工业窑炉低温脱硝系统设计研究 化学专业

1、低温SCR脱硝技术原理研究SCR的反应机理比较复杂，是还原剂在一定温度和催化剂的作用下，选择性地将氮氧化物还原为氮气的方法6。2.1 SCR化学反应原理对于固定源来说，主要是向烟气中喷入尿素或氨，将氮氧化物还原为氮气12。当用尿素做还原剂时，其主要反应如下：NH2-CO-NH2NH3+HNCO（异氰酸）HNCN+H2ONH3+CO2当NH3做还原剂时，其主要反应如下：4NH3+4NO+O24N2+6H2O8NH3+6NO27N2+12H2O除了发生以上反应外，往往会同时发生一些副反应15： 4NH3+3O22N2+6H2O（350）4NH3+5O24NO+6H2O（350）4NH3+4O22N

2、2O+6H2O（350）2NH3+2NO2N2O+N2+3H2O 6NH3+8NO23N2O+4H2O 4NH3+4NO2+O24N2O+6H2O 4NH3+4NO+3O24N2O+6H2O 2NH3N2+3H2当二氧化硫和水存在时，通常在催化剂表面会发生以下几个导致催化剂活性降低的反应15： 2SO2+O2SO3NH3+SO3+H2ONH4HSO4 2NH3+SO3+H2O(NH4)2SO4 SO3+H2OH2SO4图2-1为NH3-SCR法脱硝的基本原理。图2-1 NH3-SCR法脱硝基本原理2.2 SCR反应的主要影响因素催化剂活性是脱硝效率的决定因素，除了活性这一本质因素外，还有以下三

3、种重要的影响脱硝效率的因素：反应温度、NH3/NOx摩尔比、接触时间16-18。催化剂活性催化剂的活性成分的选择和制作的工艺直接决定催化剂的活性。催化剂的活性成分一般用五氧化二钒，在一定条件下脱硝效率随着催化剂中五氧化二钒的增加而增加，然而实验证明当五氧化二钒达到6.6%时，脱硝效率开始降低，如图2-2所示。图2-2 催化剂中五氧化二钒含量与脱硝效率的曲线反应温度在反应温度200400时，得到催化剂温度效率曲线（图2-3所示）。当温度低于250时，随着温度的上升，脱硝效率逐渐增加；当温度上升到310时，脱硝效率最高约90%，之后随着温度的升高，脱硝效率开始降低。图2-3 反应温度与脱硝效率曲线

4、（3）NH3/NOx摩尔比实验表明，在上两个最适宜的催化剂活性成分和最适宜的温度条件下，进一步得到NH3/NOx摩尔比和脱硝效率的曲线如图2-4和图2-5所示。图2-4 NH3/NOx摩尔比与脱硝效率曲线图2-5 NH3/NOx摩尔比与脱硝效率和氨逸出的曲线由图可知，当NH3/NOx的摩尔比小于1时，随着摩尔比的增大，脱硝效率随之增高，当NH3/NOx的摩尔比达到1.2时，脱硝效率达到最大值，然后随着NH3/NOx摩尔比的增加而降低，其趋势与温度曲线较为相似，并且可能会导致未反应的残余氨逸出，所以，在实际工程的SCR系统中，一般要求控制NH3/NOx的摩尔比小于1.2。（4）接触时间接触时间主

5、要是指气流中氨、氮氧化物与催化剂共同接触的时间，通常要用线速度（LV）、面积速度（AV）和空间速度（SV）来共同决定。根据以上三个最佳试验条件，得到接触时间与脱硝效率的曲线如图2-6。图2-6 接触时间与脱硝效率曲线当接触时间低于200ms时，脱硝效率随接触时间的增加而增加，当接触时间达到200ms时，脱硝效率达到最大值，之后随着接触时间的增加脱硝效率开始降低。2.3低温 SCR催化剂的选择催化剂是SCR系统中的重要组成成分，催化剂的反应活性物质以不同的方式附着在载体表面，并且和载体一起，形成一块完整的有不同截面形状的催化剂单元，既便于在使用时更换，还有利于制造、搬运，并且制作时可以灵活的码装

