SCR烟气脱硝工艺方案

1. 脱硝工艺的简介

有关NO_X的控制方法从燃料的生命周期的三个阶段入手，限燃烧前、燃烧中和燃烧后。当前，燃烧前脱硝的研究很少，几乎所有的脱硝都集中在燃烧中和燃烧后的NO_X的控制。所以在国际上把燃烧中NO_X的所有控制措施统称为一次措施，把燃烧后的NO_X控制措施统称为二次措施，又称为烟气脱硝技术。
目前普遍采用的燃烧中NO_X控制技术即为低NO_X燃烧技术，主要有低NO_X燃烧器、空气分级燃烧和燃料分级燃烧。
应用在燃煤电站锅炉上的成熟烟气脱硝技术主要有选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction，简称SCR）、选择性非催化还原技术（Selective Non-Catalytic Reduction，简称SNCR）以及SNCR/SCR混合烟气脱硝技术。
2 .SCR烟气脱硝技术
近几年来选择性催化还原烟气脱硝技术(SCR)发展较快,在欧洲和日本得到了广泛的应用,目前催化还原烟气脱硝技术是应用*多的技术。
1）SCR脱硝反应
目前世界上流行的SCR工艺主要分为氨法SCR和尿素法SCR两种。此两种法都是利用氨对NO_X的还原功能，在催化剂的作用下将NO_X(主要是NO)还原为对大气没有多少影响的N₂和水。还原剂为NH₃，其不同点则是在尿素法SCR中，先利用一种设备将尿素转化为氨之后输送至SCR触媒反应器，它转换的方法为将尿素注入一分解室中，此分解室提供尿素分解所需之混合时间，驻留时间及温度，由此室分解出来之氨基产物即成为SCR的还原剂通过触媒实施化学反应后生成氨及水。尿素分解室中分解成氨的方法有热解法和水解法，主要化学反应方程式为：     
NH₂CONH₂+H₂O→2NH₃+CO₂
在整个工艺的设计中，通常是先使氨蒸发，然后和稀释空气或烟气混合，*后通过分配格栅喷入SCR反应器上游的烟气中。典型的SCR反应原理示意图如下：

在SCR反应器内，NO通过以下反应被还原：
       4NO+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O
    6NO+4NH₃→5N₂+6H₂O
当烟气中有氧气时，反应式优先进行，因此，氨消耗量与NO还原量有一对一的关系。
在锅炉的烟气中，NO₂一般约占总的NO_X浓度的5%，NO₂参与的反应如下：
        2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O
    6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O
上面两个反应表明还原NO₂比还原NO需要更多的氨。
在绝大多数锅炉烟气中，NO₂仅占NO_X总量的一小部分，因此NO₂的影响并不显著。
SCR系统NO_X脱除效率通常很高，喷入到烟气中的氨几乎完全和NO_X反应。有一小部分氨不反应而是作为氨逃逸离开了反应器。一般来说，对于新的催化剂，氨逃逸量很低。但是，随着催化剂失活或者表面被飞灰覆盖或堵塞，氨逃逸量就会增加，为了维持需要的NO_X脱除率，就必须增加反应器中NH₃/NO_X摩尔比。当不能保证预先设定的脱硝效率和（或）氨逃逸量的性能标准时，就必须在反应器内添加或更换新的催化剂以恢复催化剂的活性和反应器性能。从新催化剂开始使用到被更换这段时间称为催化剂寿命。
2）SCR系统组成及反应器布置
在选择催化还原工艺中，NO_x与NH₃在催化剂的作用下产生还原。催化剂安放在一个固定的反应器内，烟气穿过反应器平行流经催化剂表面。催化剂单元通常垂直布置，烟气自上向下流动。如下图所示：

SCR系统一般由氨的储存系统、氨与空气混合系统、氨气喷入系统、反应器系统、省煤器旁路、SCR旁路、检测控制系统等组成。下图为典型SCR烟气脱硝工艺系统基本流程简图：

