一、SNCR工程设计方案
1、SNCR和SCR两种技术方案的选择
1.1.工艺描述
选择性非催化还原Selective Non-Catalytic Reduction,以下简写为SNCR技术是一种成熟的商业性NOx控制处理技术;SNCR方法主要在900～1050℃下,将含氮的化学剂喷入贫燃烟气中,将循环流化床锅炉技术
NO还原,生成氮气和水;而选择性催化还原Selective Catalytic Reduction,SCR,由于使用了催化剂,因此可以在低得多的温度下脱除NOx;两种方法都是利用氮剂对NOx还原的选择性,以有效的避免还原氮剂与贫燃烟气中大量的氧气反应,因此称之为选择性还原方法;两种方法的化学反应原理相同; SNCR在实验室内的试验中可以达到90％以上的NOx脱除率;应用在大型锅炉上,短期示范期间能达到75％的脱硝率,长期现场应用一般能达到30％～50％的NOx脱除率;SNCR技术的工业应用是在20世纪70年代中期日本的一些燃油、燃气电厂开始的,在欧盟国家从80年代末一些
燃煤电厂也开始SNCR技术的工业应用;美国的SNCR技术应用是在90年代初开始的,目前世界上燃煤电厂SNCR工艺的总装机容量在2GW以上;
两种烟气脱硝技术都可以采用氨水、纯氨、或者尿素作为还原剂,工艺上的不同主要体现在两个方面：其一,SCR需要布置昂贵的金属催化剂,SNCR不需要催化剂；其二,SNCR存在所谓的反应温度窗口,一般文献介绍,其最佳反应温度窗口为850~1100℃,但是当采用氨做还原剂且和烟气在良好混合条件下,并且保证一定的停留时间,则在更低的760~950℃范围内也可以进行有效程度的脱硝反应;采用SCR技术的脱硝反应,由于催化剂的存在,则可以在尾部烟道低温区域进行;
SNCR、SCR和SNCR-SCR三种技术性能比较见表2-1;
表2-1 选择性还原脱硝技术性能比较
项目 | SCR | SNCR | SCR-SNCR |
还原剂 | NH3或尿素 | NH3或尿素 | NH3或尿素 |
反应温度 | 250~420℃ | 850~1250℃ | 前段：250~420℃,后段：850~1250℃ |
催化剂 | TiO2,V2O5,WO3 | 不使用催化剂 | 后段加装少量TiO2,V2O5,WO3 |
脱硝效率 | 70~90% | 大型机组为25~40%,小型机组配合LNB、OFA技术可达80% | 40~90% |
反应剂喷射位置 | 多选择省煤器与SCR反应器间的烟道内 | 通常在炉膛内喷射 | 综合SNCR和SCR |
NH3逃逸 | 小于3ppm | 5~10ppm | 小于5ppm |
SO2/SO3氧化 | 会导致SO2/SO3氧化 | 不导致SO2/SO3氧化 | SO2/SO3氧化较SCR低 |
对空气预热器影响 | 催化剂中的V、Mn、Fe等多种金属会对SO2的氧化起催化作用,SO2/SO3氧化率较高, NH3与SO3易形成NH4HSO4而造成堵塞或腐蚀 | 不会因催化剂导致SO2/SO3的氧化,造成堵塞或腐蚀的概率低于SCR和混合SNCR-SCR | SO2/SO3氧化率较SCR低,造成堵塞或腐蚀的概率较SCR低 |
系统压力损失 | 催化剂会造成较大的压力损失 | 没有压力损失 | 催化剂用量较SCR少,产生的压力损失相对较小 |
燃料的影响 | 高灰分会磨耗催化剂,碱金属氧化物会使催化剂钝化 | 无影响 | 与SCR相同 |
锅炉的影响 | 受省煤器出口烟气温度的影响 | 受炉膛内烟气流速、温度分布及NOx分布影响 | 综合SNCR和SCR |
占地空间 | 大需增加大型催化剂反应器和供氨或尿素系统 | 小锅炉无需增加催化剂反应器 | 较小需增加小型催化剂反应器 |