6、成催化剂单元18,19。在实际的工程中，催化剂的生产厂家一般会依据不同的烟气排放特征和不同的脱硝效率要求，对其活性成分进行适当的添加或减少，并且会进行与之相对应的脱硝实验，来确保催化剂的最佳使用性能。按活性成分分，用于SCR脱硝系统的催化剂主要有贵金属催化剂、碱金属氧化物催化剂和分子筛催化剂三种19。贵金属催化剂是一种低温催化剂，其操作温度在150280之间。这种催化剂活性较高，尤其是在在低于300的低温条件下，有较高的脱硝效率，但是它的活性温度范围较窄，贵金属的成本有较高，所以不常被使用，目前一般在低于300的低温脱硝时使用20。碱金属氧化物催化剂大多以二氧化钛为载体，以五氧化二钒、三氧化钨

7、、三氧化钼为活性成分，它适宜的活性温度范围为300-400，这种催化剂应用最为普遍，技术较其他的催化剂来说最为成熟。还有以三氧化二铁为基础的氧化铁基催化剂，但是这种催化剂活性较低。目前，正在研究复合金属氧化物催化剂，这种催化剂的活性大大提高，尤其在低温状态下。另外，复合催化剂的功能也越来越全面，有望成为将来SCR脱硝催化剂的主要发展方向。还有一种高温催化剂沸石分子筛催化剂，它有特殊的微孔结构，可以在较高的温度条件下保持较高的活性。这种催化剂一般是采用离子交换的方法制成金属离子交换沸石，并以分子筛为载体制成。表2-1为三种催化剂的性能对比。表2-1 三种催化剂性能对比催化剂类型贵金属金属氧化物沸

8、石分子筛催化活性高中高中高选择性低高高活性温度低较高高温度窗口较窄中中H2O对活性的抑制弱中很强SO2对活性的抑制弱中中低温催化剂除了贵金属催化剂之外，还有如下几种催化剂21：（1）活性炭催化剂。这种催化剂以活性炭为载体制作而成，其主要优点在于：比表面积大；孔隙结构良好；可负载的活性组分较多。不仅如此，活性炭催化剂还有来源广、价格低、易再生、活性温度低的优点。但是在制作时要对活性炭进行预处理，才能增高催化剂的活性，从而提高脱硝效率。（2）锰基氧化物催化剂。锰基催化剂主要分为两类：非负载型锰基(锰氧化物或锰基复合氧化物)催化剂和负载型锰基催化剂（如MnOx/AC、MnOx/TiO2等）。通常需要

9、向催化剂中加入铁、铈等元素来提高催化剂的活性，降低催化剂的中毒概率，使催化剂有较高的脱硝效率。研究表明在120时，天然锰矿石开始有较好的SCR脱硝活性，当温度升至150时，其活性最高。对锰基复合氧化物的研究表明，在42000h-1的空间速率条件下，温度在100-150时，MnOx-CeO2催化剂对氮氧化物的脱除率达到了100%。目前的SCR催化剂形式主要有蜂窝式催化剂、平板式催化剂、波纹式催化和条状式催化剂22。蜂窝式催化剂一般都是以高通透性的陶瓷作为基材，以二氧化钛为载体，将载体和活性成分混合之后整体挤压而成。蜂窝式催化剂抗堵塞能力和抗飞灰磨损较好，并且因为其比表面积较大，所以需要的体积量比

10、较小，因此在同样的脱硝效率下可以大大减小催化塔的尺寸，从而降低建设费用。其形态如图2-7所示。图2-7 蜂窝式催化剂形态板式催化剂通常以不锈钢金属丝网为基材，负载含有活性成分的载体压制而成。其突出特点是防堵灰能力很强，因此原烟气粉尘浓度较高的烟气脱硝系统（通常是指原烟气粉尘浓度大于50g/m3时）中通常使用板式催化剂。但是由于板式催化剂通常以不锈钢金属丝网为基材经过焙烧而成，因此催化剂的相对活性比较低。如果要达到同等的脱硝效率，板式催化剂的用量会远远高于蜂窝式催化剂，从而导致催化剂初始投资费用较高，成本较高。而且板式催化剂的总重量较大，且其所占空间较大，因此在旧工业窑炉的改造项目中实施难度较大

