐选择两个，一用一备,其容量大概为65t。

2.3.2SCR反应器尺寸计算

1.催化剂横截面积

式中:

qfluegas——锅炉烟气流量,m3/h；

V——典型的流经催化剂表面的速度，m/s,通常取5m/s[1]；

催化剂的单边长，1.05m，按照1m计算；

3600——单位换算系数。

2.SCR反应器横截面积

考虑催化剂模块几何形状及其它方面，SCR反应器横截面积约比催化剂横截面积大15%。

则SCR反应器横截面积：

式中：

Acatalyst——催化剂横截面,m2；

设反应器的横截面为正方形，所以其边长为1.14m2；

3.催化剂体积

空间速度范围8000-10000h-1，取空速为9000h-1。

根据定义其计算公式为:

则催化剂的高度为：

式中

Lcatalyst——催化剂高度，m。

4催化剂层数估算

式中

——催化剂体积，m3；

——典型的催化剂额定高度约为1m；

——催化剂横截面积，m2；

——取值为2。

5、催化剂总层数

式中

nlayer————估算的催化剂层数；

nempty——将来再安装的备用催化剂层数,取值1。

6．SCR反应器高度

所以反应器高度为6m。

式中：

ntotal——催化剂总层数；

hlayer——催化剂层高度，m；

C1——支撑、安装催化剂所需要的空间,高度取0.3m；

C2——整流层安装高度及安装需要的空间高度，取6m。

2.3.3塔的设计计算

塔体表面附有100mm的保温层,保温材料密度为300kg/m3[16]。

塔体采用不锈钢，材料附加量为4.8mm,[σ]t=68MPa。

1.塔高的计算

式中：

h1——SCR反应器以下部位的底座高度，m。

2.塔长、宽的计算

为方便安装和调试在反应器两个方向各留0.5m。

则塔的长、宽分别为：

L=l+1

=1.14+1

=2.14m

W=L=2.14m

式中：

l—SCR反应器长度，m；

L—塔的长度，m；

W—塔的宽度，m。

3.塔体的壁厚计算

塔体外部设有加固肋，采用横向加固方式，即塔体若干水平方向的加固圈组成[6]。

如下图2.1所示：

图2.1加固圈示意图

表2.2加固圈的段间距

短距Hi/mm

数量/个

H1

H2

H3

H4

H5

1

0.60H

0.40H

-

-

-

2

0.45H

0.30H

0.25H

-

-

3

0.37H

0.25H

0.21H

0.17H

-

4

0.31H

0.21H

0.18H

0.16H

0.14H

已知H=hSCR=6m，得出

H1=0.31H=1.86m

H2=0.21H=1.26m

H3=0.18H=1.08m

H4=0.16H=0.96m

H5=0.14H=0.84m

所以：

h1=1.86m

h2=3.12m

h3=4.20m

h4=5.16m

h5=6m

第一段壁厚

式中：

L——塔长，m；

1——系数,其值根据查表所得；

——材料密度，20号钢，kg/mm3；

g——重力加速度，m/s2；

——设计温度下材料的许用应力，MPa。

第i段壁厚按照下面的公式计算：

第二段壁厚：

第三段壁厚：

第四段壁厚：

综上所述：

取其中的最大值5mm。

则壁厚有以下计算式：

式中：

C1—钢板负偏差，mm；

C2—腐蚀裕量，mm。

最终δ取10mm。

2.3.4催化剂的选型

由于脱硝效率要达到85%以上，根据板式与蜂窝式催化剂的比较，故本设计中选择比表面积较大、硝效率更高的蜂窝式催化剂作为SCR催化剂。

选用锰-铁催化剂介孔二氧化硅作为载体，比表面积200m2/g，堆积密度为3.4g/ml，孔隙率20%，单价5000元/吨，催化剂单元尺寸为25mm×25mm×25mm，每一催化剂层总共64模块。

总的催化剂数量为192块。

2.3.5喷氨系统喷射管设计

噴氨格栅布置在SCR反应器的烟气进口段，在反应器的上游，距离反应器的距离比较近，采用分区型，可以单独调节流量，以匹配烟气中NOX的浓度。

设计噴氨管直径75mm，射喷孔直径15mm，喷射管共9支，180孔，喷嘴角度与烟气成45度，平均分布在烟道截面上。

2.3.6氨气/烟气静态混合器

选用托普索公司开发的专有星形混合器，由形状为有四角星