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脱硝工艺

技术交流

SCR、SNCR脱硝设计与选型

江苏中矿重型装备有限公司

环境事业部-程刚

一、SCR脱硝工艺

（一）、SCR脱硝还原剂

在SCR脱硝系统中,依靠氨与NOx反应达到脱硝的目的。

稳定、可靠的氨系统在整个SCR系统中是很重的因素之一。

制氨方法一般有尿素、纯氨、氨水等3种。

1尿素法

典型的用尿素制氨的方法为即需制氨法。

干尿素被直接从卸料仓送入混合罐,尿素在混合罐中被搅拌器搅拌,以确保尿素的完全溶解,然后用循环泵将溶液抽出来。

此过程不断重复,以维持尿素溶液存储罐的液位。

从存储罐里出来的溶液经过滤,然后进入水解槽。

在水解槽中,尿素溶液首先通过蒸汽预热器加热到反应温度,然后与水反应生成氨和二氧化碳,反应式如下:

NH2CONH2+H2O→2NH3+CO2

尿素制氨法安全无害,但系统复杂、设备占地大、初投资大,尿素的存储还存在潮解问题。

2氨水制氨法

通常将25%的氨水溶液（20%～30%）置于存储罐中,然后通过加热装置使其蒸发或蒸气混合,形成氨气和水蒸汽，再用空气稀释喷入反应器。

可以采用接触式蒸发器或者喷淋式蒸发器。

氨水法较纯氨更为安全,但其运输体积大,运输成本较纯氨高。

3纯氨法

液氨由槽车运送到液氨贮槽,液氨贮槽输出的液氨在氨气蒸发器内经40℃左右的温水蒸发为氨气,并将氨气加热至常温后,送到氨气缓冲槽备用。

缓冲槽的氨气经调压阀减压后,送入各机组的氨气P空气混合器中,与来自送风机的空气充分混合后,通过喷氨格栅之喷嘴喷入烟气中,与烟气混合后进入SCR催化反应器。

纯氨属于易燃易爆物品,必须有严格的安全保障和防火措施,其运输、存储涉及到国家和当地的法规及劳动卫生标准。

综上所述,使用尿素制氨的方法最安全,但投资、运行总费用最高;纯氨的运行、投资费用最低,但安全性要求较高。

氨水介于两者之间，目前在运行的一般都采用氨水脱硝。

（二）、什么是SCR脱硝技术

SCR（SelectiveCatalyticReduction）即为选择性催化还原技术，近几年来发展较快，在西欧和日本得到了广泛的应用，目前氨催化还原法是应用得最多的技术。

选择性是指在催化剂的作用和在氧气存在条件下，NH3优先和NOx发生还原脱除反应，生成氮气和水，而不和烟气中的氧进行氧化反应，其主要反应式为：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O                           

（1）

2NO2+4NH3 +O2→3N2+6H2O                         

（2）

在没有催化剂的情况下，上述化学反应只是在很窄的温度范围内（980℃左右）进行，采用催化剂时其反应温度可控制在300-400℃内进行，相当于锅炉省煤器与空气预热器之间的烟气温度，上述反应为放热反应，由于NOx在烟气中的浓度较低，故反应引起催化剂温度的升高可以忽略。

SCR烟气脱硝系统工艺流程示意图

（三）、SCR脱硝工艺设计

1.SCR脱硝工艺流程

前置高温高粉尘SCR脱硝工艺流程

2、SCR脱硝工艺特点

2.1、催化剂形式与特点

目前用于燃煤电厂SCR法烟气脱硝的催化剂主要有3种类型:

