《SCR脱硝技术方案设计2采用低温板式催化剂》.docx

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《SCR脱硝技术方案设计2采用低温板式催化剂》

SCR烟气脱硝

技术方案

（采用低温催化剂）

2016年9月12日

一设计概述

1.1设计背景

本设计方案为山东xxxx玻璃科技有限公司玻璃窑烟气SCR脱硝处理项目。

1.1.1烟气参数

（1）烟气流量：

73000Nm3/h（工况）；37000m3/h（标况）

（2）烟气温度：

248~260℃；

（3）氮氧化物含量：

2769~2948mg/m³

（4）SO2含量：

226~738mg/m3

（5）O2浓度：

10~11.7%

1.1.2烟气排放指标：

氮氧化物含量：

50mg/Nm³（《山东省工业窑炉大气污染物排放标准》DB37/2375-2013）

1.2SCR烟气脱硝技术介绍

1.2.1SCR工艺原理：

选择性催化还原法（SCR）是指在催化剂的作用下，在锅炉排放的烟气中均匀地喷入氨气，从而将烟气中的NOx还原生成N2和H2O。

SCR是一个连续的化学工艺过程，其中含氮还原剂例（如氨气）加入到含NOx的烟气中。

主要的化学反应如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（1.2-1）

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O（1.2-2）

4NH3+6NO→5N2+6H2O（1.2-3）

8NH3+6NO2→7N2+12H2O（1.2-4）

烟气中的NOx主要是由NO和NO2组成的，其中NOx总量的95％为NO，其余的5％基本上为NO2。

所以脱硝反应的主要化学反应方程式是（1.2-1），它的反应特性如下：

1　NH3和NO的反应摩尔比为1左右；

2　脱硝反应中离不开O2的参与；

3　最为典型的反应温度窗口：

300℃～400℃；

除了以上提及的化学反应方程式，其实脱硝反应中还存在着有害反应，具体如下：

SO2被氧化成SO3的反应：

（1.2-5）

NH3的氧化反应：

（1.2-6）

（1.2-7）

催化剂的选择性成分为NOx的还原反应提供了很高的催化活性。

氮气和水是脱硝反应的主要产物。

SCR技术需要的反应温度窗口为300℃～400℃。

在反应温度较高的情况下，会导致催化剂产生结晶或着烧结等现象；在反应温度较低的情况下，硫酸铵在催化剂表面凝结，催化剂的微孔被堵塞，催化剂的活性会降低。

SCR技术具有脱硝效率高，氨消耗少、脱硝性能稳定、运行平稳、成熟等优点，是世界公认的烟气脱硝主流技术。

1.2.2SCR烟气脱硝系统选择

1）SCR反应塔布置方案

（1）高温侧高飞灰烟气段布置。

在设计的过程中，将SCR反应器直接安装在了省煤器出口和预热器入口中间的位置，也就是要将其设置在空气预热器和静电除尘器的前面，它在运行中最为明显的特点就是烟气在经过省煤器之后进入到SCR反应器中，其温度一般会在300-430℃之间，可以满足很多催化剂的使用需要。

采用这种方案的时候，烟气在进入到SCR反应塔之前是不需要再加热的，所以在成本投入方面存在着较为明显的优势，当前也成为了很多燃煤电厂锅炉安装SCR烟气脱硝装置的一种非常常见的方案。

但是在离开锅炉省煤器之后，烟气当中的飞灰和二氧化硫浓度相对较高，催化剂容易受到飞灰颗粒和副产物的影响，催化剂表面极易破损，所以设备的性能也会受到极大的影响。

所以，SCR采用高温侧飞灰烟气段布置的时候，在催化剂的选择上要尤其注意，一定要选择那些性能比较好的催化剂，如果有需要的话还可以对催化剂进行硬化处理，催化剂的数量一定要充足。

本技术方案即采用高温侧高飞灰烟气段布置。

（2）高温侧低飞灰烟气段布置。

SCR反应塔安装在高温静电除尘器出口和空气预热器入口中间的位置，也就是高温静电除尘器的后侧，其在运行过程中最主要的一个特点就是烟气在进入到SCR反应塔之前实际上已经经过了除尘处理，粉尘的水平相对较低，但是其二氧化硫的浓度还处在比较高的水平，细灰颗粒比较容易产生粘结，此外还有可能在这一过程中出现自清扫现象，催化剂的功能就会受损，所以在应用的过程中需要用比较快的清扫速度来对催化剂的表面进行清理。

