CN102000498B - 无需外加还原剂的烟气脱硝的燃烧设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于燃烧设备的无需外加还原剂的烟气脱硝装置及方法。锅炉产生的烟气流经省煤器，在省煤器或脱硝反应器入口连接烟道内布置放电装置，放电装置采用脉冲放电或直流放电，放电电压控制在起晕电压和击穿电压之间，放电生成的高能电子e攻击二氧化碳分子，使二氧化碳分子由基态活化到激化态，激化态的二氧化碳分子解离为CO和活性物质，经过反应，使部分CO2转化生产CO；烟气经由脱硝反应器入口连接烟道和整流装置进入脱硝反应器，烟气中的NO与CO在脱硝反应器中催化剂床层的作用下发生反应，生成无毒的N2和CO2；反应之后的烟气经由脱硝反应器出口连接烟道排出。本发明可用于燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉和生物质锅炉等的烟气脱硝，操作方便，效益显著。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧设备，尤其涉及一种无需外加还原剂的烟气脱硝的燃烧设备及方法。
背景技术
我国经济多年来持续保持快速发展势头，引发了对能源的巨大需求，1978年-2009年，我国一次性能源消费从5.7亿吨(以标准煤计)提高到30.2亿吨。我国一次能源以煤炭为主，煤炭在全国一次能源生产和消费中的比例长期占70％以上，且煤炭消耗的75％左右用于燃烧。化石燃料(如煤、石油、天然气等)与空气在高温燃烧时会产生NOx，燃烧过程中产生的NOx主要是NO，约为95％(体积百分数)。NOx已成为引发我国酸雨、光化学烟雾等一系列严重环境污染问题的主要原因之一。
通过对锅炉燃烧过程的控制可以在一定程度上降低烟气中NOx的排放量，但当随着排放要求的不断提高而需要进一步降低NOx排放浓度时，燃烧过程控制技术就不能满足要求了，这就需要其它的控制手段，烟气脱硝就是一种能够实现高效率的脱除烟气中NOx的技术。烟气脱硝是目前世界上发达国家普遍采用的减少NOx排放的方法，应用较多的是SCR和SNCR技术，其中SCR技术的脱硝率可达90％以上，在全球范围内有数百台的成功应用业绩和数十年的运行经验，是目前NOx控制最为有效、应用最广的技术之一，已成为国际上火电厂NOx排放控制的主流技术。
目前，我国已建或在建的火电厂烟气脱硝工程90％以上采用SCR工艺，通过向烟气中加入还原剂(纯氨、尿素或氨水，目前应用最广的是纯氨)，在适当的催化剂作用下还原剂与NOx发生反应，生成对环境无害的N2和H2O。目前火电厂SCR脱硝工艺均需外加还原剂，导致投资及运行成本高，特别是纯氨的运输、储存及使用的安全性要求较高，增加了不安全因素，同时氨与烟气中的硫氧化物生成铵盐，导致空预器等设备的腐蚀和堵塞。因此，开发无需外加还原剂的烟气脱硝工艺，对降低脱硝成本、增加脱硝设施的安全运行、促进我国烟气脱硝产业的发展具有重要的意义。
目前火电厂SCR烟气脱硝工艺存在以下不足：一是在脱硝过程中需连续加入还原剂，脱硝成本较高；二是目前广泛采用的还原剂-纯氨与烟气中的硫氧化物生成铵盐，导致空预器等设备的腐蚀和堵塞，影响系统运行的经济性和可靠性；三是纯氨的安全性要求较高，存在一定的不安全因素。
发明内容
本发明的目的是克服现有火电厂SCR脱硝技术的不足，提供一种无需外加还原剂的烟气脱硝的燃烧设备及方法。
一种无需外加还原剂的烟气脱硝的燃烧设备包括相连接的锅炉和省煤器，在省煤器内设有放电装置，省煤器、脱硝反应器入口连接烟道、整流装置、催化剂床层、脱硝反应器、脱硝反应器出口连接烟道顺次连接，脱硝反应器中设有催化剂床层。
另一种无需外加还原剂的烟气脱硝的燃烧设备包括相连接的锅炉和省煤器，省煤器、脱硝反应器入口连接烟道、整流装置、催化剂床层、脱硝反应器、脱硝反应器出口连接烟道顺次连接，在脱硝反应器入口连接烟道内设有放电装置，脱硝反应器中设有催化剂床层。
所述的放电装置包括第一放电极和第二放电极，第一放电极和第二放电极平行间隔放置，第二放电极与烟气流动方向平行，第一放电极位于相邻的2个第二放电极之间的中心位置，第一放电极和第二放电极的材料为铜或不锈钢，相邻的第一放电极和第二放电极之间的距离为1～15cm。
