CN105457465B - 一种sncr‑scr联合烟气脱硝***工艺的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种SNCR‑SCR联合烟气脱硝***工艺的设计方法，首先建立SNCR‑SCR联合脱硝工艺的还原剂体积流率计算以及催化剂体积计算的数学模型；然后通过测量仪器测量得到烟气中的NOx的浓度信息、烟气的流量和烟气的温度信息；最后结合测量得到的信息和数学模型计算得出还原剂体积流率和催化剂体积。通过本发明的SNCR‑SCR联合脱硝工艺数学模型，来求解含氨还原剂的体积流率和设计催化剂的体积，能够提高中小型锅炉的脱硝效率，减小SCR催化剂的尺寸，降低催化剂中毒的概率，降低投入成本。

Description

一种SNCR-SCR联合烟气脱硝***工艺的设计方法
技术领域
本发明涉及化工领域，尤其是涉及一种SNCR-SCR联合烟气脱硝***工艺的设计方法。
背景技术
燃煤电厂、危险废物焚烧处理、矿物质冶炼过程中排放的烟气中含有大量的氮氧化物(NOx)，氮氧化物在一定条件下可以氨气发生化学反应，生成对环境无污染的氮气和水。SNCR和SCR技术都是采用氨或尿素等作还原剂，将其水溶液利用喷嘴喷入烟气中，与烟气中的氮氧化物发生选择性还原反应，产物是不污染环境的氮气和水。两种技术的反应温度不同，根据Muzio、Miller等学者的研究，SNCR不使用催化剂，反应窗在1000℃左右，然而SCR因为有催化剂的参与，将反应窗温度降低到了240℃～380℃，并提高了反应效率。
采用单一的SNCR工艺，其安装成本较低，其特点是存在氨逃逸的问题，脱硝效率越高氨逃逸的问题越显著，将氨逃逸控制在10ppm以下时，脱硝效率往往不超过40％，适用于中小型锅炉或排放要求不高的地区的烟气脱硝处理。而SCR工艺在脱硝效率达到90％的同时还可以将氨逃逸率控制在3ppm以下，缺点是安装成本高，结构较为复杂，多种因素可能会导致催化剂中毒，影响脱硝工作的进行，普遍使用于大型锅炉脱硝处理。
SNCR-SCR联合脱硝工艺并非直接将SNCR与SCR工艺组合，尽管也是通过串联的形式连接而成，但是其工作机理和直接串联是有区别的。它是将SNCR技术投入成本少、SCR技术效率高的优点集中在一起进而发展出来的一种新型烟气脱硝工艺。提高SNCR部分的还原剂流率，提高SNCR工艺的脱硝效率。经SNCR工艺初步处理后的烟气氮氧化物浓度显著降低，减少了SCR反应器的压力，可以适当减小催化剂的尺寸，降低催化剂堵塞、中毒的概率，降低因催化剂更换的成本。逃逸的氨在SCR反应器的催化剂表面与氮氧化物发生化学反应，将氮氧化物的浓度降低到限排标准，同时达到控制氨逃逸的目的。
发明内容
本发明目的在于提供一种SNCR-SCR联合烟气脱硝***工艺的设计方法，用以提高中小型锅炉的脱硝效率，同时减小SCR催化剂的尺寸，降低催化剂中毒的概率，降低投入成本。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本方案所涉及的烟气脱硝装置包括SNCR反应区和SCR反应区，SNCR反应区设置在锅炉炉膛内，反应温度在875-1150℃之间，安装有喷枪组，喷枪的雾化喷嘴的位置与炉膛的水冷壁等高。还原剂选用的含氨溶液可以为液氨、氨水、尿素溶液。SCR反应区设置在锅炉烟道内，内部包括催化剂层。
本发明提供的一种SNCR-SCR联合烟气脱硝***工艺的设计方法，包括如下步骤：
(1)建立SNCR-SCR联合脱硝工艺的还原剂体积流率计算以及催化剂体积计算的数学模型；
(2)通过测量仪器测量得到烟气中的NOx的浓度信息、烟气的流量和烟气的温度信息；
(3)结合测量得到的信息和数学模型计算得出还原剂体积流率和催化剂体积；
所述数学模型中，还原剂体积流率υ的计算公式为：
其中，ρ为还原剂溶液的密度，M为还原剂的摩尔质量，MNOx为烟气中NOx的平均摩尔质量，q为锅炉的烟气量，ηNOx为NOx的去除率，NOxin为烟气中的NOx的浓度，ASR为还原剂与NOx的实际化学当量比；