高温静电除尘器的运行温度一般在300-400℃之间，如果在进入到SCR反应塔之前已经有了较高的温度，就不需要对其进行二次重复加热。

（3）低温侧低飞灰尾部烟气段布置。

SCR反应塔设置在空气预热器和静电除尘器以及烟气脱硫装置的下半部分，也就是说设置在除尘器和脱硫装置的后面。

烟气在经过高温除尘器和脱硫装置的处理之后，SCR入口的二氧化硫浓度非常低，所以催化剂不容易腐蚀或者是堵塞，所以在催化剂的选择上可以采用中等口径的催化剂，此外喷氨对飞灰质量和脱硫废水也基本上不会产生负面的影响。

由于烟气经过脱硫塔后进入SCR反应塔时温度较低（55～70℃），需采用昂贵的气-气加热器对烟气进行再加热（加热至250℃以上），并需采用燃油或燃气进一步提高烟气温度，其投资费用与运行费用较高，目前很少采用这种方案。

2）SCR反应塔优化设计

SCR反应塔中的催化剂通常垂直布置，烟气自SCR反应塔顶部垂直向下平行于催化剂表面流动。

烟气在SCR反应塔中的空塔速度是SCR的一个关键设计参数，它是烟气体积流量（标准状态下的湿烟气）与SCR反应塔中催化剂体积比值，反映了烟气在SCR反应塔内的停留时间的大小。

3）SCR催化剂的选取

SCR催化剂类型及其使用温度范围：

氧化钛基催化剂：

270-400℃；氧化铁基催化剂380-430℃；沸石催化剂：

300-430摄氏度；

上述催化剂的使用温度一般在300℃以上。

因为本项目烟气温度在250℃左右，因此，本设计方案选取低温板式催化剂，主要的活性成分是V-W-Ti或者V-Mo-Ti，载体是不锈钢网。

4）SCR催化剂的更换方案

SCR反应塔中的催化剂在运行一段时间后其反应活性会降低，导致氨逃逸量大。

为了使催化剂得到充始理利用，一般设计硝效率在SCR反应塔中布置2-4层催化剂。

工程设计中通常在反应塔底部或顶部预留1-2层备用层空间，即2＋1或3+1方案。

采用SCR反应塔预留备用层方案可延长催化剂更换周期，一般节省高达25%的需要更换的催化剂体积用量，但缺点是烟道阻力损失有所增大。

5）供氨与喷氨系统

现有SCR脱硝领域中，使用液氨，尿素溶液和氨水作为还原剂，在投资和运行过程中都有各自的优缺点。

其中，液氨作为还原剂，运行成本低，但是由于液氨是属于高危化学物品，国家对它的运输，储存以及使用都有非常严格的要求，所以氨区造价成本很高，而且在居民区内或附近国家禁止使用液氨作为还原剂。

尿素溶液作为还原剂的话，需要热解或水解，投资成本和运行成本高。

目前氨水作为还原剂，需要蒸发器的话，把氨水蒸发成气体后通过喷氨格栅喷入烟气中，再导入到反应塔中进行脱硝。

以一台75吨流化床锅炉为例，烟气量为110000Nm3/h，热源为4MPaG，340°C的过热蒸汽，蒸发器的投资成本大约是60~70万元人民币（包括管道，电器仪表以及安装费用等），每小时用量250~300kg/h蒸汽（换算为热量为130Mcal/h），蒸汽价格以每吨170元计算，运行成本1020~1224元/天，372300~428400元/年。

如果用电作为热源的话，运行成本更高。

本技术方案不使用氨水蒸发器和喷氨格栅，通过使用一种特殊的氨水喷嘴，将氨水雾化成小于60~120μm的颗粒直接喷到高温烟气中，氨水与高温烟气进行混合的同时，蒸发掉其中的水分，形成氨气进入反应塔中与氮氧化物进行还原反应。

