SCR脱硝技术及其在燃煤电厂中的应用.pdf

文章编号 1672 0792 200303006103 SCR 脱硝技术及其在燃煤电厂中的应用 王 斌 江苏省电力设计院, 江苏 南京 210024 SCR DeNOx Technology and Its Application in Coalfired Power Plants WANG Bin Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 210024, China 收稿日期 2003 0403 Abstract The mechanism for NOx ation during the process of coal combustion, the low NOx combustion technology and the existing de NOx technology are presented. T he important techni cal issues on SCR process system, arrangement of SCR equip ment, ammonia supply system, selection of catalyst etc are dis cussed. The main factors for DeNOx efficiency in application of the techniques are studied. Some specific recommendations are put forward. Key words flue gas; denitrition; mechanism; application 摘要 讨论了燃煤过程中 NOx的形成机理、低 NOx燃烧技 术和现有的主要烟气脱硝技术, 并针对 SCR 烟气脱硝技术, 从SCR 工艺流程、装置布置、加氨系统和催化剂型式等方 面探讨了新建燃煤电厂和旧电厂改造在应用该技术时需要考 虑的技术要点以及影响 NOx脱除效率的主要因素, 并提出 了具体建议。 关键词 烟气; 脱硝; 机理; 应用 中图分类号 TK4115 文献标识码 A 我国大型电站绝大部分是常规的燃煤电站。而 NOx是燃煤电厂排放的主要污染物之一, 根据其生 成机理,主要采用低 NOx燃烧技术或烟气脱除的方 式对其进行控制。其中,低 NOx燃烧技术已在国内 新建火电厂中得到广泛应用,但烟气脱硝技术在国 内尚未付诸实施。本文拟在对 NOx形成机理和脱硝 技术特点认识的基础上,探讨 SCR 选择性催化还 原 烟气脱硝技术在燃煤电厂应用中的技术要点和 需要考虑的主要因素, 以供国内电力部门的工程技 术人员在电厂建设和改造时参考。 1 NOx的形成机理[ 1] NOx是 NO 和NO2的总称, 是矿物燃料在燃烧过 程中形成的。通常, 燃烧生成的 NOx是由超过 90 的 NO 和小于 10 的 NO2组成, 因此,人们在研 究 NOx的形成机理时,将重点放在研究 NO 的形成 机理上。 根据生成 NO 的氮的来源不同,NO 的形成主 要有 2 种途径 1 热力 NO Thermal NO ; 2 燃料 NO Fuel NO 。 11 热力 NO 热力 NO 是燃烧用空气中的氮氧化而成。按照 其形成机理的不同又分为 Zeldovich NO 和快速 NO Prompt NO 。 1 Zeldovich NO Zeldovich NO 的形成机理是由前苏联科学家 Zeldovich 提出的, 系高温下空气中的氮气与氧气反 应而成, 因而,被称为 Zeldovich NO。其反应式为 O2 O O N2 O NO N N O2 NO O Zeldovich NO 具有如下反应特性a 几乎完全 是动力控制, 反应速率与温度呈指数关系。例如在 1 800 K 温度下生成的 NO 是 1 700 K 温度下 73 倍, 但当燃烧温度低于 1 700 K 时,几乎观察不到 NO 的生成; b 形成速率取决于氧浓度; c 在高温 下NO 的生成速度比主燃烧速度慢,因此,Zel dovich NO 主要是在燃烧的燃烬阶段形成。 2 快速 NO 研究人员在实验时发现在碳氢化合物燃烧预 混合区会迅速生成 NO,因此,将在此环境下生成 的 NO 称为快速 NO。 快速 NO 的生成机理为 第 1 阶段 CH N2 HCN N C2 N2 2CN 61 3 2003 电力科学与工程 ELECT RIC POWER SCIENCE AND ENGINEERING 第 2 阶段 N O2 NO O CN O2 NO CO 快速 NO 的反应特性呈现为a 仅在碳氢化合 物火焰中形成 不在 H2和 CO 火焰中形成 ; b 在 燃烧的浓相区形成。 12 燃料 NO 燃料 NO 是指燃料中的氮化合物在燃烧过程中 形成的 NO。其反应过程可简化为 其中,RN 为氮化合物 如 NH3,CH3 ;I 为 中间产物 如HCN,CN,NH,NH2 ;OX 为氧原 子或氧原子化合物 如 O,OX 。 燃料 NO 的反应特性主要为 a 燃料 NO 的生 成主要取决于空气- 燃料的混合比; b 温度对燃料 NO 的生成影响较小;c 燃料 NO 的生成速度与主 燃烧速度基本相同;d 燃料和空气的混合方式影响 燃料 NO 的生成, 即扩散火焰中的 NO 生成率较预 混火焰中的生成率低。 