燃煤电厂选择性催化还原烟气脱硝系统的性能试验

1、第30卷第6期 2010年6月动 力 工 程 学 报Vol. 30No. 6 J une 2010收稿日期:2009 08 18 修订日期:2009 12 29基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y5080087作者简介:徐 旭(1974 , 女, 浙江常山人, 副教授, 博士, 研究方向为:废弃物焚烧及污染防治. 电话(T el. :0571 86914542;E mail:xux ucjlu. edu. cn.文章编号:1674 7607(2010 06 0439 05 中图分类号:X511 文献标识码:A 学科分类号:610. 30燃煤电厂选择性催化还原烟气脱硝系统的性能试验徐 旭1,

2、 应 剑2, 王新龙3(1. 中国计量学院计量测试工程学院, 杭州310018;2. 浙江省电力试验研究院, 杭州310014; 3. 萧山发电厂, 杭州311251摘 要:在420t/h 电站燃煤锅炉尾部建立了选择性催化还原脱硝工业性试验装置, 重点研究了NH 3/NO x 摩尔比、反应温度、反应空速等因素对烟气脱硝效率的影响. 结果表明:当NH 3/NO x 摩尔比小于1时, 脱硝效率随着NH 3/NO x 摩尔比的增大而提高; 当NH 3/NO x 摩尔比大于1时, 随着NH 3/NO x 摩尔比的增大, 脱硝效率变化不明显; 当NH 3/NO x 摩尔比为0. 9、反应温度为32535

3、0 时, 脱硝效率达到90%; 当空速小于4760h -1时, 随着空速提高, 脱硝效率基本不变; 当空速大于4760h -1后, 脱硝效率随空速提高迅速降低. 试验研究还发现:氨逃逸量随着NH 3/N O x 摩尔比的增大而逐渐增大; 当NH 3/NO x 摩尔比小于0. 95时, 氨逃逸量均能满足设计要求; 在325350 内, SO 2/SO 3转化率随反应温度的升高而提高, 且均小于0. 6%, 符合设计要求. 关键词:燃煤电厂; 选择性催化还原; 性能试验; 氮氧化物; 氨逃逸Performance Test of a SCR Denitrification Systemfor Co

4、al fired Power PlantsX U X u 1, YI N G J ian 2, WA N G X in long 3(1. College o f Metrolo gy and M easurement Eng ineering , China Jiliang U niversity, H ang zhou 310018, China; 2. Zhejiang Electric Po w er Test &Research Institute, H angzho u 310014, China; 3. Xiaoshan Pow er Plant, H ang zhou

5、311251, ChinaAbstract:A series of exper im ental tests w er e conducted to study the perform ance of a selective cataly tic re duction (SCR flue g as denitrification sy stem for a 420t/h coal fired boiler, w ith focus on the influence of NH 3/NO x mo lar r atio, reaction temperature and space v elo

6、city on its denitr ification efficiency. Results show that w hen the m olar r atio of NH 3/NO x is less than 1, the denitrificatio n efficiency w ill rise w ith grow ing molar ratio of NH 3/NO x ; and w hen the m olar r atio is larg er than 1, the denitrificatio n efficiency w ill nearly remain the

7、sam e; w hereas w hen the mo lar ratio is 0. 9and the reaction tem peratur e lies in 325 350 , the denitrification efficiency may reach 90%.T he denitrificatio n efficiency w ill basically remain the same w ith rising space velocity w hen the latter one is less than 4760h -1, but drop rapidly w hen

8、the veloc ity gets larger than 4760h -1. T he NH 3escape rate w ill r ise w ith grow ing m olar ratio of NH 3/NO x , and if the m olar ratio keeps below 0. 95, the design requir em ent of NH 3escape rate can be satisfied. W ithin 325 350 , the conversion rate of SO 2/SO 3w ill r ise w ith the grow t

9、h of temperature, w hich is to be kept below 0. 6%, meaning the desig n requir em ent can be m et.Key words:coal fired pow er plant; selective cataly tic r eductio n; perform ance test; NO x ; amm onia slip燃煤电厂排放的氮氧化物(NO x 作为大气NO x 的重要来源之一, 已备受社会关注1. 不少工业国家对电厂的N O x 排放作出了严格限制, 我国也于2003年颁布了GB 13223-2

