烟气量200万m3h的脱硝设计Word文档格式.doc
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2.3.1SCR脱硝工艺简述 4
2.3.2SCR脱硝工艺特点 5
2.3.3氨储存和供应系统（NH3区） 6
2.3.4氨喷射（AIG）系统 6
2.3.5SCR法脱硝反应系统 7
2.4SCR脱硝系统控制策略 7
第三章脱硝工艺计算 10
3.1计算依据 10
3.2还原刻耗量的计算 12
3.3蒸汽消耗量的计算 13
3.4空气耗量 14
3.5反应焓及温差计算 14
3.6催化剂设计 15
3.6.1催化剂体积 15
3.6.2催化剂横截面积 16
3.6.3催化剂层数估算 16
3.6.4催化剂总层数 16
3.6.5每层催化剂所需单元数 16
3.7SCR反应器设计 17
3.7.1SCR反应器横截面积 17
3.7.2SCR反应器高度 17
3.8反应器壳体的设计 17
3.8.1壳体高度的计算 17
3.8.2壳体长、宽的计算 18
3.8.3壳体厚度的计算 18
第四章催化剂的选择及辅助设备的选型 22
4.1催化剂的选择 22
4.1.1催化剂的类型 22
4.1.2催化剂的选择 23
4.2吹灰器设计 23
4.3供氨装置的设计 24
4.3.1卸氨压缩机 24
4.3.2液氨储罐 25
4.3.3液氨蒸发器 25
4.3.4氨气缓冲罐 26
4.3.5氨气稀释槽 26
4.4其他设备的设计 26
4.4.1废水泵 26
4.4.2导流板装置设计 27
第五章设备一览表 28
参考文献 29
致谢 31
第一章绪论
1.1选题背景与意义
是大气主要污染物之一。
氮氧化物在大气中以多种形式存在，其中占比例最大的是和。
燃煤发电所生成的中，NO占90%，其余为NO2。
排入大气中，与空气中的其他成分作用，将使大气污染的性质发生变化，大气的氧化性增加，会引起许多环境问题。
随着电力工业的发展和汽车数量的增多，排放量也越来越大，对我国大气环境的污染程度也越来越严重。
在太阳光的下，会与空气中的其他发生光化学反应，产生光化学烟雾。
光化学烟雾会对人体和环境带来巨大的危害。
进入大气中的NO大部分转化成NO2，和雨水反应生成HNO3、HNO2，并随雨水到达地面，形成酸雨或者酸雾。
因此，新上火电机组要控制排放，必须配有烟气脱硝装置，这也是国家环保政策的要求。
1.2国内外研究现状
目前减少的技术大体分为三种：
（1）燃烧前控制技术（燃料脱硝）就是处理燃料，降低煤中的氮含量来控制氮氧化物的排放。
（2）燃烧中控制技术（低氮燃烧技术）即改变燃烧方式和生产工艺，如采用低氮燃烧器、燃料分级燃烧、低炉膛燃烧、烟气再循环等技术。
（3）烟气脱硝技术，即把已产生的转化为无污染产物或可利用的产品，主要有氧化法和还原法脱硝｡由于低燃烧技术降低排放效率较低（一般在50%以下），不符合环境要求，因此，大多数火电厂采用烟气脱硝技术来降低的排放量。
1.2.1烟气脱硝技术方法
烟气脱硝工艺可以分为两大类：
干法脱硝和湿法脱硝。
无论那种方法，都主要包括：
酸吸收法、碱吸收法、选择性催化还原法、非选择性催化还原法、吸附法、离子体活化法等。
除此之外，还可以用用微生物来处理含废气。
湿法烟气脱硝反应剂为液态，主要为稀硝酸吸收法和碱性溶液吸收法；
干法烟气脱硝的反应剂为气态，还原剂一般为氨气。
SCR脱硝工艺技术已有三十多年发展，是目前被广泛采用并能达到严格环保排放要求的脱硝工艺，脱硝效率可以超过90%，因此在国内外应用较多。
