商用SCR催化剂氧化SO2及燃煤烟气SO3脱除特性研究

摘要

随着国家环保标准的日益严格，中国燃煤电厂都配备了SCR脱硝反应装置以脱除烟气中的氮氧化物，但是目前商用的SCR催化剂会将烟气中部分SO2催化氧化为SO3。烟气中SO3的存在会限制SCR脱硝温度窗口，引起空预器腐蚀、堵塞等一系列问题。因此，开展关于燃煤烟气SO3脱除的相关研究具有重要意义。本文的主要研究内容如下： 首先，基于固定床反应器对商用SCR催化剂氧化SO2性能进行了实验研究，分析研究了温度及不同烟气成分对商用SCR催化剂氧化SO2的影响。结果表明：温度升高会增强SCR催化剂对SO2的氧化能力，SO2/SO3转换率随温度的升高呈上升趋势；当SO2浓度小于100ppm时，SO2/SO3转换率随SO2浓度的增加而增加，SO2浓度大于100ppm时，SO2/SO3转换率随SO2浓度的增加而降低；NO既不参与SO2的氧化过程，也不会与SO2在SCR催化剂上形成竞争吸附；NH3与SO2在SCR催化剂上存在相互抑制的竞争吸附关系；当O2浓度为0%时，SO2/SO3转换率为0.18%，SO2被氧化的初始过程中O原子并非来自O2，而是可能来自V2O5中的O原子；O2浓度的增加促进SCR催化剂对SO2的氧化。 其次，基于固定床反应器对不同碱性吸附剂的SO3脱除规律进行了实验研究，分析比较了Mg(OH)2、NaHCO3、Ca(OH)2及Na2CO3对SO3的脱除效率，对优选出来的碱性吸附剂Na2CO3进行了SO3吸附动力学研究。结果表明：四种碱性吸附剂对SO3的脱除在时间上均存有一拐点，在到达拐点之前SO3的脱除效率随着温度的升高而增加，在拐点之后，SO3的脱除效率不再随着温度的升高而发生变化；Na2CO3固体与SO3的非催化气固反应可以很好的用缩核模型进行描述，反应速率在反应过程中存在着控制区的转移，在反应前30min内，反应速率可以很好的用表面反应控制的缩核模型进行拟合。在50min-100min内，反应速率可以很好的用内扩散控制的缩核模型进行拟合。 最后，基于自行设计及搭建的0.3MWth循环流化床燃煤锅炉中试试验装置，采用在SCR上游喷射碱性吸附剂Na2CO3溶液的方式，研究了真实烟气在中低温脱硝环境下，喷射碱性吸附剂Na2CO3对烟气中SO3气体的脱除效果以及对脱硝效果的影响，并在此基础上，探究了使用此方法拓宽脱硝温度窗口，实现低负荷脱硝同时满足国家NOx超低排放标准的可行性。结果表明：采用在SCR上游喷射Na2CO3溶液的方式能够对烟气中的SO3进行有效的脱除；烟气中SO2的存在不会影响Na2CO3溶液对SO3的脱除效果；采用在SCR上游喷射Na2CO3溶液的方式并不会对中温脱硝的脱硝效果产生显著影响；280℃低温脱硝实验结果表明，向SCR上游喷射Na2CO3溶液在一定程度上拓宽了SCR脱硝温度窗口，为锅炉低负荷脱硝提供了试验数据。

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主要符号表

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2 SO3的生成机理

1.2.1炉膛中煤炭燃烧生成SO3

1.2.2 SCR脱硝反应装置中生成SO3

1.3 SO3的危害

1.3.1蓝羽及酸雨现象

1.3.2烟气酸露点升高及低温设备腐蚀

1.3.3 SO3对SCR及空预器的影响

1.3.4 SO3对静电除尘器的影响

1.4 SO3的采样及检测方法

1.4.1控制冷凝法采样及硫酸根测定方法

1.4.2异丙醇吸收法采样及硫酸根测定方法

1.5 SO3控制方法及国内外研究现状

1.5.2炉膛内脱硫

1.5.3炉膛外脱硫

1.5.3.1炉后烟气中喷射碱性吸附剂

1.5.3.2湿式静电除尘器

1.6宽负荷脱硝及国内外研究现状

1.6.1提高SCR入口烟气温度

1.6.1.1省煤器给水旁路

1.6.1.2省煤器烟气旁路

1.6.1.3提高给水温度

1.6.2研制低温SCR催化剂

1.7本文的研究目的和研究内容

1.8本章小结

第二章 商用SCR催化剂氧化SO2性能实验研究

2.1前言

2.2试验系统介绍

2.2.1固定床SCR催化剂氧化SO2性能实验装置

2.2.2实验仪器及试剂

2.3实验工况及方法

2.3.1实验工况

2.3.3 SCR催化剂氧化SO2性能评价指标

2.3.4 SO3采样方法

2.3.5 SO42-检测方法的建立

2.3.5.1试剂制备

2.3.5.2吸收波长确定

2.3.5.3 BaCl2标准使用液量的确定

2.3.5.4 SO42-标准曲线绘制

2.3.5.5 样品的测定

2.4 SCR催化剂表征及脱硝性能评价

2.4.1 BET表征

2.4.2 XRD表征

2.4.3 XRF表征

2.4.4 ICP表征

2.4.5固定床SCR催化剂脱硝性能评价实验

2.5实验结果及分析

2.5.1温度对催化剂氧化SO2性能影响分析

2.5.2 SO2浓度对催化剂氧化SO2性能影响分析

2.5.3 NO浓度对催化剂氧化SO2性能影响分析

2.5.4 O2浓度对催化剂氧化SO2性能影响分析

2.5.5脱硝对催化剂氧化SO2性能影响分析

2.5.6氨氮比对催化剂氧化SO2性能影响分析

2.6本章小结

第三章 碱性吸附剂SO3脱除实验研究

3.1前言

3.2试验系统介绍

3.2.1固定床碱性吸附剂SO3脱除实验装置

3.2.2实验材料及材料表征

3.3实验工况及步骤

3.3.1实验工况

3.3.2实验步骤

3.4 碱性吸附剂SO3脱除实验结果分析

3.4.1碱性吸附剂对SO3的脱除规律

3.4.2碱性吸附剂SO3脱除效率的对比

3.4.3优选碱性吸附剂

3.5 Na2CO3吸附剂对SO3的吸附动力学研究

3.5.1吸附动力学模型介绍

3.5.2吸附动力学研究方法

3.5.3实验结果分析

3.6本章小结

第四章 0.3MWth循环流化床燃煤锅炉SO3脱除中试研究

4.1前言

4.2中试试验系统简介

4.2.1试验煤种及材料

4.2.2 Na2CO3溶液喷射系统

4.2.3 SO3采样系统及方法

4.2.4 SO42-检测方法

4.3试验结果及分析

4.3.1烟道沿程SO3质量浓度分布规律

4.3.2喷射Na2CO3溶液脱除SO3效果

4.3.3喷射Na2CO3溶液对中温脱硝效果的影响

4.3.4低温脱硝可行性分析

4.4本章小结

全文总结与展望

5.1全文总结

5.2论文创新

5.3展望与建议

参考文献

攻读硕士学位期间研究成果

致谢