CN102179171B

CN102179171B - 具有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法及其装置

Info

Publication number: CN102179171B
Application number: CN201110074693.5A
Authority: CN
Inventors: 周昊; 岑可法; 胡善涛; 陈丰; 殷红
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2031-03-28
Also published as: CN102179171A

Abstract

本发明公开一种具有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法及其装置，它通过安装前置流场均匀装置以优化NOx在炉膛截面内的均匀性；在具有不同烟气温度的锅炉烟气通道的不同位置布置不同形式及不同数量的还原剂补氨喷枪以控制NOx和NH₃呈相应的均匀分布；在锅炉尾部烟道安装载有SCR催化剂的SCR反应器。本发明的综合脱硝效率达到90%以上，节省了SCR催化剂的用量，并通过提高选择性非催化还原反应区对还原剂的利用效率从而减小还原剂的使用量，有效控制氨逃逸；易于在现有锅炉脱硝工程上进行改造，适用于各种锅炉和工业窑炉，具有广阔的应用前景。

Description

具有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法及其装置

技术领域

本发明涉及燃煤锅炉污染物排放控制方法及其装置，尤其涉及一种具有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法及其装置。

背景技术

氮氧化物NOx包括N₂O、NO、NO₂、N₂O₃、N₂O₄和N₂O₅，被认为是造成大气污染的主要污染源之一。其中NO和NO₂是重要的大气污染物，燃烧中产生的氮氧化物几乎全是NO和NO₂。我国氮氧化物排放总量中70%来自于煤炭的直接燃烧，而电力行业又是我国的燃煤大户，因此NOx的主要排放源是火力发电厂。日益严格的环保法规要求对NOx排放源尤其是电站锅炉应用NOx减排方法，以控制氮氧化物的排放总量。现有的燃煤电站氮氧化物减排方法主要是燃烧中控制和燃烧后烟气脱硝两大方法。燃烧过程中NOx控制方法主要是通过改变燃烧器结构和燃烧条件降低NOx的排放，是应用最广泛、经济并且有效的方法，可以和其他脱硝方法联合使用。应用在燃煤锅炉上的烟气脱硝方法主要有选择性非催化还原方法（SNCR）和选择性催化还原方法（SCR）。SNCR方法系统简单、施工简单、初期投资低、运行成本小，但其最大的缺陷是脱硝率较低，在电站燃煤锅炉上仅有30~50%的脱硝率，且SNCR法其氨逃逸难以控制，影响锅炉运行的稳定性和安全性。SCR方法脱硝效率高，由于采用混合器、喷氨格栅和烟气整流器可很好的实现还原剂和烟气中NO的均匀混合，脱硝率可达95%以上，但其缺点是占地面积大、系统复杂、初期投资大、运行成本高。在燃煤锅炉上也有采用混合SNCR—SCR脱硝技术，但是难以实现还原剂和烟气中NO的均匀混合，所以SNCR—SCR方法的脱硝率难以令人满意。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法及其装置。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是，其有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法包括如下步骤：

（1）在锅炉炉膛上设有前置流场均匀装置，在烟气温度范围为750～950℃的锅炉前墙上固定布置一层以上还原剂补氨喷枪，在烟气温度范围为650～800℃的锅炉水平烟道内布置一层以上还原剂补氨喷枪，在锅炉尾部烟道处固定安装载有SCR催化剂的SCR反应器；所述还原剂为含氨液体；

（2）根据锅炉的负荷大小，相应的所述还原剂补氨喷枪将还原剂雾化后喷入炉膛内，使得喷入炉膛内的还原剂中的一部分与烟气中的NO发生选择性非催化还原反应，所述喷入炉膛内的还原剂的其余部分热解成氨气；所述氨气与炉膛内的烟气混合着向尾部烟道流动并逐渐混合均匀；