蜂窝式、平板式和波纹板式。

蜂窝式催化剂因其单位体积的有效表面积大,且达到相同脱硝效果所需的催化剂量较少而被广泛应用,市场占有率在60%～70%。

催化剂基本都是以TiO2为基材，以V2O5为主要活性成份，以WO3、MoO3为抗氧化、抗毒化辅助成份。

板式催化剂以不锈钢金属板压成的金属网为基材，将TiO2、V2O5等的混合物黏附在不锈钢网上，经过压制、锻烧后，将催化剂板组装成催化剂模块。

蜂窝式催化剂一般为均质催化剂。

将TiO2、V2O5、WO3等混合物通过一种陶瓷挤出设备，制成截面为150mmX150mm，长度不等的催化剂元件，然后组装成为截面约为2macute;1m的标准模块。

波纹板式催化剂的制造工艺一般以用玻璃纤维加强的TiO2为基材，将WO3、V2O5等活性成份浸渍到催化剂的表面，以达到提高催化剂活性、降低SO2氧化率的目的。

2.2、SCR脱硫设计参数值

1）脱硝效率

脱硝效率=（NOx入口-NOx出口）/NOx入口

2）氨氮摩尔比NSR（NormalizedStoichiometricRatio）

NSR=NH3摩尔数/NOx摩尔数

3）还原剂额定消耗量

额定负荷下，每小时还原剂的消耗量

4）最大NH3逃逸量

经过脱硝反应器后残留在烟气或飞灰中未反应的还原剂氨

5）空速SV（h-1）

烟气流量与催化剂体积之比

6）催化剂寿命

催化剂从开始使用到需要更换的累计运行时间

3、SCR脱硝原理

SCR（SelectiveCatalyticReduction）——选择性催化还原法脱硝技术是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术，在日本、欧洲、美国等国家地区的大多数电厂中基本都应用此技术，它没有副产物，不形成二次污染，装置结构简单，并且脱除效率高（可达90%以上），运行可靠，便于维护等优点。

SCR技术原理为：

在催化剂作用下，向温度约280～420℃的烟气中喷入氨，将NOX 还原成N2 和H2O。

4、SCR催化剂反应原理

NH3与烟气均匀混合后一起通过一个填充了催化剂（如V2O5-TiO2）的反应器，NOx与NH3在其中发生还原反应，生成N2和H2O。

反应器中的催化剂分上下多层（一般为3—4层）有序放置。

该方法存在副作用：

催化剂的时效和烟气中残留的氨。

为了增加催化剂的活性，应在SCR前加高校除尘器。

残留的氨与SO2反应生成（NH4）2SO4，NH4HSO4 很容易对空气预热器进行粘污，对空气预热器影响很大。

在布置SCR的位置是我们应多反面考虑该问题。

（四）、运用SCR脱硝时注意问题

1 在一些情况下,SCR脱硝系统会产生NH4HSO4和（NH4）2SO4,可能引起空气预热器粘污、堵塞。

因此空气预热器设计时应选择合理的材料和内部构造,可采用高压水冲灰系统或者蒸汽吹灰系统。

2 电厂采用SCR后,烟道阻力增加,通常增加1000-1500Pa,因此应增大引风机出力,因而会引起后部烟道和静电除尘器等负压变大,应加强这些部位强度。

3 在锅炉BMCR工况下,省煤器出口烟气流速通常为10mPs,省煤器灰斗除灰占总灰量的5%,而SCR反应器内烟气流速约为（4～6）mPs,势必形成一定的积灰。

为保证SCR内催化剂的催化效果,在SCR内配置的吹灰器将会把积灰吹入空预器。

因此,在保留省煤器灰斗的基础上,应考虑在SCR后布置灰斗。

同时逃逸的氨（氨的逃逸率一般控制在3μLPL以下）在230℃时与SO3产生化学反应形成NH4HSO4,而NH4HSO4具有粘性,在空预器内会形成堵灰和腐蚀,SCR灰斗的设置可以减少进入空预器内的灰量,对空预器的安全运行有利。

4 锅炉在低负荷时NOx浓度相应较低,SCR装置在低负荷时可以停止喷氨,仅作烟气通道使用。

但当锅炉运行周期较长,需要在线检修SCR装置时,可设置SCR旁路（从SCR入口到SCR出口）,又可以在锅炉低负荷时减少SCR催化剂的损耗,但存在旁路挡板密封问题和积灰问题。