11、。图2-8为板式催化剂形态。图2-8 板式催化剂波纹式催化剂是丹麦公司研发的非均质催化剂，先制作玻璃纤维加固的二氧化钛基板，再浸泡在催化剂活性溶液中。相较于蜂窝式催化剂和板式催化剂，各项性能均没有突出特点，并且其加工难度较高，因此在实际工程中使用很少。波纹式催化剂的最大特点是重量轻，多用于燃气机组，其形态如图2-9所示。图2-9 波纹式催化剂形态条状催化剂是主要应用在低温脱硝方面的均质催化剂。条状催化剂主要由催化剂载体、活性组分、挤出烧结助剂组成，由挤出机一次挤压成型，烘干烧结后可直接使用。条状催化剂在国内外大型垃圾焚烧厂均有所应用，主要原因是垃圾焚烧窑炉飞灰大，且温度要求较低。目前条状催化剂

12、一般安装在电除尘器之后，主要应用在尾部烟气温度较低的脱硝设备中。图2-10为条状催化剂的形态。图2-10 条状催化剂形态表2-2为以上四种催化剂四种催化剂各个性能的比较。表2-2 四种催化剂性能比较内容蜂窝式催化剂板式催化剂波纹式催化剂条状催化剂成型方式陶制挤压,成型均匀,整体均是活性成分金属网作为基体,表面涂层为活性成分波纹状纤维作基体,表面涂层为活性成分挤压成型,整体为活性成分特点比表面积大、活性高、所需催化剂体积小；催化活性物质比其他多50%70%表面积小、催化剂体积大；生产简便,自动化程度高；烟气通过性好表面积介于蜂窝式与平板式之间,质量轻；生产自动化程度高比表面积大,生产简单,自动化

13、程度高。体积较小,抗堵塞性能好基材整体挤压不锈钢金属网陶瓷纤维整体挤压催化剂活性高中高高SO2氧化率高中中低抗堵塞性中低中低模块重量中中低低再生能力高中低低适用范围高尘及低尘高尘及低尘主要用于低尘低温低尘市场占有率55%30%10%50%2.4还原剂的选择在SCR脱硝系统中，还原剂的选择是SCR技术的关键，它是通过氨与氮氧化物发生氧化还原反应来脱除烟气中的氮氧化物，因此，在选择还原剂时应该根据具体的工况来选择适合的氨系统。根据还原剂氨的来源，制氨一般分为尿素法、纯氨法、氨水法三种方法23。尿素制氨安全无害，危险系数较低，和其他两种制氨方法相比，较为安全。但是尿素法制氨所需设备体积庞大，系统复杂

14、，建筑所需面积较大，导致整体成本增多，且尿素易分解不易保存。其反应方程式如下：NH2CONH2+H2O2NH3+CO2图2-11为热解工艺流程图：图2-11尿素热解工艺流程图纯氨法制氨在安全上必须严格执行国家和地方标准，因为纯氨属于易燃易爆物品，在运输、保存过程中必须设置安全设施来保障安全。氨水法制氨的安全系数相对较高，但所需的氨水量较大，会增加氨水的运输成本，也要相应的增大储氨系统的空间。三种制氨方法的比较如下表2-3所示。表2-3 三种制氨方法比较项目尿素法纯氨法液氨法反应器费用最贵（180%）较贵（150%）便宜生产1kg氨气需要的原料量1.76kg4kg（25%氨）1.01kg（99氨

15、）运输费用便宜贵便宜安全性无害有害有毒储存条件常压、干态常压高压储存方式料仓储存储罐储存储罐储存初投资费用贵贵便宜运行费用贵贵便宜安全要求几乎不需要需要有法律规定由表2-3可知，与尿素法和纯氨法相比，液氨法储氨、输氨的费用都是较低的。但是液氨属于危险品，必须有严格的安全措施和防火措施。氨水法的运输体积较大，运输和储存费用都是最高的。液氨法和尿素法都能高效制氨，技术完备，虽然液氨法在安全方面需要严格把控，但是现行的工业窑炉的管理水平和安全设施都较为完备，所以有许多工业窑炉的SCR系统会使用液氨法制氨。尿素法制氨最为安全，没有运输和储存的安全问题，但是制氨系统较为复杂，导致初期投资成本高23,24

