基于燃煤煙氣氮氧化物環境治理的SCR系統設計

山西普麗環境工程股份有限公司 楊玉環

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。隨著我國的環保標準日益嚴格，尤其對火電廠污染物排放做出了明確規定，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的安全經濟運行。文中對燃煤煙氣氮氧化物治理的SCR系統設計，對同類型機組的改造具有重要指導意義。

一、設計依據及原理

（一）設計依據

《火電廠大氣污染排放標準》GB13223—2011；

《煤電節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規范—選擇性催化還原法》HJ562—2010。

（二）SCR基本原理

反應機理是在130℃～420℃區間范圍內這一溫度區間，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—氮氧化物這類物質發生反應，將煙氣中的污染物進行脫除，降低其濃度值，并轉化為對環境和人體不具危害的氮氣和水。其中催化劑產生的催化作用主要是將化學反應所需要的活化能降低了，進而可以實現在130℃至420℃范圍的較低溫度內就能發生氮氧化物的還原反應，達到脫除的目的。

二、SCR系統組成及脫硝性能影響因素

（一）典型SCR系統組成

對于典型的SCR脫硝系統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、噴氨系統部分、稀釋空氣供應系統部分。

（二）SCR脫硝性能關鍵影響因素

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，由于該技術需要有催化劑存在才能在一定溫度下發生反應，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生重要的影響，如果溫度太高會出現燒結現象，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生反應，催化劑根據實際需要脫除污染物的機組尾部煙道結構不同，其催化劑安裝結構各異。這個過程中，催化劑的結構就決定了煙氣流型，煙氣流型合理與否直接會關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構，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。該參數就體現了煙氣在催化劑流經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域的溫度為130℃～420℃，催化劑所在區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。

再結合脫硝效率和氨氮摩爾比關系，氨逃逸取2.5mg/Nm3，把已知數據帶入經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：標準狀態下煙氣量（濕基6%氧），單位Nm3/h；MR：系統設計氨氮摩爾比，與效率及催化劑進出口煙氣濃度有關；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。

帶入已知數據經計算可得SCR脫硝催化劑用量為782.49m3。

3.稀釋風機風量計算

稀釋風機風量根據液氨用量，稀釋倍數按照7000倍考慮，再考慮20%設計余量，經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，年利用小時數按6000h，氨逃逸取2.5mg/Nm3；經計算可得SCR脫硝系統氨逃逸量為30噸/年。

（三）典型設備選型

1.液氨提升泵的選型

根據已計算的液氨耗量為562.40kg/h，液氨密度取617kg/m3，根據V=M/ρ,再考慮設計余量20%，則帶入已知數據經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。

同時結合流量與流速、管徑的關系，A=Q/V,A=πd2/4，經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。同樣結合流量與流速、管徑的關系，A=Q/V,A=πd2/4，經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）環保效益分析

根據給定條件，年有效利用小時按6000h，通過計算可得經脫硝后，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，可降低對周邊環境系統產生的負擔，減少周邊居民及員工身心傷害，為電廠樹立企業形象，具有良好的宏觀社會效益。

五、結論

（1）依據原始參數及設計目標，對基于燃煤煙氣氮氧化物治理的SCR系統的典型工藝進行設計，給出了系統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境效益。