一种无需外加还原剂的烟气脱硝方法是：锅炉产生的烟气流经省煤器，在省煤器内布置放电装置，放电装置采用脉冲放电或直流放电，放电电压控制在起晕电压和击穿电压之间，放电生成的高能电子e攻击二氧化碳分子，使二氧化碳分子由基态活化到激化态，激化态的二氧化碳分子解离为CO和活性物质，经过反应，使部分CO2转化生产CO；烟气经由脱硝反应器入口连接烟道和整流装置进入脱硝反应器，烟气中的NO与CO在脱硝反应器中催化剂床层的作用下发生反应，生成无毒的N2和CO2；反应之后的烟气经由脱硝反应器出口连接烟道排出。
另一种无需外加还原剂的烟气脱硝方法是：锅炉产生的烟气流经省煤器和脱硝反应器入口连接烟道，在脱硝反应器入口连接烟道内布置放电装置，放电装置采用脉冲放电或直流放电，放电电压控制在起晕电压和击穿电压之间，放电生成的高能电子e攻击二氧化碳分子，使二氧化碳分子由基态活化到激化态，激化态的二氧化碳分子解离为CO和活性物质，经过反应，使部分CO2转化生产CO；之后烟气进入脱硝反应器，烟气中的NO与CO在脱硝反应器中催化剂床层的作用下发生反应，生成无毒的N2和CO2；反应之后的烟气经由脱硝反应器出口连接烟道排出。
本发明无需外加还原剂即可实现烟气中NO的脱除，省去了复杂的还原剂运输、储存和供应系统，解决了目前以纯氨为还原剂时存在的副产物铵盐引发的空预器腐蚀、堵塞难题，降低了对系统设备的腐蚀，降低了烟气脱硝系统的运行成本，提高了系统的安全性，可用于燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉和生物质锅炉等的烟气NOx控制，操作方便，效益显著。
附图说明
图1是一种无需外加还原剂的烟气脱硝的燃烧设备结构图；
图2(a)是置于省煤器内的放电装置的正视图；
图2(b)是置于省煤器内的放电装置的左视图；
图3是另一种无需外加还原剂的烟气脱硝的燃烧设备结构图；
图4(a)是置于脱硝反应器入口连接烟道内的放电装置的正视图；
图4(b)是置于脱硝反应器入口连接烟道内的放电装置的俯视图；
图中：锅炉1、省煤器2、放电装置3、脱硝反应器入口连接烟道4、整流装置5、催化剂床层6、脱硝反应器7、脱硝反应器出口连接烟道8、第一放电极9、第二放电极10。
具体实施方式
如图1所示，一种无需外加还原剂的烟气脱硝的燃烧设备包括相连接的锅炉1和省煤器2，在省煤器2内设有放电装置3，省煤器2、脱硝反应器入口连接烟道4、整流装置5、催化剂床层6、脱硝反应器7、脱硝反应器出口连接烟道8顺次连接，脱硝反应器7中设有催化剂床层6。
如图3所示，一种无需外加还原剂的烟气脱硝的燃烧设备包括相连接的锅炉1和省煤器2，省煤器2、脱硝反应器入口连接烟道4、整流装置5、催化剂床层6、脱硝反应器7、脱硝反应器出口连接烟道8顺次连接，在脱硝反应器入口连接烟道4内设有放电装置3，脱硝反应器7中设有催化剂床层6。
如图2、4所示，放电装置3包括第一放电极9和第二放电极10，第一放电极9和第二放电极10平行间隔放置，第二放电极10与烟气流动方向平行，第一放电极9位于相邻的2个第二放电极10之间的中心位置，第一放电极9和第二放电极10的材料为铜或不锈钢，相邻的第一放电极9和第二放电极10之间的距离为1～15cm。
一种无需外加还原剂的烟气脱硝方法是：锅炉1产生的烟气流经省煤器2，在省煤器2内布置放电装置3，放电装置3采用脉冲放电或直流放电，放电电压控制在起晕电压和击穿电压之间，放电生成的高能电子e攻击二氧化碳分子，使二氧化碳分子由基态活化到激化态，激化态的二氧化碳分子解离为CO和活性物质，经过反应，使部分CO2转化生产CO；烟气经由脱硝反应器入口连接烟道4和整流装置5进入脱硝反应器7，烟气中的NO与CO在脱硝反应器7中催化剂床层6的作用下发生反应，生成无毒的N2和CO2；反应之后的烟气经由脱硝反应器出口连接烟道8排出。