但由于催化理论和反应机理在研究上的欠缺，致使该工艺还需要不断的改进完善。
SCR工艺技术主要分为液氨法、氨水法和尿素法。
工艺共同之处都是利用氨在催化剂的作用下将氮氧化物还原为N2和水。
从安全性上考虑，液氨泄露出的氨气要比尿素水溶液或氨水危险性大得多；
从经济性和其他因素上考虑，尿素作原料的系统需要经过热解或水解来得到，原料供应时会伴有CO2和H2O等副产物，而且尿素系统的能耗和物耗都要高于液氨系统。
本设计综合考虑选用液氨为还原剂。
1.3主要研究内容（设计任务书）
本设计的主要内容是针对锅炉烟气量为200万m3/h的还原催化法脱硝工艺设计。
通过对SCR技术的了解和深入研究，选择最佳的工艺路线，确定合适的脱硝设备，以期达到预定的脱硝率，使尾气的排放达到排放标准。
相关参数：
表1-1烟气组成
烟气排放量
200Wm3/h
氮氧化物的含量
1500mg/m3
NO体积分数
90%
NO2体积分数
10%
最终排放标准
小于等于30mg/m3
第二章SCR脱硝系统及工艺流程
2.1SCR法烟气脱硝的技术原理
在氮氧化物选择还原过程中，通过加入氨可以把转化为氮气和水。
其主要反应如下：
反应的理想温度为800℃到900℃，温度过高时，NO会被氧化成NH3；
反应速率在低温时会很慢，需加入催化剂。
2.2SCR脱硝工艺布置
SCR反应系统布置在火电厂锅炉之后，其布置方式有三种情况：
热段/高灰布置、热段/低灰段布置和尾部SCR布置，见图2-1。
图2-1SCR反应器布置图
1、热段/高灰布置该段的烟气温度在300～400℃，催化剂活性在此温度下活性最高，脱硝反应在此温度下进行的催化还原反应比较彻底，运行比较经济。
但催化剂处于高尘烟气中，条件恶劣，影响催化剂的主要因素如下：
（1）飞灰中所携带的金属成分，会使催化剂“中毒”，降低催化剂的活性，影响脱硝效能；
（2）反应器中的催化剂会受到飞灰的冲击磨损，而且灰尘的部分沉降会使催化剂堵塞；
（3）高温烟气会烧结催化剂，损害催化剂的结构，从而使催化剂活性降低，严重时会造成催化剂失效。
（4）脱硝反应过程中会产生少量NH4HSO4，会沉积在催化剂层上，腐蚀催化剂。
2、反应器布置在热段/低灰段，即省煤器后的高温静电除尘器之后，空气预热器之前。
这种布置虽然避免了高含尘量和高温导致的缺点但由于经过除尘后，使得烟气所固有的自清洁作用失去，致使细小粉尘沉积在催化剂表面。
此外，采用高温电除尘器，投资费用和运行要求都比较高；
同时硫酸铵对设备的腐蚀在此阶段依然存在。
3、尾部烟气段布置SCR反应器布置在脱硫塔之后，这种工艺虽然可以避免高尘区SCR烟气中高粉尘和有毒成分对催化剂所造成的不良影响，但是，由于此阶段烟气温度相对较低，重新加热烟气需要巨大且昂贵的投资费用，存在着运行不经济的问题。
反应器布置在灰尘高的烟气段，尽管有许多缺点，但仍比其他方式要好的多，瑕不掩瑜，因此，布置在高灰段仍然是大多数燃煤电厂的理想选择，故已经运行的SCR脱硝装置多数使用这种方式。
2.3液氨为还原剂的SCR脱硝工艺
2.3.1SCR脱硝工艺简述
氨气在注氨栅格上用喷嘴喷入烟气中，在进入反应器中的催化剂层前，与烟气混合均匀。
反应器通常为垂直放置，反应器中的催化剂分为上下多层，与NH3在催化剂的作用下发生氧化还原反应。
经过催化剂层后，烟气达到排放标准。
SCR烟气脱硝系统采用的还原剂为氨气（NH3）。
省煤器旁路是用来调节烟气温度的，通过调节通过省煤器烟气和旁路烟气的流量来控制反应器的温度。