是否设置SCR旁路,主要依据锅炉冷起动的次数,若每年5～8次,则无需旁路,否则,推荐设置旁路。

（五）工艺设备项目配置：

（600MW机组为例）

5.1钢架结构1024吨

5.2烟道300吨

5.3反应器400吨

5.4催化剂模块370块

5.5保温1800米3

5.6氨液储存系统1套

5.7电气系统配套

5.8热工控制系统配套

5.9工艺管道系统配套

二、SNCR脱硝工艺

（一）、什么是SNCR脱硝技术

SNCR（SelectiveNon-CatalyticReduction）即为选择性非催化还原法，是一种经济实用的NOx脱除技术，SNCR于20世纪70年代中期首先在日本的燃气、燃油电厂中得到应用，并逐步推广到欧盟和美国。

到目前为止世界上燃煤电厂SNCR工艺的总装机容量大约在2GW以上。

其原理是以NH3、尿素[CO（NH2）2]等作为还原剂，在注入到锅炉之前雾化或者注入到锅炉中靠炉内的热量蒸发雾化。

在适宜的温度范围内，气相的氨或者尿素就会分解为自由基NH3和NH2，在特定的温度和氧存在的条件下，还原剂与NOx的反应优于于其他反应而进行。

因此可以认为是选择性化学过程。

还原剂有不同的反应温度范围，此温度范围称为温度窗口，对本方法的脱硝效率有较大影响。

（二）、SNCR工艺流程

1、还原剂接收和储存

还原剂的计量输出、与水混合稀释；

在锅炉合适位置注入稀释后的还原剂；

还原剂与烟气混合进行脱硝反应。

SNCR系统采取模块方式进行设计、制造，主要由还原剂循环模块、还原剂的水稀释模块、还原剂计量模块、还原剂均分模块、还原剂注入器等模块化组件构成。

3、SNCR脱硝系统组成

SNCR烟气脱硝系统工艺系统包括还原剂存储系统、循环模块、稀释计量模块、分配模块、喷射系统、控制系统、电气系统等组成。

SNCR脱硝还原剂采用氨水（10~20%），氨水采用罐车厂区内输送到储罐。

储罐设有液位、温度、压力等显示和信号检测仪表，用于判定和系统报警。

储罐采用一用一备设置方式；储罐出口通过软连接连接到高倍流量循环（HFD）模块，该模块内设置的离心泵（一用一备）为脱硝系统还原剂提供输送动力，该模块内设置电动开关阀和温度、压力、流量检测仪表，实现自动控制和检测；经HFD模块加压后的还原剂进入稀释计量模块，根据工艺需要进行稀释，并通过计量仪表完成还原剂用量的计量，该模块内配置稀释水泵和流量调节阀门。

经过计量和稀释的还原剂被管道输送到分配模块，经过分配模块将还原剂分配到每只喷枪。

压缩空气通过主管气源连接到压缩空气储罐，经分配模块调压后通过盘管向每只喷枪供应压缩空气。

以上主要控制可通过中控控制界面控制实现。

4.SNCR脱硝系统炉内工艺布置：

SNCR脱硝系统锅炉炉膛布置图

三维图

SNCR技术为选择性非催化还原技术，是利用特定型式的喷枪将氨基还原剂溶液雾化成液滴直接喷入炉膛，分解生成气态NH3，在锅炉炉膛850～1150℃温度区域与NOx直接反应。

SNCR系统简单，炉膛就是反应器，所占空间极小，同时SNCR系统还具有投资少、不会产生三氧化硫（SO3），并且无ABS造成的空气预热器堵塞或腐蚀之顾虑，因此很多对氮氧化物排放要求不高的锅炉和调峰锅炉SCR低负荷时都会使用SNCR系统脱硝。