（3）当混有氨气的烟气流经SCR反应器时，烟气中的NO在SCR催化剂表面与氨气发生选择性催化还原反应后被还原为N₂。

进一步地，本发明所述含氨液体为尿素溶液。

进一步地，本发明在步骤（2）中，所述还原剂补氨喷枪是采用压缩空气或过热蒸汽将还原剂雾化。

进一步地，本发明在步骤（2）中，所述喷入炉膛内的还原剂与烟气中的NO的氨氮比为1.0～1.8 ：1。

进一步地，本发明在步骤（2）中，所述氨气和炉膛内的烟气自开始混合至到达SCR反应器的时间为3秒以上。

进一步地，本发明所述前置流场均匀装置为设于锅炉炉膛上的可摆动式风口。

进一步地，本发明所述补氨喷枪流量分别进行单独调节。

本发明用于上述脱硝方法的多级热解耦合脱硝装置，其在锅炉炉膛上设有前置流场均匀装置，在锅炉前墙上固定布置有一层以上还原剂补氨喷枪，在锅炉水平烟道内布置有一层以上还原剂补氨喷枪，在锅炉尾部烟道处固定安装载有SCR催化剂的SCR反应器。

进一步地，本发明所述锅炉前墙用于布置还原剂补氨喷枪的位置的烟气温度为750～950℃，所述锅炉水平烟道用于布置还原剂补氨喷枪的位置的烟气温度为650～800℃。

本发明与现有技术比较所具有的优点如下：

（1）本发明采用了前置流场均匀装置，特别地，若前置流场均匀装置为设于锅炉炉膛上的可摆动风口，则可通过控制风口出来的气流方向变化来调节NOx和烟气速度、温度在炉膛中的分布，在有限补氨喷枪数量的前提下，满足SCR系统对烟气和还原剂混合均匀性的要求；

（2）本发明通过合理地在烟气温度范围为750～950℃的锅炉前墙上固定布置一层以上还原剂补氨喷枪，以及在烟气温度范围为650～800℃的锅炉水平烟道内布置一层以上还原剂补氨喷枪，在具有不同烟气温度的不同位置处安装的还原剂补氨喷枪采取了不同的结构形式，且每根喷枪喷射还原剂流量可单独调节，尾部烟道后布置SCR反应器，提高了喷入炉膛内的还原剂发生选择性非催化还原反应的利用率，且可使还原剂热解后生成的NH₃与NO更好地呈相应的均匀分布，为下游的SCR反应器内在SCR催化剂表面发生的选择性催化还原反应提供极为有利的因素；

（3）本发明通过采用补氨喷枪热解系统，合理利用锅炉烟道，无需空间的限制，设备简单，节省了SCR系统复杂的还原剂喷射系统；

（4）还原剂补氨喷枪将还原剂喷入炉内，部分还原剂发生选择性非催化还原反应，初步降低了烟气中进入SCR反应器的NO，故SCR反应器仅需布置一层催化剂，大大降低了SCR系统的运行费用，节省了SCR系统的占地空间，易于在现有锅炉脱硝工程基础上改造为本发明；

（5）本发明方法的综合脱硝率达90%以上，运行成本低于现有的纯SCR脱硝方法，适用于燃各种锅炉和炉窑，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为在锅炉前墙设置还原剂补氨喷枪的结构示意图；

图3为本发明前置流场均匀装置的摆动风口原理图，其中α为可调节的摆动角。

具体实施方式

以下根据附图结合具体实例对本发明具有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法作进一步详细的说明。

如图1至图3所示，发明的多级热解耦合脱硝装置中，在锅炉炉膛上设有前置流场均匀装置，在锅炉前墙上固定布置有一层以上还原剂补氨喷枪，在锅炉水平烟道内布置有一层以上还原剂补氨喷枪，在锅炉尾部烟道处固定安装载有SCR催化剂的SCR反应器。作为本发明的优选方案，前置流场均匀装置为设于锅炉炉膛上的可摆动式风口。特别地，优选还原剂补氨喷枪3布置在锅炉前墙的烟气温度为750～950℃的位置处，还原剂补氨喷枪4布置在锅炉水平烟道的烟气温度为650～800℃的位置处。

如图3所示，作为本发明的一种简单易行的优选实施方式，当前置流场均匀装置2为设于锅炉炉膛的摆动式风口21时，可通过对摆动式风口21角度的调节，选择投运不同层的还原剂补氨喷枪，以及对每支喷枪喷射还原剂流量进行单独控制，有效地实现还原剂和烟气中NO的均匀混合，来满足燃煤锅炉不同负荷下对NOx控制的要求，稳定可靠，效率高。本发明通过单独调节每支喷枪还原剂的喷射量及采取不同形式的喷枪类型，调摆动调节风的角度，促进和改善了烟气中NH₃和NO的混合均匀程度，对于消除炉膛出口有旋转偏差造成的NO浓度分布不均造成的NH₃与其混合不均匀有显著的效果。