这种装置设备简洁，不设蒸发器，节省投资成和运行成本。

二本项目SCR方案设计

2.1方案选取

本设计方案SCR反应器采用低温板式催化剂。

因为在低温下，烟气中的SO2容易与NOx生产硫酸铵盐，堵塞催化剂，从而影响SCR脱硝装置寿命。

为了解决低温情况下，催化剂容易堵塞而引起失活的问题。

本设计方案设置热风炉，通过热风炉产生的高温烟气（最高温度可达到600℃）与焦炉烟气（250℃）混合，将烟气温度提升到300~350℃左右，每隔一段时间持续吹扫催化剂，将附着在低温催化剂上的硫铵盐分解掉，以实现催化剂的再生。

吹扫时间：

5次/年，1天/次，共计120小时/年。

2.1工艺流程简述

本技术方案即采用高温侧高飞灰烟气段布置。

本设计项目SCR脱硝系统由6个模块组成：

氨水溶液储存模块、在线稀释模块、计量分配模块、氨水喷射模块、SCR反应模块、控制模块。

本工程采用20%浓度的氨水溶液，储存在氨水溶液储罐中，通过在线稀释成10%浓度左右浓度喷入烟道中。

1）氨水溶液储存模块

20%的氨水溶液经槽车卸入氨水储罐。

本工程设置1个氨水溶液储罐（罐容积满足3天的用量要求）。

设置有2台氨水泵（1用1备），将氨水输送至在线稀释模块。

2）在线稀释模块

当锅炉负荷或炉膛出口的NOx浓度变化时，送入炉膛的氨水溶液的量也应随之变化，这将导致送入喷射器的流量发生变化。

若喷射器的流量变化太大，将会影响到雾化喷射效果，从而影响脱硝率和氨残余。

因此，设计了在线稀释模块，用来保证在运行工况变化时喷嘴中流体流量基本不变。

20%浓度氨水溶液和稀释水（工艺水）通过静态混合器稀释成10%稀氨水后喷入炉膛。

3）计量与分配模块

设置计量分配模块，包括氨水溶液计量分配模块和压缩空气计量分配模块。

由在线稀释模块输送过来的稀氨水溶液（10%）进入氨水溶液计量分配模块。

计量分配模块中安装有流量计、压力变送器等，通过流量计控制调节阀的开度，从而控制反应器需要的氨水溶液的流量。

经过计量后的氨水溶液在由模块中的分配母管分为4路，分别通向4支喷枪。

在每个支路氨水溶液管上安装有压力表、流量计等装置，用于监控、调整每支喷枪所需的氨水溶液的流量。

喷入SCR反应器的氨水溶液是经过雾化后喷入的。

来自空气压缩机的压缩空气经过除水除油、调压处理后（0.6MPa）被分为4条支路通向反应器喷枪。

在每条压缩空气支路管中也设有压力表、流量计等装置，用于监控、调整每只喷枪雾化所需的压缩空气用量。

4）喷射模块

由各个计量分配模块输送过来的氨水溶液进入氨水喷枪，经过喷枪的雾化后送入SCR反应器。

雾化用的喷枪采用二流体喷枪，二流体喷枪主要由枪体和喷嘴组成，枪体分为内管和外管两个部分，溶液走内管，压缩空气走外管，压缩空气在外管中呈螺旋装前进，在喷嘴出口处呈涡流装高速喷出与溶液充分混合，通过调节压缩空气用量与氨水溶液用量的比例使之达到完全雾化的效果。