16、。在设计SCR脱硝系统时，要根据工况和预算来确定还原剂的类型随着我国对污染物排放要求的提高，在选择还原剂时最重要的是要考虑所使用的还原剂能否满足规定的脱硝要求。2.5 SCR烟气脱硝工艺流程及系统组成SCR系统包括催化反应室、氨储运系统、氨喷射系统及相关的测试控制系统6,14。其主要设备如表2-4所示。表2-4 SCR脱硝工艺系统的主要设备设备名称具体设备SCR脱硝反应器系统主要包括：反应器框架、催化剂、喷氨格栅（AIG）、氨混合系统等氨储存与供应系统从液氨槽车至氨罐再至反应器所有供应氨气的设备和管道压缩空气系统仪表用压留空气和其他杂用的压缩空气钢结构、楼梯和平台包括所有钢制品（金属制品）的钢

17、结构、钢套管、楼梯和平台管道系统包括管道、膨胀节、支架和其他辅助设备阀门和配件在各种条件下为保证整个装置的安全、正常和自动运行所必需的全部泵、箱体、阀门和配件，以在故障时能实现安全关闭防腐所有系统、设备的防腐处理保温紧固件和外保护层保温紧固件和外保护层热烟道烟道一般采用高强度钢板制成，能承受所需要的环境条件，采用气密性的焊接结构起吊设施超过1000kg重的装置在检修或更换时，必须用起重机或电动葫芦移动到平板小车上SCR工艺系统的中心装置为脱硝反应器，在反应器之前应当安装导流设备，使反应器与烟气充分接触，从而使反应进行的更加充分，有利于效率的提高。在注氨格栅上安装喷嘴将氨喷入烟气，两者进行充分混

18、合之后导入脱硝反应器，在催化剂表面进行反应。图2-12为典型的烟气SCR脱硝系统示意图。图2-12 SCR脱硝系统示意图2.6 SCR反应器的布置方式在实际的工程应用中，SCR反应器不同的位置布置方式，对催化剂的选择、整体的运行成本、厂区安全等均有较大的影响。设计时对于不同的项目，应根据具体的预留空间、整体的工程预算等条件，来具体的选择不同的SCR反应器布置方式。实际工程中SCR反应器的布置方式主要有高温高尘布置、高温低尘布置和低温低尘布置三种方式6,25。高温高尘布置方式是烟气从省煤器出来之后，进行SCR脱硝，最后进行尘和脱硫，省煤器出口的温度较高，烟尘浓度也较高，催化剂可以保持较高的活性，

19、有利于提高脱硝效率，该安装方式占到目前SCR脱硝设施的95%，其布置示意图如图2-13所示。图2-13 高温高尘布置示意图高温高尘布置相较于其他两种布置方式，SCR高温高尘布置的工艺不需要对烟气进行加热，从而大大节约了成本。另外，氨气逃逸率较低，有效避免了硫酸氢铵的形成。高温高尘布置可以有效防止下游设备的积灰、堵塞。但因为烟气中粉尘浓度较高，导致烟气携带的飞灰对SCR催化剂造成的磨损较大，容易引起反应通道的堵塞。由于整个SCR反应流程比较长，很容易导致氨泄漏。粉尘浓度高会对催化剂造成腐蚀，为了避免这个问题，进一步开发出了SCR高温低尘布置方式。先对烟气进行除尘之后，再进入SCR反应器进行脱硝。

20、这样的布置方式使得粉尘浓度大大降低，可以有效解决催化剂的冲刷、磨损现象，其布置方式如图2-14所示。图2-14高温低尘布置高温低尘布置方式使催化剂体积减小，并且脱硝反应器内不需要除尘，从而降低了成本。锅炉烟气经过电除尘器除尘之后，粉尘浓度降低，有效防止了催化剂的中毒现象，从而延长了催化剂的使用寿命，提高催化剂的脱硝活性。这种布置方式氨的逃逸量较小。但是经过电除尘器除尘之后，烟气温度有所降低，容易使催化剂活性降低，可供选择的催化剂种类较少，如果想用和高温高尘布置相同类型的催化剂，就需要对烟气进行加热，从而增加成本。因为SCR反应器布置在除尘器之后，但是一般的除尘器在高温下难以达到预期效果，所以一

