Tkc q3 chương 06 he thong khu nox (scr) (rev 3

NOx hình thành trong quá trình cháy c a nhiên li u theo các c ch sau:  NOx nhiên li u: hình thành trên c sở ôxy hóa thành ph n Ni-t trong nhiên li u;  NOx nhi t: hình thành trên c sở ô

H Ệ THỐNG KHỬ NOx (SCR)

6

1.1 Khái ni m chung về NOx 1

1.2 Các gi i pháp gi m thiểu phát th i NOx 1

1.3 Nguyên lý khử NOx 2

1.3.1 Công ngh SNCR 2

1.3.2 Công ngh SCR 3

2 CÁC THÔNG S VÀ KHÁI NI M C B N 4

2.1 Hi u su t khử 4

2.2 Nhi t độ ph n ứng 4

2.3 Thời gian lưu và vận t c kh i 5

2.4 Mức độ hòa trộn 6

2.5 H s cân bằng lư ng 6

2.6 N ng độ NOx đ u vào 6

2.7 Dư lư ng amonia 6

2.8 Ho t tính xúc tác 7

2.9 Ph n ứng ph .7

2.10 T n th t áp lực 8

2.11 Bước kh i xúc tác 8

2.12 Suy gi m ho t tính xúc tác 8

2.13 C u trúc ch t xúc tác 9

3 CÁC THÀNH PH N CHÍNH C A H TH NG SCR 9

3.1 Các phư ng án c u hình h th ng SCR 9

3.1.1 C u hình SCR b i cao 10

3.1.2 C u hình SCR b i th p 11

3.1.3 C u hình SCR lắp cu i 11

3.2 Bộ ph n ứng SCR 12

3.3 Ch t xúc tác 13

3.4 Ch t ph n ứng 15

3.5 H th ng phun 15

3.6 Các h ng m c ph tr .16

4 TÍNH TOÁN THI T K .17

4.1 Các thông s thi t k .17

4.1.1 Công su t nhi t lò h i 17

4.1.2 H s công su t c a h th ng 17

4.1.3 NOx không kiểm soát và NOx ng khói 18

4.1.4 Hi u su t khử NOx 18

4.1.5 H s cân bằng lư ng thực t 18

4.1.6 Lưu lư ng khói 18

4.1.7 Vận t c thể tích và vận t c ti t di n 18

4.1.8 Hi u su t khử NOx lý thuy t 19

4.1.11 Kích thước bộ ph n ứng 20

4.1.12 Nhu c u ch t ph n ứng 22

4.1.13 Thể tích lưu trữ ch t ph n ứng 22

4.2 Tính toán thi t k 22

4.2.1 Thông s đ u vào 22

4.2.2 Thông s tính toán 23

5 TIÊU CHU N ÁP D NG 24

5.1 Tiêu chu n bắt buộc c a Vi t Nam 24

5.2 Tiêu chu n qu c t 24

Quy ển 3, Chương 6 – Hệ Thống Khử NOx (SCR) Trang 1 / 24

n b n 3, tháng 10/2017

1 T NG QUAN

1.1 Khái ni m chung về NOx

Ô-xít Nit (NOx) là thành ph n khí gây ô nhi m đư c hình thành ch y u trong các quá trình cháy, đặc bi t là trong quá trình cháy c a nhiên li u trong các lò h i nhà máy nhi t đi n Khi còn nằm trong đường khói c a lò h i nhà máy nhi t đi n, h u h t thành

ph n NOx là NO Sau khi thoát ra ngoài khí quyển h u h t NOx chuyển thành NO2 NOx hình thành trong quá trình cháy c a nhiên li u theo các c ch sau:

 NOx nhiên li u: hình thành trên c sở ôxy hóa thành ph n Ni-t trong nhiên li u;

 NOx nhi t: hình thành trên c sở ôxy hóa ni-t có trong không khí dưới tác động

c a nhi t độ cao (kho ng trên 1.000°C) trong khu vực cháy;

