氨選擇性催化還原處理硝酸廠尾氣的設計課程設計

1、攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文）氨選擇性催化還原處理硝酸廠尾氣的設計學生姓名： 顏 溧 學生學號： 200710903040 院（系）： 生物與化學工程學院 年級專業(yè)： 環(huán)境工程 指導教師： 伍斌 講師 二一一年六月摘 要nox的排放對我國的環(huán)境造成越來越大的危害，而選擇性催化還原是使用最廣泛，技術(shù)最成熟的脫硝技術(shù)。故本設計根據(jù)硝酸廠排放尾氣的特性，采用氨選擇性催化還原法進行處理，以4臺scr反應器進行脫硝處理，并用4臺換熱器進行熱量交換，按每臺機組處理量為11560nm3/h進行計算。首先確定出整個脫硝過程的工藝流程，并以基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)和每小時尾氣量為依據(jù)，通過物料衡算和熱量衡算對設備進行設計計

2、算，得出scr反應器內(nèi)徑為1000mm，催化劑床層高1500mm；換熱器內(nèi)徑1000mm，有240根直徑38mm長2800mm的換熱管；開工燃燒爐直徑600mm，高1200mm。同時本設計計算得出設備的成本費用為16.19萬元以及每噸nox的處理費用為1.73萬元/t。通過對整個流程的把握及各設備的計算選型，最后得出流程圖、scr反應器設備圖、換熱器設備圖及處理廠平面布置圖。 關(guān)鍵詞 選擇性催化還原，換熱器，開工燃燒爐，反應器abstractit is great harmful for the environment by the emission of nox，while selectiv

3、e catalytic reduction is the most widely used and the most mature denitration technology.so the design used the ammonia selective catalytic reduction processing by four scr reactor for denitration processing and four heat exchanger according to the characteristics of nitric acid tail gas that factor

4、y discharged，and each unit had the capacity for 11560nm3/h.the whole denitration process with the technological process had been identified first，then sizes of each equipment had been caculated through either the material balance or heat balance on the basis of the primary data and the quantity of t

5、he exhaust gas per hour with the result of that：the diameter of the scr reactor which has 1500mm height of catalyst betd was 1000mm；the diameter of the heat exchanger was 1000mm and 240 heat exchange tubes was 2800mm length with the diameter for 38mm；the diameter of the commencement furnace was 600m

6、m and the height was 1200mm.meanwhile the cost of construction was 16.19 million yuan and the operation expenses was 1.73 million yuan per ton of nox.through holding the whole process and the calculation of the equipment，the graph paper of flowcharts、scr reactor equipment、the heat exchanger equipmen

7、t and plant layout had been draw out finally.keywords selective catalytic reduction，heat exchanger，commencement furnace，the reactor目 錄摘 要iabstractii1緒 論11.1煙氣脫硝研究現(xiàn)狀11.2scr脫硝反應機理研究31.3scr脫硝的動力學研究41.4影響scr法脫硝率的因素51.4.1催化劑特性對工藝的影響51.4.2scr反應器入口煙氣參數(shù)對工藝的影響71.4.3scr反應器結(jié)構(gòu)設計對工藝的影響81.5氨法scr反應器的布置方案81.5.1高粉塵布

8、置的scr工藝及其特點91.5.2低粉塵布置的scr工藝及其特點91.5.3末端布置的scr工藝及其特點101.6本設計的設計目的及意義112工藝流程設計122.1設計任務書122.2設計依據(jù)122.2.1尾氣的性質(zhì)122.2.2當?shù)貧夂驐l件122.2.3本設計所采用的物化常數(shù)122.2.4相關(guān)環(huán)境法律法規(guī)132.2.5設計原則及范圍132.3scr脫硝工藝方案設計142.3.1工藝流程的選擇142.3.2催化劑的選擇152.3.3還原劑的選擇及配置163主要設備設計計算193.1scr反應器193.1.1scr反應器的物料衡算193.1.2scr反應器的熱量衡算213.1.3scr反應器的尺

9、寸243.2換熱器263.2.1流程的確定及計算條件263.2.2換熱器的熱量衡算263.2.3物性參數(shù)的計算283.2.4換熱器的尺寸333.2.5換熱器核算393.3開工燃燒爐443.3.1混合熱氣流溫度的確定443.3.2混合氣流量的估算443.3.3開工燃燒爐的物料衡算483.3.4開工燃燒爐的尺寸504經(jīng)濟費用概預算544.1占地面積544.2工作制度及人員編制544.3運行費用計算544.4成本費用計算544.4.1各設備的用鋼重量計算554.4.2鋼材成本費用計算584.4.3其他費用584.4.4設備總成本費用594.5小結(jié)595結(jié) 論60參考文獻61致 謝63附工程圖紙1 緒

10、 論世界環(huán)境污染日趨嚴重，尤其對一次能源消費以燃煤為主的中國來說更加明顯。據(jù)有關(guān)部門發(fā)布的資料顯示1，到2004年為止，全國氮氧化物排放總量達到1600萬噸左右，如不趕緊采取措施，到2020年nox排放量為3500萬噸。nox不僅是酸雨形成的主要原因，而且可與碳氫化物等反應形成光化學煙霧，同時其對動植物生長還有很多負面影響。在我國nox的排放中，燃煤電站鍋爐排放nox占了相當大的比重，它所造成的大氣污染已成為制約我國國民經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的一個重要影響因素。有研究院資料表明2，如果繼續(xù)不加強對煙氣中氮氧化物的治理，氮氧化物的總量和在大氣污染物中的比重都將上升，并有可能取代二氧化硫成為大氣中的