（1）雾化介质的作用是加强氨水溶液与炉内烟气混合，充分混合有利于保证脱硝效果、提高氨水溶液利用率减少尾部氨残余。

雾化介质主要是提高还原剂喷射速度、增加喷射动量，而不要求把氨水溶液全部雾化成很小的液滴，而是一定比例的不同尺寸液滴。

雾化介质的主要作用是提高液滴的喷射动量。

喷射动量取决于喷射速度和喷射物的质量，显然靠增加雾化介质的质量来提高喷射动量是不经济的。

为了提高喷射动量，则主要集中在提高喷射速度上。

本项目的雾化介质采用压缩空气，到喷射器前的压力在0.6左右。

（2）冷却风

喷枪一旦装上，只要不停炉，需持续向喷枪外套管内通如冷却风，以保护喷枪。

本项目冷却风来自空压机的压缩空气。

5）SCR反应模块

由氨水喷射模块喷出的雾化氨水，进入进口烟道，遇到高温烟气（350℃）迅速气化成NH3。

反应器中装有催化剂，在催化剂作用下，NH3与来自锅炉省煤器烟气中的NOX反应，生产氮气和水蒸气。

在SCR反应器最上面有整流栅格，使流动烟气分布均匀。

烟气经过烟气脱硝后经空气预热器热回收后进入静电除尘器和FGD湿法脱硫系统后排入大气。

SCR反应器催化剂层间安装声波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。

6）控制模块

采用DCS控制室集中监控方式，在控制室内，可实现机组的启、停，运行工况的监视和调整以及事故处理等。

运行人员可直接通过控制室中DCS操作员站完成整个脱硝系统的运行。

当系统发生异常或事故时，通过保护、联锁或人工干预，系统能在安全工况下运行或停机。

具体工艺见附图的《管道与仪表工艺流程图》。

2.2主要设备

2.2.1烟道

烟道根据可能发生的最差运行条件进行设计。

烟道设计能够承受如下负荷：

烟道自重、风荷载、地震荷载、灰尘积累、内衬和保温的重量等。

烟道壁厚按6mm设计，烟道内烟气流速不超过15m/s。

催化剂区域内流速不超过6m/s，不低于3m/s。

所有烟道在适当位置配有足够数量和大小的人孔门和清灰孔，以便于烟道（包括膨胀节和挡板门）的维修和检查以及清除积灰。

在外削角急转弯头和变截面收缩急转弯头处等，以及根据设计方提供的其他烟气流动模型研究结果要求的地方，设置导流板。

为了使与烟道连接的设备的受力在允许范围内，特别要注意考虑烟道系统的热膨胀，热膨胀通过膨胀节（采用非金属膨胀节）进行补偿。

框架材质为Q235采用板材经剪、折、焊、制孔等工序制成，框架深度为200mm，导流板及压板材料采用Q235厚6mm，膨胀节蒙皮材料从外到内为硅橡胶布、四氟布、夹不锈钢丝纤维布、无碱布、氟橡胶布用不锈钢丝网双层包扎硅酸铝陶瓷纤维作保温。

烟道在适当位置配有足够数量测试孔。

烟道接口原则上按锅炉厂提供的接口图进行连接，设计方根据自己脱硝的具体布置提出烟道布置方案。

2.2.2还原剂制备与储存系统（共用）

本工程的还原剂为氨水，系统设置卸料泵作为卸料设施。

氨水溶液存储罐容积应满足一台炉100%BMCR工况3天所需的氨水量。

氨水储存及供应系统包括氨水卸料泵、氨水储罐、氨水泵、阀门、管路及附件等。

氨水的储存、供应及排放过程如下：

氨水的供应由氨水槽车运送，槽车与氨水储存系统之间用挠性软管连接，利用泵由槽车输入储罐内；

氨水直接由泵打到SCR区，经设置在烟道内的喷射系统喷入烟道。

2.2.3氨水喷射系统（每台）

设置1套氨水直喷装置，通过喷枪及喷嘴分布到反应器前的烟道满足SCR反应器对气氨的需求，通过进出口NOx浓度来调节氨水的使用量。

氨喷射系统的容量及配置满足脱除烟气中NOX最大值的要求，并留有适当的余量。

提供一套完整的氨喷射系统，保证NH3/NOX沿烟道截面均匀的分布。

喷射系统应设置流量调节阀，能根据烟气不同的工况进行调节。

汽化的氨水在喷入烟气，为保证安全可靠，允许的最大氨浓度小于10%。

喷射系统具有良好的热膨胀性、抗热变形性和和抗振性。

氨喷射孔不积灰。

设计方根据烟道的截面、长度、SCR反应器本体的结构型式等进行氨/烟气混合系统的设计（NH3/NOX摩尔比最大偏差不大于平均值的±5%），使得注入烟道的氨与烟气在进入SCR反应器本体之前充分混合，使催化剂均匀发挥效用。