10、003火电厂大气污染物排放标准2. 火电厂控制NO x 污染的技术可分为低NO x 燃烧和烟气脱硝等两类技术, 当电厂采用低NO x 燃烧技术不能满足排放标准时, 往往需要采取燃烧后脱硝技术, 其中选择性催化还原(selectiv e catalytic r eductio n, SCR 技术因其高效率和高选择性, 应用最为广泛, 被认为是目前乃至今后相当长时期内最主要的烟气脱硝技术1.各国专家对SCR 脱硝技术的研究主要集中在脱硝的催化反应机理、反应动力学、催化剂性能改进、脱硝试验和数学模拟以及脱硝装置工程应用等方面3 5. 由于我国SCR 脱硝技术的应用起步较晚, 首台引进的SCR 烟气脱

11、硝装置于1999年投运, 针对脱硝装置设计、运行以及工程应用方面的研究较少, 而主要集中在催化剂及脱硝机理的试验研究等方面6 8. 因此, 笔者在420t/h 锅炉尾部搭建了SCR 脱硝系统试验平台, 研究了NH 3/NO x 摩尔比、反应温度、反应空速等因素对烟气脱硝效率的影响, 为SCR 脱硝系统的工程应用提供参考.1 试验部分1. 1 试验装置电站燃煤锅炉SCR 脱硝系统的试验平台(图1 主要由烟气系统、氨系统、SCR 反应器和催化剂系统、蒸汽和空气供应系统、控制系统以及电气系统等组成. 根据锅炉烟风系统和SCR 脱硝工艺的温度要求, 将脱硝装置布置在燃煤锅炉省煤器和空气预热器之间的垂直

12、烟道中. 液氨在氨气蒸发器内蒸发图1 燃煤锅炉S CR 脱硝系统试验平台Fig. 1 Schematic diagram of the SC R denitrification s ystem为氨气, 加热至常温后, 送到氨气缓冲槽备用, 缓冲槽内氨气经调压阀减压后, 送入氨/空气混合器中, 与空气充分混合后喷入烟气中, 再进入SCR 催化反应器中. 当烟气流经SCR 催化反应器中的催化层时, 氨气在催化剂的作用下, 将NO x 还原为无害的N 2和H 2O. 图2给出了SCR 反应器的结构图. 反应器的设计截面为1m 1m , 高为7. 295m , 催化剂分两层放置, 同时留有一层备用,

13、根据试验测试、催化剂安装检修以及安装吹灰器等工艺要求, 各层间留有一定的间隙. 为减少飞灰在催化剂层上的沉积, 烟道和反应器内均安装导流板, 以改善反应器的流场分布 .图2 SCR 反应器结构图(单位:mm Fig. 2 S tructural diagram of the SCR reactor (u nit:mm1. 2 试验燃料及催化剂表1和表2分别给出了试验用煤的煤质分析和痕量元素分析结果. SCR 反应器采用的催化剂为丹麦T OPSOE 公司生产的DNX 564型波纹板催化剂(高 宽 长:572m m 466m m 466mm, 催化剂体积为109L , 共16个模块. 催化剂的主要

14、成分如下:V 2O 5为04%, WO 3为5%10%, TiO 2为80%90%.催化剂适用范围为:飞灰浓度<25g/m 3(干烟气, 过量空气系数 =1. 4 , SO 2氧化率<1%.1. 3 试验方法在试验期间保持电厂燃煤机组的稳定运行, SCR 试验装置的设计工况及系统性能测试指标参数见表3. 由于选择的催化剂体积有一定余量, 同时考虑到运行2年后装置仍能满足最初的设计要求, 因此试验中最大处理烟气量达到了8317m 3/h, 但文中讨论NH 3/NO x 摩尔比、反应温度等影响时, 仍按设计工况的烟气流量进行试验.!440!动 力 工 程 学 报第30卷表1 煤的工业分

15、析与元素分析Tab. 1 Proximate and ultimate analysis of coalM a r /%A ar /%V ar /%FC ar /%C ar /%H ar /%N ar /%O ar /%S ar /%Q net, ar /(kJ ! kg -14. 2829. 9527. 1338. 6452. 603. 420. 827. 950. 9918100表2 煤中痕量元素Tab. 2 Trace element in coalmg/kg As Cd CrCuNiPbZn 34. 416108. 34271. 07951. 199141. 359124. 226表3