11、主要污染物。因此對燃煤電站鍋爐氣中nox的排放進行控制已成為非常緊迫的任務。世界各國對燃煤電廠煙氣、汽車尾氣中的nox含量制定了嚴格的排放標準。越來越多的nox排放控制技術(shù)被應用于燃煤電廠的煙氣處理工藝中。1.1 煙氣脫硝研究現(xiàn)狀(1)nox的種類及形成氮氧化物(nox)是鍋爐排放氣體中的有害物之一。nox有6種不同形式：一氧化二氮(n2o)、氧化氮(no)、二氧化氮(no2)、三氧化二氮(n2o3)、四氧化二氮(n2o4)和五氧化二氮(n2o5)，其中no和no2是重要的大氣污染物。生成nox的途徑有三個3：熱力型nox：它是空氣中氮氣在高溫下氧化而生成的nox；燃料型nox：它是燃料中含有

12、的氮化合物在燃燒過程中熱分解而又接著氧化生成的nox；快速型nox：它是燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團等反應生成的nox。而煤粉燃燒進程中nox的形成主要取決于燃燒三要素(三“t”原理)，即溫度(temperature)，時間(time)和湍流混合(turbulence)，即nox的形成主要取決于燃燒火焰溫度、燃料/空氣混合物在爐內(nèi)高溫火焰區(qū)的停留時間，以及燃料氮含量與過量空氣量(氧分壓)等。(2)nox的治理技術(shù)世界各國開發(fā)的燃煤煙氣治理技術(shù)種類比較多，按脫除機理不同，主要分成兩大類，即等離子體過程治理技術(shù)4和傳統(tǒng)煙氣治理技術(shù)。等離子體過程煙氣nox脫除技術(shù)的核心是通過適當?shù)姆绞疆a(chǎn)生等

13、離子體，依靠等離子體內(nèi)部的微觀物理化學過程脫除nox。傳統(tǒng)煙氣治理技術(shù)中應用較多的有：低nox燃燒技術(shù)、選擇性非催化還原法(sncr) 、選擇性催化還原法(scr)等。低nox燃燒技術(shù)5是指通過燃燒降低nox的生成量的技術(shù)，其主要途徑有：選用氮含量較低的燃料，包括燃料脫氮；降低過量空氣系數(shù)，阻止過濃燃燒，來降低燃料周圍氧濃度，即降低過量空氣燃燒；在適宜的過量空氣條件下，降低溫度峰值，以減少熱力nox生成；在氧濃度較低的情況下，增加可燃物在火焰前部和反應區(qū)中的停留時間。選擇性非催化還原技術(shù)是指在不使用催化劑的情況下，在爐膛煙氣溫度適宜處(8501050)噴入氨或尿素等含氨基的還原劑，將煙氣中的n

14、ox還原為n2和h2o。sncr技術(shù)的脫硝率中等，但sncr法不需要催化劑，運行費用較低，建設周期短，適合于中小型鍋爐的改造6。圖1.1scr反應原理簡圖選擇性催化還原法(scr)的發(fā)明權(quán)屬于美國，而日本率先于20世紀70年代實現(xiàn)商業(yè)化應用7。目前該技術(shù)在發(fā)達國家已經(jīng)廣泛的應用。日本有93%以上的廢氣脫硝采用scr，運行裝置超過300套。美國政府也將scr技術(shù)作為主要的電廠控制nox的主要技術(shù)。德國于20世紀80年代引進該技術(shù)，并規(guī)定發(fā)電量50mw以上的電廠必須配備scr裝置。臺灣有100套以上的scr裝置在運行。大慶石化總廠化肥廠、川化集團公司、北京燕山石化公司合成橡膠廠和福建漳州電廠等也從

15、國外引進了scr裝置8。其原理是在催化劑存在的條件下，采用氨、co或碳氫化合物等作為還原劑，將煙氣中的no還原為n2。原理如圖1.1，選擇性催化劑脫硝法，脫硝裝置結(jié)構(gòu)簡單、無副產(chǎn)品、運行方便、可靠性高、脫硝效率高，可以用來處理大量煙氣，脫硝率可達90%以上，但scr法也存在一些問題9：未反應的氨排出系統(tǒng)造成二次污染；燃用高硫煤時，煙氣中的部分so2被氧化生成so3，so3與nh3進一步反應生成的氨鹽會造成催化劑中毒或堵塞；飛灰中的重金屬(主要是as)或堿性氧化物(主要有mgo、cao、na2o、k2o等)的存在會使催化劑中毒或活性顯著降低；過量的nh3可能會和o2反應生成n2o，盡管n2o對人

16、體無害，但近來的研究表明，n2o是導致溫室效應的氣體之一。這些問題還有待進一步的改進。1.2 scr脫硝反應機理研究20世紀80年代以來，很多研究者對釩基催化劑的scr反應機理進行了研究，取得了重要的成果。目前主要存在兩種不同的觀點10：一種觀點認為scr催化反應遵從langmuir-hinshelwood機理，反應物通過在催化劑表面相鄰的活性中心上吸附結(jié)合。另一種觀點認為反應遵從eley-ridal機理，也是目前比較公認的氨法scr工藝的反應機理，即多相反應中吸附在活性中心上的一種反應物和氣相中的另一種反應物結(jié)合，而不是在相鄰活性中心結(jié)合。murakami等11對純v2o5的de-nox反應

17、進行了研究，認為反應按照er機理進行。氨吸附在brnsted酸性中心形成銨離子，遵從er機理與氣態(tài)no反應生成n2、h2o及飽和酸性中心，飽和酸性中心再與o2反應還原為brnsted酸性中心和h2o。nh3被快速強烈的化學吸附在催化劑表面上，反應速度與no的分壓成正比。ramis等12提出了“酰胺-氮化酰胺”原理，認為nh3吸附在lewis酸位從而活化后生成酰胺物種，同時導致催化劑活性點的減少。酰胺物種繼而與氣相no通過基團耦合生成中間產(chǎn)物亞硝胺，此中間產(chǎn)物極易分解成n2和h2o，反應過的催化劑與o2進行反應再生。這一機理主要基于ftir研究獲得的，但與公認的反應機理特征并不符合，如圖1.2所