21、般不采用这种方法。为了解决烟气中二氧化硫浓度高带来的SO2/SO3转化率高、反应器易于堵塞的问题，又开发出了SCR反应器低温低尘布置方式，SCR反应器布置在整个烟气净化系统的末端，烟气经过了除尘和脱硫之后，进入SCR反应器之前降低了粉尘浓度和二氧化硫浓度，解决了催化剂的冲刷、磨损现象，也使催化剂不容易堵塞。其布置方式如图2-15所示。图2-15 低温低尘布置低温低尘布置方式氨的逃逸量最少，有效防止设备的腐蚀，烟气经过除尘脱硫后，催化剂不易受到影响影响，从而使保持了催化剂的活性，从而减少了催化剂的使用量。并且氨的逃逸量最少，有效防止了设备的腐蚀。但由于经过除尘脱硫之后，出口烟气温度较低，需要对烟

22、气进行加热，增加了安装加热器的费用，如果不进行加热，很难找到符合反应条件的催化剂。在实际工程中，目前应用最多的布置方式为高温高尘布置。在国内外的SCR工艺中都应用较多，尤其国内的SCR脱硝系统几乎都采用高温高尘布置。表2-5为三种布置方式的比较。表2-5 三种SCR工艺特性项目高温高尘SCR高温低尘SCR低温低尘SCR布置位置省煤器之后安装在除尘和脱硫中间除尘器和脱硫设备之后脱硝效率95%95%95%烟气温度320-420320-420低温烟气加热到约300烟气浓度高很低很低运行烟气条件恶劣中等很清洁催化剂节距大小很小催化剂体积多少很少附属设备改造空预器与引风机空预器与引风机无改造空间要求大极

23、大小初投资高很高低运行费用低高很高催化剂更换周期短长很长2.7本章小结本章研究了低温脱硝系统的化学原理，分析催化剂活性、反应温度、NH3/NOx摩尔比、接触时间对SCR反应的影响，对催化剂活性基团、形态进行对比，对还原剂的类型进行分析对比，分析了SCR烟气脱硝工艺流程及系统组成以及SCR反应器的布置方式。催化剂使用钒钛基蜂窝状催化剂，还原剂选择液氨，SCR反应器设置在烟气出口位置，经过脱硝反应之后再进行除尘脱硫。3 低温SCR脱硝系统优化设计研究3.1设计背景目前低温SCR脱硝工艺使用最多的催化剂是以二氧化钛为载体的催化剂，这种催化剂反应的最佳温度区间为300-400 ，但是一般工业窑炉尾部烟

24、气温度区间在80-280。本设计将对尾部烟气温度在110-200区间的工业窑炉烟气净化系统进行优化设计研究，以钢铁企业的烧结烟气为处理对象，对烟气中的NOx净化系统进行设计与优化。3.1.1 烧结厂生产工艺目前国内外钢铁厂烧结烟气的脱硝技术主要有活性炭（焦炭）吸附法和SCR选择性催化还原技术两种。通常烧结生产采用的是带式烧结机，生产过程如下：首先将各种粉状原料、适量的熔剂和燃料按照所需的比例进行配备，加入适量的水混合制成颗粒，然后将制成的颗粒铺放在烧结机上，进行烧结，烧结完成并卸下之后，再进行破碎、筛分和冷却，最后将冷却后的烧结矿整粒为成品输出26。3.1.2 烧结烟气的特点（1）由于漏风率较

25、高，空气不能完全通过烧结料层，所以产生的烟气量较大；（2）烟气温度随具体生产情况的变化范围较大，一般在80-150的范围内波动，有时最高可达200；（3）烟气携带的粉尘量较大，且粒径较大，一般经过电除尘器除尘后，可将粉尘浓度降到100mg/Nm3以下；（4）含铁粉状物和溶剂、燃料混合之后必须加适量的水制成较大颗粒，所以烟气水分含量较高（一般在8%-12%之间，甚至高达15%），露点温度较高（一般在65-80之间）；（5）烟气中含有腐蚀性气体，烧结过程中会产生硫氧化物和氮氧化物，此外，烟气中还含有部分氯化氢、氟化氢等有害气体；（6）烟气中含有重金属污染物、二噁英等污染物，目前钢铁行业的二噁英排放

