SCR脱硝原理及工艺

催化剂的寿命管理
脱硝效率 %
NH3-slip, ppmd @ 6% O2
140% 120% 100% 80% 60% 40% 20%
0
12
10
8
安装备用层
6
更换第一层 更换第二层 更换备用层
更换第一层
4
2
Biblioteka Baidu
20,000
40,000
60,000
80,000
运行小时
100,000
120,000
140,000
氨气与烟气的充分混合和流场均匀性是保证脱硝装置性能的关键
烟气流场的要求:
¾ 确保NOX/NH3 分布均匀 ¾ 确保烟气速度均匀 ¾ 减小烟气温度偏差 ¾ 获得最小的烟气压降 ¾ 防止积灰
在反应器第一层催化剂的上部条件是： 速度最大偏差：平均值的±15% 温度最大偏差：平均值的±10℃ NH3/NOx混合不均匀性：5％ 烟气入射催化剂角度（与垂直方向）：±10°
0
160,000
催化剂安装
催化剂模块起吊
催化剂安装(续)
催化剂模块进入反应器
催化剂安装(续)
催化剂模块就位
催化剂安装(续)
催化剂模块安装
SCR工艺系统－吹灰器（七）
催化剂表面的积灰
蒸汽吹灰器－耙式吹灰器
声波吹灰器
蒸汽吹灰器和声波吹灰器比较
项目 吹灰器本体
管道和附件
声波吹灰器
蒸汽吹灰器
锅炉
脱硝装置 空预器
氨与烟气均匀混合措施
¾ 氨与稀释风的混合设计（混合器） ¾ 喷氨格栅设计（AIG） ¾ 反应器入口设计（筛网平板） ¾ 烟道内部件设计（导流板，静态混合器等） ¾ 计算机流场模拟（CFD）和实体物理模型试验（Flow model）
最终混合措施的确定依据；所有SCR工程都需要做CFD＋ Flow model
催化剂
板式
蜂窝式
波纹 板式
主要成分：TiO2、V2O5、 WO3
板式 / 蜂窝式催化剂生产流程
催化剂结构数据
节距
含尘烟气
10mm
7mm
6mm
干净烟气
4mm
3mm
AP（m2/m3） 343 催化剂体积 130
445
547
100
bas
81
e
适于燃煤机组
798
1000
56
45
催化剂模块
便于安装 缩短催化剂从反应器内搬出的时间
- 承载催化剂 - 预留加装备用层催化剂的空间 - 保证烟气均匀分布 - 密封装置 - 吹灰器
烟气出口
催化剂层
SCR工艺系统－反应器
布置方式：一般采用2＋1或3＋1布置； 备用层：将新催化剂安装在预留催化剂位 置，以减少催化剂更换量，并充分利用尚 未完全失效的旧催化剂，从而减少催化剂 更换费用，提高脱硝效率。
b) 低含灰/尾部布置方案
高含尘布置方案的技术特点
烟气未经过除尘，烟气中重金属，SO2等 含量较高，对催化剂的活性存在不利影 响，容易造成下游设备和反应器本体堵灰。
反应温度比较合适(300～400℃)，运行费 用较低
对于高含尘烟气，催化剂烟气通道必须加 大以避免堵灰，这样会降低催化剂的比面 积，从而会增大催化剂的用量。
SCR系统工艺流程－液氨
液氨储罐
蒸发器内部结构
氨蒸发槽
氨气缓冲罐
氨稀释槽
卸料压缩机
SCR系统工艺流程－尿素
还原剂比较
项目 反应剂费用
液氨 便宜1.0
氨水 较贵1.50
尿素 最贵1.50
运输费用
便宜
贵
便宜
安全性
有毒
有害
无害
存储条件
高压
常压
常压，干态
储存方式
液态
液态
微粒状
初投资
便宜
贵
贵
运行费用
由于大部分毒性物质和灰尘已经在除尘和脱 硫装置中脱除，所以催化剂寿命可以大大延 长。
可以选用较小的催化剂烟气通道，大大提高 催化剂的比面积，从而降低催化剂的整体用 量，降低初投资和催化剂更换运行费用。
选择性催化还原法( SCR)系统工艺流程
省煤器
锅炉
脱硝装置 空预器
系统主要组成: SCR反应器及催化剂 烟道系统 氨储存供应系统 氨喷射及混合系统(AIG) 控制系统 电气部分
进口产品价格高
中等
需要安装直径为50mm的压缩空气 气管。声波吹灰器很轻便，可以 通过安装法兰很轻易地安装在 SCR上，并仅仅伸出设备0.7m。
需要直径较大的带保温层的高 压蒸汽管道，SCR反应器外有很 多管道备件需要安装，它伸出 反应器外较长。
运行成本
10分钟吹10秒钟的频率。每次 0.368立方米/声波吹灰器