所述数学模型中，催化剂体积Vcatalyst的计算公式为：
Vcatalyst＝α×qSCR×ηadj×slipadj×NOxadj×Tadj÷nSCR
其中，α为调整系数，经验取值范围为2.5≤α≤3.0，也可根据实验数据拟合得到具体数值，qSCR为SCR反应器中烟气量，ηadj为调整脱硝效率，slipadj为调整氨逃逸率，NOxadj为调整NOx浓度，Tadj为调整温度，nSCR为SCR反应器数量。
作为优选，所述还原剂与NOx的实际化学当量比ASR＝βNSR，NSR为还原剂与NOx的化学当量比，β为经验参数，1≤β≤3。
作为优选，所述调整脱硝效率ηadj为ηadj＝0.2809+(1.058×ηNOx)；所述调整氨逃逸率slipadj为slipadj＝1.2835-(0.0568×slip)，其中slip为理论氨逃逸率slip＝ASR-0.8；所述调整NOx浓度NOxadj为NOxadj＝0.1542+(0.3208×NOxin)；所述调整温度为Tadj＝15.16-(0.03937×T)+(2.74×10-5×T2)，T为入口处烟气温度，单位为°F。
作为优选，所述SCR反应器数量的计算公式为：qfluegas为烟气的流动速率，通过流量计测得，或根据公式计算得到，qquel为燃料体积流量，T为入口处烟气温度，n'SCR为反应器预设个数。
有益效果：本发明通过建立合理的“SNCR-SCR联合脱硝工艺”数学模型，来求解含氨还原剂的体积流率和设计催化剂的体积，能够提高中小型锅炉的脱硝效率，减小SCR催化剂的尺寸，降低催化剂中毒的概率，降低投入成本。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明实施例公开的一种SNCR-SCR联合烟气脱硝***工艺的设计方法，主要包含SNCR和SCR反应两个部分的工艺参数设计，分别在SNCR部分建立求解还原剂体积流率的数学模型，通过计算获得还原剂体积流率的理论值；在SCR部分，计算催化剂体积的理论值。为SNCR-SCR联合烟气脱硝***的设计，提供理论依据和参考。
如图1所示，本发明的工艺设计方法主要包括：首先，建立SNCR-SCR联合脱硝工艺的还原剂体积流率计算以及催化剂体积计算的数学模型；然后通过测量仪器测量得到烟气中的NOx的浓度信息、烟气的流量和烟气的温度信息；最后结合测量得到的信息和数学模型计算得出还原剂体积流率和催化剂体积。
一、SNCR还原剂的体积流率设计
还原剂的体积流率υ(g/h)：
式中：ρ—还原剂溶液的密度，g/L；(密度可由密度计直接测量得到)
m—还原剂喷入量，g/h。
还原剂喷入量m：
式中：M—还原剂的摩尔质量，kg/mol；
MNOx—NOx的平均摩尔质量，kg/mol；(使用氮氧化物分析仪，得到结果根据烟气中NO、NO2等的含量进行估算)
q—锅炉的烟气量；单位Nm3/h。(烟气流量计测量可得)
—NOx的去除率；
NOxin—烟气中的NOx的浓度，mg/m3；(氮氧化物分析仪可得)
ASR—还原剂与NOx的实际化学当量比。
NOx去除率的计算
式中：NOxin—烟气中的NOx的浓度，mg/m3；
NOxout—排放烟气中的NOx的浓度，mg/m3；(氮氧化物分析仪可得)还原剂与NOx的实际化学当量比ASR：
ASR＝βNSR (4)
β为经验参数，取值(1～3)，可根据还原剂的类型、喷枪位置调整
还原剂与NOx的化学当量比NSR
利用公式(3)(4)(5)，可以计算得到ASR，再将氮氧化物分析仪、烟气流量计和密度计测得的数据代入公式(2)，即可得到还原剂的体积流率υ。
二、SCR催化剂的尺寸设计
(1)催化剂体积Vcatalyst(m3)
Vcatalyst＝2.81×qSCR×ηadj×slipadj×NOxadj×Tadj÷nSCR (6)
式中：α—调整系数，本实施例中根据实验数据拟合取值2.81，根据不同的采样数据点可能得到的取值不同，通常范围在2.5～3.0之间。
qSCR—SCR反应器中烟气量，m3/h；