26、量仅次于垃圾焚烧行业；（7）烧结烟气含氧量较高，一般为10%-18%，大大高于锅炉烟气的含氧量；（8）由于铁矿原料和燃料的不同，二氧化硫和氮氧化物浓度也不同，二氧化硫浓度一般在300-800mg/Nm3范围，最高可达2000-4000mg/Nm3。氮氧化物浓度一般在150-350mg/Nm3，最高可达500mg/Nm326,27。因为烧结工艺和原料配备比例的不确定性，导致烟气流量较大且烟气成分杂多，再加上尾部烟气温度较低且变化范围大，烧结过程会产生多种污染物，这些特点都增加了烧结烟气的处理难度。3.1.3 烧结烟气工况参数表3-1为某钢铁厂烧结烟气SCR设计的具体参数，此钢铁厂烧结机烧结面积3

27、87m2，烧结矿产量11610t/d，烧结烟气中含有二氧化硫、氮氧化物、二噁英、重金属及粉尘等污染物28。表3-1某钢铁厂烟气污染物排放参数项目单位数值备注处理烟气量Nm3/h658800烟气量为标况湿基值年运行时间h7920年运行330天烟气温度140烧结机出口烟气温度氮氧化物入口浓度mg/Nm345015%O2，干基氮氧化物出口浓度mg/Nm3设计为100国家标准200mg/Nm3二氧化硫入口浓度mg/Nm330015%O2，干基烟气氧含量Vol%10干基烟气水含量Vol%12.83.2 SCR脱硝系统设计计算3.2.1工艺方案及流程确定钢铁厂烧结烟气经过电除尘装置进行除尘、干法脱硫塔脱硫

28、之后，进入SCR脱硝系统，在SCR反应器催化剂表面与还原剂反应实现氮氧化物的去除，脱硝的同时可以脱除烟气中的二噁英，最后烟气从烟囱排出。采用液氨法进行喷氨，稀释空气与氨的混合比约为201，在稀释罐中进行稀释，混合后输入氨的喷射网格。催化剂反应器采用立式反应器，装填蜂窝式催化剂，催化剂采用高钒含量的V2O5/TiO2催化剂，这种催化剂在低温条件下有较高的活性，可以达到所需要的脱硝效率。图3-1和图3-2为其流程图。图3-1工艺方案流程图图3-2 SCR流程图3.2.2 SCR反应器的物料衡算钢铁厂烧结烟气中含有的氮氧化物主要为一氧化氮，所以本设计采用一氧化氮的质量分数来进行计算，其反应方程式为4

29、NH3+4NO+O24N2+6H2O。（1）对烟气中各个成分的浓度进行单位换算一氧化氮入口浓度为450mg/Nm3，即336ppm，为一氧化氮出口浓度为100mg/Nm3，即74.67ppm，为烟气含氧量为10vol%，换算为烟气含水量为12.8vol%，换算为（2）计算脱硝效率和参加反应的NO浓度VNO,in=65880033610-6=221m3/hVNO,out=65880074.6710-6=49.2m3/hVNO,反应=221-49.2 =171.8m3/h脱硝效率最小应该为参与反应的NO浓度为1.510-5-3.3310-6=1.16710-6mol/m3。（3）氨量计算氨逃逸率设

30、为10ppm6。根据4NH3+4NO+O24N2+6H2O，可知参与反应的氨为171.8m3/h反应的氨量应为171.8+6.588m3/h=178.388m3/h所以喷氨量应为178.388m3/h。（4）计算反应过程中O2、N2、H2O的浓度增加量N2out=1.16710-6mol/m3H2Oout=H2Oin+H2O生成=5.7110-3+1.16710-61.5=5.7110-3mol/m3稀释风量估算根据经验，在计算氨与空气的稀释比例时，通常氨的含量小于5%30。其计算公式如下：Vair标况下空气稀释比率，m3/h；标况下氨流量，m3/h；所以稀释空气的速率为3389.372m3/

