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氮氧化物治理-SCR脱硝原理是什么?

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氮氧化物治理-SCR脱硝原理是什么?

2021-09-03

关键词:氮氧化物治理,SCR,脱硝原理

1、NOx治理-SCR脱硝系统

SCR脱硝技术是通过一套控制系统,通过实时监测发动机排放的NOx的浓度,而指挥系统中的尿素泵喷射相匹配的质量比为32.5%的尿素溶液发动机尾气排温>300℃的烟气情况下分解成H2O和NH3,其中NH3作为还原剂,在催化剂的辅助作用下,将NOx还原成对人体无害的N2和H2O的化学反应过程。


SCR脱硝系统示意

 

SCR脱硝系统示意图


对于内燃机尾气来说,常规满载时涡轮后排气温度在400-500℃,一般情况下根据尾气排温采用中温或高温催化剂。为了使催化剂将尾气中的NOx(NO和NO2)及NH3的混合气体充分接触,以促进化学反应,采用蜂窝陶瓷结构的载体用来附着催化剂,如此将涂覆有催化剂的陶瓷蜂窝安装在一个设计好的反应器中,整个反应器安装咋排气管道合理位置上,混合气体穿过涂覆有催化剂的蜂窝载体,完成还原反应。

2、SCR脱硝催化剂介绍

治理发动机尾气的NOx,采用SCR(Selective Catalytic Reduction )工艺,常规情况下所使用的催化剂有3种主要类型:低温催化剂、中温催化剂、高温催化剂。


催化剂选型表

 


此3种催化剂所适应的发动机尾气排温区间不同,针对于内燃机脱硝,通常使用中温催化剂或高温催化剂。中温催化剂的温度区间为:260-420℃之间是处理NOx的温度区间;高温催化剂的温度区间为:300-550℃之间。我司开发的SCR催化剂可以实现95%以上至99%的脱硝效率。

3、SCR化学反应原理图

 

SCR反应原理图


(1)尿素溶液分解如下:CO(NH2)2 + H2O = 2NH3 + CO2

(2)NOx的还原反应如下:

标准反应: 4NH3 +4NO +O2 →4N2 +6H2O

慢速反应: 6NO2 +8NH3 →7N2 +12H2O

快速反应: NO +NO2 +2NH3 →2N2 +3H2O

4、SCR催化剂工作的特点

SCR催化剂作为通用的氮氧化物处理催化剂,与其他的技术相比(如NSCR、LNT等)有如下特点:

(1)还原剂不易被氧化,相对还原剂的成本较低;

(2)SCR催化剂对硫不敏感,适用的范围广;

(3)控制策略相对较为复杂,但是对于再用的发动机,可以使用闭环的系统,无需与发动机进行通信,也可以降低控制策略的复杂程度;

(4)对于排气温度有一定要求,催化剂的低温性能较差;

5、SCR控制逻辑图

SCR技术是目前国际上主流高效去除尾气中NOx的技术路线。主要用于还原排气中的NOx,在一定温度范围内,催化剂将NOx分解成无害的氮气(N2)和水(H2O),同时,在SCR催化剂的末端涂覆ASC(氨氧化催化剂),将未反应完全的氨气氧化,防止氨气泄露。以下是SCR系统的基本原理图。


 

控制逻辑

SCR系统控制逻辑及设备PID图


采用闭环控制,信号采集输送和指令路径见上图,在电控单元的控制下, 尿素泵将尿素溶液从尿素罐中抽出,尿素在压缩空气的引射作用下喷出,和压缩空气混合后经喷嘴雾化后喷入排气管道。电控单元根据废气流量、催化剂的温度和NOX浓度计算出所需的尿素溶液喷射量,尿素溶液在排气管道混合区遇高温尾气分解成氨气(NH3) 和水(H2O), 与尾气充分混合后进入催化剂模块, 在催化反应区NH3和NOX反应生成无害的氮气(N2)和水(H2O), Z终通过排气管道排到大气中。

6、整套尾气SCR脱硝系统说明

6.1、SCR反应器系统部分

(1)混合管及传感器部分

规格:包含NOx传感器、压力传感器、尿素喷射器、内部导流结构;

脱硝混合管每段进行单独设计、制作和安装,为保证喷入管道中热解后的尿素溶液充分与烟气完全混合,提高设备脱硝效率,会根据发电机组的功率及排气管径定制化设计,这样,混合气体在通过它时会产生混流,使得混合气体得以充分混合。


混合管示意图

 

混合管示意图


作用:

1、当发电机组排放的废气进入此混合管后,尿素喷射口、温度传感器、压力传感器、NOx浓度传感器在此段检测并传输数据;

2、喷射进来的尿素在此阶段水解成氨气(NH3),并通过内部导流结构进行充分混合;


(2)SCR反应器


SCR反应器

 

SCR反应器示意图


 

反应器混合管

作用:

此项目不需要ASC催化剂,SCR反应器过滤发电机组排放的废气,反应器通过独特的结构设计,内部装有催化剂反应模块,当混合后的其他进入到反应器内部,温度及其他条件符合发生化学反应的条件时,化学反应即在催化剂载体上发生,从而达到对有害其他的反应去除。