本发明脱硝法包括如下步骤：

首先，如图1和图2所示，在锅炉的炉膛1上设有前置流场均匀装置2。如果前置流场均匀装置上如图3所示设有四个可左、右摆动的摆动式风口21，则可使风口出来的气流的方向发生变化从而调节NOx和烟气速度、温度在炉膛中的分布。炉膛1的上部固定安装有还原剂补氨喷枪3和还原剂补氨喷枪4：其中，还原剂补氨喷枪3单层共5支固定布置于锅炉前墙，一般采用多孔型喷枪；还原剂补氨喷枪4固定布置于炉膛上部水平烟道内的高温过热器和高温再热器之间，分两层共4支喷枪左右侧墙对称布置，一般采用V型口喷枪。其中，还原剂补氨喷枪3布置在锅炉前墙的烟气温度为750～950℃的位置处，还原剂补氨喷枪4布置在锅炉水平烟道的烟气温度为650～800℃的位置处。本发明中，还原剂补氨喷枪3和还原剂补氨喷枪4可布置成一层或多层。此外，在锅炉尾部烟道处固定安装载有SCR催化剂的SCR反应器9，所述还原剂为含氨液体。

接着，根据锅炉的负荷大小和还原剂补氨喷枪处的烟气温度，确定是选择使用锅炉前墙上的还原剂补氨喷枪3还是水平烟道内的还原剂补氨喷枪4，将还原剂雾化后喷入炉膛1内，使得喷入炉膛1内的还原剂中的一部分与烟气中的NO发生选择性非催化还原反应，而喷入炉膛1内的还原剂的其余部分热解成氨气；随后氨气与炉膛内的烟气混合着向尾部烟道流动并逐渐混合均匀。当混有氨气的烟气流经SCR反应器9时，烟气中的NO在SCR催化剂表面与氨气发生选择性催化还原反应后被还原为N₂。

以下进一步举例说明：

420t/h燃煤锅炉在60～110MW负荷下，炉膛内经低氮燃烧生成450mg/Nm³左右的NOx，并随着烟气向上流动。通过调整设于锅炉炉膛内的摆动式风口21的角度以优化NOx在炉膛内横截面14上的分布。如图2所示，通过微调各补氨喷枪的手动球阀19，观察浮子流量计20的读数，调节还原剂18通过补氨喷枪的流量，维持雾化压缩空气16在就地压力表15上的显示值为0.55MPa以上，同时维持还原剂就地压力表17的数值在0.55MPa以上，使NOx浓度与分解出来的NH₃浓度呈相应均匀分布。需要说明的是，除了使用压缩空气将还原剂雾化外，还可以使用过热蒸汽雾化还原剂。在还原剂补氨喷枪3位置标高处烟气的温度范围为780～900℃，还原剂补氨喷枪4位置标高处的烟气温度范围为620～690℃。基于本实施例中燃煤锅炉的负荷为60~110MW，此时可投运还原剂补氨喷枪3，不投运还原剂补氨喷枪4。还原剂优选采用浓度为10%的尿素溶液，还原剂的喷入量（按全部热解为NH₃计算）与烟气中的NO摩尔比为1.0～1.8：1，由前墙的还原剂补氨喷枪3喷入炉膛，其中的部分还原剂与烟气中的NO发生选择性非催化还原反应，经过该非催化还原反应后，NOx的浓度能降低37%左右，达到280 mg/Nm³左右；其余还原剂热解为NH₃，烟气中的NH₃约为118ppm左右，含有NH₃的烟气经过不同换热面、尾部烟道、转向烟道、导流板5、SCR催化剂上方整流器6，使NH₃与烟气中的NO充分混合均匀，从而在SCR催化剂7表面发生选择性催化还原反应使烟气中的NO被还原为N₂。氨气和炉膛内的烟气自开始混合至到达SCR反应器9的时间通常为3秒以上。SCR反应器9所处的烟气温度范围为289～307℃, SCR反应器9的底部为催化剂预留层8。经SCR反应器9后，烟气中的NOx浓度降低为50 mg/Nm³左右，系统平均氨逃逸浓度控制在3ppm以下。经脱硝后的烟气经空气预热器10、除尘器11、脱硫装置12，再经烟囱13排入大气中。

