氨选择催化还原处理硝酸厂尾气的设计课程设计24276598

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1、攀枝花学院本科毕业设计（论文）氨选择性催化还原处理硝酸厂尾气的设计攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘 要摘 要NOx的排放对我国的环境造成越来越大的危害，而选择性催化还原是使用最广泛，技术最成熟的脱硝技术。故本设计根据硝酸厂排放尾气的特性，采用氨选择性催化还原法进行处理，以4台SCR反应器进行脱硝处理，并用4台换热器进行热量交换，按每台机组处理量为11560Nm3/h进行计算。首先确定出整个脱硝过程的工艺流程，并以基础数据参数和每小时尾气量为依据，通过物料衡算和热量衡算对设备进行设计计算，得出SCR反应器内径为1000mm，催化剂床层高1500mm；换热器内径1000mm，有240根直径38m

2、m长2800mm的换热管；开工燃烧炉直径600mm，高1200mm。同时本设计计算得出设备的成本费用为16.19万元以及每吨NOx的处理费用为1.73万元/t。通过对整个流程的把握及各设备的计算选型，最后得出流程图、SCR反应器设备图、换热器设备图及处理厂平面布置图。 关键词 选择性催化还原，换热器，开工燃烧炉，反应器I攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTIt is great harmful for the environment by the emission of NOx，while selective catalytic reduction is the m

3、ost 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 factory discharged，and each unit had

4、 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 the exhaust gas per hour with t

5、he 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 600mm and the height was 1200mm.Me

6、anwhile 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 equipment and plant layout had been dr

7、aw out finally.Keywords Selective catalytic reduction，heat exchanger，commencement furnace，the reactorII攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目 录目 录摘 要IABSTRACTII1绪 论11.1烟气脱硝研究现状11.2SCR脱硝反应机理研究31.3SCR脱硝的动力学研究41.4影响SCR法脱硝率的因素51.4.1催化剂特性对工艺的影响51.4.2SCR反应器入口烟气参数对工艺的影响71.4.3SCR反应器结构设计对工艺的影响81.5氨法SCR反应器的布置方案81.5.1高粉尘布置的SCR工艺及其

8、特点91.5.2低粉尘布置的SCR工艺及其特点91.5.3末端布置的SCR工艺及其特点101.6本设计的设计目的及意义112工艺流程设计122.1设计任务书122.2设计依据122.2.1尾气的性质122.2.2当地气候条件122.2.3本设计所采用的物化常数122.2.4相关环境法律法规132.2.5设计原则及范围132.3SCR脱硝工艺方案设计142.3.1工艺流程的选择142.3.2催化剂的选择152.3.3还原剂的选择及配置163主要设备设计计算193.1SCR反应器193.1.1SCR反应器的物料衡算193.1.2SCR反应器的热量衡算213.1.3SCR反应器的尺寸243.2换热器

9、263.2.1流程的确定及计算条件263.2.2换热器的热量衡算263.2.3物性参数的计算283.2.4换热器的尺寸333.2.5换热器核算393.3开工燃烧炉443.3.1混合热气流温度的确定443.3.2混合气流量的估算443.3.3开工燃烧炉的物料衡算483.3.4开工燃烧炉的尺寸504经济费用概预算544.1占地面积544.2工作制度及人员编制544.3运行费用计算544.4成本费用计算544.4.1各设备的用钢重量计算554.4.2钢材成本费用计算584.4.3其他费用584.4.4设备总成本费用594.5小结595结 论60参考文献61致 谢63附工程图纸ii攀枝花学院本科毕业设

10、计（论文） 绪 论1 绪 论世界环境污染日趋严重，尤其对一次能源消费以燃煤为主的中国来说更加明显。据有关部门发布的资料显示1，到2004年为止，全国氮氧化物排放总量达到1600万吨左右，如不赶紧采取措施，到2020年NOx排放量为3500万吨。NOx不仅是酸雨形成的主要原因，而且可与碳氢化物等反应形成光化学烟雾，同时其对动植物生长还有很多负面影响。在我国NOx的排放中，燃煤电站锅炉排放NOx占了相当大的比重，它所造成的大气污染已成为制约我国国民经济和社会可持续发展的一个重要影响因素。有研究院资料表明2，如果继续不加强对烟气中氮氧化物的治理，氮氧化物的总量和在大气污染物中的比重都将上升，并有可能

11、取代二氧化硫成为大气中的主要污染物。因此对燃煤电站锅炉气中NOx的排放进行控制已成为非常紧迫的任务。世界各国对燃煤电厂烟气、汽车尾气中的NOx含量制定了严格的排放标准。越来越多的NOx排放控制技术被应用于燃煤电厂的烟气处理工艺中。1.1 烟气脱硝研究现状(1)NOx的种类及形成氮氧化物(NOx)是锅炉排放气体中的有害物之一。NOx有6种不同形式：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是重要的大气污染物。生成NOx的途径有三个3：热力型NOx：它是空气中氮气在高温下氧化而生成的NOx；燃料

