氨选择催化还原处理硝酸厂尾气的设计课程设计.docx

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氨选择催化还原处理硝酸厂尾气的设计课程设计

攀枝花学院本科毕业设计（论文）

氨选择性催化还原处理硝酸厂

尾气的设计

学生姓名：

颜溧

学生学号：

200710903040

院（系）：

生物与化学工程学院

年级专业：

环境工程

指导教师：

伍斌讲师

二〇一一年六月

摘要

NOx的排放对我国的环境造成越来越大的危害，而选择性催化还原是使用最广泛，技术最成熟的脱硝技术。

故本设计根据硝酸厂排放尾气的特性，采用氨选择性催化还原法进行处理，以4台SCR反应器进行脱硝处理，并用4台换热器进行热量交换，按每台机组处理量为11560Nm3/h进行计算。

首先确定出整个脱硝过程的工艺流程，并以基础数据参数和每小时尾气量为依据，通过物料衡算和热量衡算对设备进行设计计算，得出SCR反应器内径为1000mm，催化剂床层高1500mm；换热器内径1000mm，有240根直径38mm长2800mm的换热管；开工燃烧炉直径600mm，高1200mm。

同时本设计计算得出设备的成本费用为16.19万元以及每吨NOx的处理费用为1.73万元/t。

通过对整个流程的把握及各设备的计算选型，最后得出流程图、SCR反应器设备图、换热器设备图及处理厂平面布置图。

关键词选择性催化还原，换热器，开工燃烧炉，反应器

ABSTRACT

ItisgreatharmfulfortheenvironmentbytheemissionofNOx，whileselectivecatalyticreductionisthemostwidelyusedandthemostmaturedenitrationtechnology.SothedesignusedtheammoniaselectivecatalyticreductionprocessingbyfourSCRreactorfordenitrationprocessingandfourheatexchangeraccordingtothecharacteristicsofnitricacidtailgasthatfactorydischarged，andeachunithadthecapacityfor11560Nm3/h.Thewholedenitrationprocesswiththetechnologicalprocesshadbeenidentifiedfirst，thensizesofeachequipmenthadbeencaculatedthrougheitherthematerialbalanceorheatbalanceonthebasisoftheprimarydataandthequantityoftheexhaustgasperhourwiththeresultofthat：

thediameteroftheSCRreactorwhichhas1500mmheightofcatalystbetdwas1000mm；thediameteroftheheatexchangerwas1000mmand240heatexchangetubeswas2800mmlengthwiththediameterfor38mm；thediameterofthecommencementfurnacewas600mmandtheheightwas1200mm.Meanwhilethecostofconstructionwas16.19millionyuanandtheoperationexpenseswas1.73millionyuanpertonofNOx.

Throughholdingthewholeprocessandthecalculationoftheequipment，thegraphpaperofflowcharts、SCRreactorequipment、theheatexchangerequipmentandplantlayouthadbeendrawoutfinally.

KeywordsSelectivecatalyticreduction，heatexchanger，commencementfurnace，thereactor

附工程图纸

1绪论

世界环境污染日趋严重，尤其对一次能源消费以燃煤为主的中国来说更加明显。

据有关部门发布的资料显示[1]，到2004年为止，全国氮氧化物排放总量达到1600万吨左右，如不赶紧采取措施，到2020年NOx排放量为3500万吨。

NOx不仅是酸雨形成的主要原因，而且可与碳氢化物等反应形成光化学烟雾，同时其对动植物生长还有很多负面影响。

在我国NOx的排放中，燃煤电站锅炉排放NOx占了相当大的比重，它所造成的大气污染已成为制约我国国民经济和社会可持续发展的一个重要影响因素。

有研究院资料表明[2]，如果继续不加强对烟气中氮氧化物的治理，氮氧化物的总量和在大气污染物中的比重都将上升，并有可能取代二氧化硫成为大气中的主要污染物。

因此对燃煤电站锅炉气中NOx的排放进行控制已成为非常紧迫的任务。

世界各国对燃煤电厂烟气、汽车尾气中的NOx含量制定了严格的排放标准。

越来越多的NOx排放控制技术被应用于燃煤电厂的烟气处理工艺中。

1.1烟气脱硝研究现状

（1）NOx的种类及形成

氮氧化物（NOx）是锅炉排放气体中的有害物之一。

NOx有6种不同形式：

一氧化二氮（N2O）、氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、三氧化二氮（N2O3）、四氧化二氮（N2O4）和五氧化二氮（N2O5），其中NO和NO2是重要的大气污染物。

生成NOx的途径有三个[3]：

热力型NOx：

它是空气中氮气在高温下氧化而生成的NOx；

燃料型NOx：

它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化生成的NOx；

快速型NOx：

它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团等反应生成的NOx。

而煤粉燃烧进程中NOx的形成主要取决于燃烧三要素（三“T”原理），即温度（Temperature），时间（Time）和湍流混合（Turbulence），即NOx的形成主要取决于燃烧火焰温度、燃料/空气混合物在炉内高温火焰区的停留时间，以及燃料氮含量与过量空气量（氧分压）等。

