CN103252163A

CN103252163A - 一种氨剂喷射组合内置式催化反应去除烟气中nox的装置

Info

Publication number: CN103252163A
Application number: CN2013101452868A
Authority: CN
Inventors: 吴祖良; 孙春华; 孙培德; 徐少娟; 金孝祥; 龚晓翔
Original assignee: ZHEJIANG FUCHUNJIANG ENVIRONMENTAL PROTECTION THERMOELECTRICITY CO Ltd; Zhejiang Gongshang University
Current assignee: Jiangsu Fuchunjiang Environmental Protection Thermal Power Co ltd
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2033-04-24
Also published as: CN103252163B

Abstract

本发明公开了一种氨剂喷射组合内置式催化反应去除烟气中NO_X的装置，包括依次连接的燃烧室、旋风筒、锅炉转向室、高温省煤器、低温省煤器和空气预热器；所述燃烧室中部连通有三次风管，所述燃烧室内上部设有折焰角，还包括：设置在三次风管内的第一层喷枪；设置在所述燃烧室壁上且位于折焰角位置处的第二层喷枪；设置在所述旋风筒入口处的第三层喷枪；内置在所述高温省煤器与低温省煤器之间及低温省煤器与空气预热器之间用于承载SCR脱硝催化剂的催化剂床。本发明通过改进还原剂喷枪的设置方式提高烟气脱硝效率并降低脱硝成本，尤其适用于场地有限并且NO_X初始排放浓度高于400mg/Nm³的循环流化床锅炉的脱硝改造。

Description

一种氨剂喷射组合内置式催化反应去除烟气中NOX的装置

技术领域

本发明涉及一种循环流化床锅炉NO_X脱除装置，具体涉及一种利用氨剂喷射和内置式催化剂来降低循环流化床锅炉烟气中NO_X排放的装置，主要适用于环境保护技术领域，可应用于锅炉脱硝。

背景技术

SNCR指无催化剂的作用下，在适合脱硝反应的“温度窗口”内喷入还原剂将烟气中的氮氧化物还原为无害的氮气和水。该技术一般采用炉内喷氨、尿素或氢氨酸作为还原剂还原NO_X，采用NH₃作为还原剂，在温度为900℃～1100℃的范围内，还原NO_X的化学反应方程式主要为：

4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O （1）

4NH₃+2NO+2O₂→3N₂+6H₂O （2）

8NH₃+6NO₂→7N₂+12H₂O （3）

而与SNCR类似的脱硝装置SCR，则是指在催化剂作用下，还原剂NH₃在290～400℃下将NO和NO₂还原成N₂，而几乎不发生NH₃的氧化反应，从而提高了N₂的选择性，减少了NH₃的消耗。其中主要反应如下：

4NH₃+6NO→5N₂+6H₂O （4）

8NH₃+6NO₂→7N₂+12H₂O （5）

4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O （6）

SNCR的脱硝率普遍在50～70%左右，对于初始排放浓度低于300mg/Nm³的烟气来讲，一般建议采用SNCR脱硝技术。但是SNCR脱硝过程对温度比较敏感，如果氨的喷射位置布置不当或者炉内烟温不符合反应要求，SNCR脱硝效果将大幅下降。为了获得较高的脱硝效率，SNCR过程往往要喷射过量的氨水，这又引起了尾部烟气中氨逃逸增加，造成二次污染问题以及尾部受热面腐蚀等问题。

对于初始排放浓度高于400mg/Nm³的烟气来讲，达到100mg/Nm³的达标排放要求，显然超出了SNCR脱硝技术的能力范围，在这种较高的 NO_X初始排放浓度的情况下，SCR烟气脱硝不失为一种可取的方法，SCR脱硝率可以达到90%以上。但是SCR烟气脱硝技术系统复杂，投资较大，而且运行费用较高，对于众多中小型锅炉来讲，SCR脱硝显然不是一种经济可行的选择。所以对于初始排放浓度高于400mg/Nm³的中小型锅炉脱硝来讲，提供一种经济可行、效率保证的脱硝技术已经迫在眉睫。