SNCR脱硝工艺适用于燃煤锅炉、循环流化床锅炉、垃圾焚烧炉、工业窑炉等，不受炉型及燃料种类限制，可在多种工艺、炉型及燃料锅炉中得到应用。

5、SNCR脱硝反应机理

SNCR是一种不用催化剂，在850-1100℃范围内还原NOx的方法。

SNCR技术是把还原剂如氨、尿素喷入炉膛温度为850-1100℃的区域，该还原剂迅速热分解成NH3并与烟气中的NOx进行SNCR反应生成N2和H2O。

该方法一炉膛为反应器，可通过对锅炉进行改造实现。

SNCR反应物贮存和操作系统与SCR系统是相似的，但它所需的氨和尿素的量比SCR工艺要高。

在炉膛850-1100℃这一狭窄的温度范围内，在无催化剂作用下，氨或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx，基本上不与烟气中的O2反应，主要反应为：

氨为还原剂：

NH3 +NOx →N2 +H20

尿素为还原剂：

CO（NH2）2 →2NH2 +CO

NH2 +NOx →N2 +H20

CO+NOx →N2 +CO2

当温度过高时，超过反应温度窗口时，氨就会被氧化成NOx：

NH3 +O2 →NOx +H20

SNCR工艺的NOx脱除效率主要取决于反应温度、NH3和NOx的化学计量比、混合程度、反应时间等。

研究表明SNCR工艺的温度控制至关重要，最佳反应温度是950℃，若温度过低，NH3的反应不完全，容易造成NH3泄漏；而温度过高，NH3则容易被氧化为NOx，抵消了NH3的脱除效率。

温度过高或过低都会导致还原剂的损失和NOx脱除率下降。

通常涉及合理的SNCR工艺能达到30%-70%的脱除效率，80%的效率也有文献报道。

6、SNCR脱硝技术的特点

1、在多年的工程设计施工过程中，开发了多种SNCR喷射技术，包括标准墙式喷枪、可伸缩式墙式喷枪、HERT高能量反应剂技术墙式喷枪、SNCR+RRI富反应剂喷射及MNL多喷嘴伸缩式长枪等。

不同的项目我公司采用不同的喷枪或者不同型式喷枪的组合，结合我公司先进的流场模拟技术，准确定位喷枪的位置，达到最佳喷射效果。

2、节省运行成本。

由于喷入还原剂仅需考虑超标排放的NOx，其相对用量较少，并且还原剂喷射量可根据锅炉负荷及NOx基线随时进行调整，一般SNCR还原剂用量比同类方式用量少一半以上。

3、放宽氨逃逸限制亦无ABS问题。

尿素SNCR工艺与SCR工艺不同，不会使烟气中SO3浓度增加。

逃逸NH3与SO3产生的亚硫酸氢铵（NH4HSO3,ABS）容易沉积在锅炉尾部的受热面上，易造成空气预热器堵塞或腐蚀。

SNCR工艺的逃逸氨一般控制在5～15ppm以下，而SCR工艺则必须控制在1～5ppm。

4、通过仿真模拟技术，喷射注射方案相比其他公司设计选点更少，注射剂量更少，系统性价比更高。

5、由于采用高安全型还原剂尿素，系统安全性较高。

6、SNCR系统，炉膛就是反应器，所占空间极小，同时SNCR系统还具有投资少。

三、SNCR/SCR混合脱硝工艺及原理

（一）、SNCR/SCR混合脱硝工艺

SNCR/SCR混合脱硝系统的前端是SNCR系统，还原剂在锅炉炉膛内与NOx反应，后端的SCR系统对烟气进一步脱硝，使还原剂得到充分利用。

（二）SNCR/SCR混合脱硝技术原理

SCR工艺是在一定温度和催化剂的作用下，有选择的将烟气中的NOx去除，生成N2，该工艺脱硝效率在80%~90%，脱硝效果高，但运行成本高，SNCR工艺以炉膛作为反应器，将还原剂在适合温度下与NOx反应，从而完成脱销过程，该工艺投资低，但效率却不如SCR工艺。