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近年来由于环保需要,中国要求电厂锅炉除了使用低氮燃烧器LNB外,还需进一步安装烟气脱硝装置,目前采用的最佳成效工艺主要有SNCR、SCR 和SNCR/SCR 混合法技术;参照国外整体能源的分配和利用比重以及电厂实际情况来看,和我国较相似的是美国,但是国内的燃煤质量及灰分量仍然是要特别考虑的因素;由于SNCR在小型机组上呈现出的优越性,所以在小型机组上首选SNCR脱硝技术,且进行SNCR改造后,若需再进一步脱硝,具有很大的灵活性,如图2-1所示;
图2-1 SNCR技术所具有的灵活性
SNCR 系统较简单,可以根据机组运行状况灵活处理,不受机组燃料和负荷的变化而受影响;施工周期短,SNCR 对其他系统的维护运行如空气预热器和集尘器 ,都不产生干扰及增加阻力;使用尿素作还原剂,不仅可以而且减少SCR 系统采用“液氨”在使用和运输上的所带来的安全风险;而且,氨区的设计占地远远大于尿素区的设计占地;非常适用于老厂的脱硝改造,若需进一步脱硝,可加装一层SCR催化剂,形成混合SNCR-SCR技术,达到NOx减排要求;
由于国内脱硝技术仍属起步阶段,目前关于SNCR、SCR 和SNCR-SCR 混合法运行资料不甚多,所以需要借鉴国外经验来参考;图2-2所示为SNCR,SCR 和SNCR-SCR 混合法工艺的
的经济比较,表2-2美国NOx工艺选择的经济型分析计算值;
图2-2 一般SNCR,SCR 和SNCR-SCR 混合法工艺的的经济比较
表2-2 美国NOx工艺选择的经济型分析计算值
工艺 | %脱硝率 | %最经济 脱硝率区 | 平均美国总投资美元/KW | 美国总投资US$/KW |
SNCR | 25~40 | 20~35 | 15 | 10~20 |
SCR | 50~85 | 70~80 | 80 | 60~140 |
Hybrid SNCR-SCR | 55~95 | 50~70 | 30~702~4倍 视脱硝率而定 | SNCR<Hybrid<SCR |
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注: 在此区域之外并不是不能达到,而是运行成本会不成比例的大幅度增加;工艺本身的一些弱点会不成比例的放大;包括负面影响锅炉的下游系统,让整体的能耗及经济效益减低许多;
从经济和性能综合分析：
SCR 脱硝装置的成本主要在装置的成本, 运行成本主要在于还原剂和催化剂的消耗和电耗;SNCR 方案其运行费用仅为SCR 工艺的15~30%,是在满足国家排放标准基础上最经济的方案;
SCR 潜在的产能问题最多又大;
SCR-SNCR 混合型是一个综合的方案,它的最大优点在于可以根据排放要求,分期实施;并比SCR 便宜;产能问题大幅减少;
由于CFB锅炉的炉膛出口及旋风分离器进口和出口的烟气温度位于SNCR反应温度窗口内,且分离器中的烟气流场的情况正好有利于喷入的还原剂和烟气的良好混合,故在循环流化床锅炉上宜采用SNCR技术,可达到50%以上的脱硝效率;
1.2.SNCR的优点
与其它脱硝技术相比,SNCR技术具有以下优点：
a)脱硝效果令人满意：SNCR技术应用在大型煤粉锅炉上,长期现场应用一般能够达到30～50％的NOx脱除率,循环流化床的的SNCR技术可取得50%以上的脱硝效率;
b)还原剂多样易得：SNCR技术中脱除NOx的还原剂一般都是含氮的物质,包括氨、尿素、氰尿酸和各种铵盐醋酸铵、碳酸氢铵、氯化铵、草酸铵、柠檬酸铵等;但效果最好,实际应用最广泛的是氨和尿素;
c)无二次污染：SNCR技术是一项清洁的技术,没有任何固体或液体的污染物或副产物生成,无二次污染;
d)经济性好：由于SNCR的反应是靠锅炉内的高温驱动的,不需要昂贵的催化剂系统,因此投资成本和运行成本较低;