18、示：圖1.2ramis提出的機理最近，topsoe等13采用在線ftir分析的方法得出了反應機理模型，如圖1.3。該模型認為催化劑的活性與nh3吸附的brnsted酸位v5+-oh有關(guān)，v5+=oh亦與吸附的氨的活性有關(guān)。nh3在brnsted酸中心上吸附并通過相鄰的v5+=oh基團得到活化，隨后被還原成v4+-oh。一旦nh3被活化，煙氣中的no即與這進行反應生成中間產(chǎn)物，中間產(chǎn)物最終分解成n2和h2o。通過與煙氣中的o2反應將v4+-oh氧化為v5+=o而再生。值得指出的是，這一機理可以看作是ramis等14機理的改進，不同的是nh3吸附位是brnsted酸位，而非lewis酸位。圖1.3

19、topsoe提出的機理1.3 scr脫硝的動力學研究scr煙氣脫硝反應是一種氣固非均相催化反應，以蜂窩狀催化劑為例，當混有nh3的氣體從催化劑孔道通過時，其反應步驟是15：反應組分(no、nh3)從孔道內(nèi)氣體主流向孔道壁面擴散；反應組分在催化劑壁的微孔內(nèi)擴散；反應組分在催化劑固體上吸附；反應組分在催化劑固體上發(fā)生化學反應；反應生成物(n2和h2o)從催化劑固體上解吸；反應生成物在催化劑壁的微孔內(nèi)擴散；反應生成物從催化劑壁面向孔道內(nèi)氣體主流擴散。其中，步驟、稱為外傳質(zhì)過程，步驟、稱為內(nèi)傳質(zhì)過程，步驟統(tǒng)稱為表面化學反應過程。外部傳質(zhì)：氣體在催化劑孔道內(nèi)主流中的擴散符合fick第一傳質(zhì)定律16：其中

20、：氣體組分i的質(zhì)流密度；氣體組分i的質(zhì)量擴散系數(shù)；為氣體組分i的濃度。質(zhì)量擴散系數(shù)采用fuller-schettler-giddings方程和blanc定律計算17。內(nèi)部傳質(zhì)：氣體組分在催化劑微孔內(nèi)的擴散與微孔孔徑、長度、形狀有關(guān)，催化劑微孔的存在為化學反應提供了大量的內(nèi)表面積，有利于催化反應的進行。催化劑微孔的結(jié)構(gòu)和分布十分復雜，為了便于催化劑內(nèi)部傳質(zhì)的量化處理，仿照fick傳質(zhì)定律，引進有效擴散系數(shù)的概念，其定義式是18：其中：氣體組分i在催化劑內(nèi)部的質(zhì)流密度；氣體組分i的有效擴散系數(shù)；為氣體組分i的濃度。有效擴散系數(shù)可以通過實驗測定，也可采用平行孔模型、串聯(lián)孔模型或隨機孔模型求取，但不同

21、模型得到的數(shù)值相差較大，難以精確計算。對于常用的脫硝催化劑，當氣體溫度為200400時，采用各種模型得到的計算結(jié)果均表明有效擴散系數(shù)處于10-310-2cm2/s的范圍內(nèi)，并隨著溫度的升高而增加。表面反應動力學：對于催化劑表面反應過程，有兩種機理模型，即er模型假設nh3吸附在催化劑上，吸附的nh3與氣體中的nox反應。lh模型假設nh3和nox均吸附在催化劑上，吸附的nh3與吸附的nox進行反應。文獻19研究認為，nh3在催化劑上吸附，nox不在催化劑上吸附，本文采用er機理模型，其表面化學反應動力學議程為19：式中：no的反應速率；化學反應速率系數(shù)；nh3吸附系數(shù)；no和nh3的組分濃度。

22、1.4 影響scr法脫硝率的因素1.4.1 催化劑特性對工藝的影響脫硝催化劑是scr系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，其類型、結(jié)構(gòu)和表面積對脫除nox效果都有很大影響。催化劑的種類有很多，根據(jù)原材料、結(jié)構(gòu)、工作溫度、用途等標準可進行不同的分類20，如鉑系列、鈦系列、釩系列及混合型系列催化劑，金屬載體和陶瓷載體催化劑，高溫型和低溫型催化劑，貴金屬催化劑，金屬氧化物催化劑，分子篩催化劑等。工業(yè)中常用的催化劑主要是v2o5/tio2或v2o5-wo3/tio2，在300400表現(xiàn)出高的no脫除率。為此，選擇性催化還原法(scr)裝置須安裝在空氣預熱器之前和省煤器之后，以利用過程的煙氣溫度。cuo/ac21在以nh

23、3為還原劑的scr反應中，可以達到90%以上的脫硝效率，但銅的氧化物對煙氣中的二氧化硫比較敏感。yo-shikawa等22用瀝青基活性炭纖維負載錳制備的催化劑在低溫下有高的no脫除率，但其活性溫度區(qū)間較窄。singoredjo等23將錳負載在氧化鋁制備的低溫催化劑在150以下有高的氮選擇性，但觀察到有副產(chǎn)物n2o形成，并且由于存在醋酸鹽與氧化鋁載體之間的交互作用使得該催化劑對二氧化硫比較敏感。絲光沸石與分子篩上負載ce催化劑24，不僅得到比較高的脫硝效率，而且可以把沒有反應完全的nh3，轉(zhuǎn)化為 n2，減少了nh3的二次泄漏。還有報道25 acf先經(jīng)濃酸預氧化，然后再負載ceo催化劑，在1202

