基于燃煤煙氣氮氧化物環(huán)境治理的SCR系統(tǒng)設計

山西普麗環(huán)境工程股份有限公司 楊玉環(huán)

氮氧化物（NOx）是主要大氣污染物之一，90%以上的NOx來自于煤、石油和天然氣的燃燒，其中70%來自于煤的燃燒。隨著我國的環(huán)保標準日益嚴格，尤其對火電廠污染物排放做出了明確規(guī)定，NOx排放標準為50mg/Nm3[1-2]。煙氣脫硝是目前火電機組普遍采用的減少氮氧化物排放的方法，煙氣脫硝能達到很高的NOx脫除效率，而其中應用較多的是選擇性催化還原法（SCR）[3]。因此，對于氮氧化物的治理，SCR脫硝系統(tǒng)的合理設計，一方面要保證NOx達標排放，另一方面要確保系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。文中對燃煤煙氣氮氧化物治理的SCR系統(tǒng)設計，對同類型機組的改造具有重要指導意義。

一、設計依據(jù)及原理

（一）設計依據(jù)

《火電廠大氣污染排放標準》GB13223—2011；

《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃》2014—2020年；

《鍋爐大氣污染物排放標準》GB13271—2014；

《火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范—選擇性催化還原法》HJ562—2010。

（二）SCR基本原理

反應機理是在130℃～420℃區(qū)間范圍內(nèi)這一溫度區(qū)間，通過還原的噴射噴槍加入還原劑到煙氣中，并使其均勻混合，之后還原劑中的氨分子會選擇性的與煙氣中的污染物—氮氧化物這類物質(zhì)發(fā)生反應，將煙氣中的污染物進行脫除，降低其濃度值，并轉(zhuǎn)化為對環(huán)境和人體不具危害的氮氣和水。其中催化劑產(chǎn)生的催化作用主要是將化學反應所需要的活化能降低了，進而可以實現(xiàn)在130℃至420℃范圍的較低溫度內(nèi)就能發(fā)生氮氧化物的還原反應，達到脫除的目的。

二、SCR系統(tǒng)組成及脫硝性能影響因素

（一）典型SCR系統(tǒng)組成

對于典型的SCR脫硝系統(tǒng)的工藝主要涉及到兩大塊，即還原劑的供應輸送模塊和煙氣氮氧化物脫硝反應模塊。其中還原劑的供應輸送模塊主要包括還原劑卸料設備、還原劑儲存設備、還原劑蒸發(fā)設備、緩沖設備、稀釋設備以及泵等。煙氣氮氧化物脫硝反應模塊主要有催化劑反應器部分、噴氨系統(tǒng)部分、稀釋空氣供應系統(tǒng)部分。

（二）SCR脫硝性能關(guān)鍵影響因素

1.反應溫度

反應溫度作為脫硝效率高低的一個重要影響參數(shù)，由于該技術(shù)需要有催化劑存在才能在一定溫度下發(fā)生反應，因此，反應溫度在一定程度上決定著催化劑的活性，也就是反應活化能E的大小，所以對脫硝效率起到非常重要的作用。同時反應溫度值的大小還會在運行過程中對催化劑本身的特性產(chǎn)生重要的影響，如果溫度太高會出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，溫度太低會使催化劑中毒。在實際應用過程中，需要合理控制反應溫度，使其在催化劑反應的最佳溫度區(qū)間[3-4]。

2.煙氣流型

SCR脫硝需有催化劑存在才能在一定溫度下發(fā)生反應，催化劑根據(jù)實際需要脫除污染物的機組尾部煙道結(jié)構(gòu)不同，其催化劑安裝結(jié)構(gòu)各異。這個過程中，催化劑的結(jié)構(gòu)就決定了煙氣流型，煙氣流型合理與否直接會關(guān)系到催化劑的應用效果，對煙氣中污染物的脫除也非常重要。因此，在實際應用過程中，需要合理設定催化劑結(jié)構(gòu)，考慮合理的煙氣流型，使脫硝反應更充分，反應效果最佳。

3.煙氣在反應器內(nèi)的停留時間和空間速度

SCR脫硝中停留時間的多少對反應效果具有一定影響。一般情況下，停留的時間越長，在有還原劑存在的情況下，即煙氣在流經(jīng)催化劑的停留時間越長，其對煙氣中氮氧化物的脫除效果就越高。在這個過程中，停留時間會受到溫度的影響，所以反應溫度非常重要，需要合理控制，才能保證一定的停留時間，滿足較佳的污染物控制效果。

停留時間又被定義為空速，在催化劑的設計中這是一項非常重要的參數(shù)。該參數(shù)就體現(xiàn)了煙氣在催化劑流經(jīng)過程中的停留時間的一個尺度，與停留時間成反比。一般來說：空速越大，煙氣流經(jīng)催化劑的停留時間就會越短，其反應就存在著不完全的可能性就越大。這樣會造成大量的氨逃逸的存在，因此空速較大，煙氣對催化劑的沖刷作用就會更大，造成的磨損就會更嚴重[4-5]。