 NOx nhanh: hình thành trên c sở ôxy hóa các g c hydro các-bon quanh khu vực cháy

NOx là phát th i có h i và giới h n c a nó ph i tuân th các yêu c u pháp quy về môi trường c a Vi t Nam (quy định bởi QCVN 22:2009/BTNMT (về phát th i t i ngu n)

Quy ển 3, Chương 6 – Hệ Thống Khử NOx (SCR) Trang 2 / 24

n b n 3, tháng 10/2017

tái tu n hoàn khói, sử d ng vòi đ t với thi t k gi m NOx vv Các gi i pháp này đư c

thực hi n nhằm gi m phát th i NOx ngay từ giai đo n hình thành

Khử NOx ngoài lò (nói chung là khử NOx) là các gi i pháp chuyển hóa NOx (đã đư c hình thành trong lò) thành N2 và các ch t không có h i khác, qua đó gi m phát th i NOx ra ngoài môi trường

1.3 Nguyên lý khử NOx

Về lý thuy t có r t nhiều công ngh khử NOx khác nhau như:

 Khử không xúc tác: Selective None-catalytic Reduction (SNCR);

 Khử xúc tác: Selective Catalytic Reduction (SCR);

1.3.1 Công nghệ SNCR

Trong công ngh SNCR c ammoniac và ure đều có thể sử d ng làm ch t ph n ứng

Ch t ph n ứng đư c phun vào dòng s n ph m cháy trong lò ở khu vực có nhi t độ có

hi u su t ph n ứng cao nh t (900°C đ n 1.150°C đ i với ch t ph n ứng là ammoniac hay 870°C đ n 1.100°C đ i với ch t ph n ứng là ure)

Quy ển 3, Chương 6 – Hệ Thống Khử NOx (SCR) Trang 3 / 24

n b n 3, tháng 10/2017

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý công nghệ SNCR

Hi u su t khử lý thuy t c a công ngh SNCR có thể lên đ n 75%, tuy nhiên trên thực

t áp d ng hi u su t thường chỉ đ t đư c trong kho ng 30%-50% Ngoài ra công ngh này cũng chỉ áp d ng có hi u qu cho các lò có công su t nhi t vào kho ng dưới

3.100MMBtu/h, tư ng đư ng công su t phát đi n (ứng với 1 lò) vào kho ng dưới 310MW do các lò công su t càng lớn thì hi u su t thực t càng gi m

ra trong lớp ti p xúc với xúc tác (lớp dưới cùng là TiO2, và sử d ng các nguyên t kim

lo i chuyển ti p như V, W hoặc Mo t i khư vực ph n ứng x y ra) để chuyển NOx thành nit và nước

Hình 2 Phản ứng khử NOx bên trong bộ phản ứng

Quy ển 3, Chương 6 – Hệ Thống Khử NOx (SCR) Trang 4 / 24

n b n 3, tháng 10/2017

Nguyên lý c a c a quá trình khử NOx (phư ng pháp SCR) đư c thể hi n ở phư ng trình ph n ứng sau:

4NO + 4NH3 + O2  4N2 + 6H2O 6NO2 + 8NH3  7N2 + 12H2O

Hoặc 2NO2 + 4NH3 + O2  3N2 + 6H2O

NO + NO2 + 2NH3  2N2 + 3H2O Nhi t độ phù h p nh t để x y ra ph n ứng vào kho ng 300°C đ n 400°C, do vậy vị trí

lắp đặt ph bi n c a các bộ SCR là ngay sau bộ hâm nước c a lò h i, mặc dù t i vị trí này có n ng độ b i cao, có thể nh hưởng đ n hi u qu và thời gian sử d ng c a ch t xúc tác Các vị trí lắp đặt khác (sau ESP hay sau FGD) đòi h i ph i đi kèm gi i pháp

kỹ thuật hay các bộ s y khí b sung nhằm đ m b o nhi t độ ph n ứng phù h p và s làm tăng chi phí đ u tư cũng như vận hành