16、 SC R 装置的性能指标Tab. 3 Performance index of the SC R apparatus项目设计工况实测工况反应器烟气温度/ 350380336实际烟气量/(m 3! h -1 1412220070标准工况烟气量/(m 3! h -1 55008317反应器入口NO x 浓度/(mg ! m-3600800742反应器入口SO 2浓度/(mg ! m -3 150030002216反应器入口烟尘浓度/(g ! m -3 <25. 016. 1反应器出口NO x 浓度/(mg ! m -36016074采用镍铬 镍硅热电偶测量温度, 在反应器上层催化剂顶面25

17、0m m 处的截面上均匀布置16个测点, 得到平均反应温度; 在反应器每层催化剂层顶面250mm 处的截面上均匀布置16个测点, 用压差法测试每个测点的烟气流速; 在反应器上层催化剂顶面250mm 处的截面上布置12个测点, 分别采用氨分析仪和烟气分析仪测定NH 3和NO x 浓度, SO 3浓度采用凝结法测量7.2 性能研究与结果分析SCR 脱硝装置的性能指标主要有脱硝效率、氨逃逸率、SO 2/SO 3转化率和压力降等. 其中, 脱硝效率的计算如下:NO x =x , in x , outN O x , in100%(1式中: NO x 表示NO x 的脱除效率; NO x , in 为脱硝

18、装置运行时反应器入口处N O x 的浓度, mg/m 3; NO x , out 为脱硝装置运行时反应器出口处NO x 的浓度, mg/m 3.SO 2/SO 3转化率的计算公式如下:SO2=3, out 3, in SO 2, in100%(2式中: SO 2表示SO 2/SO 3转化率; SO 3, out 为脱硝装置运行时反应器出口SO 3的浓度; SO 3, in 为脱硝装置运行时反应器入口SO 3的浓度; SO 2, in 为脱硝装置运行时反应器进口SO 2的浓度.2. 1 NH 3/NO x 摩尔比对脱硝效率及氨逃逸的影响烟气中的NO x 绝大部分以NO 的形式存在, 还有少量NO

19、 2. 在V 2O 5 WO 3 TiO 2催化剂的作用下, NH 3将NO x 还原成无污染的N 2和H 2O:4NO +4NH 3+O 2催化剂4N 2+6H 2O (38NH 3+6NO 2催化剂7N 2+12H 2O (4 图3给出了当烟气温度为350 、流量为5500m 3/h 时NH 3/NO x 摩尔比对脱硝效率及氨逃逸的影响. 从图3可以看出, 当NH 3/NO x 摩尔比小于1时, 系统的脱硝效率随NH 3/NO x 摩尔比的增大而提高, 且影响显著; 当NH 3/N O x 摩尔比达到1时, 脱硝效率达到了95%以上, 之后继续增大摩尔比, 脱硝效率没有明显的提高; 随着N

20、H 3/NO x 摩尔比的增大, 氨逃逸逐渐增大, 当N H 3/NO x 摩尔比小于0. 95时, 氨逃逸量基本能满足设计要求, 但当N H 3/NO x 摩尔比为1时, 氨逃逸量超出了脱硝系统的设计要求(3. 8mg /m 3. 在脱硝系统中, 当NH 3投入量偏低时, 还原反应将受到限制; 而当NH 3投入量过高时, NH 3氧化等副反应的反应速率将增大8, 从而降低了NO x 的脱除效率, 增加了系统的氨逃逸, 造成二次污染. 因此, 在保证脱硝效率的同时, 应密切注意控制NH 3/NO x 摩尔比. 在实际SCR 烟气脱硝系统中, 一般控制NH 3/NO x 摩尔比小于1. 1.图3

21、 NH 3/NO x 摩尔比对脱硝效率及氨逃逸的影响Fig. 3 Effect of NH 3/NO x m olar ratio on the denitrificationefficiency an d ammonia slip2. 2 反应温度对脱硝效率及SO 2/SO 3转化率的影响在SCR 系统中, 一方面, 当反应温度低于催化剂工作温度范围时, 催化剂活性降低, N O x 还原脱!441! 第6期徐 旭, 等:燃煤电厂选择性催化还原烟气脱硝系统的性能试验硝反应速率减慢, 还会导致较大的氨逃逸量, 危及机组的正常运行; 另一方面, 当反应温度过高时, 会发生催化剂烧结失活以及NH