24、40，負載量10%時no脫除率為85%以上且比較平穩(wěn)，具有較寬的高活性溫度區(qū)間。催化劑的壽命關(guān)系著整個系統(tǒng)的運行費用，而多種因素會導致催化劑的活性降低26。燒結(jié)：長時間暴露于450以上的高溫環(huán)境中可引起催化劑燒結(jié)，導致催化劑中tio2晶形發(fā)生變化，顆粒增大、表面積減小，活性降低。加入wo3可最大限度地減少催化劑的燒結(jié)；堿金屬中毒：如果堿金屬離子(na+、k+等)直接與催化劑接觸，會使催化劑活性逐漸降低。其機理是吸附在催化劑活性位置上的堿金屬離子占據(jù)了催化劑表面酸性位，降低了催化劑活性。因此，在催化劑設計中，應考慮堿金屬對催化劑的影響，增加設計余量；砷中毒：as中毒主要是由煙氣中的氣態(tài)as2o3

25、引起的。擴散進入催化劑內(nèi)部孔道中，并在催化劑的毛細孔中發(fā)生毛細凝結(jié)，或者與催化劑的活性位發(fā)生反應從而引起催化劑活性降低。一般來說，在干法排渣鍋爐中，由于靜電除塵器后的飛灰再循環(huán)，催化劑砷中毒是一個嚴重的問題。因此，在催化劑制備進程中，應采用控制催化劑孔分布的方法使催化劑內(nèi)孔分布均勻，以控制毛細孔分布數(shù)量來減少“毛細冷凝”。另外，可在催化劑中加入moo3，以moo3與氣相as2o3反應來減少as中毒；鈣的影響：飛灰中游離cao與so3反應形成的caso4可吸附在催化劑表面，從而阻止了反應物向催化劑表面擴散并進入催化劑內(nèi)部。催化劑制造商多通過控制催化劑內(nèi)部孔徑分布和采用適當節(jié)距等方法來減少caso

26、4對催化劑的影響；催化劑堵塞：催化劑的堵塞主要是由于銨鹽及飛灰的小顆粒沉積在催化劑小孔中，阻礙nox、nh3、o2到達催化劑活性表面，引起催化劑鈍化?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)氣流分布，選擇合理的催化劑間距和單元空間，并使進入scr反應器煙氣的溫度維持在銨鹽沉積溫度之上，以防止催化劑堵塞。對于高灰段scr工藝，為了確保催化劑通道通暢，應安裝吹灰器；飛灰侵蝕：催化劑的侵蝕，磨損主要是由于飛灰撞擊在催化劑表面造成的。磨損強度與氣流速度、飛灰特性、撞擊角度及催化劑本身特性有關(guān)。降低磨損的措施：一是采用耐腐蝕催化劑材料，對催化劑頂端進行處理從而提高催化劑邊緣硬度；二是利用計算流體動力學流動模型優(yōu)化氣流分布；三是在垂

27、直催化劑床層安裝氣流調(diào)節(jié)裝置等方法來解決。1.4.2 scr反應器入口煙氣參數(shù)對工藝的影響(1)尾氣中o2含量的影響：硝酸尾氣中no的含量約占總nox的80%90%，要處理no必須在有氧的情況下才能完成。在尾氣流量、nox濃度和尾氣溫度給定的情況下，通過改變二次空氣量來調(diào)整尾氣中的氧含量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)o2含量對nox脫除效率有較大影響。尾氣中氧含量越高，對no脫除越有利，但會對酸的生產(chǎn)負荷有影響。因此，最好是維持o2含量在1.5%1.8%。初始運行時，o2含量可提高到達2.0%2.5%。(2)煙氣溫度：scr催化劑對溫度敏感性比較大，當負荷變動過大，低于合適的反應溫度時，將使尾部氨逃逸濃度升高。為

28、了保護尾部煙道不受強粘性、強腐蝕性的硫酸氫銨的影響，也造成氨的二次污染?？偘桃话阋笤诘陀谝欢囟认峦Ｖ箛姲?；冬季時，稀釋的溫度較低，會降低空預器入口的煙氣溫度。特別又在低負荷時，會影響scr的投運可用率，可加裝電暖器加熱稀釋風；煙溫過高，會使催化劑燒結(jié)或使之再結(jié)晶失效；脫硝過程中不同溫度可能發(fā)生以下副反應： (3)煙氣流速：氣體流速較快會使催化劑顆粒表面的層流層變薄，提高擴散性能，但由于流速加快，反應氣與催化劑的接觸時間變短，使得氣固相反應不夠充分，按照scr反應機理，nh3首先吸附到催化劑表面酸性位，然后與氣相中的no反應，該反應為慢反應屬控制步驟。氣體流速增大不利于反應氣在催化劑微孔內(nèi)

29、的擴散、吸附以及反應氣和產(chǎn)物氣的解吸、擴散過程。所以煙氣流速增大，會引起催化劑體積的趨勢，但不十分顯著。(4)nh3/nox摩爾比：氨是還原劑，當沒有氨噴射時nox不會被轉(zhuǎn)化，而nox出口和進口濃度相等。通過增加氨噴射流量來提高反應器進口的nh3/nox比率，從而提高nox脫除效率。理論上該脫除效率可以提高到非常高的比率(99%以上)，但將導致氨的消耗增加。且研究表明27出口的nox含量與出口的氨逸出量成反比，通過增加氨量來降低出口的nox含量必將導致較高的氨逸出。scr氨逃逸會產(chǎn)生較長嚴重的危害：生成硫酸銨鹽造成催化劑與空預器堵塞與腐蝕，煙氣阻力損失增大；fgd廢水及空預器清洗的氨含量增大；