氨水混合均布系统的设计充分考虑到其处于锅炉的高含尘区域的因素，所选用的材料为耐磨材料或充分考虑防磨措施加以保护。

氨注入格栅分布管上设有压缩空气管道，当注入格栅喷头发生堵塞时可进行吹扫。

在进氨装置分管阀后设有氮气预留阀及接口，在停工检修时用于吹扫管内氨气。

2.2.4SCR反应器及附属系统

SCR反应器催化剂按照3层设置，SCR反应器催化剂层间安装声波吹灰器，用来吹除沉积在催化剂上的灰尘和SCR反应副产物，以减少反应器压降。

反应器设置在锅炉与除尘器之间。

（1）SCR反应器

SCR反应器安装在独立的金属构架平台上，截面为2000×3000×9000mm（具体尺寸由设计方根据设计布置确定），并且由起到加强作用的钢板托起，反应器的载荷通过它的侧墙均匀地分布，向下传递，利用它的弹性和滑动轴承垫传到它的支撑结构上。

SCR反应器被固定在中心并向外膨胀，使水平膨胀位移量最小。

SCR反应器外壁一侧在催化剂层处有检修门，用于将催化剂模块装入催化剂层。

每个催化剂层都设有人孔，在机组停运时允许进入检查催化剂模块。

烟气水平地进入反应器的顶部并且垂直向下通过反应器，进口导流板使进入的烟气更均匀地分布。

整流格栅安装在反应器上部，其最佳几何尺寸、安装形式及设置的必要性通过流体模拟试验方法确定。

催化剂层的外部由支承催化剂模块的钢梁组成，反应器横截面和催化剂的层间距设计，符合电厂煤质的特点要求、催化剂的运行要求及脱硝装置运行维护与检修的要求。

SCR反应器的设计应充分考虑与周围设备布置的协调性及美观性。

反应器应设计成烟气竖直向下流动，反应器入口应设气流均布装置，反应器入口及出口段应设导流板，对于反应器内部易于磨损的部位应设计必要的防磨措施。

反应器内部各类加强板、支架应设计成不易积灰的型式，同时必须考虑热膨胀的补偿措施。

每层催化剂的面荷载应该不低于1.6t/m2。

反应器的设计必须保证氨喷射系统前烟气流动的均匀性，烟气进入第一层催化剂前的烟气温度分布、速度分布的均匀性（烟气流速最大偏差不大于平均值±15%，温度最大偏差值不大于平均值±10%）以及烟气流出最后一层催化剂的NOX浓度分布和氨浓度分布的均匀性。

反应塔设计考虑防止大颗粒灰尘进入催化剂的措施。

SCR反应器的使用寿命应不小于30年。

（2）催化剂起吊装置

反应器顶部设置单轨吊，用来将催化剂起吊至相应的检修平台，然后通过转运小车将催化剂运至催化剂支撑平台上安装。

（3）吹灰系统

设计方设计的吹灰器数量和布置能将催化剂中的积灰吹扫干净，避免因死角而造成催化剂失效导致脱硝效率的下降。

催化剂表面与吹灰器喷嘴之间的距离由设计方确定。

吹灰器的控制由DCS系统进行控制。

就地设置压缩空气储罐，设计压力0.6MPa，用来提供声波吹灰器工作所需气源，

由设计方提供布置方案和压缩空气技术参数。

（4）氨气泄漏检测器

氨水储存、供应系统、反应装置以及其他可能发生氨气泄漏的区域周边应设有氨气检测器，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。

氨区应采取措施与周围系统作适当隔离。

2.2.5催化剂

本工程催化剂采用低温板式催化剂，脱硝反应器采用3层的布置方式，催化剂的模块每层按3×1的模式布置，脱硝效率按98%设计。

催化剂吊装孔分别设置在各反应器的侧面，催化剂安装门设置在反应器的侧墙。

设计方提供专用装卸工具用于催化剂模块的装卸。

2.2.6吹灰及控制系统

吹灰器的数量和布置应能将催化剂中的积灰吹扫干净，避免因死角而造成催化剂失效导致脱硝效率的下降。

吹灰器的控制由DCS系统进行控制。

2.2.7检修、起吊设施

设计方设计SCR装置检修和维护用的全部固定式和移动式起吊设施（吊钩/环、电动/手动葫芦及行车等），包括起吊位置、起吊重量、提升高度和设备选择等，并且提交业主方确认。