（2）NOx的治理技术

世界各国开发的燃煤烟气治理技术种类比较多，按脱除机理不同，主要分成两大类，即等离子体过程治理技术[4]和传统烟气治理技术。

等离子体过程烟气NOx脱除技术的核心是通过适当的方式产生等离子体，依靠等离子体内部的微观物理化学过程脱除NOx。

传统烟气治理技术中应用较多的有：

低NOx燃烧技术、选择性非催化还原法（SNCR）、选择性催化还原法（SCR）等。

低NOx燃烧技术[5]是指通过燃烧降低NOx的生成量的技术，其主要途径有：

选用氮含量较低的燃料，包括燃料脱氮；

降低过量空气系数，阻止过浓燃烧，来降低燃料周围氧浓度，即降低过量空气燃烧；

在适宜的过量空气条件下，降低温度峰值，以减少热力NOx生成；

在氧浓度较低的情况下，增加可燃物在火焰前部和反应区中的停留时间。

选择性非催化还原技术是指在不使用催化剂的情况下，在炉膛烟气温度适宜处（850～1050℃）喷入氨或尿素等含氨基的还原剂，将烟气中的NOx还原为N2和H2O。

SNCR技术的脱硝率中等，但SNCR法不需要催化剂，运行费用较低，建设周期短，适合于中小型锅炉的改造[6]。

图1.1　SCR反应原理简图

选择性催化还原法（SCR）的发明权属于美国，而日本率先于20世纪70年代实现商业化应用[7]。

目前该技术在发达国家已经广泛的应用。

日本有93%以上的废气脱硝采用SCR，运行装置超过300套。

美国政府也将SCR技术作为主要的电厂控制NOx的主要技术。

德国于20世纪80年代引进该技术，并规定发电量50MW以上的电厂必须配备SCR装置。

台湾有100套以上的SCR装置在运行。

大庆石化总厂化肥厂、川化集团公司、北京燕山石化公司合成橡胶厂和福建漳州电厂等也从国外引进了SCR装置[8]。

其原理是在催化剂存在的条件下，采用氨、CO或碳氢化合物等作为还原剂，将烟气中的NO还原为N2。

原理如图1.1，选择性催化剂脱硝法，脱硝装置结构简单、无副产品、运行方便、可靠性高、脱硝效率高，可以用来处理大量烟气，脱硝率可达90%以上，但SCR法也存在一些问题[9]：

未反应的氨排出系统造成二次污染；燃用高硫煤时，烟气中的部分SO2被氧化生成SO3，SO3与NH3进一步反应生成的氨盐会造成催化剂中毒或堵塞；飞灰中的重金属（主要是AS）或碱性氧化物（主要有MgO、CaO、Na2O、K2O等）的存在会使催化剂中毒或活性显著降低；过量的NH3可能会和O2反应生成N2O，尽管N2O对人体无害，但近来的研究表明，N2O是导致温室效应的气体之一。

这些问题还有待进一步的改进。

1.2SCR脱硝反应机理研究

20世纪80年代以来，很多研究者对钒基催化剂的SCR反应机理进行了研究，取得了重要的成果。

目前主要存在两种不同的观点[10]：

一种观点认为SCR催化反应遵从Langmuir-Hinshelwood机理，反应物通过在催化剂表面相邻的活性中心上吸附结合。

另一种观点认为反应遵从Eley-Ridal机理，也是目前比较公认的氨法SCR工艺的反应机理，即多相反应中吸附在活性中心上的一种反应物和气相中的另一种反应物结合，而不是在相邻活性中心结合。

Murakami等[11]对纯V2O5的De-NOx反应进行了研究，认为反应按照ER机理进行。

氨吸附在Brönsted酸性中心形成铵离子，遵从ER机理与气态NO反应生成N2、H2O及饱和酸性中心，饱和酸性中心再与O2反应还原为Brönsted酸性中心和H2O。

NH3被快速强烈的化学吸附在催化剂表面上，反应速度与NO的分压成正比。

Ramis等[12]提出了“酰胺-氮化酰胺”原理，认为NH3吸附在Lewis酸位从而活化后生成酰胺物种，同时导致催化剂活性点的减少。

酰胺物种继而与气相NO通过基团耦合生成中间产物亚硝胺，此中间产物极易分解成N2和H2O，反应过的催化剂与O2进行反应再生。

这一机理主要基于FTIR研究获得的，但与公认的反应机理特征并不符合，如图1.2所示：

图1.2　Ramis提出的机理

最近，Topsoe等[13]采用在线FTIR分析的方法得出了反应机理模型，如图1.3。

该模型认为催化剂的活性与NH3吸附的Brönsted酸位V5+-OH有关，V5+=OH亦与吸附的氨的活性有关。

NH3在Brönsted酸中心上吸附并通过相邻的V5+=OH基团得到活化，随后被还原成V4+-OH。

一旦NH3被活化，烟气中的NO即与这进行反应生成中间产物，中间产物最终分解成N2和H2O。

通过与烟气中的O2反应将V4+-OH氧化为V5+=O而再生。

值得指出的是，这一机理可以看作是Ramis等[14]机理的改进，不同的是NH3吸附位是Brönsted酸位，而非Lewis酸位。

图1.3　Topsoe提出的机理

1.3SCR脱硝的动力学研究

SCR烟气脱硝反应是一种气固非均相催化反应，以蜂窝状催化剂为例，当混有NH3的气体从催化剂孔道通过时，其反应步骤是[15]：

反应组分（NO、NH3）从孔道内气体主流向孔道壁面扩散；

反应组分在催化剂壁的微孔内扩散；

反应组分在催化剂固体上吸附；

反应组分在催化剂固体上发生化学反应；

反应生成物