SH3007-1999
《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》
GB50058-1992
《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》SH3063-1999
《危险化学品重大危险源辨识》
GB18218-2009
氨区布置原则
布置的原则
（1）区域规划（全年最小频率风向的上风侧） （2）确定罐区与周边建筑物的防火间距 （3）确定罐区与厂内主要道路及次要道路的防火间距 （4）确定罐区内设备的防火间距 （5）罐区要设防火堤 （6）罐区要设遮阳蓬 （7）罐区要设冷却喷淋 （8）罐区要设消防通道
实体物理模型（Flow model）
根据脱硝装置的设计方案，建立实物模型 实物模型包括从省煤器出口至空预器入
口的完整SCR流动路径。 比例为1:15或1:10 验证和优化整个烟气系统流场分布。 维持系统低的烟气压降。
阳城电厂600MW机组实物流体模型
试验条件
a．环境空气作为试验用流体，物理模型的流体速度应与实际流场速度一致。 b．如果雷诺数足够大，模型烟道的模拟结果就能反映实际流场。雷诺数的取
CFD = 流体力学＋热学＋数值分析＋计算机科学 流体力学：层流和湍流，牛顿流体和非牛顿流体 热学：热力学和传热学 数值分析：解析计算方程 计算机科学：计算机语言、图形技术、图表
CFD设计示例（黄岛电厂）
均匀的流场有利于： －氨与NOx充分反应，保证脱硝效率； －降低氨的逃逸率，减少氨对灰分
和环境的影响； －减少催化剂出现局部磨损； －降低烟气阻力。
1. 催化剂 催化剂的活性 SCR反应选择性 催化剂的钝化
2. 反应温度
3. n(NH3)/n(NOx)
NH3/NOx摩尔比与氨泄漏、脱硝率的关系
4. 接触时间
5. Sv值
Sv即空速(h-1)，指烟气流量与催化剂体积之 比。
选择性催化还原法( SCR)常规布置方式
a) 高含灰布置方案
便宜，需要 贵，需要高热量蒸 贵，需要高热量水
蒸发液氨
发水和氨
解尿素和蒸发氨
设备安全要求 有法律规定
需要
基本上不需要
SCR工艺系统－氨与稀释风的混合（二）
稀释风与氨气的混合作用 ¾ 将氨稀释到浓度为5％； ¾ 使氨气分布更加均匀； ¾ 增加动能，提高氨气的扩散能力。
我的爆炸浓度范围为 15－28%,请让我远离 这个数值吆！
每天吹1次的频率
维护成本 环境影响
声波吹灰器结构简单，维护方便。 钛合金膜片是唯一一个活动部 件，通常寿命为5年。
每使用1－2年，蒸汽吹灰器的 一些部件需要更换。
噪音较大，在反应器外部的吹灰 器发声部分必须做隔音处理，经 过处理后的噪音水平可以降低到 75dB以下。
声音较小
SCR控制系统（八）
一. 控制系统方案 ¾ 反应区控制系统纳入机组DCS ¾ 氨区可采用PLC控制或纳入机组DCS 二. 主要受控对象 ¾ 喷氨量控制( 脱硝效率、氨逃逸率） ¾ 脱硝通风控制（包括稀释风系统） ¾ 氨蒸发器水温控制和缓冲罐压力控制 ¾ 反应器入口烟气温度控制 ¾ 吹灰系统控制 ¾ 烟气挡板系统控制
制造厂 日立 Argillon Cometech 东方凯特瑞
催化剂型式 板式 板式 蜂窝式 蜂窝式
产品规格 mm
948x1881xH 954x1882xH 960x1910xH 970x1930xH
催化剂性能比较
性能参数
板式
基 材 不锈钢金属板
活性
中
氧化率
中
压力损失
低
抗腐蚀性
好
抗堵塞性
好
蜂窝式 整体挤压
700kPa～800kPa气态氨就液化成无色液体,液氨常用 作制冷剂； 属于有毒类化合物，接触要小心； 极易溶于水（1：700），溶液是碱性物质
氨区设计遵循的标准和规范
国家有关标准和规范：
《建筑设计防火规范》
GB50016-2006
《石油化工企业设计防火规范》
GB50160-1992
《石油化工储运系统罐区设计规范》
SCR脱硝原理及工艺
NOX
SCR脱硝原理
NH3
基本反应方程式
4 NO + 4 NH3 + O2 4 NO2 + 2 NH3 + O2
4 N2 + 6 H2O 3 N2 + 6 H2O