为此，将SNCR和SCR脱硝技术有机结合，发挥各自的优势，实现高效脱硝而又不大幅增加企业的经济负担，成为较高NO_X初始排放浓度下中小型锅炉脱硝的有效解决途径。SNCR/SCR系统的前端是SNCR系统，还原剂在锅炉炉膛内与NO_X反应，后端的SCR系统对烟气进一步脱硝，使还原剂得到充分利用。SNCR/SCR利用了SNCR和SCR工艺各自的优点，将它们的负面影响降到最低程度。

SNCR/SCR系统的SCR采用一层催化剂布置方式，一层催化剂布置的SCR是对SNCR技术的重要补充、克服了SNCR的氨逃逸率高、氨/氮摩尔比高的缺点，避免空气预热器结垢堵塞、提高了系统脱硝效率。SNCR/SCR工艺因锅炉内已装有SNCR系统，大幅度降低了SCR装置入口的NO_X浓度，从而大幅度减少了所需要的SCR反应容积，降低了SCR系统昂贵的装置成本。当所需的NO_X去除率不高时，锅炉的引风机可能不需要改造就能满足少量催化剂产生的压降要求。SNCR/SCR工艺降低了对催化剂的依赖，使用少量的催化剂降低了由于硫中毒、颗粒污染和其它类型老化而更换催化剂的成本。在一些工程中，催化剂可以装入锅炉烟道、扩展烟道、省煤器或空气预热器中。

发明内容

本发明提供了一种氨剂喷射组合内置式催化反应去除烟气中NO_X的装置，通过改进还原剂喷枪的设置方式提高烟气脱硝效率并降低脱硝成本，尤其适用于场地有限并且NO_X初始排放浓度高于400mg/Nm³的循环流化床锅炉的脱硝改造。

一种氨剂喷射组合内置式催化反应去除烟气中NO_X的装置，包括依次连接的燃烧室、旋风筒、锅炉转向室、高温省煤器、低温省煤器和空气预热器；所述燃烧室中部连通有三次风管，所述燃烧室内上部设有折焰角，

还包括：

设置在三次风管内的第一层喷枪；设置在所述燃烧室壁上且位于折焰角位置处的第二层喷枪；设置在所述旋风筒入口处的第三层喷枪；内置在所述高温省煤器与低温省煤器之间及低温省煤器与空气预热器之间用于承载SCR脱硝催化剂的催化剂床。

本发明的喷射装置由带喷嘴的喷枪组成，分多层布置。第一层喷枪直接布置在三次风管内；第二层喷枪布置在炉膛的折焰角附近；第三层喷枪布置在旋风筒入口。在循环流化床锅炉运行过程中，由于负荷的变动较大（特别是垃圾焚烧炉），引起炉内温度出现波动，从而超出SNCR反应合适的温度区间，降低脱硝效率，引起尾部氨的泄漏问题。另外，由于锅炉空间有限，存在氨的分布不均问题，为了保证氨剂和炉内NO_X的充分反应，必须选择在合适的位置喷入氨剂，实现喷射的射流迅速的与烟气充分混合。为了解决以上问题，本发明采取多层喷射的模式，可以根据锅炉负荷变动情况，选择合适的喷射层进行氨剂喷射。

对于很多老的循环流化床锅炉来讲，由于场地有限，单独的SCR反应器安装可能没有空间，所以对于这些锅炉来讲必须考虑利用原有的空间进行改造的问题。SCR催化反应的温度区间一般在290～400℃，省煤器出口的温度能够满足SCR脱硝反应的要求。所以，为了节省反应空间，同时满足SCR反应温度条件，本发明将SCR催化剂布置在省煤器之间以及省煤器和空气预热器之间。由于在循环流化床锅炉中各级省煤器后的温度范围在200～500℃左右，所以选择温度适应范围更广的低温催化剂。另外，考虑到省煤器之间的空间较小，吹灰难度大，优选地，采用波纹形催化剂，且在所述催化剂床处设置声波吹灰器。

