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SCR脱硝工艺分析

发表时间:2019-01-28

万纯SCR脱硝系统


当前,我国对电力企业实施了超低排放标准,使得烟气脱硝的要 求进一步提高,单纯的依靠低氮燃烧技术已经不能满足新国标的要求,在目前各种脱硝技术中,选择性催化还原脱硝(SCR)是应用较广,效率较高且相对成熟的技术之一。 

    SCR烟气脱硝工艺原理

 

在催化剂作用下,向温度约为280~420℃的烟气中喷入氨,将NO和NO2还原成N2和H2O。化学反应方程式如下: 


4NO+4NH3+O2→ 4N2+6H2O 

6NO+4NH3→ 5N2+6H2O 
6NO2+8NH3→7NO2+12H2O 
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O 
副反应方程式如下: 
2SO2+O2=2SO3 

NH3+SO3+H2O=NH4HSO4


SCR脱硝的主要影响因素分析

NH3/NOx摩尔比的影响 


       氨的过量和逃逸取决于 (NH3 ) / (NOx)、工况条件和催化剂的活性用量(工程设计氨逃逸不大于0.0003%, SO2 氧化生成SO3 的转化率≤1%)。2.氨的逃逸率增加,增加了净化烟气中未转化NH3 的排放浓度,进而造成二次污染。 


反应温度的影响 


       在300~400 ℃ 内(对中温触媒) ,随着反应温度的升高,脱硝率逐渐增加,升至400 ℃时,达到最大值,随后脱硝率随温度的升高而下降。2、存在两种趋势:一方面温度升高时脱硝反应速率增加,脱硝率升高;另一方面随温度升高,NH3 氧化反应加剧,使脱硝率下降。3、存在最佳温度。4、脱硝反应一般在300~420℃范围内进行,此时催化剂活性最大,所以,将SCR 反应器布置在锅炉省煤器与空气预热器之间。 


接触时间的影响 


脱硝率随反应气与催化剂的接触时间 的增加而迅速增加;t 增至200ms 左右时,脱硝率达到最大值,随后脱硝率下降。2、由于反应气体与催化剂的接触时间增加,有利于反应气体在催化剂微孔内的扩散、吸附、反应和产物气的解吸、扩散,从而使脱硝率提高;但若接触时间过长,NH3 氧化反应开始发生,使脱硝率下降。故接触时间并非越长越好。 

万纯SCR脱硝催化剂


脱硝催化剂的影响

 

催化剂是SCR工艺的核心,催化剂对脱除率的影响与催化剂的活性、类型、结构、表面积等特性有关。其中催化剂的活性是对NOx的脱除率产生影响的最重要因素。催化剂性能参数: 


1、催化剂体积。催化剂体积是催化剂所占空间的体积,m3。在SCR系统中,所需催化剂体积的大小由NOx的浓度和脱除效率、氨逃逸量、催化剂的活性及几何特性、烟气流量、压力损失等因素决定。 


2、催化剂比表面积。催化剂面积是指催化剂的几何表面面积(比表面积)。催化剂比表面积是一个单位体积催化剂的几何表面积,即m2/m3。空隙越多的催化剂几何表面积越大,性能也越好。 


3、空间速度。空间速度定义:烟气流量(标准温度和压力下湿烟气)与催化剂体积的商数,即: 

式中,SV――空间速度,[h-1]。 

Vfg――烟气流量,[m3/h]; 

Vcat――催化剂体积[m3] 

空间速度的物理意义:表示烟气在催化剂容积内滞留时间的尺度。空间速度是催化反应器的主要设计依据,空间速度的确定除受催化剂特性的影响之外,需要考虑脱氮效率、运行温度、氨的允许逃逸量、以及烟气中的粉尘含量、锅炉型式、催化反应器布置位 


4、面积速度。面积速度定义:烟气流量(标准温度和压力下湿烟气)与催化剂几何表面面积之比,即:

     式中,AV――面积速度,m/h 

     面积速度AV又可以表示为烟气空间速度与催化剂几何比表面面积之比。即: 


5、SO2/SO3转化率。SO2/SO3转化率是指烟气中的SO2转化为SO3的比例,以百分数表示。SO2/SO3转化率高对催化剂本身以及下游设备都是有害的,所以大都要求催化剂的SO2/SO3转化率控制在小于1%(最多不能高于2%)。影响SO2/SO3转化率的因素主要有反应温度和催化剂成分,还有氨的喷入量。同时反应温度越高转化率越高。

 