e)系统简单、施工时间短：SNCR技术最主要的系统就是还原剂的储存系统和喷射系统,主要设备有储罐、泵、喷和必要的管路、测控设备;由于设备简单,SNCR技术的安装期短,仅需10天左右停炉时间,小修期间即可完成炉膛施工;
f)SNCR技术不需要对锅炉燃烧设备和受热面进行大的改动,也不需要改变锅炉的常规运行方式,对锅炉的主要运行参数也不会有显着影响;
1.3.脱硝效果的主要影响因素
SNCR 方法主要使用含氮的药剂在温度区域870～1200°C 喷入含NO的燃烧产物中,发生还原反应,脱除NO,生成氮气和水,煤粉炉SNCR其概念见图2-3,循环流化床锅炉SNCR其概念图见图2-4;由于在一定温度范围,有氧气的情况下,氮剂对NOx的还原,在所有其他的化学反应中占主导,表现出选择性,因此称之为选择性非催化还原;SNCR在实验室内的试验中可以达到90％以上的NO脱除率;SNCR 应用在大型锅炉上,选择短期示范期间能达到75％的脱硝效率,典型的长期现场应用能达到30％～60％的NOx脱除率;在大型的锅炉大于300MW 发电功率上运行,通常由于混合的限制,脱硝率小于40％;SNCR 技术的工业应用是在20世纪70年代中期日本的一些燃油、燃气电厂开始的,在欧盟国家从80 年代末一些燃煤电厂也开始SNCR 技术的工业应用;
图2-3 煤粉炉SNCR过程还原NOx的概念
图2-4 循环流化床SNCR过程还原NOx的概念
SNCR 相对SCR的初投资低,停工安装期短,原理简单,硬件工艺成熟;
在SNCR 技术设计和应用中,影响脱硝效果的主要因素包括：
a)温度范围；
b)合适的温度范围内可以停留的时间；
c)反应剂和烟气混合的程度；
d)未控制的NOx浓度水平；
e)喷入的反应剂与未控制的NOx的摩尔比－NSR；
f)气氛氧量、一氧化碳浓度的影响；
g)氮剂类型和状态；
h)添加剂的作用；
温度范围的选择
实验表明,SNCR还原NO的反应对于温度条件非常敏感,温度窗口的选择是SNCR还原NO效率高低的关键,图2-5给出了NOx残留浓度与反应温度的关系曲线;
温度窗口取决于烟气组成、烟气速度梯度、炉型结构等系统参数;文献中报道的温度窗口差别很大,下限最低有427℃,上限最高达1150℃,最佳温度差别也很大;一般认为理想的温度范围为700℃～1000℃,温度高,还原剂被氧化成NOx,烟气中的NOx含量不减少反而增加；温度低,反应不充分,造成还原剂流失,对下游设备产生不利的影响甚至造成新的污染;由于炉内的温度分布受到负荷、煤种等多种因素的影响,温度窗口随着锅炉负荷的变化而变动;根据锅炉特性和运行经验,最佳的温度窗口通常出现在折焰角附近的屏式过、再热器处及水平烟道的末级过、再热器所在的区域;
研究发现加入其他的有些添加剂可以使NH3/NO反应的温度窗口向低温方向移动,如图2-6所示;目前报道的添加剂包括氢气,引入的氢气变成OH使得温度窗口朝低温方向移动；过氧化氢；一氧化碳；碳氢化合物如甲烷、甲醇、乙醇、苯酚；钠盐如NaOH、HCOONa、CH3COONa、NaNO3、Na2CO3;
图2-5 NOx残留浓度与反应温度的关系曲线 图2-6 氨中CH4添加量对温度窗口的影响
合适的停留时间
图2-7 停留时间对SNCR脱硝率的影响
还原剂必须和NOx在合适的温度区域内有足够的停留时间,这样才能保证烟气中的NOx还原率;还原剂在最佳温度窗口的停留时间越长,则脱除NOx的效果越好;NH3的停留时间超过1s则可以出现最佳NOx脱除率;尿素和氨水需要的停留时间以达到有效的脱除NOx的效果;图2-7说明了停留时间对SNCR脱硝率的影响;
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