Do sự tác động c a ch t xúc tác, ph n ứng khử NOx trong công ngh SCR về lý thuy t

có thể đ t tới g n 100% và trên thực t hi u su t vận hành các bộ SCR nhà máy đi n thường trong kho ng 70%-90% Ph m vi áp d ng hi u qu c a các bộ SCR cũng r t

rộng, phù h p cho lò h i các t máy nhi t đi n từ 25MW đ n 1.000MW (công su t phát đi n) Nhi t độ ph n ứng t i ưu cũng đư c gi m xu ng đáng kể (so với công ngh SNCR), vào kho ng 300°C đ n 400°C nên kh năng thực hi n c a công ngh này d dàng h n cũng như các bộ SCR có thể đư c b trí linh ho t h n r t nhiều

Vì những lý do trên, công ngh SCR ph bi n h n c trong các nhà máy nhi t đi n và cũng là công ngh khử NOx duy nh t hi n đang áp d ng cho các nhà máy nhi t đi n

lớn ở Vi t Nam Do vậy s tay thi t k này s chỉ tập trung vào công ngh SCR

2 CÁC THÔNG S VÀ KHÁI NI M C B N

2.1 Hi u su t khử

Hi u qu làm vi c c a h th ng SCR đư c thể hi n qua thông s quan trọng nh t là

hi u su t khử NOx, đư c xác định bởi tỷ l giữa lư ng NOx đư c khử trong SCR trên

t ng lư ng NOx trước SCR

) (

) ( )

(

in

out in

NOx

NOx

NOx NOx 



Trong đó:

 NOx : Hi u su t khử NOx c a h th ng, %;

 NOx (in) : N ng độ NOx vào h th ng, mg/Nm³;

 NOx (out) : N ng độ NOx ra kh i h th ng, mg/Nm³

Hi u su t khử NOx là một trong những thông s quan trọng nh t quy t định giá thành

c a toàn bộ h thông SCR

2.2 Nhi t độ ph n ứng

Quy ển 3, Chương 6 – Hệ Thống Khử NOx (SCR) Trang 5 / 24

n b n 3, tháng 10/2017

Ph n ứng khử NOx chỉ hi u qu trong một kho ng nhi t độ xác định Kho ng nhi t độ

ph n ứng t i ưu cho h thông SCR ph thuộc vào lo i xúc tác sử d ng trong bộ ph n ứng cũng như vào thành ph n khói th i Đ i với h u h t các lo i ch t xúc tác sử d ng thư ng m i (ôxít kim lo i) nhi t độ ph n ứng t i ưu thường nằm trong kho ng 480°F

tới 800°F (250°C đ n 427°C) Đ thị hi u su t khử NOx theo nhi t độ cho một xúc tác ôxít kim lo i điển hình như trong hình bên dưới:

Trong đó kho ng nhi t độ khử t i ưu từ 700°F tới 750°F (370°C đ n 400°C) Khi SCR

đư c thi t k để vận hành ở kho ng nhi t độ ph n ứng t i ưu, thể tích chung c a kh i xúc tác c n thi t s đư c gi m thiểu Như đã nêu ở trên, có r t nhiều phư ng án b trí SCR khác nhau, tuy nhiên do vị trí ngay sau các bộ hâm nước có nhi t độ g n h n c

với nhi t độ ph n ứng t i ưu đ i với các lo i ch t xúc tác sử d ng thư ng m i nên b trí SCR t i vị trí này là ph bi n nh t Vi c b trí SCR sau các bộ s y không khí s đòi

h i ph i gia nhi t khói tới nhi t độ ph n ứng t i ưu và do vậy s làm tăng giá thành c

h thông

Ngoài ra vận hành lò h i ở t i th p cũng làm gi m nhi t độ khói th i sau các bộ hâm nước, do vậy nhi t độ khói th i t i bộ ph n ứng SCR có thể xu ng th p h n kho ng nhi t độ vận hành t i ưu dẫn tới gi m hi u qu ho t động c a SCR Để khắc ph c hi n

