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SCR脱硝

SCR(Selective Catalytic Reduction)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。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。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NO

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SCR(Selective Catalytic Reduction)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。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。

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℃下进行,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。

下图是SCR法烟气脱硝工艺流程示意图

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SCR系统中,SCR反应器位于省煤器和空预器之间,使用液氨或氨水作为还原剂,还原剂经蒸发、空气稀释和加压喷射加入到催化剂床层上游的烟气中;SCR反应器中将蜂窝状催化剂或板状催化剂置于不锈钢模块中,然后将模块组装成催化剂层,一般为三层,二用一备;为保证高脱硝率和低氨逃逸量,使用导流板、静态混合器、飞灰整流器等实现在催化剂入口处的NH3、粉尘、氨氮比、温度和流场等的均匀分布;为防止催化剂的堵塞和腐蚀,有时在催化剂上游设置灰斗和筛网去除大颗粒的粉尘,在上层催化剂以及催化剂层之间布置吹灰器;在高灰SCR系统中,失活的催化剂不是直接抛弃,而是将其作为第一层催化剂,让其首先与烟气接触,之后再布置新鲜催化剂,这样既可充分利用失活的催化剂,又可减少飞灰对新鲜催化剂的磨损和毒害,提高催化剂的使用寿命,降低运行成本。

 SCR脱硝原理

SCR 技术脱硝原理为: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。

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SNCR脱硝技术

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氮氧化物是燃煤锅炉排放的主要污染物之一,煤或生物质在高温燃烧时,空气中的 N2和 O2反应,燃料中的含氮有机物热解,最终形成 NOX。NOX即是硝酸型酸雨的基础,又是形成光化学烟雾、破坏臭氧层的主要物质之一,具有很强的毒性,对人体、环境、生态的危害,以及对社会经济的破坏都很大。

NO会使人的中枢神经麻痹并导致窒息死亡;NO2会造成哮喘和肺气肿,导致人的心、肺、肝、肾及造血组织的功能丧失。

SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)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。

 

各种脱硝工艺对比

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在合适的温度区域,且氨水作为还原剂时,其反应方程式为:SNCR脱硝技术是一种不用催化剂,在850~1100℃的温度范围内,将含氨基的还原剂(如氨水,尿素溶液等)喷入炉内,将烟气中的NOx还原脱除,生成氮气和水的清洁脱硝技术。

4NH3 + 4NO + O2→4N2 + 6H2O  

然而,当温度过高时,也会发生如下副反应:

 4NH3 + 5O2→4NO + 6H2O  

SNCR烟气脱硝技术的脱硝效率一般为30%~80%。

 

 烟气中的NOx还原为N2和H2O,基本上不与烟气中的氧气作用,据此发展了SNCR 法。其主要反应为:  

氨(NH3)为还原剂时:

 4NH3+6NO→5N2+6H2O 

该反应主要发生在900℃的温度范围内。当温度超过1100 ℃时,NH3会被氧化成NO,反而造成NOx排放浓度增大。

其反应为: 

4NH3+5O2→4NO+6H2O 

而温度低于800 ℃时,反应不完全,氨逃逸率高,造成新的污染。可见温度过高或过低都不利于对污染物排放的控制。由于最佳反应温度范围窄,随负荷变化,最佳温度位置变化,为适应这种变化,必须在炉中安置大量的喷嘴,且随负荷的变化,改变喷入点的位置和数量。此外反应物的驻留时间很短,很难与烟气充分混合,造成脱硝效率低。 

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。

选择性非催化还原技术就是用NH3、尿素等还原剂喷入炉内与NOX进行选择性反应,不用催化剂,因此必须在高温区加入还原剂,而且还需要一定的停留时间。还原剂喷入炉膛合适的温度区域,该还原剂(尿素)迅速热分解成NH3并与烟气中的NOX进行SNCR反应生成N2,该方法是以炉膛为反应器。 

在炉膛这一狭窄的温度范围内、在无催化剂作用下,NH3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作用,据此发展了SNCR法。在一定温度范围内,NH3或尿素还原NOX的主要反应为:

 NH3为还原剂 

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

尿素为还原剂 

NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+H2O 

当温度高于1100℃时, NH3则会被氧化为

4NH3+5O2→4NO+6H2O

不同还原剂有不同的反应温度范围,此温度范围称为温度窗。NH3的反应最佳温度区为850~950℃。当反应温度过高时,由于氨的分解会使NOx还原率降低,另一方面,反应温度过低时,氨的逃逸增加,也会使NOx还原率降低。NH3是高挥发性和有毒物质,氨的逃逸会造成新的环境污染。 

引起SNCR系统氨逃逸的原因有两种,一是由于喷入点烟气温度低影响了氨与NOx的反应;另一种可能是喷入的还原剂过量或还原剂分布不均匀。还原剂喷入系统必须能将还原剂喷入到炉内最有效的部位,因为NOx在炉膛内的分布经常变化,如果喷入控制点太少或喷到炉内某个断面上的氨分布不均匀,则会出现分布较高的氨逃逸量。在较大的燃煤锅炉中,还原剂的均匀分布则更困难,因为较长的喷入距离需要覆盖相当大的炉内截面。为保证脱硝反应能充分地进行,以最少的喷入NH3量达到最好的还原效果,必须设法使喷入的NH3与烟气良好地混合。 


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