CN102210969B - 焚化炉用氮氧化物削减系统 - Google Patents

焚化炉用氮氧化物削减系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种将已喷雾的氨均匀地导入到催化剂层中，并在焚化炉开始运转后，尽可能使催化剂迅速升温，此外，确立随着排气量和NOx产生量的变动的氨喷雾量的控制法的焚化炉用氮氧化物削减系统，该焚化炉用氮氧化物削减系统将一头是来自焚化炉侧的排气导入口、另一头是排气筒侧的排气排出口的筒状的催化反应器(1)的内部划分成排气导入口侧的混合扩散部和排气排出口侧的催化剂层部，在混合扩散部中的排气导入口附近配置氨水的喷雾嘴(2)，在混合扩散部中，在催化反应器(1)的轴向上间隔规定距离地配置分别具有开口位置相互不一致的开口部的第一隔膜(21)及第二隔膜(22)，在催化剂层部中，设置促进排气中的氮氧化物的由氨进行的反应的催化剂(23)。

Description

焚化炉用氮氧化物削减系统
技术领域
本发明涉及一种削减从焚化炉排出的排气中的氮氧化物(NOx)的系统。
背景技术
作为除去在各种的焚烧设备中的排气中的氮氧化物(NOx)的方法，普及有向排气中进行氨(NH3)喷雾，并通过催化剂层，从而将NOx分解成氮(N)和水(H2O)的方法。
该排气中的氮氧化物的脱硝反应以下面的式(1)或式(2)表示。
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O     式(1)
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O    式(2)
排气中的NOx由于大部分是NO，所以根据式(1)，NO和NH3的摩尔比为1∶1，反应所需要的氨量为与NOx大致相同的摩尔量。
用于环保设备中的、该采用催化剂和氨来除去排气中的氮氧化物的系统，主要是用于大型垃圾焚烧炉的排气处理而开发的系统，并以在稳定的、排气量多的连续燃烧条件下使用为前提而设计的。
另一方面，当在象焚化炉那样的进行批量运转且不仅排气量少、而且排气量的变动大的炉中使用上述的氮氧化物除去系统时，则存在有以下的问题。
(1)很难将催化剂的温度快速达到可与氨反应的温度。
(2)由于排气量少，因此，在氨的喷雾后，很难将排气均匀地导入到催化剂中，所以向催化剂导入的氨的浓度分布不均匀，其结果，未反应的氨容易泄漏。
(3)虽然进行处理的气体量少，但是因进行焚化的个体差异导致的排气量的变动幅度大，从而很难控制喷雾量。因此，在均匀量喷雾或进行由定时器来控制喷雾量等的方法中，不可避免有因未反应的氨导致的氨气泄漏的发生。
为了解决这个问题，例如，在专利文献1中披露有这样的排气的处理装置，在前段和后段设置用于处理除包含氮氧化物的排气外、还包含臭气成分和/或二噁英类的焚化炉排气的脱硝催化剂层，在处理排气时导入氨，从而在用前段脱硝催化剂还原处理氮氧化物后，在后段脱硝催化剂中用未反应的氨还原处理未反应的氮氧化物，而且，通过前段和/或后段脱硝催化剂也同时进行排气中的臭气成分及二噁英类的除去处理。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001-170452号公报
发明内容
氨也是公知的恶臭物质，为了遵守恶臭物质的排出基准，即使在焚化炉中，也需要确立使氨气泄漏最小的技术。
在上述的专利文献1所披露的排气的处理装置，虽然为了提高NOx除去效率和控制氨量而设置前段脱硝催化剂和后段脱硝催化剂这两处的催化剂，但是由于其在一段脱硝催化剂中不能提高NOx的处理效率，所以不得不成为复杂构造的排气的处理装置。
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种将已喷雾的氨均匀地导入到催化剂层中，并在焚化炉开始运转后，尽可能使催化剂快速升温，此外，确立随着排气量和NOx产生量的变动的氨喷雾量的控制法的焚化炉用氮氧化物削减系统。
为了解决上述问题，本发明第一结构所涉及的焚化炉用氮氧化物削减系统，其特征在于，将一头是来自焚化炉侧的排气导入口、另一头是排气筒侧的排气排出口的筒状的催化反应器的内部划分成所述排气导入口侧的混合扩散部和所述排气排出口侧的催化剂层部，在所述混合扩散部中的所述排气导入口附近配置氨水的喷雾嘴，在所述混合扩散部中，在所述催化反应器的轴向上间隔规定距离地配置分别具有开口位置相互不一致的开口部的至少由第一隔膜及第二隔膜组成的至少两个隔膜，在所述排气导入口和所述第一隔膜之间，设置向所述混合扩散部导入升温用加热气体的导管，在所述催化剂层部中，设置促进排气中的氮氧化物的由所述氨进行的反应的催化剂。