SNCR-SCR联合工艺，综合了SNCR与SCR的技术优势，扬长避短，在SNCR的基础上，与SCR相结合，可达到80%以上的脱硝效率，并降低运行费用，节省投资。

SNCR-SCR脱硝性能保证 

   脱硝效率：

≥80%

   NH3逃逸率：

<3ppm

   烟气阻力增加值：

≈220pa

SNCR-SCR脱硝技术原理 

   CO（NH2）2+2NO=2N2+CO2+2H2O

   CO（NH2）2+H2O=2NH2+CO2

   NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O

   4NO+4NH3+O2=4H2+6H2O

   2NO2+4NH3+O2=3H2+6H2O

SNCR-SCR脱硝系统组成 

   SNCR-SCR脱硝系统主要包括还原剂存储与处理系统，SCR反应器及辅助系统、氨注入系统、电控系统等。

（三）、SNCR脱硝技术优点

（1）、不使用催化剂，运行成本低，有很大的经济优势。

（2）、SNCR脱硝系统不使用大的压缩机系统，消除了无水氨的贮藏，不需要很大的场地。

（3）、SNCR建设周期短，基建投资少。

（4）、由其反应机理，比较适合于现有机组中小型电厂改造项目。

（5）、此法的脱硝效率约为40%-70%，还可以作为低NOx燃烧技术的补充处理手段。

（6）、可直接使用尿素制氨，不存在SO2转化成SO3的问题。

（7）、化学增强剂可以使用来改善潜在的副产物的控制，在还原NOx时扩大温度范围。

（8）、SNCR技术是已投入商业运行的比较成熟的烟气脱硝技术。

（9）、现代更有效的雾化控制模式、更精确的NOx测量技术可更好地控制脱硝剂的喷入剂量和混合程度，使其可获得更高更稳定的脱硝效率。

四、SNCR与SCR脱硝的比较

（一）、SNCR与SCR脱硝技术特点比较

SNCR就是不采用催化剂的情况下，用氨或尿素与烟气中的NOx反应脱硝的技术。

和SCR相比，其特点是：

1、不使用催化剂。

2、参加反应的还原剂除了可以使用氨以外，还可以用尿素。

而SCR烟气温度比较低，尿素必须制成氨后才能喷入烟气中。

3、因为没有催化剂，因此，脱硝还原反应的温度比较高，比如脱硝剂为氨时，反应温度窗为850~1100℃。

当烟气温度大于1050℃时，氨就会开始被氧化成NOx，到1100℃，氧化速度会明显加快，一方面，降低了脱硝效率，另外一方面，增加了还原剂的用量和成本。

当烟气温度低于870℃时，脱硝的反应速度大幅降低。

4、由于反应温度窗的缘故，反应时间以及喷氨点的设置以及切换受锅炉炉膛和/或受热面布置的限制。

5、为了满足反应温度的要求，喷氨控制的要求很高。

喷氨控制成了SNCR的技术关键，也是限制SNCR脱硝效率和运行的稳定性，可靠性的最大障碍。

6、漏氨率一般控制在5~10ppm，而SCR控制在2~5ppm。

7、由于反应温度窗以及漏氨的限制，脱硝效率较一般为30~50%，对于大型电站锅炉，脱硝效率一般低于40%。

而SCR的脱硝效率在技术上几乎没有上限，只是从性价比上考虑，国外一般性能保证值为90%。

8、SCR在催化剂的作用下，部分SO2会转化成SO3，而SNCR没有这个问题。

总之，SNCR技术是成熟的经济的烟气脱硝技术。

它与SCR技术相比，具有投资少、运行费用低、周期短的优点。

如能结合低NOx燃烧技术联合使用，运行费用则更低。

（二）、经济性比较

技术种类

单位

低NOx燃烧

SCR

SNCR

低NOx燃烧+SNCR

NOx脱除效率

%

50

80～95

30～50

60～75

投资成本

元/kw

～15

～250

～50

～65

NOx脱除运行成本

分/kwh

～0

～2

～0.3

～0.3