22、3的氧化反应, 使NO x 脱除效率下降并产生N 2O 等, 造成二次污染. 适宜的反应温度是这两方面对立统一的结果. 当机组安装SCR 脱硝装置后, 烟气中的SO 3不但会在锅炉中生成, 还会通过催化剂催化氧化生成, 烟气中SO 3浓度越高, 越容易与氨反应生成硫酸氢氨, 增大了下游设备结露的可能性, 进而加剧设备腐蚀, 因此, 在设计及运行脱硝装置时, 应注意控制SO 2/SO 3的转化率, 其一般随着反应器内温度的升高和催化剂中活性成分V 2O 5含量的增加而提高. 图4给出了反应温度对脱硝效率及SO 2/SO 3转化率的影响. 当NH 3/NO x 摩尔比为0. 9、烟气流速约为5m/

23、s 、反应温度为325350 时, 系统脱硝效率较高, 基本稳定在90%左右, 且温度变化对其影响不显著. 在325350 内, SO 2/SO 3转化率随反应温度的升高而提高, 但SO 2/SO 3转化率均小于0. 6%, 低于设计限值1%.因此, 本试验的反应温度范围符合催化剂正常工作的温度要求, 可获得较好的脱硝效果, 并且符合SO 2/SO 3转化率的设计要求 .图4 反应温度对脱硝效率及SO 2/SO 3转化率的影响Fig. 4 Effect of temperatur e on the denitrification efficiency an dSO 2/S O 3convers

24、ion rate2. 3 反应空间速度对脱硝效率的影响空间速度简称空速, 为烟气在催化剂上停留时间的倒数. 当NH 3/NO x 摩尔比为0. 9、反应温度约为340 时, 反应空速对SCR 系统脱硝效率的影响示于图5. 当反应空速在27504760h -1时, 脱硝效率基本保持在90%左右, 且随空速的降低略有提高; 当空速大于4760h -1时, 脱硝效率随空速的提高迅速降低. 随着反应空速的降低, 烟气在催化剂上的停留时间增加, 有利于烟气和氨气向催化剂微孔内的扩散、吸附、反应和产物气的解吸扩散, 使得NO x 的脱除效率提高; 当空速过高时, 反应气体在催化剂上的停留时间过短, 还原反

25、应进行不充分, . 图5 空速对脱硝效率的影响Fig. 5 Effect of space velocity on the den itr ification efficiencyh -1, 相应的烟气流量为8317m 3/h, 与设计相比有较大提高, 这主要考虑了催化剂在运行过程中会出现失活, 因此计算时考虑运行2年后SCR 脱硝装置仍能满足设计要求.2. 4 烟气流量对催化剂层及脱硝系统阻力的影响烟气流经催化剂层和SCR 脱硝系统的烟道时, 会引起一定的流动阻力, 阻力大小与烟气流速及催化剂节距有关. 试验中采用高飞灰SCR 脱硝装置, 烟气流速为46m/s, DNX 564催化剂的节距为

26、7. 4m m. 图6给出了烟气流量对催化剂层和脱硝系统阻力的影响. 从图6可以看出, 随着烟气流量的增大, 脱硝系统的流动阻力和催化剂层的流动阻力均逐渐增大, 催化剂层阻力约占系统阻力的50%左右. 因此, 运行时为维持烟气量, 需要增大引风机的开度, 这将导致引风机电耗增大. 当系统流动阻力超过引风机的耐受能力时, 必须对引风机进行改造. 此外, 也可通过合理布置混合器和烟气导流板及改变反应器形状来降低SCR 脱硝装置的流动阻力.图6 烟气流量对催化剂层及系统流动阻力的影响Fig. 6 Effect of flue gas flow rate on flow resis tance ofc

27、atalyst layer and SCR s ystem3 结 论!442!动 力 工 程 学 报第30卷工业性试验装置, 在燃煤锅炉正常运行时进行了有关的试验, 考察了反应温度、NH 3/NO x 摩尔比、反应空速对脱硝效率的影响, 结果表明:当NH 3/NO x 摩尔比为0. 9、反应温度为325350 时, 脱硝效率可达到90%; SO 2/SO 3转化率随反应温度的升高而提高, 且转化率均小于0. 6%; 氨逃逸量符合设计要求. 燃煤机组SCR 脱硝工业性试验装置的设计及性能试验结果, 可为今后同类型燃煤机组SCR 脱硝系统的设计优化及运行工况调整提供一定的参考价值和指导意义. 参考

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