3 .SNCR烟气脱硝技术
选择性催化还原脱除NO_X的运行成本主要受催化剂寿命的影响，一种不需要催化剂的选择性还原过程或许更加诱人，这就是选择性非催化还原技术。该技术是用NH₃、尿素等还原剂喷入炉内与NO_X进行选择性反应，不用催化剂，因此必须在高温区加入还原剂。还原剂喷入炉膛温度为850～1100℃的区域，该还原剂（尿素）迅速热分解成NH₃并与烟气中的NO_X进行SNCR反应生成N₂，该方法是以炉膛为反应器。
研究发现，在炉膛850～1100℃这一狭窄的温度范围内、在无催化剂作用下，NH₃或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NO_X，基本上不与烟气中的O₂作用，据此发展了SNCR法。在850～1100℃范围内，NH₃或尿素还原NO_X的主要反应为：
NH₃为还原剂
      4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O
尿素为还原剂
      NO+CO(NH₂)₂ +1/2O₂→2N₂+CO₂+H₂O
当温度高于1100℃时, NH₃则会被氧化为
      4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O
不同还原剂有不同的反应温度范围，此温度范围称为温度窗。NH₃的反应*佳温度区为 850～110O℃。当反应温度过高时，由于氨的分解会使
NO_x还原率降低，另一方面，反应温度过低时，氨的逃逸增加，也会使NO_x还原率降低。NH₃是高挥发性和有毒物质，氨的逃逸会造成新的环境污染。
引起SNCR系统氨逃逸的原因有两种，一是由于喷入点烟气温度低影响了氨与NO_x的反应；另一种可能是喷入的还原剂过量或还原剂分布不均匀。还原剂喷入系统必须能将还原剂喷入到炉内*有效的部位，因为NO_x在炉膛内的分布经常变化，如果喷入控制点太少或喷到炉内某个断面上的氨分布不均匀，则会出现分布较高的氨逃逸量。在较大的燃煤锅炉中，还原剂的均匀分布则更困难，因为较长的喷入距离需要覆盖相当大的炉内截面。为保证脱硝反应能充分地进行，以*少的喷入NH₃量达到*好的还原效果，必须设法使喷入的NH₃与烟气良好地混合。若喷入的NH₃不充分反应，则逃逸的NH₃不仅会使烟气中的飞灰容易沉积在锅炉尾部的受热面上，而且烟气中NH₃遇到S0₃会产生(NH₄)₂S0₄易造成空气预热器堵塞，并有腐蚀的危险。
SNCR烟气脱硝技术的脱硝效率一般为30%-40%，受锅炉结构尺寸影响很大，多用作低NO_X燃烧技术的补充处理手段。采用SNCR技术，目前的趋势是用尿素代替氨作为还原剂，值得注意的是，近年的研究表明，用尿素作为还原剂时，NO_X会转化为N₂O，N₂O会破坏大气平流层中的臭氧，除此之外，N₂O还被认为会产生温室效应，因此产生N₂O问题己引起人们的重视。
综上所对比，SCR脱硝工艺技术先进，工艺成熟，经济合理，工业业绩居多，脱硝效率高，拟选用目前效率*高的SCR技术。
4.工艺系统说明
SCR脱硝系统由三个子系统所组成，SCR反应器及附属系统、氨储存处理系统和氨注入系统。