12、型NOx：它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化生成的NOx；快速型NOx：它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团等反应生成的NOx。而煤粉燃烧进程中NOx的形成主要取决于燃烧三要素(三“T”原理)，即温度(Temperature)，时间(Time)和湍流混合(Turbulence)，即NOx的形成主要取决于燃烧火焰温度、燃料/空气混合物在炉内高温火焰区的停留时间，以及燃料氮含量与过量空气量(氧分压)等。(2)NOx的治理技术世界各国开发的燃煤烟气治理技术种类比较多，按脱除机理不同，主要分成两大类，即等离子体过程治理技术4和传统烟气治理技术。等离子体过程烟气NOx脱除技术的核

13、心是通过适当的方式产生等离子体，依靠等离子体内部的微观物理化学过程脱除NOx。传统烟气治理技术中应用较多的有：低NOx燃烧技术、选择性非催化还原法(SNCR) 、选择性催化还原法(SCR)等。低NOx燃烧技术5是指通过燃烧降低NOx的生成量的技术，其主要途径有：选用氮含量较低的燃料，包括燃料脱氮；降低过量空气系数，阻止过浓燃烧，来降低燃料周围氧浓度，即降低过量空气燃烧；在适宜的过量空气条件下，降低温度峰值，以减少热力NOx生成；在氧浓度较低的情况下，增加可燃物在火焰前部和反应区中的停留时间。选择性非催化还原技术是指在不使用催化剂的情况下，在炉膛烟气温度适宜处(8501050)喷入氨或尿素等含氨

14、基的还原剂，将烟气中的NOx还原为N2和H2O。SNCR技术的脱硝率中等，但SNCR法不需要催化剂，运行费用较低，建设周期短，适合于中小型锅炉的改造6。图1.1SCR反应原理简图选择性催化还原法(SCR)的发明权属于美国，而日本率先于20世纪70年代实现商业化应用7。目前该技术在发达国家已经广泛的应用。日本有93%以上的废气脱硝采用SCR，运行装置超过300套。美国政府也将SCR技术作为主要的电厂控制NOx的主要技术。德国于20世纪80年代引进该技术，并规定发电量50MW以上的电厂必须配备SCR装置。台湾有100套以上的SCR装置在运行。大庆石化总厂化肥厂、川化集团公司、北京燕山石化公司合成橡

15、胶厂和福建漳州电厂等也从国外引进了SCR装置8。其原理是在催化剂存在的条件下，采用氨、CO或碳氢化合物等作为还原剂，将烟气中的NO还原为N2。原理如图1.1，选择性催化剂脱硝法，脱硝装置结构简单、无副产品、运行方便、可靠性高、脱硝效率高，可以用来处理大量烟气，脱硝率可达90%以上，但SCR法也存在一些问题9：未反应的氨排出系统造成二次污染；燃用高硫煤时，烟气中的部分SO2被氧化生成SO3，SO3与NH3进一步反应生成的氨盐会造成催化剂中毒或堵塞；飞灰中的重金属(主要是AS)或碱性氧化物(主要有MgO、CaO、Na2O、K2O等)的存在会使催化剂中毒或活性显著降低；过量的NH3可能会和O2反应生

16、成N2O，尽管N2O对人体无害，但近来的研究表明，N2O是导致温室效应的气体之一。这些问题还有待进一步的改进。1.2 SCR脱硝反应机理研究20世纪80年代以来，很多研究者对钒基催化剂的SCR反应机理进行了研究，取得了重要的成果。目前主要存在两种不同的观点10：一种观点认为SCR催化反应遵从Langmuir-Hinshelwood机理，反应物通过在催化剂表面相邻的活性中心上吸附结合。另一种观点认为反应遵从Eley-Ridal机理，也是目前比较公认的氨法SCR工艺的反应机理，即多相反应中吸附在活性中心上的一种反应物和气相中的另一种反应物结合，而不是在相邻活性中心结合。Murakami等11对纯V

17、2O5的De-NOx反应进行了研究，认为反应按照ER机理进行。氨吸附在Brnsted酸性中心形成铵离子，遵从ER机理与气态NO反应生成N2、H2O及饱和酸性中心，饱和酸性中心再与O2反应还原为Brnsted酸性中心和H2O。NH3被快速强烈的化学吸附在催化剂表面上，反应速度与NO的分压成正比。Ramis等12提出了“酰胺-氮化酰胺”原理，认为NH3吸附在Lewis酸位从而活化后生成酰胺物种，同时导致催化剂活性点的减少。酰胺物种继而与气相NO通过基团耦合生成中间产物亚硝胺，此中间产物极易分解成N2和H2O，反应过的催化剂与O2进行反应再生。这一机理主要基于FTIR研究获得的，但与公认的反应机理特

18、征并不符合，如图1.2所示：图1.2Ramis提出的机理最近，Topsoe等13采用在线FTIR分析的方法得出了反应机理模型，如图1.3。该模型认为催化剂的活性与NH3吸附的Brnsted酸位V5+-OH有关，V5+=OH亦与吸附的氨的活性有关。NH3在Brnsted酸中心上吸附并通过相邻的V5+=OH基团得到活化，随后被还原成V4+-OH。一旦NH3被活化，烟气中的NO即与这进行反应生成中间产物，中间产物最终分解成N2和H2O。通过与烟气中的O2反应将V4+-OH氧化为V5+=O而再生。值得指出的是，这一机理可以看作是Ramis等14机理的改进，不同的是NH3吸附位是Brnsted酸位，而非

