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燃煤电厂锅炉SCR烟气脱硝装置的脱硝效率相关

时间: 2020-04-06
燃煤电厂锅炉NO排放控制技术措施可区分为一次燃烧控制措施与二次烟气净化措施(烟气脱硝装置)。当仅仅采取一次燃烧措施还不能满足NO排放标准时,就需要在锅炉尾部烟道安装烟气脱硝装置。二次控制措施是在燃烧过程结束后,在锅炉尾部烟道进行的烟气净化处理过程,即通过烟气脱硝装置,将已经在炉内燃烧过程中形成的NO还原成氮气(N:)。目前烟气脱硝的主流技术是选择性催化还原(SCR)与选择性非催化还原(SNCR),其中SCR烟气脱硝效率可达90%以上。

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在实际工程应用中,降低燃煤电厂锅炉NO排放最经济实用的技术途径就是尽可能通过采用燃烧措施或燃烧系统技术改造,在燃烧过程中最大限度地抑制NO的生成,从而减少SCR脱硝装置的负担,降低运行成本。SCR烟气脱硝技术的发展现状及其在燃煤火电厂的应用SCR技术白20世纪70年代在欧洲和日本首先用于燃油和燃气电厂锅炉,随后于80年代开始逐渐应用于燃煤电厂锅炉。
 
SCR烟气脱硝技术原理典型的燃煤电厂锅炉选择性催化还原(SCR)烟气脱硝系统采用氨(NH)作为还原介质,主要由供氨与喷氨系统、催化剂(反应塔)、烟气管道与控制系统等组成。如图1所示,SCR反应塔通常布置在锅炉省煤器出口与空气预热器入口之间,离开锅炉省煤器的热烟气在进入SCR反应塔前,在远离SCR反应塔的上游烟道中喷入氨(NH),使氨与烟气充分均匀混合后进入反应塔。氨在反应塔中催化剂的作用下,在有氧气的条件下选择性地与烟气中的NO(主要为NO和少量的NO)发生化学反应,将NO转换成无害的氮气(N)和水蒸气(H0)。SCR反应塔中的主反应过程为:
 
4NO+4NH3+02—}4N2+6H20
 
2N02+4NH3+02—}3N2+6H20
 
该反应过程为放热化学反应,由于SCR入口烟气中的NO浓度一般为烟气体积流量0.05%~O.O1%,还原N0的放热反应所释放的热量相对较小。
 
选择性反应意味着不应发生氨和二氧化硫的氧化反应过程。然而在催化剂的作用下,烟气中的一小部分SO会被氧化为SO,其氧化程度通常用SO2SO转化率表示。在有水的条件下,SCR中未参与反应的氨会与烟气中的SO反应生成硫酸氢铵(NHHSO)与硫酸铵((NH)SO)等一些不希望产生的副产品。其副反应过程为:
 
2S02+1/202—2SO3
 
2NH3+S03+H20—(NH4)2SO4
 
NHS0H20—NH4HS04
 
高效SCR烟气脱硝系统的性能优化设计要求SCR脱硝效率主要取决于催化剂特性(反应活性、结构类型、使用寿命等)、SCR反应塔入口烟气参数分布(烟气温度、烟气流速、NO浓度与飞灰浓度、NH/NO摩尔比等)、SCR反应塔设计(空塔速度——烟气在反应塔空间内停留时间的尺度、烟气流速、催化剂层数)等因素。
 
燃煤电厂锅炉SCR烟气脱硝装置的脱硝效率与锅炉设计、燃烧方式、燃用煤种及锅炉运行工况密切相关。因此,一个高效的SCR烟气脱硝系统不仅需要对催化剂进行详细的优化设计,而且需要对供氨与喷氨系统、烟气管道及控制系统进行优化设计,使SCR系统实现最佳运行状态,脱硝效率达到90%以上,并使氨逃逸量控制在(2~3)X1O以内。SCR系统的技术核心是催化剂的配方与生产技术工艺。为了使SCR脱硝效率达到最高,同时使氨逃逸量控制在最低水平,其技术关键是如何精确控制与调节SCR反应塔入口烟气中NHJNO摩尔比的分布、烟气速度分布以及烟气温度分布这3个重要参数,使其实现均匀分布。要使SCR系统实现
优化运行,则要求SCR反应塔顶部入口截面上的烟气速度分布最大允许偏差为1O%~15%,烟气温度分布最大允许偏差为10~15℃,NHJNO摩尔比分布的最大允许偏差为5%~1O%。

