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scR的计算应用

电站锅炉烟气脱除NO的选择性催化还原法（SCR）的计算与应用

摘要

氮氧化物是大气污染的主要污染物之一，是酸雨，光化学烟雾的主要形成因素，而且严重危害人体健康。

氮氧化物的来源中最最主要的就是燃煤电厂，随着人们对身体健康和环境要求的提高，控制电站锅炉烟气排放中的氮氧化物已刻不容缓，而选择性催化还原方法是控制氮氧化物排放的有效方法之一。

所谓NO，是对烟气中的有害氮氧化物的总称，包括NO，NO2和少量的N2O，其中主要是NO，大约占NO的95%以上。

选择性催化还原法（SelectiveCatalyticReduction），简称SCR方法，通常用氨做为还原剂，喷入到从锅炉出来的烟气中，并加入特定的催化剂，使之在一定的环境温度下与烟气中的NO进行反应，而不发生与氧气的反应，最后将NO还原为无害的氮气和水排出。

本文立足于电站锅炉的烟气排放，针对我国的能源结构和现状详细论述了燃煤电站锅炉尾部受热面的结构特点，燃烧烟气成分分析以及NO的危害，生成机理等。

结合对国外烟气脱硝技术发展现状的研究和对各种烟气脱硝方法的综合比较，重点阐述选择性催化还原法（SCR）脱除NO的化学反应机理，反应器布置，催化剂以及各种因素对脱硝效率的影响等。

最后选取一台600MW燃煤机组，对其进行SCR物质平衡计算。

关键词:

电站锅炉，烟气，选择性催化还原（SCR），NO

CalculationandApplicationoftheSelectiveCatalyticReduction（SCR）forNODeprivationofUtilityBoiler’sFlueGas

ABSTRACT

Nitrogenoxideisoneofthekeypollutantsforairpollution,andisthemaincausesforacidrainandphotochemicalfog,whichisseverelyimpairinghumanhealth.Mainsourceofnitrogenoxideiscoal-firedpowerplant.Withpeople’shigherrequirementsforhealthandenvironment,ithasbecomeurgenttocontroltheemissionofnitrogenoxidecomingfromutilityboiler'sgas.WhileSelectiveCatalyticReductionisoneoftheefficientwaysforregulatingnitrogenoxide’semission.NOgenerallyreferstoharmfulnitrogenoxideinthefluegas,includingNO,NO,andlittleNO.However,NOoccupiesalargepartofNO,about95%.SelectiveCatalyticReduction,shortforSCR,usuallyuseammoniaasthereducer,squirttedintofluegaswhichcomesoutfromtheboiler,withspecificcatalyzerputinit.FinallyNOischangedintoinnocuousnitrogenandHO.Thepaperisbasedonthegasemissionofutilityboiler，pointingatthestructuralfeaturesofrearingheatingsurfaceincoalfiredpowerplant，compositionanalysisoffluegas，aswellastheprincipleofNOformminganditsharmfulness.Differentkindsofmethodsoffluegasdenitrationbothhomeandabroadarecompared.Andtheprincipleofchemicalreaction，reactordisposal，catalyzeraswellastheinfluenceofdifferentkindsoffactorsfordenitrationefficiencyoftheSelectivecatalyticreductionareillustrated.Finally,anexamleof600MWcoal-firedunitischosentoproceedSCRsubstanceequilibriacalculation.

Keywords:

utilityboiler,fluegas,selectivecatalyticreduction（SCR）,NO

1绪论

1.1研究背景

能源和环境是人类赖以生存和发展的基本条件，是当今世界发展的两大问题，随着世界人口的增长和生活水平的提高，能源的开采和利用程度越来越高，特别是近十多年来，能源的消耗迅速增长，对环境的影响和压力都达到了空前的程度。

在这样的形势下，我们不得不认识到通过高消耗得到的经济数量增长的“先污染后治理”的传统模式已经不适合当今社会的发展要求，必须寻求一条可持续发展的道路。

目前全球性的四大公害：

大气烟尘、酸雨、温室效应、臭氧层破坏，都与能源生产和利用不当有直接关系。

所以要实现我们所追求的可持续发展，就必须使能源的生产和利用与环境相协调。

1.2NO的危害和现状

NO是化石燃料燃烧后的主要有害物质之一，NO的排放量和大气NO浓度的增加使得我国大气污染的性质发生了根本性的变化，大气氧化性增加，导致一系列的城市和区域环境问题，对人体健康和生态环境构成巨大威胁。

其中NO的毒性最高，可引起肺部损害，当其在大气中的浓度超过150ppm时可以致死，而且NO和NO分别对人体血红蛋白和温室效应造成严重影响。

而且NO又是与SO一起造成酸雨的重要因素。

我国NO排放量目前已经接近1600万吨，其中67%来源与煤的燃烧，鉴于我国经济将不断发展的情况下，NO也将增加，从而面临光化学烟雾的危险。

目前，中国的发电能源结构以煤炭为主，大气环境主要是典型的煤烟污染，NO的排放浓度明显高于国外水平，而我国的发电机组迅速增加，最新的环境保护法规对燃煤电站NO排放的要求为400mg/m，为了进一步适应低NO排放要求，而我国目前在该领域的研究却是少之又少，所以，进行燃煤锅炉烟气脱硝技术发展已是当前的重要课题。

