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燃气轮机SCR脱硝与锅炉的结合创新应用

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燃气轮机SCR脱硝与锅炉的结合创新应用

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新闻中心
2019/07/29 15:01
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燃气轮机SCR脱硝与锅炉的结合创新应用
  一 前言
        选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)脱硝技术近十几年在我国已经实现了工业化,且具有较多优点,如反应温度较低,催化剂不含贵金属,寿命长等。SCR脱硝技术是工业上应用最广的一种脱硝技术,可适用于电站锅炉、工业锅炉、内燃机、燃气轮机、化工厂以及炼钢厂。
        二 SCR脱硝技术的化学反应机理
        1、SCR反应的化学关系式和副反应   SCR反应的反应物为NO,而不是NO2,并且NO2参与了反应。氨与烟气混合物通过催化床,在那里氨和NOx反应生成气体N2和水蒸气,反应式如下:
        4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O                 (1-1)
        8NH3+6NO2→7N2+12H2O                 (1-2)
        反应式(1-1)是主要的,因为烟气中几乎95%的NOx是以NO的形式存在的。
        在没有催化剂的情况下,上述化学反应只在很窄的温度范围内(980℃左右)进行。通过使用适当的催化剂,上述反应可以在200~450℃的温度范围内有效进行。在NH3/NO摩尔比为1的条件下,可以得到80%~90%的脱硝率。在反应过程中,NH3可以选择性地和NOx反应生成N2和H2O,而不是被O2所氧化,因此反应被称为具有“选择性”。
        2、SCR反应中的吸附和脱附   动力学研究表明几乎所有NH3催化反应都发生在吸附表面上,但在NO与催化表面的反应关系方面却存在着不同的观点。因此对SCR反应物在不同氧化物催化剂表面的吸附表征研究是十分必要的。这些研究都是在实验室的“理想”条件下获得的,一般都采用常用的光谱和受热脱附为手段。
        使用TPD、IR、FTIR、TPD-FTIR混合手段对NH3在SCR催化剂上的吸、脱附表征已被深入研究。研究表明,NH3在V2O5类催化剂上的吸附有两种主要形态:一种是分子态吸附氨,另一种是氨离子态的吸附氨。另外也存在着其他的吸附形态,如氢键氨(NH3通过自身的一个氢原子与氧化物的氧化位结合),但是这种吸附很弱,在SCR反应中并不具有活性。分子态的吸附NH3既可以在钛基和钒基上形成,也可以在钨基阳离子上形成,且不容易在光谱上区分开来。N-NMR试验显示,NH3在V2O5-TiO2上吸附的,Lewis活性位占主导地位。若是纯的TiO2载体,则仅显示Lewis酸性,而铵离子在V-OH位上形成。这些结果表明,钒基表现出Lewis酸性,并且可以通过吸附水而转化成为Bron-sted酸位。利用FTIR对NH3吸附态热稳定性的研究表明:Lewis键分子态吸附NH3的热稳定性高于铵离子。NH3在纯V2O5和V2O5/TiO2上的TPD研究表明,其吸附热约为75~109kJ/mol,在典型的SCR反应温度下,大部分的NH3吸附在催化剂表面上。对V2O5-WO3/ TiO2的研究也显示了相同的结果。另外,随着V2O5含量的增大,NH3吸附的量和强度都会减小,这说明V含量的增加会减少催化剂的表面酸性。对V2O5/TiO2催化剂的高温TPD实验表明:一部分吸附态NH3会被氧化成N2、N2O和H2O。虽然这种氧化过程确实存在,但对这些NH3氧化产物的定性结构的认识并不充分。
        3、SCR反应机理   自从20世纪70年代以来,对于在钒基催化剂上进行的SCR反应的机理和潜在的活性位,已经进行了大量的研究,这些研究是建立在反应动力学和反应物吸附态光谱分析的基础之上的。研究发现,任何一种金属氧化物,如果在氧化催化中有活性,对SCR反应也同样具有活性。催化剂组分中,如果以TiO2为载体,对于部分氧化具有高选择性,那么同样对SCR反应也具有高选择性。过渡金属氧化物对于氧化催化有低的活性,在SCR反应中的活性较低。这都表明SCR反应是一个氧化还原反应,其机理是氧化还原机理或Mars-van-Krevelen机理。
        三 SCR脱硝技术在工业链条锅炉上的应用实例
        1、某供热公司链条锅炉概况
        某供热公司2012年安装完成1台DZL70MW链条锅炉,根据该地区环保要求,需在锅炉尾部安装SCR脱硝装置,预将烟囱排出的NOx含量控制在50mg以下,故需要对锅炉进行相应改造。
        2、锅炉改造详情如下:
        (1)烟气流程改造方案:
        在锅炉后墙上部抽取部分高温烟气与锅炉尾部低温烟气混合,混合后的烟气温度达到300~400℃,混合烟气通过SCR脱硝装置脱硝后,经过新增加的火管省煤器及空气预热器后进入脱硫除尘设备,通过引风机经烟囱排入大气中。
        采用此种改造方案需调整炉内部分第一对流管束及烟管受热面;在锅炉后墙上部安装高温烟气烟道及高温烟道电动挡板门,同时将原有锅炉尾部低温烟气烟道拆除,重新制作安装与高温烟气烟道连接的低温烟气烟道和低温烟道电动挡板门,并且在新制作的低温烟气烟道底部制作安装落灰斗及落灰管组件;制作安装混合烟气烟道;在锅炉房外合适位置制作安装钢架组件及平台扶梯组件,在钢架组件上安装SCR脱硝装置系统及控制系统,在SCR脱硝装置系统下方安装立式火管省煤器及空气预热器,在火管省煤器及空气预热器下方制作安装落灰斗及落灰管组件。
        (2)空气流程改造方案:
        将原鼓风机吸风口冷风风道连接至新增加空气预热器热风出口(设置风道电动调节门)。
        (3)水流程改造方案:
        从总回水母管相应位置引出部分回水通过进水接管进入火管省煤器,然后通过出水接管进入锅炉原有配水装置中。在进水接管相应位置安装止回阀及闸阀,同时在出水接管上装设就地压力表、就地温度记录仪及远传温度记录仪,根据出水接管的出水温度调节进水接管处阀门开度控制进入火管省煤器的水量。
        (4)SCR脱硝技术工艺流程图:
        