31、h。3.2.3 SCR脱硝反应器设计计算（1）催化剂截面尺寸式中：Ac催化剂横截面积，m2； Qf烟气量，m3/h； v流经催化剂的面速度，在实际工程中面速度一般为5m/s29。所以催化剂截面尺寸为36.6m2。（2）反应器截面积由于催化剂存在模块间隙，催化剂与反应器壁面间存在间隙，所以，SCR反应器的截面积通常比催化剂截面积大15%左右6。AR=1.15AC=36.61.15=42.09m2所以反应器截面积为42.09m2。假设反应器底面是正方形，则其边长为6.488m。塔体表面附有100mm保温层，塔体采用不锈钢材料25。（3）SCR反应器的高度HR=n总（c1+HC）+c2=3（1+1）

32、+2=8m式中：n总催化剂总层数； c1支撑结构、催化剂安装空间高度，取1m29； h催化剂额定高度，取1m； c2整流层高度及其安装空间高度，取2m29。 所以SCR反应器的高度为8m。（4）塔长、宽的计算为了方便之后的安装调试，一般在反应器的两个方向各留0.5m的距离。L=W=6.488+0.5=6.988m7m式中：L塔的长，m；W塔的宽，m。所以反应器的长、宽都为7m。（5）塔高的计算H=HR+H1=8+2=10m式中：H1SCR反应器的底座高度，取2m。所以塔高为10m。（6）塔体壁厚的计算塔体外部设有加固圈，采用横向加固方式，如下图3-3所示。图3-3加固圈示意图已知HR=18m，

33、本设计使用五个加固圈，各个加固圈的高度按以下公式计算：H1=0.31HR=0.3110=3.1m；H2=0.21HR=0.2110=2.1m；H3=0.18HR=0.1810=1.8m；H4=0.16HR=0.1610=1.6m；H5=0.14HR=0.1410=1.4m；所以：h1=3.1m； h2=5.2m； h3=7m； h4=8.6m； h5=10m；第一段壁厚：式中：L塔长，m； 1系数，查表得； 材料密度，本设计选用20号钢，7.8kg/mm3； g重力加速度，9.8m/s2；t设计温度下材料的许用应力，20号钢150时的许用应力为130MPa；第i段壁厚按此公式计算：第二段壁厚：

34、第三段壁厚：第四段壁厚：取四段壁厚的最大值0=2=16.95mm，0取整为17mm。最终壁厚=0+C1+C2=23+0.8+4=21.8mm式中：C1钢板负偏差，mm； C2腐蚀裕量，mm；最终取整得=22mm。反应器外形图和剖视图分别为图3-4和图3-5。图3-4 SCR反应器外形图图3-5SCR反应器剖视图3.2.4 SCR脱硝催化剂设计计算（1）催化剂体积式中：VC催化剂体积，m3； Qf烟气流量，m3/h； VSP空间速度，h-1，锰基催化剂最佳空间速度一般在8000-10000h-129，本设计取9000h-1。所以催化剂体积为73.2m3。（2）催化剂高度所以催化剂高度为2m。（3

35、）催化剂层数估算式中：VC催化剂体积，m3；h典型的催化剂额定高度，取为1m6；Ac催化剂横截面积，m2。催化剂层数为2层。（4）催化剂总层数n总=n+n0=2+1=3式中：n估算的催化剂层数； n0将来再次安装时的备用催化剂层数，取值为1。所以催化剂总层数为3层。图3-6为催化剂的尺寸图。图3-6催化剂尺寸图3.2.5 供氨装置设计计算（1）稀释空气管道直径根据公式Vs=R2v式中：VS体积流速，m3/s; R管道半径，m； v流体的线速度，m/s。稀释空气的体积流量Vair=3389.372m3/h=0.9415m3/s线速度所以稀释空气管道的直径为0.245m，可以选取直径为0.25m的

36、管道。（3）氨气的管道直径氨气的体积流量=178.388m3/h=0.0496m3/s所以氨气管道的直径约为56.2mm，可以选取直径为60mm的管道。（4）氨/空气混合器计算设停留时间10s，氨/空气体积流量V混合1=+Vair=0.9911m3/s所以氨/空气混合器直径为0.795m，可以选取直径为0.8m的混合器。（5）烟气管道半径烟气体积流量Qf=658800m3/h=183m3/s烟气管道直径为1.7m。（6）氨/烟气混合器计算设停留时间2s，氨/烟气体积流量V混合2=V混合1+Qf=183.9911m3/s所以氨/烟气混合器直径为2.4m。（7）液氨储罐的选择选型原则：液氨储罐里的