19、Lewis酸位。图1.3Topsoe提出的机理1.3 SCR脱硝的动力学研究SCR烟气脱硝反应是一种气固非均相催化反应，以蜂窝状催化剂为例，当混有NH3的气体从催化剂孔道通过时，其反应步骤是15：反应组分(NO、NH3)从孔道内气体主流向孔道壁面扩散；反应组分在催化剂壁的微孔内扩散；反应组分在催化剂固体上吸附；反应组分在催化剂固体上发生化学反应；反应生成物(N2和H2O)从催化剂固体上解吸；反应生成物在催化剂壁的微孔内扩散；反应生成物从催化剂壁面向孔道内气体主流扩散。其中，步骤、称为外传质过程，步骤、称为内传质过程，步骤统称为表面化学反应过程。外部传质：气体在催化剂孔道内主流中的扩散符合Fic

20、k第一传质定律16：其中：气体组分i的质流密度；气体组分i的质量扩散系数；为气体组分i的浓度。质量扩散系数采用Fuller-Schettler-Giddings方程和Blanc定律计算17。内部传质：气体组分在催化剂微孔内的扩散与微孔孔径、长度、形状有关，催化剂微孔的存在为化学反应提供了大量的内表面积，有利于催化反应的进行。催化剂微孔的结构和分布十分复杂，为了便于催化剂内部传质的量化处理，仿照Fick传质定律，引进有效扩散系数的概念，其定义式是18：其中：气体组分i在催化剂内部的质流密度；气体组分i的有效扩散系数；为气体组分i的浓度。有效扩散系数可以通过实验测定，也可采用平行孔模型、串联孔模型

21、或随机孔模型求取，但不同模型得到的数值相差较大，难以精确计算。对于常用的脱硝催化剂，当气体温度为200400时，采用各种模型得到的计算结果均表明有效扩散系数处于10-310-2cm2/s的范围内，并随着温度的升高而增加。表面反应动力学：对于催化剂表面反应过程，有两种机理模型，即ER模型假设NH3吸附在催化剂上，吸附的NH3与气体中的NOx反应。LH模型假设NH3和NOx均吸附在催化剂上，吸附的NH3与吸附的NOx进行反应。文献19研究认为，NH3在催化剂上吸附，NOx不在催化剂上吸附，本文采用ER机理模型，其表面化学反应动力学议程为19：式中：NO的反应速率；化学反应速率系数；NH3吸附系数；

22、NO和NH3的组分浓度。1.4 影响SCR法脱硝率的因素1.4.1 催化剂特性对工艺的影响脱硝催化剂是SCR系统中最关键的部分，其类型、结构和表面积对脱除NOx效果都有很大影响。催化剂的种类有很多，根据原材料、结构、工作温度、用途等标准可进行不同的分类20，如铂系列、钛系列、钒系列及混合型系列催化剂，金属载体和陶瓷载体催化剂，高温型和低温型催化剂，贵金属催化剂，金属氧化物催化剂，分子筛催化剂等。工业中常用的催化剂主要是V2O5/TiO2或V2O5-WO3/TiO2，在300400表现出高的NO脱除率。为此，选择性催化还原法(SCR)装置须安装在空气预热器之前和省煤器之后，以利用过程的烟气温度。

23、CuO/AC21在以NH3为还原剂的SCR反应中，可以达到90%以上的脱硝效率，但铜的氧化物对烟气中的二氧化硫比较敏感。Yo-shikawa等22用沥青基活性炭纤维负载锰制备的催化剂在低温下有高的NO脱除率，但其活性温度区间较窄。Singoredjo等23将锰负载在氧化铝制备的低温催化剂在150以下有高的氮选择性，但观察到有副产物N2O形成，并且由于存在醋酸盐与氧化铝载体之间的交互作用使得该催化剂对二氧化硫比较敏感。丝光沸石与分子筛上负载Ce催化剂24，不仅得到比较高的脱硝效率，而且可以把没有反应完全的NH3，转化为 N2，减少了NH3的二次泄漏。还有报道25 ACF先经浓酸预氧化，然后再负载

24、CeO催化剂，在120240，负载量10%时NO脱除率为85%以上且比较平稳，具有较宽的高活性温度区间。催化剂的寿命关系着整个系统的运行费用，而多种因素会导致催化剂的活性降低26。烧结：长时间暴露于450以上的高温环境中可引起催化剂烧结，导致催化剂中TiO2晶形发生变化，颗粒增大、表面积减小，活性降低。加入WO3可最大限度地减少催化剂的烧结；碱金属中毒：如果碱金属离子(Na+、K+等)直接与催化剂接触，会使催化剂活性逐渐降低。其机理是吸附在催化剂活性位置上的碱金属离子占据了催化剂表面酸性位，降低了催化剂活性。因此，在催化剂设计中，应考虑碱金属对催化剂的影响，增加设计余量；砷中毒：As中毒主要是

25、由烟气中的气态As2O3引起的。扩散进入催化剂内部孔道中，并在催化剂的毛细孔中发生毛细凝结，或者与催化剂的活性位发生反应从而引起催化剂活性降低。一般来说，在干法排渣锅炉中，由于静电除尘器后的飞灰再循环，催化剂砷中毒是一个严重的问题。因此，在催化剂制备进程中，应采用控制催化剂孔分布的方法使催化剂内孔分布均匀，以控制毛细孔分布数量来减少“毛细冷凝”。另外，可在催化剂中加入MoO3，以MoO3与气相As2O3反应来减少As中毒；钙的影响：飞灰中游离CaO与SO3反应形成的CaSO4可吸附在催化剂表面，从而阻止了反应物向催化剂表面扩散并进入催化剂内部。催化剂制造商多通过控制催化剂内部孔径分布和采用适当