在该第一结构中，在混合扩散部中，通过设置具有开口位置相互不一致的开口部的至少两个隔膜，从而良好地混合从喷雾嘴喷射出的氨水和排气的混合气体，并通过在催化反应器的下游侧所设置的催化剂，促进脱硝反应。
本发明第二结构的特征在于，在所述气体导入口和所述第一隔膜之间，设置向所述混合扩散部导入升温用加热气体的导管。
在该第二结构中，通过在混合扩散部前段设置导管，并从该导管导入升温用加热气体，能够使催化剂提前升温到规定温度，从而能够从刚焚化开始之后促进由催化剂进行的脱硝反应。
本发明第三结构的特征在于，所述喷雾嘴是压缩空气和氨水的双流体喷嘴，氨水由可控制流量的定量泵供给。
在该第三结构中，由于能用定量泵控制压缩空气和氨水的混合比率，所以能够通过计算机准确且迅速地控制氨水的喷雾量。
本发明第四结构的特征在于，该焚化炉用氮氧化物削减系统包括：控制单元，该控制单元具有计测从所述催化反应器排出的排气的流量的流量计和计测排气中的NOx浓度的NOx计，并基于NOx目标值和通过所述NOx计计测出的排气中的NOx浓度之间的偏差及通过所述流量计计测出的排气的流量，控制所述氨水的流量。
在该第四结构中，通过始终监视排气中的NOx浓度，并以其浓度变成目标值的方式实时控制氨水的流量使其进行脱硝反应，从而能够恰当地控制排气中的NOx浓度、氨浓度。
根据本发明，能够将已喷雾的氨均匀地导入到催化剂层中，并在焚化炉开始运转后，尽可能使催化剂快速升温，此外，能够确立随着排气量和NOx产生量的变动的氨喷雾量的控制法。
附图说明
图1表示本发明的实施方式所涉及的催化反应器的构成，其中，图1(a)是横截面图，图1(b)是图1(a)中的A-A’截面图，图1(c)是图1(a)中的B-B’截面图，图1(d)是在图1(a)中的C-C’截面图。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的焚化炉用氮氧化物削减系统的结构的框图。
图3是表示在本发明的实施方式所涉及的焚化炉用氮氧化物削减系统中，在催化反应器预热时的由挡板开闭导致的气体流动的说明图。
图4是表示在本发明的实施方式所涉及的焚化炉用氮氧化物削减系统中，在通常运转时的由挡板开闭导致的气体流动的说明图。
图5是表示在本发明的实施方式所涉及的焚化炉用氮氧化物削减系统中，在袋式过滤器入口温度为210℃以上时的由挡板开闭导致的气体流动的说明图。
图6是表示在本发明的实施方式所涉及的焚化炉用氮氧化物削减系统中，在自燃通风时的由挡板开闭导致的气体流动的说明图。
图7是在本发明的实施方式中的氨水喷雾量控制的流程图。
图8是表示在本发明的实施方式中的氨水喷雾量和NOx浓度、O2浓度、温度的变化的曲线图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。
如图1所示，本发明的实施方式所涉及的焚化炉用氮氧化合物削减系统的催化反应器1，前半部分为氨和排气的混合扩散部，后半部分为催化剂层部，在催化剂层部中填充有催化剂23。催化反应器1的前半部分的混合扩散部形成为死空间少的圆筒形，在排气的流动方向上设置有由第一隔膜21及第二隔膜22组成的两段隔膜。第一隔膜21及第二隔膜22分别分散配置有3个圆形的开口部21a及开口部22a，开口部21a和开口部22a设置在相互偏离60°角的位置上。
氨水喷嘴2设置在催化反应器1的入口的中心部，并从那里进行氨水喷雾，在与排气进行接触的同时瞬间被蒸发，在通过开口部21a和开口部22a的位置相互偏离地设置的第一隔膜21及第二隔膜22的期间，排气和氨被混合扩散，并成为均匀的氨浓度的排气，被导入到催化剂23。通过这样，氨和氮氧化合物几乎完全反应，被分解成氮气和水。