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关于SCR反应塔的布置方案对于新建或现役燃煤电厂锅炉机组,根据锅炉燃烧方式、燃用煤质特性、场地空间,以及所使用催化剂等,SCR反应塔主要有以下3种布置方案。
 
高温侧高飞灰烟气段布置SCR反应塔直接安装在省煤器出口与空气预热器人口之间,即布置在空气预热器与静电除尘器之前。其主要特点是烟气经过省煤器后进入SCR反应塔时的温度通常为300~430oC,适合于大多数催化剂所要求的工作温度,这种方案烟气在进入SCR反应塔前不需要采用气一气加热器对其进行再加热,因而投资费用与运行费用较低,目前已成为新建与现役燃煤电厂锅炉安装SCR烟气脱硝装置时普遍采用的标准化布置方案。
 
但是,由于离开锅炉省煤器的烟气中的全部飞灰和SO:等要全部流过催化剂,SCR人口烟气中飞灰浓度较高(20~30g/m。),飞灰颗粒粗大(1525t~rn),且SO:含量较高。催化剂表面的微孔易被飞灰颗粒及副反应产物硫酸氢铵堵塞,飞灰中的微量元素化合物尤其是气态As:O,等会引起催化剂中毒,催化剂表面受粗大飞灰颗粒的冲刷也易被磨损,烟气温度过高时会使催化剂烧结或失效,从而使催化剂反应活性逐渐降低,导致脱硝效率的降低。此外,氨逃逸会影响SCR装置的下游设备(如空气预热器、除尘器)运行性能,同时也影响飞灰质量与FGD脱硫废水氨含量。
 
因此,SCR采用高温侧高飞灰烟气段布置时,需选择具有较高抗飞灰腐蚀与堵塞性能的催化剂,通常采用较低的烟气流速(4-6m/s),必要时需要对催化剂进行硬化处理,并需采用较大孔径(7~10mm)的催化剂。催化剂用量较大,使用寿命约2~3a。

高温侧低飞灰烟气段布置SCR反应塔安装在高温静电除尘器出口与空气预热器人口之间,即布置在高温静电除尘器后面。主要特点是烟气进入SCR反应塔前已经过高温除尘器除尘,其粉尘含量特别低(0.05-0.10g/m),飞灰颗粒较细(5~10Ixm),但SO:含量仍然较高。细灰颗粒易粘结,并且无粗大飞灰颗粒的自清扫作用,因此易导致催化剂堵塞,需要采用较高的烟气速度(5~7rrds)以清扫催化剂表面。
 
这种布置方案在日本早期投运的SCR装置中应用较多,高温静电除尘器通常在300~400oC高温下运行,一般情况下烟气在进入SCR反应塔前具有足够高的温度而不需要进行再加热。
 
低温侧低飞灰尾部烟气段布置SCR反应塔布置在空气预热器和静电除尘器以及烟气脱硫装置的下游(见图4)。即布置在除尘器与脱硫装置之后。主要应用于欧洲早期对现役锅炉机组的SCR改造工程。烟气经过高温除尘器与脱硫装置后,SCR反应塔人口飞灰浓度与SO:含量极低,很少会发生催化剂磨蚀与堵塞问题,可采用比表面积较大、中等孔径的催化剂,催化剂用量少(约为高温侧高飞灰烟气段布置方案的80%),使用寿命较长(3~5a)。此外,由于氨在除尘器与脱硫装置下游喷人,因此喷氨对飞灰质量与脱硫废水没有影响。

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由于烟气经过脱硫塔后进入SCR反应塔时温度较低(55~70℃),需采用昂贵的气一气加热器对烟气进行再加热(250oC以上),并需采用燃油或燃气进一步提高烟气温度,其投资费用与运行费用较高,目前很少采用这种方案。
 
氨逃逸及其对下游设备运行性能的影响SCR反应塔出口烟气中未参与反应的氨(NH,)称为氨逃逸。氨逃逸量一般随NH3/NO摩尔比的增大与催化剂的活性降低而增大(见图2)。因此,氨逃逸量的多少可反映出SCR系统运行性能的好坏及催化剂活性降低的程度。在很多情况下,可依据氨逃逸量确定是否需要添加或更换SCR反应塔中的催化剂。SCR系统日常运行中监测氨逃逸量的经济实用方法是对飞灰氨含量进行测试分析。氨逃逸会导致:生成硫酸铵盐造成催化剂与空气预热器沾污积灰与堵塞腐蚀,烟气阻力损失增大;飞灰中的氨含量增大,影响飞灰质量;FGD脱硫废水及空气预热器清洗水的氨含量增大。对于燃煤电厂锅炉,当SCR布置在空气预热器前时,硫酸铵盐会沉积在空气预热器的受热面上而产生堵塞、沾污积灰与腐蚀问题。早期设计的SCR要求逃逸控制在5X10以下,但目前的设计要求是将氨逃逸控制在(2~3)Xl0以内,目的是尽量减少硫酸铵盐的形成,以减少氨逃逸对SCR下游设备的影响。
 