26、节距等方法来减少CaSO4对催化剂的影响；催化剂堵塞：催化剂的堵塞主要是由于铵盐及飞灰的小颗粒沉积在催化剂小孔中，阻碍NOx、NH3、O2到达催化剂活性表面，引起催化剂钝化。可以通过调节气流分布，选择合理的催化剂间距和单元空间，并使进入SCR反应器烟气的温度维持在铵盐沉积温度之上，以防止催化剂堵塞。对于高灰段SCR工艺，为了确保催化剂通道通畅，应安装吹灰器；飞灰侵蚀：催化剂的侵蚀，磨损主要是由于飞灰撞击在催化剂表面造成的。磨损强度与气流速度、飞灰特性、撞击角度及催化剂本身特性有关。降低磨损的措施：一是采用耐腐蚀催化剂材料，对催化剂顶端进行处理从而提高催化剂边缘硬度；二是利用计算流体动力学流动模

27、型优化气流分布；三是在垂直催化剂床层安装气流调节装置等方法来解决。1.4.2 SCR反应器入口烟气参数对工艺的影响(1)尾气中O2含量的影响：硝酸尾气中NO的含量约占总NOx的80%90%，要处理NO必须在有氧的情况下才能完成。在尾气流量、NOx浓度和尾气温度给定的情况下，通过改变二次空气量来调整尾气中的氧含量，结果发现O2含量对NOx脱除效率有较大影响。尾气中氧含量越高，对NO脱除越有利，但会对酸的生产负荷有影响。因此，最好是维持O2含量在1.5%1.8%。初始运行时，O2含量可提高到达2.0%2.5%。(2)烟气温度：SCR催化剂对温度敏感性比较大，当负荷变动过大，低于合适的反应温度时，将

28、使尾部氨逃逸浓度升高。为了保护尾部烟道不受强粘性、强腐蚀性的硫酸氢铵的影响，也造成氨的二次污染。总包商一般要求在低于一定温度下停止喷氨；冬季时，稀释的温度较低，会降低空预器入口的烟气温度。特别又在低负荷时，会影响SCR的投运可用率，可加装电暖器加热稀释风；烟温过高，会使催化剂烧结或使之再结晶失效；脱硝过程中不同温度可能发生以下副反应： (3)烟气流速：气体流速较快会使催化剂颗粒表面的层流层变薄，提高扩散性能，但由于流速加快，反应气与催化剂的接触时间变短，使得气固相反应不够充分，按照SCR反应机理，NH3首先吸附到催化剂表面酸性位，然后与气相中的NO反应，该反应为慢反应属控制步骤。气体流速增大不

29、利于反应气在催化剂微孔内的扩散、吸附以及反应气和产物气的解吸、扩散过程。所以烟气流速增大，会引起催化剂体积的趋势，但不十分显著。(4)NH3/NOx摩尔比：氨是还原剂，当没有氨喷射时NOx不会被转化，而NOx出口和进口浓度相等。通过增加氨喷射流量来提高反应器进口的NH3/NOx比率，从而提高NOx脱除效率。理论上该脱除效率可以提高到非常高的比率(99%以上)，但将导致氨的消耗增加。且研究表明27出口的NOx含量与出口的氨逸出量成反比，通过增加氨量来降低出口的NOx含量必将导致较高的氨逸出。SCR氨逃逸会产生较长严重的危害：生成硫酸铵盐造成催化剂与空预器堵塞与腐蚀，烟气阻力损失增大；FGD废水及

30、空预器清洗的氨含量增大；飞灰中的NH3化合物含量增大，影响飞灰质量；与烟气中的SO3生成硫酸铵盐(NH4HSO4与(NH4)2SO4)硫酸铵盐具有腐蚀性和粘结性。因此燃煤机组一般将NH3的排放控制在210-6以下，以减少对飞灰资源化利用的影响和减少对后续装置的堵塞。燃油燃气机组SCR装置的氨逃逸浓度可适当放宽到510-628。(5)飞灰浓度：飞灰量高，极易导致堵塞，风机压损增加；飞灰量高，飞灰所含有毒物质量高，对催化剂的毒害机率大大增加；催化剂价格大幅上升。催化剂价格上升由几个原因构成，第一：灰量大，催化剂易腐蚀、堵塞，要解决因灰量造成堵塞和压降问题，唯一有效的办法就是增加催化剂的孔径，孔径大

31、，同样的有效催化面积条件下的催化剂总体积随之增大，这种由于孔径增大导致的体积增加往往是非常可观的；第二：灰量大，在吹灰间隔中，大部分的催化剂被灰覆盖，这样，为了保证恶劣情况下的脱硝率和氨逃逸率，就必须增加催化剂体积，以保证随时有足够的催化剂表面裸露在外面以供吸附NOx、NH3；第三：灰量大，催化剂受到冲刷和腐蚀机率大大增加，烟气流速也大，对催化剂冲刷也厉害。冲刷腐蚀造成的催化剂失效快，只要增加初始的催化剂体积或加快催化剂的更换速度，才能保证同样的脱硝率和氨逃逸率；第四：液态排渣炉的灰粘性更强，堵塞程度更严重；积聚的飞灰复燃可能造成催化剂烧结损失。1.4.3 SCR反应器结构设计对工艺的影响SC