作为优选，所述第一层喷枪的喷嘴端贯穿三次风管管壁且向燃烧室一侧弯折形成喷射部。

更优选，所述喷射部位于三次风管的中心处且与三次风管的管壁相互平行。使还原剂的喷射方向与三次风风向一致。

考虑到循环流化床锅炉一次风和二次风出口仍然处于密相区，氨剂喷射效果显然会受到物料的影响，影响喷射的混合效果，而三次风位置已处于稀相区，氨剂更加容易穿透炉膛实现均匀分布，本发明选择在三次风管内布置喷枪，向三次风管内喷射还原剂。

此处的氨剂喷射布置有以下特点：（1）将还原剂喷枪布置于三次风管的喷口处，可以借助三次风的动量，使氨剂与烟气充分混合，从而提高脱硝效率；（2）氨剂雾化喷嘴位于三次风管喷口的内侧，避免了含尘烟气对喷枪的直接冲刷，几乎不存在磨损问题，从而大大提高了喷枪的使用寿命；（3）三次风温度一般为200℃以下，喷入三次风的同时，可以对喷枪进行吹扫冷却，起到了很好的保护作用，提高了喷枪使用寿命。

作为优选，所述第二层喷枪位于折焰角下方500～1000mm处，所述第二层喷枪包括绕燃烧室壁周向均匀分布的若干根。

循环流化床锅炉的折焰角对烟气有挤压作用，使烟气的上升速度不增加且分布更加均匀，所以在此处布置喷枪能够使氨剂在烟气中的分布更加均匀，促进脱硝。

更优选，所述第二层喷枪的每根喷枪均垂直所述燃烧室的内壁布置，且每根喷枪的喷嘴与所述燃烧室的内壁平齐，喷嘴的喷射面向下倾斜5-7°。

SNCR在运行一段时间后，会出现SNCR喷口附近的水冷壁的腐蚀问题，引起数次锅炉水冷壁的泄漏，被迫停炉。分析原因可能是喷枪头部出现漏液，继而沿着喷射器下端口流向水冷壁。所以一般作法是将喷枪头部伸入炉膛一定距离同时使喷枪安装角度下倾5～7°，但是这种设计一是容易造成喷枪在高速气流冲刷下的直接磨损，二是喷嘴气流与烟气流对冲引起堵塞。所以本发明采用喷枪垂直烟道安装，且喷嘴与烟道浇注料内壁平齐，不伸入到烟道内部的方法，避免以上的磨损和堵塞问题。但是，为了保证烟气更好的覆盖面和均匀性，喷枪头部喷嘴的喷射面下倾5～7°。

作为优选，所述燃烧室与旋风筒的入口之间通过旋风筒进风烟道连通，所述第三层喷枪布置在该旋风筒进风烟道上，所述第三层喷枪包括绕旋风筒进风烟道的周向均匀分布的若干根喷枪。

更优选，所述第三层喷枪的每根喷枪均垂直所述旋风筒进风烟道的内壁布置，且每根喷枪的喷嘴与所述旋风筒进风烟道的内壁平齐，喷嘴的喷射面向下倾斜5-7°。

循环流化床锅的旋风筒入口喷射氨剂，旋风筒内的烟气流场有助于氨剂的充分混合，另外，促进脱硝。而循环流化床锅的旋风筒入口喷射氨剂，内较长的烟气停留时间保证了氨和NO_X的充分反应。

在燃烧室合适的温度窗口设置氨剂喷入口，布置原则是能够使各喷嘴尽可能单独覆盖一个最大的区域，并且各自覆盖的区域不重叠，以达到最佳的混合效果。所以更优选地，所述第二层喷枪包括10～12根喷枪。其中在所述燃烧室的前后墙上各布置3～4根喷枪，在所述燃烧室的左右墙上各设置两根喷枪。所述第三层喷枪包括4根喷枪。在旋风筒进风烟道的四壁上各设置一根。

作为优选，所述旋风筒与锅炉转向室之间通过旋风筒尾部烟道连通，在该旋风筒尾部烟道上依次设有氨气检测仪、氨剂补充喷嘴和蒸汽扰动喷嘴。

更优选地，蒸汽扰动喷嘴包括伸入烟道内的蒸汽支管和均匀分布在蒸汽支管上的扰动喷嘴。在烟道上方每隔700～800mm伸入一个蒸汽支管，每根支管上每隔700～800mm布置一个蒸汽扰动喷嘴。