tư ng này c n có thi t k n i tắt (bypass) một ph n đường khói qua các bộ hâm nước

hoặc n i tắt (bypass) một ph n nước c p qua các bộ hâm nước Tuy nhiên vận hành

với ch độ n i tắt như vậy làm gi m lư ng nhi t c p cho nước c p dẫn tới gi m hi u

su t c a lò h i nói chung

2.3 Thời gian lưu và vận t c kh i

Thời gian lưu là thời gian mà các ch t ph n ứng còn lưu trong bộ ph n ứng Thời gian lưu càng lâu thì hi u qu ph n ứng càng cao Thời gian lưu c n thi t s ở mức th p

nh t khi nhi t độ ph n ứng nằm ở mức t i ưu Thời gian lưu thường đư c thể hi n thông qua vận t c kh i, đư c tính bằng tỷ l giữa lưu lư ng khói và thể tích bộ ph n ứng Hi u su t khử NOx s tăng lên cùng với vi c gi m vận t c kh i, đ ng nghĩa với tăng thể tích bộ ph n ứng (đ i với một lưu lư ng khói nh t định)

Quy ển 3, Chương 6 – Hệ Thống Khử NOx (SCR) Trang 6 / 24

n b n 3, tháng 10/2017

Thời gian lưu t i ưu cho một h thông SCR c thể là hàm s c a di n tích xúc tác hi u

d ng và lưu lư ng khói đi qua di n tích hi u d ng đó (lưu lư ng lọt khe) Các nhà ch

t o SCR thường sử d ng thêm một thông s nữa là vận t c ti t di n, đư c tính bằng tỷ

l giữa vận t c kh i và di n tích bề mặt xúc tác

2.4 Mức độ hòa trộn

Ch t ph n ứng c n đư c phân tán và hòa trộn vào dòng khói để đàm b o sự ti p xúc

c n thi t giữa các thành ph n ph n ứng Vi c hòa trộn đư c thực hi n bởi h thông phun dùng để phun amonia khí vào đường khói H thông phun kiểm soát góc khu ch tán, vận t c và hướng phun Một s h thông phun sử d ng h i nước hoặc khí nén để tăng mức độ khu ch tán

Vi c hòa trộn amonia và khói ph i đư c thực hi n trước khi hỗn h p đi vào bộ ph n ứng N u vi c hòa trộn không đ m b o, hi u qu khử NOx s bị suy gi m Thi t k SCR c n đ m b o chiều dài đường khói c n thi t từ lưới phun amonia đ n bộ ph n ứng nhằm đáp ứng mức độ h a trộn c n thi t Mức độ hòa trộn có thể đư c tăng cường

bằng các bi n pháp sau:

 B trí các cánh trộn tĩnh (mixer) trước bộ ph n ứng;

 Tăng năng lư ng dòng khu ch tán;

 Tăng s lư ng đ u phun;

 T i ưu hóa thi t k h thông phun và đ u phun

2.5 H s cân bằng lư ng

H s cân bằng lư ng (stoichiometric ratio) là tỷ l giữa s mole ch t ph n ứng c n thi t và s mole NOx đ u vào c a dòng khói H s này xác định kh i lư ng ch t ph n ứng c n thi t để đáp ứng mức độ khử NOx yêu c u Thông thường, các h th ng SCR

có h s cân bằng là 1,05, nghĩa là thường c n kho ng 1,05 mole amonia cho 1 mole NOx trong khói th i H s cân bằng lư ng xác định lư ng ch t ph n ứng tiêu hao, vì

vậy có nh hưởng quan trọng đ n chi phí vận hành c a c h th ng

2.6 N ng độ NOx đ u vào

N ng độ NOx đ u vào (Uncontrolled NOx Concentration) là n ng độ NOx trong khói

th i trước bộ ph n ứng (sau khi qua t t c các gi i pháp kiểm soát NOx trong lò) Với

một hiểu su t khử NOx yêu c u xác định, n ng độ NOx đ u vào càng cao thì thể tích

kh i xúc tác c n thi t cũng càng cao

2.7 Dư lư ng amonia

Dư lư ng amonia là lư ng amonia còn dư trong khói th i sau khi đi qua bộ ph n ứng