32、R反应器结构设计因素主要有：烟气流速、催化剂层数、导流叶片的设置、喷氨格栅的设计28及空塔速度(SV)等。其中空塔速度是SCR的一个关键设计参数，这是烟气体积流量(标准状态下的湿烟气)与SCR反应塔中催化剂体积的比值，反映了烟气在SCR反应塔内的停留时间的大小，它在某种程度上也决定反应物是否完全反应，同时也决定着反应器催化剂骨架的冲刷和烟气的沿程阻力。空间速度大，烟气在反应器内的停留时间短，则反应有可能不完全，这样氨的逃逸量就大，同时烟气对催化剂骨架的冲刷也大。空塔速度通常是根据SCR反应塔的布置、脱硝效率、烟气温度、允许的氨逃逸量以及粉尘浓度来确定。对于固态排渣高灰段布置的SCR反应器，空间

33、速度选择一般为25003500h-129。1.5 氨法SCR反应器的布置方案根据锅炉烟气系统和SCR脱硝的温度要求，SCR系统通常有3种布置方式：位于空气预热器和静电除尘器之前；位于静电除尘器之前和空气预热器之后；位于空气预热器和静电除尘器之后。目前工程大多采用第1种布置方式。这种方式不需要对烟气进行再加热，可减少热效损失。各工艺的特点如下 3、30：1.5.1 高粉尘布置的SCR工艺及其特点高粉尘布置的SCR工艺是将SCR反应器置于空气预热器和静电除尘器之前，如图1.4。高粉尘布置的SCR工艺的优点是：由于反应温度较高，可选择的催化剂的种类较多。相对于低粉尘布置和末端布置来说省去了烟气再热系

34、统，从而节省了投资和运行成本。早已完成工业化运用，并且已有20年的运行经验，是目前火电厂烟气脱硝广泛采取的工艺。其缺点是：由于粉尘浓度较高，所以粉尘对催化剂的冲刺和磨损较大。省煤器是与锅炉本体相连的，对于大型的机组而言，SCR反应器的重量是比较大的，所以一般要设置独立的SCR反应器的支撑钢架，这就涉及到锅炉的重新调整和负荷的重新计算的问题。烟气中含有大量的SO2，催化剂可以使部分SO2氧化，生成难以处理的SO3，并可能与NH3生成腐蚀性更强的硫酸铵盐物质。由于流程较长，容易发生NH3的泄露，从而生成腐蚀性更强的硫酸铵盐物质，所以容易腐蚀后续的空气预热器和静电除尘器。图1.4高粉尘布置的SCR工

35、艺流程图1.5.2 低粉尘布置的SCR工艺及其特点低粉尘布置的SCR工艺是将SCR反应器置于静电除尘器之前和空气预热器之后，如图1.5。低粉尘布置的SCR工艺的优点是：锅炉烟气经过静电除尘器之后，粉尘浓度较低，可延长催化剂的使用寿命。与锅炉本体独立，不影响锅炉的正常运行。NH3的泄漏量比高粉尘布置方式的泄漏量要少。其缺点是：高粉尘布置一样，烟气中含有大量的SO2，催化剂可以使部分SO2氧化，生成难以处理的SO3，并可能与NH3生成腐蚀性更强的硫酸铵盐物质。由于烟气温度低(大概在160左右)，可供选择的催化剂的种类较少。国内没有运用经验，并且国外可供参考的工程实例也较少。图1.5低粉尘布置的SC

36、R工艺流程图1.5.3 末端布置的SCR工艺及其特点末端布置的SCR工艺是将SCR反应器置于静电除尘器和空气预热器之后，如图1.6图1.6末端尘布置的SCR工艺流程图末端布置SCR工艺的优点是：锅炉烟气经过除尘脱硫后，可以采用更大的烟气流速和空速，从而使催化剂的消耗量大大的减少。NH3的逃逸量是最少的，并且不会腐蚀构筑物(烟囱采用防腐烟囱)。不会产生SO3，防止二次污染。其缺点是：一定要设置烟气再热系统，增加了投资和运行成本。很难找到符合反应条件的催化剂(已工业化运用或中试)。1.6 本设计的设计目的及意义氮氧化物(NOx)是空气中的N2和O2在高温高压下的反应产物，它能在阳光的作用下产生二次

37、大气污染光化学烟雾。NOx主要是NO和NO2。NO虽然毒性不大，但是高浓度的NO会引起神经中枢障碍，而且它很容易转化为剧毒的NO2。NO2是棕色气体，有特殊的刺激性臭味，被吸入肺后能与肺部的水分结合成可溶性硝酸，严重时会引起肺气肿。在大气中的氮氧化合物达到100150ppm的高浓度时，人连续呼吸3060min便会中毒。随着世界经济的飞速发展，工业化进程的加快及人口的迅猛膨胀，人类赖以生存的地球正承受着越来越沉重的压力。近几十年来，各类环境问题日益突出，已严重制约着人类社会的有序发展，对全球经济发展乃至人类的生存提出了严厉挑战。因此，正确处理环境与发展之间的关系是人类实现可持续发展战略的关键所在