由于SNCR反应过程中未完全反应的氨剂有可能满足不了后续SCR反应，所以考虑在高温旋风分离器尾部烟道加装氨剂补充喷嘴，为了使氨剂更加在烟道中分布更加均匀，促进SCR反应，在锅炉转向室位置布置蒸汽扰动喷嘴。实际的运行中，根据氨检测仪的氨浓度来分析是否需要补充氨剂。

喷射速度对射流的射程影响很大，如果射流的射程小，无法穿透到主流的深处，混合效果有限。考虑到高温烟气的粘度较大，为了提高氨剂在炉膛和烟道内的穿透效果，使其余烟气混合均匀，必须合理控制氨剂的喷射速度。本发明中氨剂的喷射速度优选为80～100m/s。

与现有的SNCR-SCR联合脱硝系统相比，本发明具有如下有益效果：

（1）在保证SNCR的NO_X还原率最大化的同时，获得与SCR同样高的NO_X还原率；（2）比SCR更经济；（3）降低与SCR相关的催化剂中毒、受热面沾污和系统压力损失；（4）不需要大的空间。

本发明的氨剂通过喷枪喷入炉膛或烟道内，在900℃～1100℃的烟温下NO_X与氨剂首先发生选择性非催化还原反应，将烟气中50%左右NO_X还原为N₂。之后，未完全反应的氨剂与脱硝催化剂发生选择性催化还原反应，实现烟气中NO_X的高效脱除，保证NO_X排放浓度小于100mg/Nm³，同时可控制NH₃的逃逸率在3ppm以下。此方法适用于场地有限并且NO_X初始排放浓度高于400mg/Nm³的循环流化床锅炉的脱硝改造。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明第一层喷枪在三次风管中的设置示意图。

图3是本发明第二层喷枪在燃烧室上的布置示意图。

图4是本发明第三层喷枪在旋风筒进风管道上的布置示意图。

图5是本发明第二层喷枪和第三层喷枪的安装示意图。

图中所示附图标记如下：

1-空气预热器	2-催化剂床	3-低温省煤器
			4-高温省煤器	5-声波清灰器	6-锅炉转向室
7-蒸汽扰动喷嘴	8-氨剂补充喷嘴	9-旋风筒尾部烟道
			10-旋风筒	11-第三层喷枪	12-旋风筒进风烟道
13-燃烧室	14-折焰角	15-第二层喷枪
			16-第一层喷枪	17-三次风管	18-氨气检测仪
19-枪头	20-喷嘴。

具体实施方式

如图1所示，一种氨剂喷射组合内置式催化反应去除烟气中NO_X的装置，包括依次连接的燃烧室13、旋风筒10、锅炉转向室6、高温省煤器4、低温省煤器2、空气预热器1、分层布置的喷枪及设置在省煤器之间的催化剂床2。

燃烧室13的底部设有燃料入口、一次风口和二次风口，三次风口位于燃烧室13的中部，三次风口与三次风管17连通，在该三次风管17上布置第一层喷枪16。

第一层喷枪16在三次风管17上的设置方式如图2所示，该层喷枪只设置一根，喷枪的枪头带有喷射口，该喷射口中心设置喷嘴，枪头部分贯穿风管壁，喷嘴端延伸进风管内且向燃烧室13一侧弯折形成弯折部，喷嘴位于该弯折部的端部，该弯折部位于风管的中心处，且与风管的管壁相互平行，确保还原剂的喷射方向与三次风的风向一致。

燃烧室13的上部内壁上设置折焰角14，在该折焰角14位置处的炉膛壁上设置第二层喷枪15，第二层喷枪15位于折焰角14下方50～100cm处。

第二层喷枪15在燃烧室13上的设置方式如图3所示，本实施方式中，燃烧室13的截面为矩形，第二层喷枪15包括10支喷枪，在燃烧室13的前后墙（长边方向）上各布置4支喷枪，4支喷枪的间距相等，在燃烧室13的左右墙（短边方向）上各布置两支喷枪，前后墙上的喷枪两两相对，左右墙上的喷枪两两相对，所有喷枪位于同一水平面上。