1.3本文研究目的

随着脱硝问题的日益严重和各种脱硝方法的发展，SCR方法也将日益成熟，目前关于SCR方法的反应原理，反应条件，催化剂等的研究都已经趋于成熟了，而目前对于SCR方法的计算问题却一直没有一个标准，所以，选择一个合理正确的方法将SCR的物质平衡计算，成本计算等都形成一个完善的体系，对我们更加广泛的应用SCR技术是十分有意义的。

2电站锅炉的尾部受热面及燃烧烟气分析

2.1省煤器

省煤器布置在烟气温度比较低的锅炉尾部，其主要作用是：

吸收尾部烟道中的低温烟气的热量，降低锅炉的排烟温度，提高锅炉热效率，节省燃料；而且提高进入锅筒的水温，降低锅筒热应力，提高其寿命。

大容量，高参数锅炉均采用钢管式省煤器，由许多并列的蛇形无缝钢管（外径28～51mm）和进出口联箱组成。

管子水平放置，水由下而上流动，便于排除水中气体，防止局部金属腐蚀，外部烟气自上而下流动，增加传热效果。

现代大型锅炉通常采用悬吊式省煤器，可采用水流方向与前墙垂直或水平布置，不同方式会影响其水流速度和外部磨损，但为了防止水面附近的交变应力产生，减少金属疲劳损害，通常蛇形管的水流速度不低于1m/s。

2.2空气预热器

空气预热器是利用烟气余热来加热燃烧所需要的空气的热交换设备，它利用了烟气余热，使排烟温度降低，提高锅炉的效率，并且强化了着火和燃烧。

空气预热器按照其换热方式分为传热式和蓄热式，其中传热式是指空气和烟气各自有自己的通道，热量连续的通过传热面由烟气传给空气；而蓄热式是烟气和空气交替通过受热面，烟气通过时金属被加热而蓄积热量，等空气流过时就释放热量并加热空气。

大型电站锅炉通常采用蓄热式回转式空气预热器，其具有结构紧凑，节省钢材，耐腐蚀，少漏风等优点。

省煤器和空气预热器最多的问题是磨损，积灰和低温腐蚀，所以通常会采用低氧燃烧，降低烟气露点，烟气脱硫等各种手段来减少这些设备的损害。

2.3煤燃烧的烟气成分分析

首先，如果实际参加燃烧的湿空气中的干空气量等于理论空气量，且使1千克燃料完全燃烧产生的烟气量称理论烟气量。

从其定义可以看出，形成理论烟气量的基本物质有：

燃料，理论空气量，随理论空气量进入炉膛的水分。

分析基本物质燃烧过程的变化，可以得到理论烟气量的组成成分：

CO，SO，N，HO。

但是如果实际参加燃烧的湿空气中的干空气量大于理论空气量，且使1kg燃料完全燃烧产生的烟气量称为完全燃烧的实际烟气量。

上边讨论的是燃料完全燃烧的情况，但如果燃料不完全燃烧时，烟气的成分中还多了CO，H等，但一般工程计算中只考虑不完全燃烧产物为CO。

在锅炉运行中，烟气的成分和含量直接反映出炉膛的燃烧工况，因而，测定烟气中的成分和含量，对于判断炉膛燃烧工况，进行燃烧调整，以及改进燃烧设备都是十分必要的。

如果知道了烟气的成分和含量不但可以了解燃烧的完全程度，燃烧条件，也可以了解烟道的漏风情况等。

烟气分析的方法很多，有化学吸收法，电气测量法，红外吸收法及色谱分析法等。

接反映出炉膛的燃烧工况，因而，测定烟气中的成分和含量，对于判断炉膛燃烧工况，进行燃烧调整，以及改进燃烧设备都是十分必要的。

如果知道了烟气的成分和含量不但可以了解燃烧的完全程度，燃烧条件，也可以了解烟道的漏风情况等。

烟气分析的方法很多，有化学吸收法，电气测量法，红外吸收法及色谱分析法等。

3电站锅炉NOx的燃烧过程中的控制方法

3.1NO生成机理

煤燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO和NO，另外还有少量的NO（氧化亚氮），统称为NO。

其中NO占NO的90％以上，NO占5％～10％，NO，仅为1％左右，NO的形成机理主要有3种：

3.1.1热力型NO（ThermalNO）

热力型NO的形成机理是由前联科学家捷里多维奇（Zelidovich）提出的，系高温下空气中的氮气与氧气反应而成，该反应一般在1500℃以上进行，主要是在燃烧的燃烬阶段形成。

对燃煤锅炉，燃烧温度为1350℃时，炉生成的NO几乎100％为燃料型；当温度为1600℃时，热力型NO可占生成总量的25％～30％。

其中生成量与温度，在高温区停留时间以及氧的分压有关。

3.1.2快速型NO（PromptNO）

快速型NO是1971年弗尼莫尔（Fenimore）通过实验发现的。

碳氢化合物燃料燃烧过浓时，在反应区附近会快速生成NO。

由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以

极快的速度生成，其形成时间只需要60ms，所生成量与炉膛压力0.5次方成正比，与温度的关系不大。

对煤粉燃烧，快速型NO占总生成量的5％以下。

3.1.3燃料型NO（FuelNO）

燃料型NO由煤中氮化合物在燃烧中氧化而成。

含