ηadj—调整脱硝效率，ηadj＝0.2809+(1.058×ηNOx)；(ηNOx由公式3计算可得)slipadj—调整氨逃逸率，slip＝1.2835-(0.0568×slip)；理论氨逃逸率Slip＝(ASR-0.8)
NOxadj—调整NOx浓度，mg/Nm3，NOxadj＝0.1542+(0.3208×NOxin)；
Tadj—调整温度，Tadj＝15.16-(0.03937×T)+(2.74×10-5×T2)
上述调整参数的计算公式中的具体数值为能够达到较优计算效果的经验值，可根据多组实现数据拟合计算得出，实际应用中，具体数值也可适当调整。
nSCR—反应器数量
烟气流动率
式中：qfluegas—烟气的流动速率，ft3/min(1ft3＝0.028m3)；(可用流量计测得)
qquel—燃料体积流量，ft3/min；(通过进料控制得到)
T—入口处烟气温度，(温度测量仪得到)
n'SCR—反应器预设个数(一般为1～3个)。
将各个参数代入公式(6)即可得到所求催化剂的体积。
下面以某烟气量大约为2x105Nm3/h的燃煤锅炉烟气脱硝改造工程为例，说明本发明数学模型在实际工程设计中的应用效果。该工程中煤种选用褐煤，选用比表面积大的TiO2为载体，V2O5为活性成分的平板式催化剂。还原剂采用尿素溶液。
烟气排放执行标准：火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011
锅炉大气污染物排放标准GB13271-2014
设计初始参数如表1所示，
表1设计初始参数
根据本发明实施例中建立的数学模型，和测得的数据参数进行计算，可以得到还原剂体积流率为718.56L/h，催化剂的体积为17.2m3，与实际运行的工程实例数据一致。因此本发明的数学模型对工程实际的设计具备理论计算和参考的作用。

Claims (1)

1.一种SNCR-SCR联合烟气脱硝***工艺的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立SNCR-SCR联合脱硝工艺的还原剂体积流率计算以及催化剂体积计算的数学模型；
(2)通过测量仪器测量得到烟气中的NOx的浓度信息、烟气的流量和烟气的温度信息；
(3)结合测量得到的信息和数学模型计算得出还原剂体积流率和催化剂体积；
所述数学模型中，还原剂体积流率υ的计算公式为：
其中，ρ为还原剂溶液的密度，M为还原剂的摩尔质量，MNOx为烟气中NOx的平均摩尔质量，q为锅炉的烟气量，ηNOx为NOx的去除率，NOxin为烟气中的NOx的浓度，ASR为还原剂与NOx的实际化学当量比；
所述数学模型中，催化剂体积Vcatalyst的计算公式为：
Vcatalyst＝α×qSCR×ηadj×slipadj×NOxadj×Tadj÷nSCR
其中，α为调整系数，2.5≤α≤3.0，qSCR为SCR反应器中烟气量，ηadj为调整脱硝效率，slipadj为调整氨逃逸率，NOxadj为调整NOx浓度，Tadj为调整温度，nSCR为SCR反应器数量；
所述还原剂与NOx的实际化学当量比ASR＝βNSR，NSR为还原剂与NOx的化学当量比，β为经验参数，1≤β≤3；
所述调整脱硝效率ηadj为ηadj＝0.2809+(1.058×ηNOx)；所述调整氨逃逸率slipadj为slipadj＝1.2835-(0.0568×slip)，其中slip为理论氨逃逸率slip＝ASR-0.8；所述调整NOx浓度NOxadj为NOxadj＝0.1542+(0.3208×NOxin)；所述调整温度为Tadj＝15.16-(0.03937×T)+(2.74×10-5×T2)，T为入口处烟气温 度，单位为°F；
所述SCR反应器数量的计算公式为：qfluegas为烟气的流动速率，通过流量计测得，或根据公式计算得到，qquel为燃料体积流量，T为入口处烟气温度，n'SCR为反应器预设个数。
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