38、。煤炭是储量最丰富、来源最广泛、使用最廉价的一种能源，是现今世界各国的主要能源之一。我国是世界上最大的煤炭生产和消耗国，煤燃烧时会产生大量的SO2和NOx等污染物，对环境造成严重污染。有研究资料表明，如果继续不加强对烟气中氮氧化物的治理，氮氧化物的总量和在大气污染物中的比重都将上升，并有可能取代二氧化硫成为大气中的主要污染物。因此对尾气中NOx的排放进行控制已成为非常紧迫的任务。选择性催化还原法是当前火电厂广泛采用的烟气脱硝技术，尤其是在西欧和日本，也是最为成熟的脱硝技术。其原理是在催化剂存在的条件下，采用氨、CO或碳氢化合物等作为还原剂，将烟气中的NO还原为N2。选择性催化剂脱硝法，脱硝装置

39、结构简单、无副产品、运行方便、可靠性高、脱硝效率高，可以用来处理大量烟气，脱硝率可达90%以上。通过选择性催化还原法处理硝酸厂尾气能有效的控制NOx的排放，从而减少硝酸厂尾气对环境的影响。64 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 工艺流程设计2 工艺流程设计2.1 设计任务书某厂采用综合法生产硝酸，共有4套机组，每套机组的能力为30000t/a。每吨硝酸(按100%计)的尾气量为3400Nm3/h。尾气组成如表2.1所示。表2.1综合法生产硝酸产生的尾气组成成 分NONO2O2H2ON2合计含量 %0.250.154.00.695100该厂自投产以来，硝酸尾气不经处理直接排放，严重污染了当地大气环

40、境。选择性催化还原法是当前采用的烟气脱硝技术，也是最为成熟的脱硝技术。而由于硝酸厂排放的尾气中不含SO和大量粉尘，这对催化剂的影响较小，故用选择性催化还原处理硝酸厂尾气是可行的。为改善该厂周围的大气环境质量，本设计采用氨选择性催化还原法处理硝酸尾气中的NOx。2.2 设计依据2.2.1 尾气的性质(1)尾气量：每吨硝酸(按100%计)的尾气量为3400Nm3/h。一套30000t/a综合法硝酸机组每小时产HNO3为3.4t，则每套机组每小时的尾气量为11560Nm3/h。(2)尾气温度与压力：尾气出吸收塔平均温度为30，经两台尾气预热到140后进入本体设计系统，压力为2.5kg/cm2(表压)

41、。(3)尾气的组成如表2.1所示。2.2.2 当地气候条件(1)年平均气温20(2)年平均相对湿度57%(3)年平均气压88370Pa2.2.3 本设计所采用的物化常数(1)热容方程：Cp=a+bT+cT2+dT3查手册，列出各组分a、b、c、d数据如表2.2所示。(2)标态下气体的摩尔体积：22.4L/mol(3)绝对温度：0K=-273.15表2.2气体摩尔定压热容与温度关系式中的常数值分子式分子量状态ab102c105d109温度范围(K)NH317.03g6.58460.612510.23663-1.59832731500NO30.01g7.008-0.022440.2328-1.00

42、02731500NO246.01g5.4801.365-0.8411.8802731500O232.00g6.0850.3631-0.17090.31332731800H2O18.016g7.7000.045940.2521-0.85872731800N228.02g6.903-0.037530.1930-0.68612731800CO244.01g5.3161.4285-0.83621.7842731800CH416.04g4.7501.2000.3030-2.6302731800C2H630.07g1.6484.124-1.5301.7402731800空气29.00g6.7130.046

43、970.1147-0.469627318002.2.4 相关环境法律法规本设计中参考相关的法律法规如下：(1)大气环境质量标准 GB3095-1982(2)环境空气质量标准 GB3095-1996(3)火电厂大气污染物排放标准 GB13223-1996(4)20092010年全国污染防治工作要点(5)硝酸工业污染物排放标准 GB26131-20102.2.5 设计原则及范围(1)设计原则工艺设计一般应遵循技术先进、安全可靠、质量第一、经济合理的原则，本设计中主要包括以下几项：积极贯彻执行国家基本建设的方针政策, 严格执行国家和项目所在省、市颁布的标准、规范、规定，使设计做到切合实际，技术先进，

44、经济合理，安全适用。重视优化设计方案工作，提高设计水平和降低工程投资额；治理工艺要落实可靠，排出物必须符合国家及地方的“三废”排放标准，并尽可能做到综合利用；在设计中应当采用能耗小、物耗小，污染物产生量少的清洁生产工艺，实现工业污染防治从末端治理向生产全过程控制的转变。设计应当以最小的经济代价实现治理目标。节能与降耗并重，做好工艺余热的回收和水的重复利用，提高水的循环利用率。(2)设计范围根据该厂的尾气排放情况，具体设计内容包括：SCR反应器主体设备及附属设备的设计计算，换热器主体设备及附属设备的设计计算，开工燃烧炉的设计以及对这些设备的成本费用和运行费用的计算。由于个人的知识水平和能力有限，