副作用方程式
SO2 + 1/2 O2 NH3 + SO3 + H2O
SO3 NH4 HSO4
N2
H2O
SCR脱硝效率的主要影响因素
钢材耗量较大。
a) 高含灰布置方案
低含尘布置方案的技术特点
b) 低含灰/尾部布置方案
飞灰含量小，适用于场地无法按照高含尘方 式布置的改造项目或烟气中毒性物质过高的 情况。
烟气温度低于反应温度，需要辅助热源进行 烟气再热，可以采用蒸汽加热或二次燃烧加 热，一般再热系统需要增加约3%的厂用电率。
运行控制逻辑
SCR性能参数选取
值决定于模型比例和流体速度，典型的雷诺数是10000。
试验内容
a. 利用风速仪测量AIG和第一层催化剂上游的速度； b. 利用跟踪气体测量第一层催化剂上游的氨的混合度； c. 利用皮托管测量锅炉出口到反应器出口的压降； d. 利用石英砂模拟烟尘沉积
SCR工艺系统－反应器和催化剂（六）
氨的喷入
烟气进口
氨气缓冲罐 混合器
液氨蒸发槽 稀释风机
液氨储罐
演示
SCR工艺系统－氨区（一）
省煤 器
锅炉
脱硝装置
空预 器
氨气缓冲罐 混合器
液氨蒸发 稀 释 风槽 机
液氨储罐
氨区主要设备组成 －卸料压缩机 －储氨罐 －氨蒸发槽 －氨气缓冲罐 －氨稀释槽 －废水池 －管道及阀门等附件
氨的一般性质
无色、有强烈刺激性气味的气体； 在标准状况下，密度（ 0.7708 kg/m3）小于空气； 易液化，在常压下冷却至－33.5℃或在常温下加压至
烟道内的导流/混合装置
氨和烟气的混合装置： • 通过烟道自然混合； • 使用烟道结构件进行混合，
如导流板、静态混合器等
混合装置
计算机CFD模拟流场的建立
¾ 确保NOX/NH3 分布均匀 ¾ 确保烟气速度均匀 ¾ 减小烟气温度偏差 ¾ 获得最小的烟气压降
CFD软件（Computational fluid Dynamics）是计算 流体力学软件的简称，是专门用来进行流场分析、 流场计算、流场预测的软件，相当于虚拟地在计算 机上做试验，用以模拟仿真实际的流动状态。
锅炉
脱硝装置 空预器
氨气缓冲罐 混合器
液氨蒸发槽 稀释风机
液氨储罐
稀释风从送风机出口选取 ¾ 降低造价 ¾ 现场布置简单
氨/空气混合器
SCR工艺系统－喷氨系统（三）
NH3喷射格栅
保证氨和烟气的均匀混合 NH3/NOx沿烟道截面均匀的分布
氨喷射格栅(AIG)
调整氨的流量分配阀门
NH3/NOx分布不均匀状况的调节
高 高 高 中 中
波纹板式 玻璃纤维板
高 中 中 中 中
催化剂的失活和中毒
SCR催化剂的工作条件比较恶劣，存在着中毒失效问题， 必须定期更换，更换时间据具体情况而定。
催化剂性能下降的原因 （1）微孔体积减少； （2）固体沉积物使微孔堵塞； （3）碱性化合物等（砷(As)，钾(K)、钠(Na) ， 其次钙(CaO)和镁(MgO)）引起中毒； （4）SO3中毒； （5）飞灰磨损和腐蚀。
烟道布置和作用 •烟道布置要简洁、流场通顺； •有利于氨与烟气的自然混合； •烟气阻力降小； •烟道内布置混合器、导流板等。
省煤器旁路
省煤器旁路
作用： －机组在低负荷运行时，保证SCR入口
烟气温度。一般对SCR入口温度的要 求大约是300－400℃ 。 缺点： －系统复杂，增加控制的复杂性； －需要设置旁路烟道和挡板门，增加投资。 －需要设置密封风机，增加厂用电。
端部阀门调节前 CV=44%
端部阀门调节后 CV=8%
← Center of boiler
← Center of boiler
恶劣的流速分布将导致 NH3/NOx
的严重不均匀
通过注氨量的局部微调 达到
NH3/NOx的均匀分布
SCR工艺系统－烟道部分（四）
烟道的组成 •反应器入口烟道； •反应器出口烟道； •省煤器旁路烟道； •反应器旁路烟道。
反应器旁路
反应器旁路
作用： －用来在锅炉启动和停止期间或紧急状况
下隔离SCR反应器，使催化剂不受到损害； －机组在长期不脱硝时隔离SCR装置以节约
引风机的电耗。 。 缺点： －系统复杂，增加控制的复杂性； －需要设置旁路烟道和挡板门，增加投资。 －需要设置密封风机，增加厂用电。
SCR工艺系统－ CFD和实物模型试验（五）