 (5)SCR脱硝反应系统及工艺特点:
        脱硝反应系统由触媒反应器、氨喷雾系统、空气供应系统组成。
        ①烟气线路   SCR反应器位于锅炉尾部出烟口后部,氨气均匀混合后通
        过分布导阀和烟气共同进入反应器入口。烟气经过烟气脱硝过程后经过立式火管省煤器及空气预热器后进入除尘设备。
        ② SCR反应器   SCR反应器采用固定床平行通道型式,反应器为自立钢结构型。催化剂底部安装气密装置,防止未处理过的烟气泄露。
        ③ SCR催化剂   SCR系统所采用的催化剂型式为平板式,其特点如下:高活化性及寿命长;低压力降、紧密性、刚性且容易处理。催化剂元件主要以不锈钢板为主体,再镀上一层TiO2作为催化剂活化元素。不锈钢板在镀TiO2前需进行处理成为多孔性材料,烟气垂直流过催化剂元件使压力降到最低。催化剂由两层催化剂单位所组成催化剂区块。
        ④ 氨/空气喷雾系统   氨和空气在混合器和管路内充分混合,再将此混合物导入氨气分配总管内。氨/空气喷雾系统含供应函箱、喷雾管格子和喷嘴等。每一供应函箱安装一个节流阀及节流孔板,可使氨/空气混合物在喷雾管格子达到均匀分布。氨/空气混合物喷射配合NOx浓度分布靠雾化喷嘴来调整。
        ⑤ SCR控制系统   烟气脱硝反应系统的控制都在机组的DCS系统上实现。
        四 结束语
        经过一个采暖期运行,SCR脱硝技术在工业链条锅炉上的应用完全满足当地环保要求,锅炉运行过程中烟囱出口NOx排放含量保持在50mg以下。