三、主要參數(shù)計算及設備選型

（一）設計條件

SCR脫硝反應器入口處煙氣量為200×104Nm3/h，脫硝過程中催化劑所在區(qū)域的溫度為130℃～420℃，催化劑所在區(qū)域的反應入口處煙氣中NOX的濃度設為700mg/Nm3，催化劑選用高脫硝效率的釩鈦系催化劑，氮氧化物脫除反應需要的還原劑選用的是液氨，對于催化劑所在區(qū)域的出口處煙氣中NOX的濃度，即設計污染物排放濃度值＜50mg/Nm3，氨逃逸≤2.5mg/Nm3。

（二）主要參數(shù)計算

1.還原劑耗量計算

液氨耗量計算按照式（1）計算：

其中：YAHL：液氨耗量，kg/h；V6% O：干基6%氧煙氣量，Nm3/h；msj：設計氨氮摩爾比，%；N6% NOX：干基6%氧NOX濃度，mg/Nm3。

再結(jié)合脫硝效率和氨氮摩爾比關(guān)系，氨逃逸取2.5mg/Nm3，把已知數(shù)據(jù)帶入經(jīng)計算可得液氨耗量為562.4kg/h。

2.催化劑體積用量計算

SCR脫硝系統(tǒng)的催化劑用量按照式（2）計算：

其中：V：設計中需設計催化劑體積量大小，單位m3；Q：標準狀態(tài)下煙氣量（濕基6%氧），單位Nm3/h；MR：系統(tǒng)設計氨氮摩爾比，與效率及催化劑進出口煙氣濃度有關(guān)；η：設計脫硝效率，單位%；A：催化劑表面積，取305m2/m3；K：催化劑活性，取35m/h。

帶入已知數(shù)據(jù)經(jīng)計算可得SCR脫硝催化劑用量為782.49m3。

3.稀釋風機風量計算

稀釋風機風量根據(jù)液氨用量，稀釋倍數(shù)按照7000倍考慮，再考慮20%設計余量，經(jīng)計算可得稀釋風機的風量大小取整為10000m3/h。

4.最大氨逃逸量計算

在設計最大還原劑噴射量下，年利用小時數(shù)按6000h，氨逃逸取2.5mg/Nm3；經(jīng)計算可得SCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸量為30噸/年。

（三）典型設備選型

1.液氨提升泵的選型

根據(jù)已計算的液氨耗量為562.40kg/h，液氨密度取617kg/m3，根據(jù)V=M/ρ,再考慮設計余量20%，則帶入已知數(shù)據(jù)經(jīng)計算可得液氨提升泵的流量大小圓整后取1.2m3/h，揚程取2.0MPa，功率大小取2.5kW。

同時結(jié)合流量與流速、管徑的關(guān)系，A=Q/V,A=πd2/4，經(jīng)計算再圓整匹配標準后，管徑選擇DN25的管徑，管材選擇不銹鋼管。

其中：V：還原劑液相速度，取1m/s；Q：流量，1.2m3/h；A：橫截面面積，m2；d：管徑，m。

2.稀釋風機的選型

根據(jù)已計算的稀釋風量取整為10000m3/h，稀釋風機壓頭取為9000Pa。同樣結(jié)合流量與流速、管徑的關(guān)系，A=Q/V,A=πd2/4，經(jīng)計算再圓整匹配標準后，管徑選擇DN500的管徑，管材選擇不銹鋼管。

其中：V：稀釋風氣相速度，取15m/s；Q：流量，10000m3/h；A：橫截面面積，m2；d：管徑，m。

四、效益分析

（一）環(huán)保效益分析

根據(jù)給定條件，年有效利用小時按6000h，通過計算可得經(jīng)脫硝后，NOX排放濃度降為50mg/Nm3，脫除率可達到92.86%，一年可有效減少氮氧化物排量為7800噸。

（二）社會效益分析

脫硝系統(tǒng)投入運行能夠降低氮氧化物在空氣中比例，預防對周邊居民因污染而引起的各種疾病及連鎖問題。同時，可降低對周邊環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生的負擔，減少周邊居民及員工身心傷害，為電廠樹立企業(yè)形象，具有良好的宏觀社會效益。

五、結(jié)論

（1）依據(jù)原始參數(shù)及設計目標，對基于燃煤煙氣氮氧化物治理的SCR系統(tǒng)的典型工藝進行設計，給出了系統(tǒng)的主要組成及脫硝性能的主要影響因素。

（2）通過計算得：還原劑耗量為562.4kg/h，催化劑量為782.49m3，氨逃逸量為30噸/年，稀釋風機的風量為10000m3/h。

（3）通過計算可得：稀釋風機風量為10000m3/h，壓頭為9000Pa，功率為30kW，管徑為DN500不銹鋼管；液氨提升泵流量為1.2m3/h，揚程為2.0MPa，功率為2.5kW，管徑為DN25不銹鋼管。

（4）系統(tǒng)脫硝效率可達92.86%，可有效減少氮氧化物排放量為7800噸/年，具有較好的社會和環(huán)境效益。