Dư lư ng amonia trong khói th i gây ra các v n đề như: nh hư ng đ n sức kh e, đ n

độ đ c c a khói th i, sự n định c a tro bay, hình thành sulphat amonia Giới h n dư

lư ng amonia đư c quy định trong các yêu c u thi t k cũng như quy định môi trường

Dư lư ng amonia không n định trong quá trình vận hành SCR mà s tăng lên cùng

với sự suy gi m ho t tính c a ch t xúc tác Các h th ng SCR có thi t k t t, vận hành

ở điều ki n g n với h s cân bằng lư ng lý thuy t s có dư lư ng amonia vào kho ng 2-5ppm Dư lư ng amonia có thể đư c quan trắc bằng các thi t bị đo lường, tuy nhiên

Quy ển 3, Chương 6 – Hệ Thống Khử NOx (SCR) Trang 7 / 24

n b n 3, tháng 10/2017

các thi t bị này hi n chưa đư c thư ng m i hóa rông rãi, vì vậy thông thường dư

lư ng amonia đư c xác định gián ti p thông qua phân tích thành ph n tro bay

2.8 Ho t tính xúc tác

Ho t tính xúc tác đư c xác định bởi mức độ gia tăng hi u qu ph n ứng khử NOx dưới tác d ng c a ch t xúc tác Ho t tính xúc tác càng cao thì hi u qu ph n ứng càng cao

và càng nhiều NOx đư c khử trong bộ ph n ứng Ho t tính xúc tác là một hàm s c a

r t nhiều bi n s như: thành ph n và c u trúc ch t xúc tác, h s khu ch tán, lưu

lư ng, nhi t độ và thành ph n khói, vv

Ho t tính xúc tác suy gi m theo thời gian vận hành theo hàm s :

) / ( 0



t e K

K 

Trong đó: K0 là ho t tính xúc tác ban đ u, và  là hằng s thời gian vận hành c a xúc tác

Do ho t tính xúc tác gi m theo thời gian nên để giữ hi u su t khử không đ i c n tăng

d n lư ng amonia sử d ng, do vậy dư lư ng amonia s tăng d n theo thời gian vận hành Khi dư lư ng amonia đặt tới giá trị giới h n, ch t xúc tác s ph i đư c thay th Hình bên dưới là đ thị suy gi m ho t tính xúc tác điển hình theo thời gian

2.9 Ph n ứng ph

Ngoài ph n ứng khử NOx, ch t xúc tác còn là tác nhân gây ra một s ph n ứng ph ,

một trong s đó có nh hưởng đ n ho t động c a b n thân SCR và các thành ph n sau

nó là ph n ứng oxy hóa SO2 thành SO3 SO3 s ph n ứng với amonia dư t o thành các sulfat amonia bám lên bề mặt ch t xúc tác cũng như các bề mặt các thi t bị đường khói sau đó ví d như các bộ s y không khí

Quy ển 3, Chương 6 – Hệ Thống Khử NOx (SCR) Trang 8 / 24

n b n 3, tháng 10/2017

2.10 T n th t áp lực

Dòng khói đi qua bộ ph n ứng s chịu t n th t áp lực T n th t áp lực ph thuộc vào chiều dài c a bộ ph n ứng cũng như b trí các kh i xúc tác Cùng với thới gian vận hành, tro bay và các thành ph n khác (như amonia sulfat) bám lên bề mặt xúc tác cũng làm tăng t n th t áp lực dòng khói Để gi m thiểu t n th t áp lực có thể mở rộng ti t