在反应器的上游较远的地方，安装喷氨装置，以保证氨与烟气的充分混合。
图2-2为SCR法烟气脱硝的系统简图｡
图2-2SCR脱硝系统
热网回水
氨缓冲槽
稀释空气
空气预热器
烟气SCR反应器
省煤器
静电除尘器
废水池
废水泵
氨稀释槽
液氨储罐
氨蒸发槽
卸料压缩机
液氨槽车
锅炉
图2-3典型的SCR脱硝工艺流程图
2.3.2SCR脱硝工艺特点
1、燃煤电厂SCR烟气脱硝系统包括氨气供应系统和催化还原反应系统两大部分｡
2、氨气供应系统主要设备有液氨卸料压缩机、液氨储罐、液氨汽化器、氨气缓冲槽及氨气稀释槽、废水泵、废水池等组成。
3、脱硝反应系统由催化反应器、氨喷雾系统、空气供应系统等组成。
4、在SCR系统中，液氨罐的数量可以一炉一个或多炉公用一个。
5、SCR控制可进入各机组DCS，氨站系统的控制可进入公用DCS控制系统。
与锅炉系统保持一致，便于系统的扩展和升级，减小了系统的维护量。
6、脱硝系统：
（1）烟气路线SCR反应器位于锅炉省煤器出口烟气管线的下游，氨气均匀混合后通过均流混合器装置进入反应器入口。
脱硝反应后经空气预热器预热进入除尘器。
（2）SCR反应器反应器的水平阶段安装有烟气导流装置。
（2）SCR催化剂目前商业的SCR催化剂一般为V2O5-WO3/TiO2型，其特点是高活性、寿命长。
2.3.3氨储存和供应系统（NH3区）
槽车中的液氨，通过卸料压缩机的压差，被送入液氨储罐中。
液氨储罐至少要有两个，每个罐只装一半，以便需要时可以将其中一个罐中的液氨转移到另一个。
这种做法，除了安全考虑外，还能保证其中一个罐检修时，反应器仍能继续工作。
卸氨过程中，液氨减压后汽化吸热，致使管道结霜。
为减少次状况，确保安全，应在卸氨管上连有自然吸热器。
液氨储罐选择放置在地面，每个储罐上都安装有安全泄压阀、液位变送器。
液氨供应管道上要安装止回阀和调节控制阀门，还有有安全的泄压装置，在管道事故或操作人员操作不当时，可以将危害降到最低。
通过温度、压力、液位等变送器输送的信号可以更好地控制氨气的泄漏量，避免氨气泄露后的扩散污染。
液氨的汽化采用温水加热方式，具体为将饱和蒸汽通入工业用水中，控制水温在50℃到60℃之间。
这种方式相对于直接用蒸汽加热更为温和、安全。
液氨汽化器采用螺旋管，管内走物料，夹套走温水。
当水温过高时切断蒸汽管道上的调节控制阀。
汽化器上安装有压力控制阀和温度变送器，控制氨气的压力和温度在设定值内。
氨气缓冲罐主要用来稳定气化后的氨气压力，以保证氨气进入烟道的流速和压力降。
2.3.4氨喷射（AIG）系统
氨气在烟道中与烟气的混合程度，会影响到氨逃逸率和脱硝率。
因此，保证烟气与氨的均匀混合至关重要。
要使氨气与烟气混合均匀，最完美的是使烟气浓度与氨气浓度分布一致，即在高烟气浓度出喷入多一些氨，在低烟气浓度出喷氨量相对少一些。
因此，喷氨系统需要做成可调节性的。
2.3.5SCR法脱硝反应系统
反应器通过合理设计的过渡段连接在烟气管道上。
在烟气上游管道处必须安装烟气混合装置和导流装置，使烟气进入反应器前尽可能地与氨气混合均匀。
在反应器内的催化剂层上方要安装吹灰器，来保持催化剂层的洁净。
在反应器中，催化剂层结构要保持稳固状态，以免催化剂模块的错位而造成本没必要的损失。
为了减少烟气在催化剂层的阻力和停留时间，要合理地排列催化剂模块，避免烟气在催化剂层中出现涡流、回流现象。
反应器外壁一侧设有检修门，用于在催化剂层填装催化剂模块。
每层催化剂都设有人孔，方便检修清理。
烟气与氨气接触后，首先经过混合栅格，提高其混合程度。