45、设计中不包含操作系统和控制系统方面的设计。2.3 SCR脱硝工艺方案设计2.3.1 工艺流程的选择硝酸尾气处理一般分为两种工艺，一种是综合法处理硝酸厂尾气，即几套机组的尾气分别经透平机回收能量后，集中在一套SCR反应器处理，如图2.1。由于尾气经透平机回收能量后温度已从140降至70左右，远离SCR反应器所需的180，因此流程中需设置燃煤炉，在机组运行过程中自始至终都需要燃煤一定量燃料气，以产生高温燃气与尾气混合，使之达到催化反应所需的温度。该工艺的优点是一次投资小，但因全过程不仅消耗大量燃料气，而且提供燃煤炉助燃空气的罗茨风机也必须连续运转，造成运行费用升高。另一种工艺是单机组综合法处理硝酸

46、厂尾气，即各机组的SCR系统分别安装在该机组透平膨胀机之前，为将尾气温度从尾气预热器出口的140升高到180进入SCR反应器，流程中设置了一台尾气换热器和开工锅炉，在机组正常运行过程中，利用反应器出口的热净化气将尾气温度从140升高到180；开工时则用高温燃气将尾气温度从140加热到180该工艺因每套机组都需安装一套SCR系统，一次投资较大，但利用催化反应放出的热量对尾气加热，运行费用低，如图2.2。图2.1综合法硝酸尾气处理工艺 本设计采用单机组尾气处理工艺，各机组的SCR系统分别安装在该机组透平膨胀机之前，为将尾气温度从尾气预热器出口的140升高到180进入SCR反应器，流程中设置了尾气换

47、热器，在机组正常运行过程中，可利用反应器出口的热净化气将尾气温度从140加热到180；为减少投资，开工时则用开工燃烧炉产生的热净化气将尾气温度从140加热到180，反应器正常运行后，停止开工燃烧炉的运行。该厂四套机组可共用一台开工燃烧炉。这样，SCR系统的一次投资将减少，运行费用低。流程如图2.2所示：图2.2单机组综合法处理工艺2.3.2 催化剂的选择SCR系统中的重要组成部分是催化剂，当前流行的成熟催化剂有蜂窝式、波纹状和平板式等。平板式催化剂一般是以不锈钢金属网格为基材负载上含有活性成份的载体压制而成，蜂窝式催化剂一般是把载体和活性成份混合物整体挤压成型；波纹状催化剂外形如起伏的波纹，从

48、而形成小孔。表2.3国内几种催化剂的性能催化剂型号750148209810848013粒度/mm圆柱578球粒36圆柱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机械强度侧压68kg/颗 正压4050kg/颗总压23kg/颗侧压8.7kg/颗总压5.5kg/颗反应温度范围/250350230330190220190230反应器进气温度/220240210220160190160180NH3/NOx摩尔比1.01.41.41.61.01.021.01.02空间速度/h-1500070

49、0010000140005000700010000转化率/%90959595国内几种硝酸尾气SCR催化剂的性能列于表2.3中。根据对比本设计选择8013型号作为催化剂，所选催化剂的性能和所采用的数据见表2.4表2.4本设计选用8013型催化剂的性能和所采用的数据项目中试或生产资料本设计采用数据反应温度范围/190230180230反应器进气温度/160180180NH3/NOx摩尔比1.01.021.0空间速度/h-11000010000进气NOx体积分数/10-64000排气NOx体积分数/10-6198.9排气NH3体积分数/10-6159.2NOx转化率/%95952.3.3 还原剂的选

50、择及配置(1)SCR脱硝还原剂的类型及特点(液氨、尿素、氨水)比较见表2.5表2.5不同还原剂性能比较项目液氨氨水尿素反应剂费用便宜较贵最贵运输费用便宜贵便宜安全生有毒有害无害存储条件高压常压常压，干态存储方式液态液态微粒状初投资费用便宜贵贵运行费用便宜贵，需要高热量蒸发蒸馏水和氨贵，需要高热量水解尿素和蒸发氨设备安全要求有法律规定需要基本不需要本设计根据SCR脱硝还原剂的安全性、经济性、技术成熟性等方面进行考虑，选择液氨做为还原剂。(2)液氨的管理制度液氨及气氨储存与输送系统，应保持系统有良好的密封性；储存及输送区域内不应有火源，所有的管线及相关设备必须接地，供氨站必须符合消防的规定；储存及

51、输送区域内应远离能够产生腐蚀物质的地点；供氨站内和其他装有氨气的设备附近均必须严禁烟火，并应设“严禁烟火”、“严禁放置易燃易爆品”的警示牌，贮氨区周围(10m以内)应设有围栏，在贮氨区应备有必要的消防设备、消防器材，围栏上设置必要数量的警示牌；液氨存储温度不可高于52；存储区域应远离频繁交通区域和紧急出口；严禁用明火或其他临近的热源加热液氨储存罐的任何部分；在液氨卸车结束后，必须保证足够的吹扫时间，以防止液体残留在封闭的系统内；对输送管路进行检修工作前，必须使用氮气进行吹扫。通过手持式检漏仪检测氨气浓度在允许范围内之后，方可形如工作；氨区设专人值班，值班人员必须经过劳动安全生产监督管理局特种设