可移动手动链式葫芦仅用于2t重量以内和最高提升高度5m的情况，在使用所有可移动手动链式葫芦的地方提供永久性固定的轨道，并需业主方确认。

SCR装置检修和维护用的全部固定式和移动式起吊设施的生根结构及检修用轨道梁由设计方提供。

本工程主要设备一览表见表3-1。

三烟气脱硫脱硝一体化装置投资估算

对SCR烟气脱硝系统有关设备、电气、仪表等的固定投资估算见表3-1：

表3-1SCR烟气脱硝装置投资费用一览表

序号

设备名称

规格

单位

数量

材质

单价

（万元）

合价

（万元）

一、

设备

0

1

吸收剂输送系统

0

1.1

氨水罐

Φ3400×3800

35m3

个

1

CS

2

2

1.2

氨水泵

Q=0.72m3/h

H=65m

N=2.2Kw

台

2

CS

0.4

0.8

1.3

工艺水罐

Φ3400×3800

35m3

个

1

Q235B

2

2

1.4

工艺水泵

Q=0.72m3/h

H=65m

N=2.2Kw

2

CS

0.4

0.8

2

氨水计量混合模块

包括设备、管道、阀门及仪表等整套系统

8

4

氨水喷射系统

0

氨水喷枪

流量225L/h

个

4

316L

0.5

2

5

SCR反应器

0

SCR本体

3000×2000×9000

个

1

Q245B

6

6

填料

低温板式催化剂：

TiO2/V2O5/MO2O3

催化剂基材：

不锈钢网

m3

20.15

2.7

54.4

6

烟道系统

0

进口烟道

1600×1100

m

5

Q345R

0.22

1.1

出口烟道

1600×1100

m

5

Q345R

0.22

1.1

进口膨胀节

1600×1100

个

1

Q345R

1.5

1.5

出口膨胀节

1600×1100

个

1

Q345R

1.5

1.5

7

吹灰系统

0

声波吹灰器

HSQ-80

扩声筒304，膜片钛合金；2-2.28Nm3/min

0.5~0.6MPa

个

3

304

1.1

3.3

8

空气压缩机

6m3/min,37Kw

个

1

Q235B

1.5

1.5

压缩空气储罐

2m3，φ1200x1800

个

1

Q345R

0.6

0.6

9

热风炉系统

热风量：

3万Nm3/h，最高温度：

600℃，

焦炉煤气耗量：

500~750kg/h

台

1

组合件

28

28

二、

工艺管道与阀门

10

三、

自控仪表

0

1

压力表

12

0.04

0.48

2

流量计

4

0.45

1.8

3

温度计

3

0.56

1.68

4

调节阀

6

0.5

3

5

烟气在线分析仪

（业主负责）

烟气出口

1

0

0

6

其他辅材

1

3

3

四、

电气

3

五、

设备安装

12

六、

土建及设备框架

0

1

反应器框架（吨）

3

0.5

1.5

3

设备、平台基础

C30钢筋砼m3

25

0.12

3

七、

总概算

人民币：

万元

投资估算补充说明：

1、本投资估算不包括公用工程界区外管道（工艺水等）、界区外电缆外线及桥架、界区外管及管廊等。

2、本投资估算不包括前期场地准备费用（假如场地需要大量回填或平整等）。

3、本投资估算中电气开关使用中档产品，比如人民电器、士林等，若采用施耐德或ABB等高端产品，则价格另协商。

4、本投资估算中仪表及控制系统采用DCS系统。

四物料消耗、运行费用计算

表4.1-1SCR烟气脱硝装置运行费用

序号

名称

单耗

单价（元）

运行费用（元/h）

备注

1

电费

54Kw/h

0.6元/kWh

32.4

2

20%氨水

432kg/h

500元/t

216

注2

3

工业用水

0.45t/h

4.2元/t

1.89

4

焦炉煤气

1000Nm3/h

0.2元/m3

120小时/年

5

合计

202.6万元

注：

1、此表中运行费用均按照业主提供参数的最大值计算。

2、年运行时间按照330天，8000小时计算。