4.1 氨的储存系统

（1）系统组成
液氨储存系统包括液氨卸料压缩机、液氨储罐等。
（2）工艺描述
还原剂（氨）用罐车运输并在储罐储存。在高压下，氨被液化以减小运输和储存的体积。市场购买的还原剂（液态氨纯度99.6%）,供应商用罐装车运输（以液体形态储存在压力容器内），送往氨贮存场地，通过氨卸载压缩机抽取储罐中气氨，送入储罐后，将槽车中的液氨，挤入液氨储槽中贮存。使用时，储存罐中的氨借助自压输送到蒸发器中。
· 卸载压缩机
卸料压缩机为往复式压缩机，系统设置二台卸载压缩机，一台运行，一台备用。
· 液氨储槽
本工程设置2台液氨储罐，供两炉使用。液氨储罐的*大充装量为25m³。储氨罐组可供应两台炉设计条件下，每天运行24小时，连续运行7天的消耗量。液氨储罐上安装有超流阀、逆止阀、紧急关断阀和安全阀做为储罐安全运行保护所用。储罐还装有温度计、压力表液位计和相应的变送器将信号送到主体机组DCS控制系统，当储罐内温度或压力高时报警。储罐四周安装有工业水喷淋管线及喷嘴，当储罐内液氨温度过高时自动淋水装置启动，对储罐进行喷淋降温。
4.2氨注入系统
（1）系统组成
氨注入系统包括氨蒸发器、氨气缓冲罐、氨气稀释槽、废水泵、废水池等。
（2）工艺描述
储罐里的液态氨靠自压输送到蒸发器，在蒸发器内（通过蒸汽加热）将氨蒸发，每个蒸发槽上装有压力控制阀将氨气压力控制在≤2kg/cm2。当出口压力超过2kg/cm2时，切断节流阀，停止液氨供应。从蒸发槽蒸发的氨气流进入氨气缓冲罐，通过氨气输送管道送至每一台炉的SCR反应装置旁。再用空气稀释高浓度无水氨，这样氨/空气混合物安全且不易燃。通过装在SCR入口烟道内的氨注入格栅，将氨/空气混合物注入到SCR系统内。
（3）主要设备选型
· 液氨蒸发槽
液氨蒸发所需要的热量由低压蒸汽提供，共设有二个液氨蒸发槽（一用一备）。蒸发槽装有安全阀，可防止设备压力异常过高。液氨蒸发槽面积按照在BMCR工况下单台机组100％容量设计。
· 氨气缓冲槽
氨气缓冲槽的作用即在稳定氨气的供应，避免受蒸发槽操作不稳定所影响。缓冲槽上也有安全阀可保护设备。
· 氨气稀释槽
氨气稀释槽为立式水槽，水槽的液位由满溢流管线维持，稀释槽设计连结由槽顶淋水和糟侧进水。液氨系统各排放处所排出的氨气由管线汇集后从稀释槽低部进入。通过分散管将氨气分散入稀释槽水中，利用大量水来吸收安全阀排放的氨。
· 稀释风机
喷入锅炉烟道的氨气为空气稀释后的含5％左右氨气的混合气体。所选择的风机满足脱除烟气中NOx*大值的要求，并留有一定的余量。稀释风机两台按一台100％容量（一用一备）设置，共有四台离心式稀释风机。
·氨/空气混合器
为了实现氨和稀释空气的充分、均匀的混合，
· 氨气泄漏检测器
液氨储存及注入系统周边设有3只氨气检测器，以检测氨气的泄漏，并显示大气中氨的浓度。当检测器测得大气中氨浓度过高时，在机组控制室会发出警报，操作人员采取必要的措施，以防止氨气泄漏的异常情况发生。电厂液氨储存及供应注入系统远离机组，并采取措施与周围环境隔离。
· 排污系统
液氨储存和注入系统的氨排放管路为一个封闭系统，将经由氨气稀释槽吸收成氨废水后排放至废水池再经由废水泵送至主厂废水处理站。
· 氮气吹扫
液氨储存及注入系统保持系统的严密性防止氨气的泄漏和氨气与空气的混合造成爆炸是*关键的安全问题。基于此方面的考虑，本系统的卸料压缩机、液氨储罐、氨蒸发器、氨气缓冲罐等都备有氮气吹扫管线。在液氨卸料之前通过氮气吹扫管线对以上设备分别要进行严格的系统严密性检查和氮气吹扫，防止氨气泄漏和与系统中残余的空气混合造成危险。
4.3 SCR反应器及附属系统
（1）系统组成
SCR反应器和附属系统由挡板门、氨注入格栅、SCR反应器、催化剂、吹灰系统和烟道等组成。
（2）工艺描述
由氨/空气混合器来的稀释氨气通过氨注入格栅的多个喷嘴，将氨喷入烟气中。注入格栅后的烟气混合装置促进烟气和氨的混合，保证烟气中氨浓度的均匀分布。
来自锅炉省煤器出口的烟气通过SCR反应器，SCR反应器包含催化剂层，在催化剂作用下，NH₃与NO_X反应从而脱除NO_X，催化剂促进氨和NO_X的反应。在SCR反应器*上面有整流栅格，使流动烟气分布均匀。催化剂装在模块组件中，便于搬运、安装和更换。烟气经过烟气脱硝过程后经空气预热器热回收后进入静电除尘器和FGD系统后排入大气。
SCR反应器催化剂层间安装吹灰器用来吹除沉积在催化剂上的灰尘和SCR反应副产物，以减少反应器压力降。
SCR工艺主要性能指标有：脱硝效率、氨量、反应器的压力降等。
SCR工艺主要设计参数有催化剂总量、催化剂高度、催化剂空隙率和烟气速度等。
燃煤锅炉SCR烟气脱硝装置催化剂设计参数见下表。
燃煤锅炉SCR烟气脱硝装置催化剂设计参数