52、备培训合格后上岗；非值班人员进入供氨站，必须经过值班人员许可，进入贮氨区应交出火种，并进行登记；禁止让与工作无关人员进入供氨站；禁止在供氨站内进行带火作业或能产生火花的工作，氨气系统进行检修、运行操作时，严禁使用可能产生火花的工器具，应使用铜制工器具。工作人员不准穿有钉的鞋，如必须在供氨站内进行焊接或动火的工作，应事先进行氨量测定，证实工作区内空气中氨气含量小于50ppm，并办理一级明火工作票后方可工作；储氨设备(包括管道系统)进行检修前，必须将检修部分与连接部分可靠隔断，加装严密的堵板，并用氮气进行置换；控制储存及充装时压力在规定范围内；储氨罐最大允许存储容积为储氨罐容积的85%，严禁超容积

53、进行充装；储氨区设备在运行时，不得进行任何检修工作，若必须检修，则需要先停止设备运行，然后根据有关规定进行检修工作；(3)还原剂的配置液氨由槽车运送到液氨储罐，液氨储罐输出的液氨在蒸发器内蒸发为氨气，并将氨气加热到常温后送到氨气缓冲罐储存备用，氨气缓冲罐的氨气经调压阀减压后通过喷氨格栅的喷嘴喷入烟气中与烟气充分混合，再经静态混合器充分混合后进入催化反应器反应，在一定温度范围内，在催化剂的作用下，氨气与NOx发生催化氧化还原反应，将NOx还原成N2和H2O，如图2.3所示。图2.3脱硝系统配置攀枝花学院本科毕业设计（论文） 主要设备设计3 主要设备设计计算通过工艺流程的确定，本设计主要对SCR反

54、应器、换热器、开工燃烧炉及相应的附属设备进行设计计算。3.1 SCR反应器3.1.1 SCR反应器的物料衡算本设计采用单层绝热立式催化反应器，尾气和NH3混合气自上部接管进入反应器，净化气由下部接管排出，并辅以各种支撑构件来满足承载催化剂、承受荷载和抵抗应力的要求。操作压力约为2.5kg/cm2(表压)。根据如图3.1进行反应器内的物料衡算。图3.1反应器物料衡算图(1)进反应器尾气的各组分体积流量V进 (计算过程均为标况)=115600.25%=28.90Nm3/h=1.290Kmol/h=115600.15%=17.34Nm3/h=0.774Kmol/h=115604.0%=462.40N

55、m3/h=20.643Kmol/h=115600.6%=69.36Nm3/h=3.096Kmol/h=1156095%=10982Nm3/h=490.268Kmol/h=11560(0.25%+0.15%)=46.24Nm3/h=2.064Kmol/h(2)催化反应消耗的各组分体积V消耗反应器中可能发生如下反应： (3.1) (3.2) (3.3) (3.4) (3.5)反应(3.4)和反应(3.5)在300以下可以忽略不计；参与反应(3.3)的NH3的量，按NH3在完成反应(3.1)和(3.2)后剩余的部分有70%被氧化计算。对反应(3.1)NH3的消耗量V1=(8转化率)/6=(817.3

56、495%)/6=21.964Nm3/hN2的生成量V2=(7转化率)/6=(717.3495%)/6=19.219Nm3/hH2O的生成量V3=(12转化率)/6=(1217.3495%)/6=32.946Nm3/h对反应(3.2)NH3的消耗量V4=(4转化率)/6=(428.995%)/6=18.111Nm3/hN2的生成量V5=(5转化率)/6=(528.995%)/6=22.879Nm3/hH2O的生成量V6=(6转化率)/6=(628.995%)/6=27.455Nm3/h对反应(3.3)NH3的剩余量V7=-V1-V4=46.24-21.964-18.111=6.165Nm3/hN

57、H3反应消耗量V8=V770%=6.16570%=4.316Nm3/hO2的消耗量V9=(3V8)/4=(34.316)/4=3.237Nm3/hN2的生成量V10=(2V8)/4=(24.316)/4=2.158Nm3/hH2O的生成量V11=(6V8)/4=(64.316)/4=6.474Nm3/h(3)出反应器尾气体的各组分的体积流量V出=28.95%=Nm3/h=0.065Kmol/h=17.345%= Nm3/h=0.039Kmol/h=462.40-3.237=459.163Nm3/h=20.498Kmol/h=69.36+32.946+27.455+6.474=136.235Nm

58、3/h=6.082Kmol/h=10982+19.219+22.879+2.158=11026.256Nm3/h=492.244Kmol/h=6.16530%=1.850Nm3/h=0.083Kmol/h=1.445+0.867+459.163+136.235+11026.256+1.850=11625.816Nm3/h(4)净化后气体中NOx和NH3的含量NH3的含量=1.850/11625.816=159.12810-6NOx的含量=(1.445+0.867)/11625.816=198.86710-6现将上述SCR反应器物料衡算数据归纳在表3.1(以每小时为基准)。表3.1反应器内物料衡

59、算项目输 入输 出体积流量(Nm3/h)Kmol数(Kmol/h)重量(kg/h)Mol百分数(%)体积流量(Nm3/h)Kmol数(Kmol/h)重量(kg/h)Mol百分数(%)NO28.9001.29038.7180.2491.4450.0651.9360.012NO217.3400.77435.6170.1490.8670.0391.7810.007O2462.40020.643660.5713.984459.16320.498655.9473.950H2O69.3603.09655.7850.598136.2356.082109.5721.172N210982.000490.26813737.30594.62211026.256492.24413792.66594.843NH346.2402.06435.1550.3981.8500.0831.4060.016合计11606.240518.13614563.1521