(3)催化剂:

规格:中温钒基催化剂;

在催化剂选择方面,我们选取多孔、纤维强化的载体。载体上均匀浸满活性成分,经过独特的制造工艺,形成轮廓分明和受控的三态孔结构,保证反应物充分达到所有催化活性位。


催化剂模块图片:


催化剂

 

蜂窝式催化剂及封装示意图


高催化剂活性:多孔结构为催化剂提供了大的内表面积,提供大量活性位,保证催化剂高活性。

非常高的抗毒性:优化的多空结构使得催化剂具有吸收大量毒物的能力而不会引起活性降低。

对热冲击和机械冲击的高耐受力:催化剂的纤维强化使得催化剂具有结构灵活性,并且使其对热冲击具有高耐受性。加上高孔隙度的特性,同密度更高的挤压成型或板式催化剂相比,这一催化剂对装置负荷的迅速变化具有极高的耐受力。

反应段设计为3+1层催化剂结构,其中,Z后一层为备用层,为以后满足更加严格的排放标准而准备。催化剂的模块化可使催化剂本体更加坚固,且拆装、维护、更换更加方便。


作用:

1、作为化学反应的承载载体,便捷安装在SCR反应器内部;

2、降低化学反应所需的温度并加快反应速率;

3、混合气体中的有害气体NO、NO2与还原剂NH3在温度及催化剂的作用下,生成N2和H2O;


(4)尿素喷射控制系统

烟气脱硝系统控制系统是脱硝系统Z重要的部件,它通过对各种传感器进行控制和接受反馈信息,来对尿素溶液的喷射情况,以及辅助系统进行全方位控制,对整套系统运行起着至关重要的作用。烟气脱硝系统控制系统包括:SCR烟气监测系统、尿素喷射系统、还原剂补给系统、清灰控制系统、远程控制系统。

① 烟气脱硝系统有经济型和脱硝率两种工作模式:

a.经济工作模式

脱硝系统在满足排放标准的情况下,配合精密传感器和控制系统的计算,使尿素溶的喷射量达到标准。同时,考虑氨逃逸的限值要求。


b.脱硝率工作模式

控制系统根据催化剂效率,并结合烟气温度、烟气流量、NOX含量,计算出设备极限尿素溶液匹配量,使的发电机组烟气脱硝系统的净化效率可满足更加严格的排放指标。


② 脱硝控制系统关键技术设计:

烟气脱硝系统控制系统关键技术设计有:集成PLC控制装置、高精密传感器、SCR脱硝系统控制机柜设计。

a.集成PLC控制装置

我公司选取可编程控制器PLC作为脱硝系统的自动控制装置,通过世界先进尿素溶液匹配计算方式编成控制软件,并将各种辅助控制集成编译,它具有体积小、组装维护方便、可靠性高和抗干扰能力强等特点。

b.高精密传感器

根据脱硝系统控制原理,我们选取高精密传感器为控制系统服务,包括:反应器进、出口温度传感器、反应器进、出口NOX传感器、烟气流量传感器。对烟气进行实时监测与反馈,和控制系统一起形成脱硝系统闭环控制系统。

c.SCR脱硝系统控制机柜设计

为了让客户更加清楚了解设备目前工作状态,我们设计人机界面系统,实时显示脱硝状态数据,烟温状态,尿素用量等情况,并可对脱硝系统进行远程控制,对之前的数据进行统计记录,控制柜设有15寸触摸屏,采用1.7米高柜,使操作人员平视操作,且支持远程通信,集成管理。


③ 控制机柜

控制柜

 

SCR脱硝装置控制机柜


④ 控制系统界面示例:


控制界面

 

常规参数设定界面


⑤ SCR脱硝系统主要状态简介

SCR脱硝系统主要状态有:初始化系统自检、运行、排空、喷射、吹扫、停止。

初始化:尿素泵通电后,SCR系统处于初始化状态,尿素泵进行相关的初始化工作,如从存储器中读取数据等。并对各传感器、进行自检,如果某传感器故障在系统会有故障报警信息提示。

停止:初始化完成后,尿素泵自动进入停止状态,只有当尿素控制器发送其它状态命令或者断电,尿素泵才离开停止状态。如果反应器温度在工作温度范围内,自动进入排空状态。

排空:尿素泵处于停止状态时,控制器发送排空命令可以使SCR系统进入排空状态,在该状态尿素泵会将尿素溶液吸入经回流管将管路与尿素泵中的空气排出,经过60秒后,尿素泵自动进入喷射状态。

喷射:尿素控制器将计算得到的当前尿素喷射速率信号发送给尿素泵,尿素泵控制执行机构实现尿素喷射速率。

吹扫:喷射停止时,为了避免尿素管路中残余的尿素溶液析出结晶堵塞管路、喷嘴,控制器发出指令,吹扫电磁阀打开向喷射管道吹入压缩空气,将残余的尿素溶液经喷嘴吹扫出去,为下一次工作循环做好准备。(如图所示)


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