di n đường khói

2.11 Bước kh i xúc tác

Bước kh i xúc tác (Catalyst Pitch) đư c xác định bằng t ng c a bề rộng ô xúc tác P

cộng với bề dày a c a t m xúc tác như trong hình bên dưới

Bước kh i xúc tác nh hưởng đ n vận t c c a dòng khói qua kho ng lọt khe giữa các

t m xúc tác

2.12 Suy gi m ho t tính xúc tác

Ho t tính xúc tác theo thời gian s bị suy gi m bởi r t nhiều nguyên nhân Các c ch

gi m ho t tính xúc tác có thể đư c li t kê như dưới đây:

 Sự phá h y ch t xúc tác: Một s thành ph n có ngu n g c từ nhiên li u và đư c t o thành trong quá trình cháy có thể phá h y ch t xúc tác Các thành ph n này có thể là oxit canxi, oxit magne, chlorine, fruorine, chì, vv Các thành ph n này phá h y ch t xúc tác theo cách khu ch tán vào trong bề mặt xúc tác hi u d ng và chi m giữ vị trí trong đó Sự phá h y này là nguyên nhân chính dẫn đ n suy gi m ho t tính xúc tác

 Thiêu k t nhi t: Nhi t độ cao c a khói trong bộ ph n ứng gây nên hi u ứng thiêu

k t – sự suy gi m liên t c ho t tính xúc tác do thay đ i c u trúc c a ch t xúc tác Thiêu k t nhi t có thể x y ra từ mức nhi t độ kho ng 450°F (232°C) Mức độ thiêu

k t nhi t ph thuộc vào thành ph n và c u trúc ch t xúc tác Các lo i ch t xúc tác

mới thường có kh năng kháng thiêu k t t t h n các lo i ch t xúc tác s n xu t trước kia, do vậy có thời gian sử d ng lâu h n

 Ngh n/Tắc: Các mu i sulfat amonia, tro bay cũng như các t p ch t khác trong dòng khói có thể gây ngh n, tắc hay kẹt các t m xúc tác, do vậy làm suy gi m bề mặt

hi u d ng c a ch t xúc tác dẫn tới suy gi m hi u qu ph n ứng đ ng thời làm tăng

t n th t áp lực dòng khói

Quy ển 3, Chương 6 – Hệ Thống Khử NOx (SCR) Trang 9 / 24

n b n 3, tháng 10/2017

 Bào mòn: Sự va đập c a các h t b i với vận t c cao lên bề mặt xúc tác gây nên hi n

tư ng bào mòn bề mặt ch t xúc tác Bề mặt xúc tác đư c gia cường độ cứng s có

kh năng ch ng bào mòn t t h n, tuy nhiên gia cường bề mặt cũng làm gi m hi u

qu xúc tác

 Lão hóa: Hi n tư ng lão hóa gây nên bởi sự thay đ i c u trúc và thành ph n ch t xúc tác theo thời gian

2.13 C u trúc ch t xúc tác

Các lo i xúc tác khác nhau có các thành ph n và tính ch t hóa lý khác nhau C u trúc

ch t xúc tác đư c lựa chọn ph i đáp ứng các y u t sau nhằm đ m b o gi m thiểu hi u ứng suy gi m ho t tính xúc tác:

 Ho t tính trên đ n vị kh i lư ng cao

Quy ển 3, Chương 6 – Hệ Thống Khử NOx (SCR) Trang 10 / 24

n b n 3, tháng 10/2017

Hình 3 Sơ đồ nguyên lý các phương án cấu hình SCR

3.1.1 Cấu hình SCR bụi cao

C u hình SCR b i cao là c u hình mà lò ph n ứng SCR đư c đặt ngay sau các bộ hâm nước và trước các bộ s y không khí cũng như các bộ lọc b i (khu vực có thành ph n

b i trong khói th i cao nh t) như trong hình bên dưới

Hình 4 Cấu hình SCR bụi cao