另一种无需外加还原剂的烟气脱硝方法是：锅炉1产生的烟气流经省煤器2和脱硝反应器入口连接烟道4，在脱硝反应器入口连接烟道4内布置放电装置3，放电装置3采用脉冲放电或直流放电，放电电压控制在起晕电压和击穿电压之间，放电生成的高能电子e攻击二氧化碳分子，使二氧化碳分子由基态活化到激化态，激化态的二氧化碳分子解离为CO和活性物质，经过反应，使部分CO2转化生产CO；之后烟气进入脱硝反应器7，烟气中的NO与CO在脱硝反应器7中催化剂床层6的作用下发生反应，生成无毒的N2和CO2；反应之后的烟气经由脱硝反应器出口连接烟道8排出。
本发明的原理为：
1)还原剂的生成
放电装置3的放电极A9位于相邻的2个放电极B10之间的中心位置，放电极A9可以为正极，也可为负极，放电极A9和放电极B10为铜、不锈钢等金属材料，相邻的放电极A9和放电极B10之间的距离在1cm和15cm之间，可根据具体情况进行调整。
放电装置3在施加一定电压后放电，首先生成高能电子e，然后高能电子攻击二氧化碳分子，使二氧化碳分子由基态活化到激化态，激化态的二氧化碳分子解离为CO和活性氧原子，经过一系列复杂的反应，使部分CO2转化生产CO。主要反应如下：
CO2+e→CO
CO2+e→C+2O
CO2+e→CO2 *
O+C→CO
CO2+e→CO+O
2)催化还原反应
步骤1)中生成的CO在催化剂的作用下，与烟气中的NO发生如下反应：
NO+CO→CO2+N2。
Claims (5)
1.一种无需外加还原剂的烟气脱硝的燃烧设备，包括相连接的锅炉(1)和省煤器(2)，其特征在于：在省煤器(2)内设有放电装置(3)，省煤器(2)、脱硝反应器入口连接烟道(4)、整流装置(5)、催化剂床层(6)、脱硝反应器(7)、脱硝反应器出口连接烟道(8)顺次连接，脱硝反应器(7)中设有催化剂床层(6)。
2.一种无需外加还原剂的烟气脱硝的燃烧设备，包括相连接的锅炉(1)和省煤器(2)，其特征在于：省煤器(2)、脱硝反应器入口连接烟道(4)、整流装置(5)、催化剂床层(6)、脱硝反应器(7)、脱硝反应器出口连接烟道(8)顺次连接，在脱硝反应器入口连接烟道(4)内设有放电装置(3)，脱硝反应器(7)中设有催化剂床层(6)。
3.根据权利要求1或2所述的一种无需外加还原剂的烟气脱硝的燃烧设备，其特征在于：所述的放电装置(3)包括第一放电极(9)和第二放电极(10)，第一放电极(9)和第二放电极(10)平行间隔放置，第二放电极(10)与烟气流动方向平行，第一放电极(9)位于相邻的2个第二放电极(10)之间的中心位置，第一放电极(9)和第二放电极(10)的材料为铜或不锈钢，相邻的第一放电极(9)和第二放电极(10)之间的距离为1～15cm。
4.一种使用如权利要求1所述设备的无需外加还原剂的烟气脱硝方法，其特征在于：锅炉(1)产生的烟气流经省煤器(2)，在省煤器(2)内布置放电装置(3)，放电装置(3)采用脉冲放电或直流放电，放电电压控制在起晕电压和击穿电压之间，放电生成的高能电子e攻击二氧化碳分子，使二氧化碳分子由基态活化到激化态，激化态的二氧化碳分子解离为CO和活性物质，经过反应，使部分CO2转化生产CO；烟气经由脱硝反应器入口连接烟道(4)和整流装置(5)进入脱硝反应器(7)，烟气中的NO与CO在脱硝反应器(7)中催化剂床层(6)的作用下发生反应，生成无毒的N2和CO2；反应之后的烟气经由脱硝反应器出口连接烟道(8)排出。
5.一种使用如权利要求2所述设备的无需外加还原剂的烟气脱硝方法，其特征在于：锅炉(1)产生的烟气流经省煤器(2)和脱硝反应器入口连接烟道(4)，在脱硝反应器入口连接烟道(4)内布置放电装置(3)，放电装置(3)采用脉冲放电或直流放电，放电电压控制在起晕电压和击穿电压之间，放电生成的高能电子e攻击二氧化碳分子，使二氧化碳分子由基态活化到激化态，激化态的二氧化碳分子解离为CO和活性物质，经过反应，使部分CO2转化生产CO；之后烟气进入脱硝反应器(7)，烟气中的NO与CO在脱硝反应器(7)中催化剂床层(6)的作用下发生反应，生成无毒的N2和CO2；反应之后的烟气经由脱硝反应器出口连接烟道(8)排出。
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