30、飛灰中的nh3化合物含量增大，影響飛灰質(zhì)量；與煙氣中的so3生成硫酸銨鹽(nh4hso4與(nh4)2so4)硫酸銨鹽具有腐蝕性和粘結(jié)性。因此燃煤機組一般將nh3的排放控制在210-6以下，以減少對飛灰資源化利用的影響和減少對后續(xù)裝置的堵塞。燃油燃氣機組scr裝置的氨逃逸濃度可適當放寬到510-628。(5)飛灰濃度：飛灰量高，極易導致堵塞，風機壓損增加；飛灰量高，飛灰所含有毒物質(zhì)量高，對催化劑的毒害機率大大增加；催化劑價格大幅上升。催化劑價格上升由幾個原因構(gòu)成，第一：灰量大，催化劑易腐蝕、堵塞，要解決因灰量造成堵塞和壓降問題，唯一有效的辦法就是增加催化劑的孔徑，孔徑大，同樣的有效催化面積條件

31、下的催化劑總體積隨之增大，這種由于孔徑增大導致的體積增加往往是非常可觀的；第二：灰量大，在吹灰間隔中，大部分的催化劑被灰覆蓋，這樣，為了保證惡劣情況下的脫硝率和氨逃逸率，就必須增加催化劑體積，以保證隨時有足夠的催化劑表面裸露在外面以供吸附nox、nh3；第三：灰量大，催化劑受到?jīng)_刷和腐蝕機率大大增加，煙氣流速也大，對催化劑沖刷也厲害。沖刷腐蝕造成的催化劑失效快，只要增加初始的催化劑體積或加快催化劑的更換速度，才能保證同樣的脫硝率和氨逃逸率；第四：液態(tài)排渣爐的灰粘性更強，堵塞程度更嚴重；積聚的飛灰復燃可能造成催化劑燒結(jié)損失。1.4.3 scr反應器結(jié)構(gòu)設計對工藝的影響scr反應器結(jié)構(gòu)設計因素主要

32、有：煙氣流速、催化劑層數(shù)、導流葉片的設置、噴氨格柵的設計28及空塔速度(sv)等。其中空塔速度是scr的一個關(guān)鍵設計參數(shù)，這是煙氣體積流量(標準狀態(tài)下的濕煙氣)與scr反應塔中催化劑體積的比值，反映了煙氣在scr反應塔內(nèi)的停留時間的大小，它在某種程度上也決定反應物是否完全反應，同時也決定著反應器催化劑骨架的沖刷和煙氣的沿程阻力?？臻g速度大，煙氣在反應器內(nèi)的停留時間短，則反應有可能不完全，這樣氨的逃逸量就大，同時煙氣對催化劑骨架的沖刷也大?？账俣韧ǔＪ歉鶕?jù)scr反應塔的布置、脫硝效率、煙氣溫度、允許的氨逃逸量以及粉塵濃度來確定。對于固態(tài)排渣高灰段布置的scr反應器，空間速度選擇一般為25003

33、500h-129。1.5 氨法scr反應器的布置方案根據(jù)鍋爐煙氣系統(tǒng)和scr脫硝的溫度要求，scr系統(tǒng)通常有3種布置方式：位于空氣預熱器和靜電除塵器之前；位于靜電除塵器之前和空氣預熱器之后；位于空氣預熱器和靜電除塵器之后。目前工程大多采用第1種布置方式。這種方式不需要對煙氣進行再加熱，可減少熱效損失。各工藝的特點如下 3、30：1.5.1 高粉塵布置的scr工藝及其特點高粉塵布置的scr工藝是將scr反應器置于空氣預熱器和靜電除塵器之前，如圖1.4。高粉塵布置的scr工藝的優(yōu)點是：由于反應溫度較高，可選擇的催化劑的種類較多。相對于低粉塵布置和末端布置來說省去了煙氣再熱系統(tǒng)，從而節(jié)省了投資和運行

34、成本。早已完成工業(yè)化運用，并且已有20年的運行經(jīng)驗，是目前火電廠煙氣脫硝廣泛采取的工藝。其缺點是：由于粉塵濃度較高，所以粉塵對催化劑的沖刺和磨損較大。省煤器是與鍋爐本體相連的，對于大型的機組而言，scr反應器的重量是比較大的，所以一般要設置獨立的scr反應器的支撐鋼架，這就涉及到鍋爐的重新調(diào)整和負荷的重新計算的問題。煙氣中含有大量的so2，催化劑可以使部分so2氧化，生成難以處理的so3，并可能與nh3生成腐蝕性更強的硫酸銨鹽物質(zhì)。由于流程較長，容易發(fā)生nh3的泄露，從而生成腐蝕性更強的硫酸銨鹽物質(zhì)，所以容易腐蝕后續(xù)的空氣預熱器和靜電除塵器。圖1.4高粉塵布置的scr工藝流程圖1.5.2 低粉

35、塵布置的scr工藝及其特點低粉塵布置的scr工藝是將scr反應器置于靜電除塵器之前和空氣預熱器之后，如圖1.5。低粉塵布置的scr工藝的優(yōu)點是：鍋爐煙氣經(jīng)過靜電除塵器之后，粉塵濃度較低，可延長催化劑的使用壽命。與鍋爐本體獨立，不影響鍋爐的正常運行。nh3的泄漏量比高粉塵布置方式的泄漏量要少。其缺點是：高粉塵布置一樣，煙氣中含有大量的so2，催化劑可以使部分so2氧化，生成難以處理的so3，并可能與nh3生成腐蝕性更強的硫酸銨鹽物質(zhì)。由于煙氣溫度低(大概在160左右)，可供選擇的催化劑的種類較少。國內(nèi)沒有運用經(jīng)驗，并且國外可供參考的工程實例也較少。圖1.5低粉塵布置的scr工藝流程圖1.5.3