为了使催化剂23提前升温，在反应器1的第一阶段中连通导入升温用加热气体的导管24。通常，利用再燃烧炉的升温时的排气来升温催化剂，但如这样作则需要在焚化开始后数分钟，催化剂才达到可反应温度。在本实施方式中，由于设置热风发生炉(未图示)，并从导管24导入在热风发生炉中产生的升温用加热气体，从而将催化剂加热到规定温度，所以能够在刚开始焚化之后，使催化剂达到可使用温度。在实际设备的运转中，热风发生炉在第一次的焚化开始后10分钟以内的运转中，可喷雾氨水。同日的第二次以后在5分钟以内的运转中可喷雾氨水。催化反应器1、导管24等的材料通过全部使用不锈钢(SUS304)，防止因结露而导致的腐蚀，从而提高耐久性。作为催化剂使用了株式会社日本触媒制的HD-501H型的蜂窝状低温催化剂。该催化剂在能够以低温且高效率脱硝的同时，具有寿命长的特点。该催化剂的材料是载体为二氧化钛，催化剂成分为氧化钒，此时的可使用温度为170℃。
图2表示本发明的实施方式所涉及的焚化炉用氮氧化物削减系统的结构，从焚化炉的副燃烧室(未图示)排出的排气通过集尘器旁路挡板3，被引导到除去排气中的粉尘的袋式过滤器4。当关闭集尘器旁路挡板3时，则排气迂回袋式过滤器4被引导到催化反应器1的入口的导管24(参照图1)及催化反应器旁路挡板7的入口。在袋式过滤器4和催化反应器1之间，设置有图1所示的氨水喷雾嘴2。
从催化反应器1排出的气体被排风机5吸引并通过排气筒6排入到大气中。催化反应器1和排风机5分别同时设置有催化反应器旁路挡板7、排风机旁路挡板8，用于控制排气的流路。
氨水喷雾嘴2使用压缩空气和氨水的双流体喷嘴，以使能够均匀喷出微细的氨水颗粒，氨水通过数字定量泵11被供给给氨水喷雾嘴2。通过由控制计算机9流量控制数字定量泵11，使氨水的喷雾量变化。
在袋式过滤器4的出口设置有NOx计10，用于测定导入到催化反应器1的排气中的NOx浓度N入口。在催化剂23的入口和出口分别设置有测定入口温度T入口和出口温度T出口(参照图1)的温度计12、13。此外，在催化反应器1的出口侧设置有测定处理后的NOx浓度N出口的NOx计14和测定排气量QN的流量计15。
上述的集尘器旁路挡板3、催化反应器旁路挡板7、排风机旁路挡板8根据运转状况进行表1所示的开闭。
表1
Figure BSA00000462563000051
如表1所示，催化反应器预热时将集尘器旁路挡板3设置在旁路侧、将催化反应器旁路挡板7设置为关闭、将排风机旁路挡板8设置为关闭，并用在预热焚化炉时的排气温度将催化反应器1的催化剂加热到可使用温度。用图3的粗线示出这时的空气流动。另外，当想快速加热时，也可使用热风发生炉。
通常运转时将集尘器旁路挡板3设置在主导管侧、将催化反应器旁路挡板7设置为关闭、将排风机旁路挡板8设置为关闭，并在将来自焚化炉的排气导入到袋式过滤器4进行除尘的同时，向催化反应器1导入排气。这时，通过氨水喷雾嘴2将氨水与压缩空气同时进行喷雾，并用在催化反应器1中的催化剂促进脱硝反应，从而将氮氧化物分解成氮和水。用图4的粗线示出这时的空气流动。
当袋式过滤器4的入口温度超过210℃时，则由于存在有袋式过滤器4的损坏的问题，所以将集尘器旁路挡板3设置在旁路侧、将催化反应器旁路挡板7设置为打开、将排风机旁路挡板8设置为关闭，进行由排气的旁路进行的强制排气。用图5的粗线示出这时的空气流动。
在由排风机5发生了故障时等的原因导致的自燃通风时，为了进行所有的设备的保护，将集尘器旁路挡板3设置在旁路侧、将催化反应器旁路挡板7设置为打开、将排风机旁路挡板8设置为打开，并进行由旁路导管进行的自然排气。用图6的粗线示出这时的空气流动。
接着，对本发明的实施方式中的氨水喷雾量控制法，进行说明。
在本发明的实施方式中，根据以下的步骤，计算10％氨水的喷雾量，并进行喷雾量控制。
1)根据流量计15的数据，计算排气量QN(Nm3/hr)。
2)决定NOx目标值(O212％换算值)，求出脱硝率。
A：脱硝率＝{NOx浓度(O212％换算值)-NOx目标值(O212％换算值)}/NOx浓度(O212％换算值)·····式(3)
在这里，NOx浓度使用将通过NOx计14实际测定出的NOx浓度值N出口换算成O212％的值。
3)根据以下的公式，决定10％氨水的喷雾量。
NH310％喷雾量(L/hr)＝QN×NOx浓度(实际测量值)×10-6×A×(NH3/NO)摩尔比×(17/22.4)×(100/10)×(1/ρ)·····式(4)
在这里，(NH3/NO)摩尔比＝A/100、ρ为10％氨水的比重。
计算通过控制计算机9每秒钟进行10次，并根据该结果，向数字定量泵11给予指令，从而实时控制喷雾量。
通过图7所示的流程图对该氨水喷雾量控制法进行说明。
在图7中，在步骤S100中，基于温度计12的计测值判断催化剂23的入口温度T入口是否为大于等于150℃。如为大于等于150℃，则接着前进。如不是大于等于150℃，则继续监视。