项目	蜂窝型催化剂			板型催 化剂
	高灰煤	低灰煤
单块催化剂孔数	400	441	529
间距（mm）	7.4	7.0	6.4	6.9
比表面积（㎡/ m3）	427	470	500	285
空隙率（%）	69	71	67	82
压力降（kpa/m）	0.2	0.21	0.27	0.1

（3）主要设备选型
· SCR反应器
反应器的水平段安装有烟气导流、优化分布的装置以及氨的喷射格栅，在反应器的竖直段装有催化剂床。
反应器采用固定床垂直通道型式，初装2层，并预留1层位置，作为未来脱硝效率低于保证值时增装催化剂用，以此作为增强脱硝效率并延长有效触媒寿命的备用措施。
脱硝效率按80%设计，催化剂模块尺寸为长1901mm×宽952mm×高1100mm（含框架），锅炉脱硝反应器每层布置21个模块（3×7），层之间空间高度为3.4m，其中每层催化剂前端有耐磨层，减弱飞灰对催化剂的冲刷作用。每个反应器按3层设计，运行初期仅装2层。每台炉设置一个反应器。
反应器为直立式焊接钢结构容器，内部设有触媒支撑结构，能承受内部压力，地震负荷、烟尘负荷、触媒负荷和热应力等。反应器壳外部设有加固肋及保温层。触媒通过反应器外的触媒填装系统从侧门放入反应器内。
· 喷氨格栅
为了使氨在烟气中均匀分布，并且便于对反应器中上一层催化剂上方烟气的NH₃/NO_x摩尔比的调整，所以需在进口烟道上的合适位置设置喷氨格栅。包括供应箱、喷射格栅和喷射孔等。喷射系统配有节流阀及节流孔板。在对NO_x浓度进行连续分析的同时，调节必要的氨量从喷氨格栅中喷氨。
4.4 脱硝装置总体布置
本烟气脱硝工程主要构筑物有脱硝装置、液态氨的贮存和供应系统的构筑物。
在制定脱硝装置布置方案时，应考虑下面设备：
— SCR反应器；
— 烟气管道；
— 与锅炉省煤器和空气预热器的联接；
— 辅助设备。
4.4.1布置原则
— 在规划基本的现场布置方案时，建筑和设备的位置应该按照需要的功能来布置，并考虑进出方便、建造难易、操作、维护和安全性。
—SCR反应器布置方案应该考虑将来在其它锅炉上安装脱硝装置的要求，脱硝系统的布置不能影响将来的装置布置和施工。
—一台锅炉设置一个SCR反应器。
—为SCR反应器留有适当的空间，用来设置过道，便于催化剂模块的安装和操作。
—为催化剂模块的抬升预留足够的空间。
—通道应该尽可能连续，所有的主要通道能允许叉式升降机（铲车）通行，并考虑其转动半径。
4.4.2总体布置方案选择
（1）SCR反应器的布置方式：
在热段/高灰布置中，SCR反应器位于省煤器和空气预热器之间，因为该区域烟气温度在300-400℃的范围内。锅炉省煤器和空气预热器之间的烟气温度在该范围内。世界上绝大多数燃煤火电厂的SCR装置采用这种布置万式。
这种布置方式的主要优点是投资和运行费用低，因为该段的烟气温度与催化剂要求的运行范围相符合。这种布置的其主要缺点是催化剂暴露于含有全部灰尘和硫分的烟气中。采用这种布置方式主要是含硫量低于2%的烟煤发电锅炉。
由于SCR系统所要求的烟气温度为330～415℃，故SCR反应器放置在省煤器和空气预热器之间。
新建SCR系统的钢结构，根据在电厂现场测量及提供的资料，在布置基立柱等时主要考虑校核原有锅炉钢架基础的荷载。
（2）液态氨的贮存和供应布置
根据《石油化工企业设计防火规范》(GB50160-92)关于乙类液体储罐防火间距的要求:氨站应该距离生产厂房、生产设备20m，距离明火和散发火花地点25m，距离全厂重要设施30m，距离运输道路、厂围墙lOm。
氨储罐布置在半露天防晒雨棚中的零米地面；氨卸载压缩机等转动的机械设备以及电气设备布置在氨储罐旁边的建构筑物内。
蒸发器、缓冲贮罐均布置在储罐旁边的构筑物内，采用防晒雨棚；稀释空气风机、氨/空气混合器均相应布置在每一台锅炉的零米附近。
道路:在液态氨的贮存和供应的建筑构筑物形成消防环路，采剧混凝土路面与厂区道路相连接。
液氨采用输送管道方式。
全厂脱硝装置的控制系统布置在主厂控制室内。