36、末端布置的scr工藝及其特點末端布置的scr工藝是將scr反應器置于靜電除塵器和空氣預熱器之后，如圖1.6圖1.6末端塵布置的scr工藝流程圖末端布置scr工藝的優(yōu)點是：鍋爐煙氣經(jīng)過除塵脫硫后，可以采用更大的煙氣流速和空速，從而使催化劑的消耗量大大的減少。nh3的逃逸量是最少的，并且不會腐蝕構(gòu)筑物(煙囪采用防腐煙囪)。不會產(chǎn)生so3，防止二次污染。其缺點是：一定要設置煙氣再熱系統(tǒng)，增加了投資和運行成本。很難找到符合反應條件的催化劑(已工業(yè)化運用或中試)。1.6 本設計的設計目的及意義氮氧化物(nox)是空氣中的n2和o2在高溫高壓下的反應產(chǎn)物，它能在陽光的作用下產(chǎn)生二次大氣污染光化學煙霧。no

37、x主要是no和no2。no雖然毒性不大，但是高濃度的no會引起神經(jīng)中樞障礙，而且它很容易轉(zhuǎn)化為劇毒的no2。no2是棕色氣體，有特殊的刺激性臭味，被吸入肺后能與肺部的水分結(jié)合成可溶性硝酸，嚴重時會引起肺氣腫。在大氣中的氮氧化合物達到100150ppm的高濃度時，人連續(xù)呼吸3060min便會中毒。隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，工業(yè)化進程的加快及人口的迅猛膨脹，人類賴以生存的地球正承受著越來越沉重的壓力。近幾十年來，各類環(huán)境問題日益突出，已嚴重制約著人類社會的有序發(fā)展，對全球經(jīng)濟發(fā)展乃至人類的生存提出了嚴厲挑戰(zhàn)。因此，正確處理環(huán)境與發(fā)展之間的關(guān)系是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的關(guān)鍵所在。煤炭是儲量最豐富、來源

38、最廣泛、使用最廉價的一種能源，是現(xiàn)今世界各國的主要能源之一。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消耗國，煤燃燒時會產(chǎn)生大量的so2和nox等污染物，對環(huán)境造成嚴重污染。有研究資料表明，如果繼續(xù)不加強對煙氣中氮氧化物的治理，氮氧化物的總量和在大氣污染物中的比重都將上升，并有可能取代二氧化硫成為大氣中的主要污染物。因此對尾氣中nox的排放進行控制已成為非常緊迫的任務。選擇性催化還原法是當前火電廠廣泛采用的煙氣脫硝技術(shù)，尤其是在西歐和日本，也是最為成熟的脫硝技術(shù)。其原理是在催化劑存在的條件下，采用氨、co或碳氫化合物等作為還原劑，將煙氣中的no還原為n2。選擇性催化劑脫硝法，脫硝裝置結(jié)構(gòu)簡單、無副產(chǎn)品、運行

39、方便、可靠性高、脫硝效率高，可以用來處理大量煙氣，脫硝率可達90%以上。通過選擇性催化還原法處理硝酸廠尾氣能有效的控制nox的排放，從而減少硝酸廠尾氣對環(huán)境的影響。2 工藝流程設計2.1 設計任務書某廠采用綜合法生產(chǎn)硝酸，共有4套機組，每套機組的能力為30000t/a。每噸硝酸(按100%計)的尾氣量為3400nm3/h。尾氣組成如表2.1所示。表2.1綜合法生產(chǎn)硝酸產(chǎn)生的尾氣組成成 分nono2o2h2on2合計含量 %0.250.154.00.695100該廠自投產(chǎn)以來，硝酸尾氣不經(jīng)處理直接排放，嚴重污染了當?shù)卮髿猸h(huán)境。選擇性催化還原法是當前采用的煙氣脫硝技術(shù)，也是最為成熟的脫硝技術(shù)。而由

40、于硝酸廠排放的尾氣中不含so和大量粉塵，這對催化劑的影響較小，故用選擇性催化還原處理硝酸廠尾氣是可行的。為改善該廠周圍的大氣環(huán)境質(zhì)量，本設計采用氨選擇性催化還原法處理硝酸尾氣中的nox。2.2 設計依據(jù)2.2.1 尾氣的性質(zhì)(1)尾氣量：每噸硝酸(按100%計)的尾氣量為3400nm3/h。一套30000t/a綜合法硝酸機組每小時產(chǎn)hno3為3.4t，則每套機組每小時的尾氣量為11560nm3/h。(2)尾氣溫度與壓力：尾氣出吸收塔平均溫度為30，經(jīng)兩臺尾氣預熱到140后進入本體設計系統(tǒng)，壓力為2.5kg/cm2(表壓)。(3)尾氣的組成如表2.1所示。2.2.2 當?shù)貧夂驐l件(1)年平均氣溫

41、20(2)年平均相對濕度57%(3)年平均氣壓88370pa2.2.3 本設計所采用的物化常數(shù)(1)熱容方程：cp=a+bt+ct2+dt3查手冊，列出各組分a、b、c、d數(shù)據(jù)如表2.2所示。(2)標態(tài)下氣體的摩爾體積：22.4l/mol(3)絕對溫度：0k=-273.15表2.2氣體摩爾定壓熱容與溫度關(guān)系式中的常數(shù)值分子式分子量狀態(tài)ab102c105d109溫度范圍(k)nh317.03g6.58460.612510.23663-1.59832731500no30.01g7.008-0.022440.2328-1.0002731500no246.01g5.4801.365-0.8411.88