6、催化剂活性。催化剂中的V2O5是主要活性物质。当V2O5的质量分数低于6.6%时,随 V2O5 质量分数的增加,催化效率增加,脱硝率提高; 当V2O5 的质量分数超过6.6%时,催化效率反而下降。这主要是由于V2O5在载体TiO2 上的分布不同造成的。当V2O5的质量分数为1.4%~4.5%时, V2O5 均匀分布于TiO2 载体上,且以等轴聚合的V 基形式存在;当V2O5 的质量分数为6.6%时, V2O5在载体TiO2 上形成新的结晶区(V2O5 结晶区) ,从而降低了催化剂的活性。 


SCR硝催化剂的活性分析 


催化剂的活性随温度、压力、烟气流量、催化剂配方、催化剂受损害的情况而变化。随着使用时间的延续,催化剂的活性将会不断降低。催化剂的活性降低将导致脱硝率的降低,同时将导致氨逃逸量的增大。 


其中,催化剂失活的机理主要有: 

砷中毒 

中毒机理: 14000C左右时,4As +3 O2 = 2 As2O3 

当烟气在省煤器中冷却下来时, As2O3与飞灰反应生成稳定的化合物,在催化剂上凝结, 覆盖活性成分或堵塞毛细孔。As2O3气体还很容易和氧气以及催化剂中的活性成分五氧化二矾发生反应,在催化剂表面形成五氧化二砷,导致催化剂活性的破坏。


碱金属和碱土金属中毒 

中毒机理: 
1、碱金属(第一主族元素,包括锂、钠、�1�7、铷、铯、钫。 碱金属是活泼金属,其氢氧化物易溶于水,呈强碱性,故叫“碱金属元素”)能与催化剂的活性成分直接发生反应。 
2、碱土金属(第二主族元素,包括:铍,镁,钙,锶,钡,镭。也都是非常活泼的金属)的游离氧化物和催化剂表面吸附的SO3反应,生成物是MSO4垢(主要是CaSO4 ),覆盖在催化剂表面阻止催化还原。 
3、堵塞。烟气中的粉尘和其它化合物(硫酸铵/硫酸氢铵)沉积在催化剂的表面。通过吹扫清除已沉积的灰颗粒(可利用气力、振动等方法),同时加装导流和筛网减少飞灰颗粒的沉积。硫酸铵的沉积现象可通过提高温度消除。 
4、热损伤。燃煤电厂烟气中的粉尘冲刷和酸性气体腐蚀的共同作用将使催化剂受到损伤,这种现象统称为冲蚀。 
5、冲蚀。损伤机理:温度的高低波动太大,催化剂各部分热应力分布不均匀,造成机械应变而导致部分脱落。同时如果催化剂的温度太高,导致催化剂中的某些成分出现催化剂颗粒晶型的改变,从而导致催化性能的改变。 


万纯小型燃油/燃气锅炉SCR脱硝系统


加装SCR系统对锅炉及辅机的影响 

对锅炉引风机的影响 


加装SCR脱硝装置而产生的烟气阻力包括烟气在烟道中的沿程阻力、局部阻力和催化剂本身的阻力。催化剂在反应器中采用分层布置(一般为2~3 层),对于反应器中典型的设计烟气流速4~6m/s 和标准尺寸的催化剂模件,每层催化剂的烟气阻力约为200Pa。采用SCR 脱硝装置,烟气侧阻力增加约为1000Pa,引风机裕度可能无法满足要求而被迫改造。 


对回转式空预器的影响 


SCR催化剂将烟气中部分SO2被催化氧化为SO3,与逃逸的部分氨反应生成硫酸氢铵,增加了空预器堵塞和腐蚀的风险。并且硫酸氢铵牢固粘附在空预器蓄热元件的表面上,使蓄热元件发生积灰,减小空预器内流通截面积,从而引起空预器阻力的增加,降低空预器换热元件的效率。此外,SCR 反应器内烟气流速约为4~6m/s,势必形成一定程度的积灰。为保证SCR 催化剂的催化效果,在SCR 内配置的吹灰器将会把积灰吹入空预器,在空预器内会形成堵灰。而且加装SCR 脱硝装置后,空预器段烟气负压增加较多,漏风压差增加,通常空预器漏风率增加0.8%~1.5%。 


总结 


SCR脱硝技术虽然比较成熟,但是影响其脱硝效率的因素也很多,所以在运行的过程中应当加强实时监控,定期抽取催化剂进行检验,同时在应用SCR脱硝的过程中除了应该注意脱硝效率之外,也应该注意催化剂的活性及氨的逃逸率,在不能保证氨的逃逸率的前提下,过分的追求脱硝效率是不科学的,不仅会产生新的污染,也会增加空预期腐蚀、堵灰的概率。 


参考文献: 

[1]佚名.火电厂SCR烟气脱硝技术[M].中国电力出版社,2013. 

[2]武宝会,崔利.火电厂SCR烟气脱硝控制方式及其优化[J].热力发电,2013,42(10). 

[3]夏怀祥.选择性催化还原法(SCR) 烟气脱硝[M].中国电力出版社,2012.

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