之后，烟气与氨气经过导流栅格，流向发生变化。
在最后进入催化剂层前，还要经过整流栅格，混合均匀性再度提高，并保证了在催化剂层的水平断面上的均匀分布。
每层催化剂的上方要装有吹灰器，采用声波吹灰器吹扫。
反应器的横截面和催化剂层的层间距，要能够保证吹灰器的安装和运行需求。
反应器的下游设有取样点，取样管与烟道的断面相连，用于测量截面上的烟气浓度和浓度。
锅炉满负荷运行时，从省煤器出来的烟气温度在375℃左右，锅炉低负荷运行时，出口烟气温度也在300℃，都在催化剂活性范围内，综合考虑，省煤器可以不设旁路，节约成本。
省煤器除灰能够占总灰量的5%以上，要在下方安装灰斗，同时，在SCR反应器后也布置灰斗，以减少空预器内的灰量。
烟道上的弯头及截面变化处均要安装导流板，防止烟气与氨气混合不均匀对催化剂层造成的不良影响。
烟道下侧要安装喷氨栅格，以便烟气与喷射的充分混合。
催化剂层设计为三层，一层备用，安装方式采用集装箱安装。
2.4SCR脱硝系统控制策略
前面提到过，SCR法烟气脱硝系统主要分为两大部分，一是还原剂制备系统，即NH3区；
另一个为反应塔系统，即SCR区。
有三个主要的控制任务：
保持液氨蒸发器水温的恒定、使氨气缓冲罐氨气压力恒定以及对喷氨氨气流量的控制。
通过确定的NH3/摩尔比来控制所需要的氨气流量，进口浓度和烟气流量的乘积产生流量信号，流量信号得到NH3/摩尔比信号，继而产生氨气流量信号。
摩尔比是现场测试操作期间确定的，并记录在氨气流量控制系统的程序上。
计算的氨气流量需求信号为设定值，真实氨气流量信号为反馈值，设定值与反馈值的比较后经过比例积分处理，去定位氨气流量调节阀，若氨气因某些连锁失效，则氨气流量控制阀自动关闭。
图2-4、2-5、2-6分别为液氨蒸发器水温、稀释空气流量控制、氨气缓冲罐氨气压力。
图2-4液氨蒸发器水温控制系统
氨气与空气混合达到安全范围后方可送至脱硝反应器。
因此，要控制氨含量在3%~5%。
图2-5稀释空气流量控制
图2-10氨气缓冲罐压力控制系统
第三章脱硝工艺计算
3.1计算依据
1．脱硝系统的处理烟气量：
，常压，375℃；
2．年工作日：
310天；
3.脱硝率为95%；
4.烟气中的含量，烟气中含量，其中
5.烟气中的其他气体的摩尔分数：
，，，，，
煤种数据分析如表3-1
表3-1煤质分析表
名称
单位
设计煤种（烟煤1）
校核煤种I（烟煤2）
校核煤种II（神华煤）
工
业
分
析
收到基全水分
%
9.6
11.2
15.55
收到基灰分
19.50
22.49
8.80
收到基挥发分
22.82
25.12
26.50
收到基固定碳
48.08
41.19
低位发热量
kJ/kg
22440
20490
23442
哈氏可磨系数
55
48
冲刷磨损指数
2.35
1.06
0.84
元
素
收到基碳
58.60
52.75
61.7
收到基氢
3.33
3.53
3.67
收到基氧
7.28
7.92
8.56
收到基氮
0.79
0.71
1.12
收到基全硫
0.90
1.40
0.60
收到基全水分
灰
熔
融
性
变形温度
℃
1110
1345
1150
软化温度
1190
＞1500
溶化温度
1270
1230
煤
比
电
阻
（测量电压500V）
21.5℃
Ω·
cm
1.18×
1010
9.40×
80℃
3.61×
1011
1.70×
1012
100℃
1.88×
4.60×
6.69×
120℃
2.20×
1.40×
1013
4.97×
150℃
3.8×
2.50×