2 脱硝技术 脱硝技术分为 2 类一类是抑制 NOx生成的技 术, 即低 NOx燃烧技术;另一类是 NOx的脱除技 术,即烟气脱硝技术。 根据国际上最新的研究和在火电厂实际应用的 结果, NOx的排放及控制能力见表 1。 表 1 NOx排放量10- 6 燃 料 燃 气燃 油燃 煤 未采取任何措施150 200220 300320 400 采用低 NOx燃烧技术 10 2045 6060 100 采用低 NOx燃烧技术 5 15 15 45 45 60 和烟气脱硝技术 21 低 NOx燃烧技术 由 NOx的形成机理可以看出,对于不同的矿物 燃料, 所采取的抑制 NOx生成的措施和侧重点应有 所不同。对于天然气和轻油而言,由于其燃料中的 有机氮化物较少, 因而,抑制 NOx生成的主要措施 是通过控制燃烧温度, 抑制热力 NOx的生成; 但对 于重油和煤, 由于其燃料中含有一定数量的有机氮 化物, 因而, 抑制 NOx生成的措施不仅是控制燃烧 温度,抑制热力 NOx的生成,更主要的是采用低 NOx燃烧技术, 抑制燃料 NOx的生成。 目前,抑制燃料 NOx生成所采用的低 NOx燃 烧技术种类较多、方法不一。但较为典型的方法是 低 NOx燃烧器 分级配风。 22 烟气脱硝技术 目前较为成熟的烟气脱硝技术有SCR、SNCR 选择性非催化还原 、电子束法、炽热碳还原等。 SCR 烟气脱硝原理为在金属催化剂的作用 下, 喷入的氨把烟气中的 NOx还原成 N2和 H2O, 其主要的化学反应式为 4NO 4NH3 O2 4N2 6H2O NO NO2 2NH3 2N2 3H2O 上述反应, 在没有催化剂的情况下, 只在 980 左右很窄的温度范围内进行; 但在催化剂的作用下, 反应温度可大大降低, 约 300 400 。 由于 SCR 烟气脱硝技术具有脱除效率高、 运行 可靠、 便于维护等优点, 因而, 在世界上被广泛采用。 3 SCR 脱硝技术在燃煤电厂中的应用 31 SCR 工艺流程及脱硝装置的布置 根据锅炉烟风系统和 SCR 脱硝的温度要求, SCR 脱硝装置通常应布置在锅炉省煤器与空预器之 间的烟道中。其工艺流程图如图 1 所示。 图 1 SCR 工艺流程图 理论上, SCR 脱硝装置可以布置在水平烟道或 垂直烟道中, 但对于燃煤锅炉,一般应布置在垂直 烟道中, 这是因为烟气中含有大量粉尘,布置在水 平烟道中易引起 SCR 脱硝装置的堵塞。典型的布置 图略。 32 加氨系统 加氨系统有两类, 一类是无水氨系统,另一类 是有水氨系统。对于无水氨系统, 其系统流程如图 2 所示。氨从氨罐依次进入蒸发器和积聚器,经减 压后与空气混合, 再喷入烟道中。 图 2 无水氨系统流程图 62电力科学与工程 2003 对于有水氨系统, 其系统流程如图 3 所示。氨 从氨罐经雾化喷嘴进入高温蒸发器,蒸发后的氨喷 入烟道中。 图 3 有水氨系统流程图 33 催化剂及其型式的选择 选择合适的催化剂是 SCR 技术能够成功应用的 关键所在。试验研究和应用结果表明, 催化剂因烟 气特性的不同而异。对于煤粉炉,由于排出的烟气 中携带大量飞灰和 SO2,因此,选择的催化剂除应 具有足够的活性外,还应具有隔热、抗尘、耐腐、 耐磨以及低 SO3转化率等特性。 目前已实际应用的催化剂型式主要有两种蜂 窝式和板式。这两种型式的比较见表 2。 表 2 蜂窝式和板式的特点比较 蜂 窝 式板 式 耐久性 耐腐性 可靠性 反复利用率 注 为好, 为一般。 34 影响 SCR 脱除效率的主要因素 1 S V 值 S V 值是指烟气量/ 催化剂量, NOx的脱除效率 随着 SV 值的增大而降低, 其关系曲线如图 4 所示。 图 4 SV 值与 NOx脱除效率关系曲线图 2 NH3/ NOx的摩尔比 理论上, 1 mol 的 NOx需要 1 mol 的 NH3去脱 除, NH3量不足会导致 NOx的脱除效率降低,但 NH3过量又会带来 NH3对环境的二次污染,通常喷 入的 NH3量随着机组负荷的变化而变化。NH3量与 NOx脱除效率的关系曲线如图 5 所示。 图 5 NH3/ NOx摩尔比和 NOx脱除效率关系曲线图 3 温度 烟气温度是影响 NOx脱除效率的重要因素。一 方面,当烟气温度低时,不仅会因催化剂的活性降 低而降低 NOx的脱除效率,而且喷入的 NH3还会 与烟气中的 SOx反应生成硫酸氨附着在催化剂的表 面; 另一方面,当烟气温度高时,NH3会与 O2发 生反应, 导致烟气中的 NOx增加。因此, 在锅炉设 计和运行时, 选择和控制好烟温尤为重要。烟气温 度与 NOx脱除效率的关系曲线如图 6所示。 图 6 烟气温度与 NOx 脱除效率关系曲线图 4 建 议 综上所述,SCR 脱硝装置的最佳布置位置是位 于锅炉省煤器与空气预热器之间, 对于新建燃煤发 电机组, 若 SCR 脱硝装置未能与机组建设同步实 施, 则应在锅炉设计时预留 SCR 脱硝装置的位置, 并且在锅炉设计时考虑 SCR 装置将对系统和设备带 来的变化,以免今后加装时产生麻烦。 参考文献 [ 1] 钟秦 燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例 [M] 北京 化学工业出版社, 2002 作者简介 王斌 1964- , 男, 江苏南京人, 江苏省电力设计 院高级工程师, 主要从事火力发电工程设计和技术管理工作。 63 3 电力科学与工程