37、液氨要保证足够系统运转一天。V液氨=3.251.631=5.3m3所以液氨储罐应能存储3.25t、5.3m3的液氨，选取直径2米，长度2米，容积为6m3的液氨储罐，原则上应选择两个液氨罐，一个使用，一个备用。3.2.6催化剂选型脱硝效率要达到77.78以上，由于烟气温度较低，根据催化剂的比较，本设计中选择比表面积较大、低温下脱硝效率较高的蜂窝式催化剂作为SCR催化剂。本设计采用高钒含量的V2O5/TiO2催化剂，在100-150温度范围内有80%以上的氮氧化物转化率，高效脱硝的同时可以吸附烟气中的二噁英31。比表面积220m2/g，催化剂单元尺寸为节距20mm，980mm980mm1000mm

38、，每一催化剂层总共7个单元，总催化剂数量为21块。备用催化剂层设置在最上层。3.2.7吹灰器设计由于峰窝式催化剂比较容易积灰，需设置吹灰器，本设计采用声波吹灰器。选择具体使用的声波吹灰器时，我们还要考虑声波吹灰器的横向作用距离和纵向作用距离，并且确保每两个吹灰器之间的作用范围有一定的重叠。3.3本章小结本章分析了烧结烟气的特点，确定了钢铁厂烧结烟气氮氧化物净化系统的SCR工艺流程:烧结烟气进入SCR脱硝系统，在SCR反应器催化剂表面与还原剂反应实现氮氧化物的去除，脱硝的同时可以脱除烟气中的二噁英，然后经过电除尘装置进行除尘、脱硫塔脱硫之后，最后烟气从烟囱排出。对脱硝塔进行设计计算，塔体截面为正

39、方形，长宽高分别为7m、7m、10m。对供氨系统、催化剂尺寸和其他辅助设施进行计算，催化剂采用钒钛基蜂窝状催化剂，催化剂单元尺寸为980mm980mm1000mm，共21个单元，共设置三成催化剂，最上层催化剂备用。供氨系统采用液氨法制氨。结论 本论文进行了工业窑炉低温脱硝系统的设计研究，所得结论如下：烧结烟气流量较大且烟气成分杂多，再加上尾部烟气温度较低且变化范围大，烧结过程会产生多种污染物，导致烧结烟气的处理难度较大。本次设计根据烧结厂的烧结烟气排放情况对SCR系统进行设计计算，得到适用于工业窑炉特点的低温脱硝系统技术方案。分析对比了国内外的催化剂类型，主要有蜂窝状、板式、波纹状和条状催化剂

40、。最终确定催化剂使用高钒含量的V2O5/TiO2催化剂，这种催化剂比表面积较大，能在低温条件下保持较高的活性。催化剂设置三层，两层使用，一层备用，备用催化剂层设置在最上层，催化剂单元尺寸为节距20mm，每个催化剂单元为980mm980mm1000mm，每一催化剂层总共7个单元，总催化剂数量为21块。钢铁厂烧结烟气净化系统工艺流程为：烧结烟气进入SCR脱硝系统，在SCR反应器催化剂表面与还原剂反应实现氮氧化物的去除，脱硝的同时可以脱除烟气中的二噁英，然后经过电除尘装置进行除尘、脱硫塔脱硫之后，最后烟气从烟囱排出。采用液氨法进行喷氨，稀释空气与氨的混合比约为201，在稀释罐中进行稀释，混合后输入氨

41、的喷射网格。本次设计的脱硝系统在低温条件下能够稳定运行。处理过程中不会产生二次污染，整体工艺流程简单，不必使用昂贵的在线仪表，成本较低。该技术设备少，占地小，有利于现场的布置与施工。参考文献1王杰祥.锰基氧化物脱硝催化剂的制备及性能研究D.昆明理工大学,2014.2段浩,黄珊,于恒松.中国脱硝市场发展状况及进入策略J.新材料产业,2013(01):37-42.3乔志强,刘永江,等. SCR烟气脱硝技术及工程应用M.北京:中国电力出版社.2014.4胡和兵,王牧野,吴勇民,何明中,郑建华,郗海东.氮氧化物的污染与治理方法J.环境保护科学,2006(04):5-9.5Shi Y, Xia Y F.

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