42、02731500o232.00g6.0850.3631-0.17090.31332731800h2o18.016g7.7000.045940.2521-0.85872731800n228.02g6.903-0.037530.1930-0.68612731800co244.01g5.3161.4285-0.83621.7842731800ch416.04g4.7501.2000.3030-2.6302731800c2h630.07g1.6484.124-1.5301.7402731800空氣29.00g6.7130.046970.1147-0.469627318002.2.4 相關(guān)環(huán)境法律法規(guī)本

43、設計中參考相關(guān)的法律法規(guī)如下：(1)大氣環(huán)境質(zhì)量標準 gb3095-1982(2)環(huán)境空氣質(zhì)量標準 gb3095-1996(3)火電廠大氣污染物排放標準 gb13223-1996(4)20092010年全國污染防治工作要點(5)硝酸工業(yè)污染物排放標準 gb26131-20102.2.5 設計原則及范圍(1)設計原則工藝設計一般應遵循技術(shù)先進、安全可靠、質(zhì)量第一、經(jīng)濟合理的原則，本設計中主要包括以下幾項：積極貫徹執(zhí)行國家基本建設的方針政策, 嚴格執(zhí)行國家和項目所在省、市頒布的標準、規(guī)范、規(guī)定，使設計做到切合實際，技術(shù)先進，經(jīng)濟合理，安全適用。重視優(yōu)化設計方案工作，提高設計水平和降低工程投資額；治

44、理工藝要落實可靠，排出物必須符合國家及地方的“三廢”排放標準，并盡可能做到綜合利用；在設計中應當采用能耗小、物耗小，污染物產(chǎn)生量少的清潔生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)工業(yè)污染防治從末端治理向生產(chǎn)全過程控制的轉(zhuǎn)變。設計應當以最小的經(jīng)濟代價實現(xiàn)治理目標。節(jié)能與降耗并重，做好工藝余熱的回收和水的重復利用，提高水的循環(huán)利用率。(2)設計范圍根據(jù)該廠的尾氣排放情況，具體設計內(nèi)容包括：scr反應器主體設備及附屬設備的設計計算，換熱器主體設備及附屬設備的設計計算，開工燃燒爐的設計以及對這些設備的成本費用和運行費用的計算。由于個人的知識水平和能力有限，設計中不包含操作系統(tǒng)和控制系統(tǒng)方面的設計。2.3 scr脫硝工藝方案設計2

45、.3.1 工藝流程的選擇硝酸尾氣處理一般分為兩種工藝，一種是綜合法處理硝酸廠尾氣，即幾套機組的尾氣分別經(jīng)透平機回收能量后，集中在一套scr反應器處理，如圖2.1。由于尾氣經(jīng)透平機回收能量后溫度已從140降至70左右，遠離scr反應器所需的180，因此流程中需設置燃煤爐，在機組運行過程中自始至終都需要燃煤一定量燃料氣，以產(chǎn)生高溫燃氣與尾氣混合，使之達到催化反應所需的溫度。該工藝的優(yōu)點是一次投資小，但因全過程不僅消耗大量燃料氣，而且提供燃煤爐助燃空氣的羅茨風機也必須連續(xù)運轉(zhuǎn)，造成運行費用升高。另一種工藝是單機組綜合法處理硝酸廠尾氣，即各機組的scr系統(tǒng)分別安裝在該機組透平膨脹機之前，為將尾氣溫度從

46、尾氣預熱器出口的140升高到180進入scr反應器，流程中設置了一臺尾氣換熱器和開工鍋爐，在機組正常運行過程中，利用反應器出口的熱凈化氣將尾氣溫度從140升高到180；開工時則用高溫燃氣將尾氣溫度從140加熱到180該工藝因每套機組都需安裝一套scr系統(tǒng)，一次投資較大，但利用催化反應放出的熱量對尾氣加熱，運行費用低，如圖2.2。圖2.1綜合法硝酸尾氣處理工藝 本設計采用單機組尾氣處理工藝，各機組的scr系統(tǒng)分別安裝在該機組透平膨脹機之前，為將尾氣溫度從尾氣預熱器出口的140升高到180進入scr反應器，流程中設置了尾氣換熱器，在機組正常運行過程中，可利用反應器出口的熱凈化氣將尾氣溫度從140加

47、熱到180；為減少投資，開工時則用開工燃燒爐產(chǎn)生的熱凈化氣將尾氣溫度從140加熱到180，反應器正常運行后，停止開工燃燒爐的運行。該廠四套機組可共用一臺開工燃燒爐。這樣，scr系統(tǒng)的一次投資將減少，運行費用低。流程如圖2.2所示：圖2.2單機組綜合法處理工藝2.3.2 催化劑的選擇scr系統(tǒng)中的重要組成部分是催化劑，當前流行的成熟催化劑有蜂窩式、波紋狀和平板式等。平板式催化劑一般是以不銹鋼金屬網(wǎng)格為基材負載上含有活性成份的載體壓制而成，蜂窩式催化劑一般是把載體和活性成份混合物整體擠壓成型；波紋狀催化劑外形如起伏的波紋，從而形成小孔。表2.3國內(nèi)幾種催化劑的性能催化劑型號750148209810

48、848013粒度/mm圓柱578球粒36圓柱4.568球粒56比表面/(m2/g)150150180200孔容/(ml/g)0.40.50.3堆比重/(g/cm3)0.870.970.820.850.9機械強度側(cè)壓68kg/顆 正壓4050kg/顆總壓23kg/顆側(cè)壓8.7kg/顆總壓5.5kg/顆反應溫度范圍/250350230330190220190230反應器進氣溫度/220240210220160190160180nh3/nox摩爾比1.01.41.41.61.01.021.01.02空間速度/h-15000700010000140005000700010000轉(zhuǎn)化率/%9095959

49、5國內(nèi)幾種硝酸尾氣scr催化劑的性能列于表2.3中。根據(jù)對比本設計選擇8013型號作為催化劑，所選催化劑的性能和所采用的數(shù)據(jù)見表2.4表2.4本設計選用8013型催化劑的性能和所采用的數(shù)據(jù)項目中試或生產(chǎn)資料本設計采用數(shù)據(jù)反應溫度范圍/190230180230反應器進氣溫度/160180180nh3/nox摩爾比1.01.021.0空間速度/h-11000010000進氣nox體積分數(shù)/10-64000排氣nox體積分數(shù)/10-6198.9排氣nh3體積分數(shù)/10-6159.2nox轉(zhuǎn)化率/%95952.3.3 還原劑的選擇及配置(1)scr脫硝還原劑的類型及特點(液氨、尿素、氨水)比較見表2.