在步骤S110中，把数字定量泵11打开(当已打开时，则接着前进。)。
在步骤S130中，判断导入到催化反应器1的排气中的NOx浓度N入口是否为大于等于NOx控制目标值。当为大于等于NOx控制目标值时，接着前进，当不是时，则通过步骤S120将数字定量泵11关闭返回到开始。
在步骤S140中，基于上述的式(4)实施氨水喷雾量的计算。
在步骤S150中，进行数字定量泵11的流量控制。
在步骤S160中，(a)判断通过NOx计14计测出的催化反应器1的出口侧NOx浓度N出口是否大于等于NOx控制下限值(0～10ppm左右)，或者(b)判断已在上述的式(3)中求出的脱硝率A是否为大于等于0.1，或者(c)判断催化剂23的入口温度T入口是否为大于等于140℃，如是，则返回到步骤S100，如不是，则在步骤S120中，关闭数字定量泵11，并返回到步骤S100。
进行这样的氨水喷雾量的控制，恰当地控制排气中的NOx浓度、氨浓度。
表2表示测定了排气筒6出口的指定恶臭物质及臭气指数、臭气浓度的结果。在表2中，指定恶臭物质的单位为ppm(vol/vol)，臭气指数及臭气浓度没有单位，“＜”表示不足。
表2
Figure BSA00000462563000071
Figure BSA00000462563000081
从表2的结果得知，确定了在各炉的排气筒出口中的特定恶臭物质及臭气指数、臭气浓度低于排出标准的情况。尤其是，氨浓度低于基准的1ppm，证实了恰当地进行着在为了脱硝而使用的氨水中的氨浓度控制的情况。
图8是表示在实际设备中的氨水喷雾量和NOx浓度、O2浓度、温度的变化的曲线图。★表示氨水喷雾开始时刻。从该曲线图得知，通过本实施方式的焚化炉用氮氧化物削减系统，表示催化反应器的入口温度时常保持在180℃～200℃。
工业实用性
本发明能够作为将已喷雾的氨均匀地导入到催化剂层，并在焚化炉开始运转后，尽可能使催化剂快速升温，此外，能确立随着排气量和NOx产生量的变动的氨喷雾量的控制法的焚化炉用氮氧化物削减系统，适宜地进行利用。
附图标记说明
1         催化反应器            2       氨水喷雾嘴
3         集尘器旁路挡板        4       袋式过滤器
5         排风机                6       排气筒
7         催化反应器旁路挡板    8       排风机旁路挡板
9         控制计算机            10      NOx计
11        数字定量泵            12      温度计
13        温度计                14      NOx计
15        流量计                21、22  隔膜
21a、22a  开口                  23      催化剂
24        导管

Claims (3)

1.一种焚化炉用氮氧化物削减系统，其特征在于，将一头是来自焚化炉侧的排气导入口、另一头是排气筒侧的排气排出口的筒状的催化反应器的内部划分成所述排气导入口侧的混合扩散部和所述排气排出口侧的催化剂层部，在所述混合扩散部中的所述排气导入口附近配置氨水的喷雾嘴，在所述混合扩散部中，在所述催化反应器的轴向上间隔规定距离地配置分别具有开口位置相互不一致的开口部的至少由第一隔膜及第二隔膜组成的至少两个隔膜，在所述催化剂层部中，设置催化剂，该催化剂促进排气中的氮氧化物与所述氨水所含的氨进行的反应；其中，在所述排气导入口和所述第一隔膜之间，设置向所述混合扩散部导入升温用加热气体的导管。
2.根据权利要求1所述的焚化炉用氮氧化物削减系统，其中，所述喷雾嘴是压缩空气和氨水的双流体喷嘴，氨水由可控制流量的定量泵供给。
3.根据权利要求2所述的焚化炉用氮氧化物削减系统，其中，该焚化炉用氮氧化物削减系统包括控制单元，该控制单元具有计测从所述催化反应器排出的排气的流量的流量计和计测排气中的NOx浓度的NOx计，并基于NOx目标值和通过所述NOx计计测出的排气中的NOx浓度之间的偏差及通过所述流量计计测出的排气的流量，控制所述氨水的流量。
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