1.58×
180℃
1.48×
1.90×
8.65×
份
数
据
SiO2
50.41
48.78
30.57
Al2O3
15.73
32.47
13.11
Fe2O3
23.46
8.69
16.24
CaO
3.93
2.84
23.54
TiO2
1.09
0.47
K2O
2.33
0.89
0.78
Na2O
0.92
MgO
1.27
0.58
1.01
P2O3
1.67
SO3
2.05
1.95
10.31
SCR反应器进口烟气参数：
表3-2SCR进口烟气参数
序号
项目
设计煤种
1
SCR入口空气系数
1.4
2
SCR入口烟气温度
375
3
SCR入口烟气量
m3/h
2000000
4
SCR入口NOx浓度
mg/m3
1500
5
≤30
6
氨逃逸率
ppm
≤3
7
二氧化硫含量
2800
8
烟尘浓度
30
3.2还原刻耗量的计算
SCR法脱硝还原剂采用液氨，氨气耗量按下式计算（浓度换算为NO2浓度）：
，，
式中：
——为氨气体积耗量，；
——为氨气质量耗量，；
——为标准状况下气体摩尔体积，；
——F为烟气体积流量（标况，干基，过剩空气系数1.4），；
——为SCR反应器入口NO2质量浓度（标况，干基，过剩空气系数1.4），；
——为NO2的摩尔质量，；
——为NH3的摩尔质量，；
——N为氨氮摩尔比；
——为氨逃逸系数（标况，干基，过剩空气系数1.4），；
——ƞ为脱确效率，%。
烟气中的含量，，故
氨的消耗量由反应物料衡算：
故NO与NO2的转化比为2:
1，则
3.3蒸汽消耗量的计算
脱硝工艺中，釆用蒸汽加热水后，用温水蒸发液氨得到氨气作为系统还原剂。
所需蒸汽量计算如下:
式中:
——M为需要的蒸汽的量，kg/h；
——为进口蒸汽焓值；
——为出口蒸汽焓值；
——E为蒸发液氨所需要的热量；
KJ/kg。
3.4空气耗量
脱硝反应的还原剂为氨气，因氨气体积含量在空气中达到16%~25%的时，遇明火可能会发生爆炸，所以氨气在进入烟道之前，要与空气经过混合稀释，使其达到使用安全范围。
一般氨气在混合气中的体积分数为3%~5%，按5%计算空气耗量公式如下：
——为空气体积耗量，（标况）；
——为氨气体积耗量，（标况）。
3.5反应焓及温差计算
SCR脱硝反应器中发生的氧化还原反应主要为：
为标况下的物质反应焓，标态下，各反应物和生成物的摩尔生成焓可由文献查得，根据盖斯定理计算可得到总焓变，如式：
根据基希霍夫公式可以得到反应焓变的计算公式如下：
系统放热
3.6催化剂设计
本次设计采用的催化剂为蜂窝状催化剂，成型催化剂按照设计催化剂尺寸大小挤出，大小为；
催化剂孔间距根据烟气中飞灰浓度来设计，飞灰浓度越高的烟气孔间距要求越宽，以减少烟气阻力和烟气对催化剂的损害，烟气的飞灰浓度为，所以设计催化剂孔间距数值为7.4rnm；
壁厚设计量为1mm；
单元催化剂设计孔数为。
3.6.1催化剂体积
催化剂体积按下式进行计算：
——式中为催化剩体积，m3；
q为实际烟气量，m3/h；
——为设计脱销率，本设计要求为98%；
——ASR为实际氨耗量与理论氨耗量的比值。
在本次设计中，烟气中的浓度为1500mg/Nm3，设计的氨逃逸数值为3ppm，通过计算可以得到氨氮摩尔比为1.01。
——为催化剂的几何表面积，m2/m3；
其计算公式为
——式中L为催化剂孔间距，m；
——t为催化剂壁厚，m；
催化剂几何表面积经
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