420t/h燃煤锅炉在120～125MW负荷下，炉膛内经低氮燃烧生成440mg/Nm³左右的NOx，并随着烟气向上流动。通过调整设于锅炉炉膛的摆动式风21的角度使NOx在炉膛内的分布配合还原剂补氨喷枪的单独流量调节，使NOx浓度与分解出来的NH₃浓度呈相应均匀分布。在还原剂补氨喷枪3位置标高处烟气的温度范围为840～970℃，还原剂补氨喷枪4位置标高处的烟气温度范围为704～740℃。此时可单独投运还原剂补氨喷枪4或者同时投运还原剂补氨喷枪3和4。还原剂采用浓度为10%的尿素溶液，还原剂的喷入量（按全部热解为NH₃计算）与烟气中的NO摩尔比为1.0～1.8：1，由水平烟道内的还原剂补氨喷枪4或者由锅炉前墙的还原剂补氨喷枪3和水平烟道内的还原剂4共同喷入炉膛，其中，部分还原剂与烟气中的NO发生选择性非催还还原，经该非催化还原反应后，NOx的浓度能降低39%左右，达到270 mg/Nm³左右；其余还原剂热解为NH₃，烟气中的NH₃约为120ppm左右，含有NH₃的烟气经过不同换热面、尾部烟道、转向烟道、导流板4、SCR催化剂上方整流器5，使NH₃与烟气中的NO充分混合均匀，从而在SCR催化剂6表面发生选择性催化还原反应使烟气中的NO被还原为N₂。氨气和炉膛内的烟气自开始混合至到达SCR反应器9的时间通常为3秒以上。SCR反应器9所处的烟气温度范围为304～314℃,经SCR反应器9后，烟气中的NOx浓度降低为35mg/Nm³左右，系统平均氨逃逸浓度控制在3ppm以下。

本发明方法应用于实际后，不仅可以有效的降低燃煤锅炉的氮氧化物排放，效率达90%以上，且易于操作和控制，能够低成本进行高效率NOx的脱除，以满足日益严格的环保法规的要求。

Claims

1.一种具有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法，其特征在于包括如下步骤：

（2）根据锅炉的负荷大小，对还原剂补氨喷枪的流量分别进行单独调节，使相应的所述还原剂补氨喷枪将还原剂雾化后喷入炉膛内，使得喷入炉膛内的还原剂中的一部分与烟气中的NO发生选择性非催化还原反应，所述喷入炉膛内的还原剂的其余部分热解成氨气；所述氨气与炉膛内的烟气混合着向尾部烟道流动并逐渐混合均匀；

2.根据权利要求1所述的具有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法，其特征在于：所述含氨液体为尿素溶液。

3.根据权利要求1所述的具有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法，其特征在于：在步骤（2）中，所述还原剂补氨喷枪是采用压缩空气或过热蒸汽将还原剂雾化。

4.根据权利要求1所述的具有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法，其特征在于：在步骤（2）中，所述喷入炉膛内的还原剂与烟气中的NO的氨氮比为1.0～1.8 ：1。

5.根据权利要求1所述的具有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法，其特征在于：在步骤（2）中，所述氨气和炉膛内的烟气自开始混合至到达SCR反应器的时间为3秒以上。

6.根据权利要求1所述的具有前置流场均匀装置的多级热解耦合脱硝方法，其特征在于：所述前置流场均匀装置为设于锅炉炉膛上的可摆动式风口。

7.一种用于实现权利要求1的方法的多级热解耦合脱硝装置，其特征在于：在锅炉炉膛上设有前置流场均匀装置，在锅炉前墙上固定布置有一层以上还原剂补氨喷枪，在锅炉水平烟道内布置有一层以上还原剂补氨喷枪，在锅炉尾部烟道处固定安装载有SCR催化剂的SCR反应器，各所述还原剂补氨喷枪的流量分别进行单独调节。

8.根据权利要求7所述的多级热解耦合脱硝装置，其特征在于：所述锅炉前墙用于布置还原剂补氨喷枪的位置的烟气温度为750～950℃，所述锅炉水平烟道用于布置还原剂补氨喷枪的位置的烟气温度为650～800℃。

9.根据权利要求7或8所述的多级热解耦合脱硝装置，其特征在于：所述前置流场均匀装置为设于锅炉炉膛上的可摆动式风口。