50、5表2.5不同還原劑性能比較項目液氨氨水尿素反應劑費用便宜較貴最貴運輸費用便宜貴便宜安全生有毒有害無害存儲條件高壓常壓常壓，干態(tài)存儲方式液態(tài)液態(tài)微粒狀初投資費用便宜貴貴運行費用便宜貴，需要高熱量蒸發(fā)蒸餾水和氨貴，需要高熱量水解尿素和蒸發(fā)氨設備安全要求有法律規(guī)定需要基本不需要本設計根據(jù)scr脫硝還原劑的安全性、經(jīng)濟性、技術(shù)成熟性等方面進行考慮，選擇液氨做為還原劑。(2)液氨的管理制度液氨及氣氨儲存與輸送系統(tǒng)，應保持系統(tǒng)有良好的密封性；儲存及輸送區(qū)域內(nèi)不應有火源，所有的管線及相關(guān)設備必須接地，供氨站必須符合消防的規(guī)定；儲存及輸送區(qū)域內(nèi)應遠離能夠產(chǎn)生腐蝕物質(zhì)的地點；供氨站內(nèi)和其他裝有氨氣的設備附近均

51、必須嚴禁煙火，并應設“嚴禁煙火”、“嚴禁放置易燃易爆品”的警示牌，貯氨區(qū)周圍(10m以內(nèi))應設有圍欄，在貯氨區(qū)應備有必要的消防設備、消防器材，圍欄上設置必要數(shù)量的警示牌；液氨存儲溫度不可高于52；存儲區(qū)域應遠離頻繁交通區(qū)域和緊急出口；嚴禁用明火或其他臨近的熱源加熱液氨儲存罐的任何部分；在液氨卸車結(jié)束后，必須保證足夠的吹掃時間，以防止液體殘留在封閉的系統(tǒng)內(nèi)；對輸送管路進行檢修工作前，必須使用氮氣進行吹掃。通過手持式檢漏儀檢測氨氣濃度在允許范圍內(nèi)之后，方可形如工作；氨區(qū)設專人值班，值班人員必須經(jīng)過勞動安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局特種設備培訓合格后上崗；非值班人員進入供氨站，必須經(jīng)過值班人員許可，進入貯氨區(qū)應

52、交出火種，并進行登記；禁止讓與工作無關(guān)人員進入供氨站；禁止在供氨站內(nèi)進行帶火作業(yè)或能產(chǎn)生火花的工作，氨氣系統(tǒng)進行檢修、運行操作時，嚴禁使用可能產(chǎn)生火花的工器具，應使用銅制工器具。工作人員不準穿有釘?shù)男绫仨氃诠┌闭緝?nèi)進行焊接或動火的工作，應事先進行氨量測定，證實工作區(qū)內(nèi)空氣中氨氣含量小于50ppm，并辦理一級明火工作票后方可工作；儲氨設備(包括管道系統(tǒng))進行檢修前，必須將檢修部分與連接部分可靠隔斷，加裝嚴密的堵板，并用氮氣進行置換；控制儲存及充裝時壓力在規(guī)定范圍內(nèi)；儲氨罐最大允許存儲容積為儲氨罐容積的85%，嚴禁超容積進行充裝；儲氨區(qū)設備在運行時，不得進行任何檢修工作，若必須檢修，則需要先停

53、止設備運行，然后根據(jù)有關(guān)規(guī)定進行檢修工作；(3)還原劑的配置液氨由槽車運送到液氨儲罐，液氨儲罐輸出的液氨在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)為氨氣，并將氨氣加熱到常溫后送到氨氣緩沖罐儲存?zhèn)溆?，氨氣緩沖罐的氨氣經(jīng)調(diào)壓閥減壓后通過噴氨格柵的噴嘴噴入煙氣中與煙氣充分混合，再經(jīng)靜態(tài)混合器充分混合后進入催化反應器反應，在一定溫度范圍內(nèi)，在催化劑的作用下，氨氣與nox發(fā)生催化氧化還原反應，將nox還原成n2和h2o，如圖2.3所示。圖2.3脫硝系統(tǒng)配置3 主要設備設計計算通過工藝流程的確定，本設計主要對scr反應器、換熱器、開工燃燒爐及相應的附屬設備進行設計計算。3.1 scr反應器3.1.1 scr反應器的物料衡算本設計采用單層絕熱立式催化反應器，尾氣和nh3混合氣自上部接管進入反應器，凈化氣由下部接管排出，并輔以各種支撐構(gòu)件來滿足承載催化劑、承受荷載和抵抗應力的要求。操作壓力約為2.5kg/cm2(表壓)。根據(jù)如圖3.1進行反應器內(nèi)的物料衡算。圖3.1反應器物料衡算圖(1)進反應器尾氣的各組分體積流量v進 (計算過程均為標況)=115600.25%=28.90nm3/h=1.290kmol/h=115600.15%=17.34nm3/h=0.774kmol/h=115604.0%=462.40nm3/h=20.643kmol/h=115600