硫酸铵盐的生成取决于NH~CNO摩尔比、炯气温度与SO,浓度以及所使用的催化剂成分。烟气中SO的生成量取决于2个因素:锅炉燃烧形成的S0以及SCR反应塔中SO:在催化剂的作用下氧化形成的SO,。SCR设计中通常要求so~SO转化率小于l%。对于硫酸铵盐造成的堵塞问题,大多数电厂使用吹灰器进行清洗。经验表明,硫酸氢铵容易用水清除,安装SCR后空气预热器的清洗次数要增加,必要时空气预热器低温段受热面采用搪瓷材料以避免
酸腐蚀。
 
SCR烟气旁路系统的设置不同类型的催化剂有不同的最佳工作温度。通常,典型的氧fJc~和氧化钒基催化剂的工作温度范围为340-400℃,最佳反应温度约为370℃,最低工作温度约为320。SCR最低运行温度取决于烟气中SO、NH,以及水分等。SCR反应塔入口烟气温度
较低时易发牛硫酸铵盐的沉积,烟气温度较高时会增大S0#so,的转化率,而且长时间处在450以上时会烧结催化剂的活性表面,降低反应活性。.ttg,SCR运行期间需严格摔制反应塔入口的烟气温度,使SCR入口烟气温度维持在最低运行温度以上并尽量维持在最佳工作温度范围内,以避免硫酸铵盐的沉积,提高脱硝效率。当SCR反应塔布置在省煤器与空气预热器之间时,为使SCR催化剂在最佳工作温度范围内运行,通常设置省煤器烟气旁路来调节SCR入口烟气温度,目的是在锅炉低负荷运行等工况下当炯气温度降低时,以保证SCR反应塔中的烟气温度高于硫酸氢铵的凝结温度,从而有效地控制由于硫酸铵盐凝结导致的催化剂及其空气预热器的沾污积灰与腐蚀堵塞。
 
当锅炉肩停较为频繁时,通常需要采用省煤器烟气旁路系统,对于停炉后快速启动SCR装置运行具有重要作用。SCR反应塔烟气旁路则是为了在锅炉机组在冷态启动时防止催化剂受到损害而设置的。目前新建锅炉机组较少采用SCR烟气旁路,但现役机组进行SCR改造时采用SCR烟气旁路的较多。没置反塔烟气旁路时,通常在SCR反应塔入口和出口的烟气管道安装隔断挡板,可方便地对SCR装置进行检修而不影响锅炉运行。

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SCR反应塔的优化设计SCR反应塔中的催化剂通常垂直布置,烟气自SCR反应塔顶部垂直向下平行于催化剂表面流动。
 
烟气在SCR反应塔中的空塔速度是SCR的一个关键设计参数,它是烟气体积流量(标准状态下的湿烟气)与SCR反应塔中催化剂体积比值,反映了烟气在SCR反应塔内的停留时间的大小。烟气的空塔速度越大,其停留时间越短。一般SCR的脱硝效率将随烟气空塔速度的增大而降低。空塔速度通常是根据SCR反应塔的布置、脱硝效率、烟气温度、允许的氨逃逸量以及粉尘浓度来确定的。
 
SCR催化剂的选取SCR催化剂类型及其使用温度范围:氧化钛基催化剂:270-400℃;氧化铁基催化剂:380~430℃;沸石催化剂:300~430℃;活性碳催化剂:100~150℃。
SCR催化剂的选取是根据锅炉设计与燃用煤种、SCR反应塔的布置、SCR入口的烟气温度、烟气流速与NO浓度分布以及设计脱硝效率、允许的氨逃逸量、允许的SO2/SO,转化率与催化剂使用寿命保证值等因素确定的。氧化钛基催化剂的基体成分为活性TiO,同时添加增强活性的V:0金属氧化物,在需要进一步增加活性时通常还要添加WO。此外,还需添加一些其他组分以提高抗断裂和抗磨损性能。


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