5供货范围及清单

5.1供货范围（不仅限于此）

(1)SCR系统液氨储存区内液氨储罐、卸料压缩机、管路其所需附属设备；
(2)SCR系统范围内所有自动控制装置、仪表、测量装置、调节控制设备；
(3)SCR系统反应区内的钢结构、楼梯、平台；
(4)SCR系统范围内的防腐、保温和油漆；
(5)技术服务；

6.2供货清单

序号	品目及编号	规格型号	生产厂家
一	氨的制备供应系统
1	卸料压缩机
2	氨贮罐
3	液氨蒸发器
4	氨气缓冲罐
5	氨气稀释罐
6	氨气、空气混合器
7	稀释风机
8	废水泵
9	氨气泄露检测器
10	相应阀门、管道及其附件
	小计
二	氨的喷射系统
1	氨喷射格栅
2	喷嘴
3	控制阀门
4	相应阀门、管道及其附件
	小计
三	烟道系统
1	膨胀节
2	进口烟道（含导流板）
3	出口烟道
4	风门及执行机构
	小计
四	SCR反应器
1	壳体
2	内部支撑结构
3	催化剂
4	测量格栅
5	导流与混合装置
6	整流装置
7	密封装置
8	涡流预除尘装置
	小计
五	催化剂装卸系统
	小计
六	吹灰系统
1	吹灰器
2	阀门和管路系统
3	控制设备
	小计
七	控制系统
八	电气系统
九	SCR钢支架和平台、扶梯
1	SCR钢支架上部结构
2	平台扶梯
	小计
十	保温、油漆
1	钢结构油漆
2	钢结构*后一道面漆
3	保温金属构件、保温材料和外护板
3.1	保温
3.2	外护板
3.3	保温金属构件
	小计
十一	其它
1	采暖、通风、空调系统
2	消防系统

6.设计技术指标

序号	项  目  名  称	单 位	数 据
1	锅炉蒸发量	T/h
2	锅炉数量	台
3	脱硝系统处理烟气量	m3/h
4	脱硝反应器入口温度	℃
5	NOx初始排放浓度	mg/Nm3
6	NOx达标排放浓度	mg/Nm3
7	设计脱硝效率	%
8	脱硝工艺
9	液氨耗量（两台炉）	kg/h
10	年运行时间	h/a
11	装置连续使用率
12	氨逃逸浓度