某造纸厂TH锅炉SNCR法脱硝工程设计资料.docx
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某造纸厂TH锅炉SNCR法脱硝工程设计资料
某造纸厂2×110T/H锅炉SNCR法脱硝工程设计
某造纸厂2×110T/H锅炉SNCR法脱硝工程设计
摘要
本设计为某造纸厂2×110T/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750～890℃，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
Apapermillin2×110T/HboilerSNCRdenitrificationengineeringdesign
Abstract
Thisisadesignforfluegasdenitrificationtechnologyofapapermillin2*110T/Hboiler.Eachboilerfluegasemissionsof236000standardcubicmetersperhourwhichwhereinthenitrogenoxidecontentof450milligramsperstandardcubicmeter.Inthesenitrogenoxide,themaincomponentsareNO（about92.5%）andNO2（about7.5%）.Thetemperatureoffurnaceexitfluegasis750~890℃.Thisdesignwillmakethefluegascontentofnitrogenoxidebelow180milligramsperstandardcubicmeterafterusingthedenitrificationtechnique.
Selectivenon-catalyticreduction（SNCR）,thedesignincludesSNCRdenitrificationprocessflowdiagram,SNCRcomputingsystemsandequipmentselection,automaticcontrolsystemdesign,maintenanceandoperationofeconomicanalysis.
Keywords:
NitrogenoxidesCatalyticReductionselectivenon-catalyticreduction（SNCR）gasdenitration
第1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/h
263000
锅炉设计参数
炉膛出口烟气温度
℃
750~890
锅炉出口飞灰浓度
mg/Nm3
45~62
原始SO2排放
mg/Nm3
2400
极限值
脱硫后SO2排放
mg/Nm3
200
处理前NOx浓度
mg/Nm3
450
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
%
61.44
54.55
2
氢
Har
%
3.09
3.32
3
氧
Oar
%
2.69
5.31
4
氮
Nar
%
0.83
0.91
5
硫
Sar
%
0.36
1.03
6
灰分
Aar
%
29.59
32.88
7
水分
Mar
%
2
1.4
8
发热量
Qnet，ar，p
Kcal/kg
23706.89
21280
9
挥发分
Vdaf
%
14.68
22.77
1.2.6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
%
8.13
13.69
13.74
4.77
61.44
2
含水量
War
%
60.00
60.00
38.94
60.00
2.00
3
含硫量
Sar
%
0.06
0.02
0.49
0.40
0.36
4
含氮量
Nar
%
0.42
0.29
0.40
0.27
0.83
5
含灰量
Aar
%
24.00
15.20
30.24
23.49
29.59
6
含氧量
Oar
%
6.42
9.07
14.47
10.00
2.69
7
含氢量
Har
%
0.98
1.74
1.72
1.07
3.09
8
低位发热值
Qnet.ar
KJ/kg
1770.80
5562.3
3926.99
170.4
23706.89
9
处理量
湿重
t/d
125
30
80
65
——
1.2.7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
Nar
％
0.61
0.60
0.59
0.57
0.55
0.53
含水量
War
％
26.46
27.95
29.63
31.55
33.76
36.31
含硫量
Sar
％
0.31
0.30
0.30
0.29
0.29
0.53
含氮量
Nar
％
0.61
0.60
0.59
0.57
0.55
0.53
含灰量
Aar
％
27.32
27.18
27.02
26.84
26.64
26.40
含氧量
Oar
％
5.93
6.13
6.35
6.61
6.90
7.24
含氢量
Har
％
2.24
2.19
2.13
2.06
1.99
1.90
低位发热值
Qnet.ar
kJ/kg
13619.96
13005.13
12310.48
11519.39
10610.28
9554.61
1.2.8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
-16.6
15
73
2.5～3
972.2
636.4
6
1.2.9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/m3
≤180
入口NOx≤450mg/Nm3
NH3逃逸量
mg/m3
≤8
NH3/NO3摩尔比
1.2~1.6
SNCR脱硝效率
%
≥60%
出口≤180mg/Nm3
系统可用率
%
≥98
1.3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
①选择性非催化还原（SNCR）脱硝技术工艺流程图
②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
1.5.1SNCR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
2.1NO2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（fuelNOX）。
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（thermalNOX）。
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（promptNOX）。
燃烧烟气中NOX主要为NO和NO2，其中NO约占NOX总量的90%以上。
2.2NOX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1～1.5mg/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/Nm3
1971年8月17日～1978年9月18日建成的发电机组
0.7
860
1978年9月18日～1997年7月9日之间建成的机组
0.5～0.665%去除率
615～740
1997年7月9日以后建成的发电机组
1.6Ib/MBtu.h（0.15Ib/MBtu）
100
2.3.1.2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
<40000Nm3/h
350ppm（719mg/Nm3）
1983年9月10日以后开始建设的燃煤电厂
40000～700000Nm3/h
300ppm（616mg/Nm3）
1975年12月10至1987年3月31日之间建设的燃煤电厂
250ppm（513mg/Nm3）
1987年4月1日以后建设的燃煤电厂
>700000Nm3/h
300ppm（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/ECNOX排放限值新建或已有机组
燃料类型
限值（mg/Nm3）
固态：
50～500MWth
>500MWth
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<10%）
液态：
50～500MWth
>500MWth
偏远地区
450
400
450
气态：
50～500MWth
>500MWth
偏远地区
300
200
350
2.3.1.4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》（GB13223－1991），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》（GB13223－2003），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-13223－2011）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-3
1
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
120
3
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
1700
2000年起
850
韩国
1999年1月1日
720
墨西哥
1996年起
840
1998年1月1日
785
菲律宾
1998年1月1日
1090
中国台北
720
泰国
940
2.3.1.6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
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