燃烧室13的顶部烟气出口与旋风筒10之间通过旋风筒进风烟道12连通，在该旋风筒进风烟道12上且位于旋风筒10进风口处布置第三层喷枪11。

第三层喷枪11在旋风筒进风管道12上的设置方式如图4所示，旋风筒进风管道12为矩形烟道，第三层喷枪11包括4支，分别设置在矩形烟道的四壁上，两两相对，4支喷枪位于烟道的同一横截面上。

第二层喷枪15和第三层喷枪11的安装方式如图5所示，喷枪的枪头15贯穿燃烧室或烟道的内壁，喷嘴20设置在枪头19的喷射口中，喷嘴20的端部与内壁平齐，喷射面向下倾斜5～7°，还原剂A由压缩空气B喷入燃烧室或烟道内，烟气C的方向如图中C所示，还原剂A喷出后的形状和喷射区域如图5中D所示。

旋风筒10的出风口通过旋风筒尾部烟道9连通至锅炉转向室6的入风口，在该旋风筒尾部烟道9上依次布置氨气检测仪18、氨剂补充喷嘴8和蒸汽扰动喷嘴7，蒸汽扰动喷嘴7位于锅炉转向室的入口处。

蒸汽扰动喷嘴7沿烟道上方均匀布置，蒸汽扰动喷嘴7包括伸入烟道中的蒸汽支管和均匀分布在蒸汽支管上的扰动喷嘴，沿烟道上方每隔700～800mm伸入一个蒸汽支管进烟道中，每根支管上每隔700～800mm布置一个扰动喷嘴。蒸汽支管的设置数量根据烟道的尺寸进行调整。氨剂补充喷嘴8包括伸入烟道中的氨剂支管及均匀布置在氨剂支管上的喷嘴。

锅炉转向室6后依次连接高温省煤器4、低温省煤器3和空气预热器1，在高温省煤器4与低温省煤器3之间及低温省煤器3与空气预热器1之间均设置催化剂床2，SCR催化剂布置在该催化剂床2上，SCR催化剂采用波纹形催化剂，在设置催化剂床2处均设置声波清灰器5。

本发明的工艺流程如下：

燃料送入燃烧室13中，一次风、二次风和三次风送入燃烧室中，燃烧后的烟气经SCNR脱硝后经过旋风筒10分离后进入锅炉转向室6中，然后在经过高温省煤器4后和低温省煤器3后被催化剂床2上的SCR催化剂进行SCR脱硝，然后经空气预热器1预热后排出。

SNCR脱硝过程中的还原剂分三次喷入，第一次喷入三次风管17中，第二次从折焰角的下方500～1000mm处喷入燃烧室13中，第三次从旋风筒10的入口处喷入烟气中，烟气依次经过三次脱硝过程将烟气中的NO_X氧化为N₂。还原剂采用氨水或尿素。

实施例1

某一循环流化床锅炉NO_X的初始排放浓度为580mg/Nm³，采用三次风管、折焰角、旋风筒前3层20%的氨水进行喷射，NSR为1.4，其NO_X脱除率为65%。氨剂不进行补充，进入2层SCR催化剂反应，催化剂采用体积为450*450*500mm模块，波纹型式，最终脱硝效率达到87.5%，尾部未检测到氨逃逸。

实施例2

某一循环流化床锅炉NO_X的初始排放浓度为580mg/Nm³，采用折焰角、旋风筒前2层20%的氨水进行喷射，NSR为1.4，其NO_X脱除率为51.5%。氨剂不进行补充，进入2层SCR催化剂反应，催化剂采用体积为450*450*500mm模块，波纹型式，最终脱硝效率达到84.5%，尾部未检测到氨逃逸。

实施例3

某一循环流化床锅炉NO_X的初始排放浓度为580mg/Nm3，采用三次风管、折焰角、旋风筒前3层20%的氨水进行喷射，NSR为1.2，其NO_X脱除率为46.3%。氨剂不进行补充，进入2层SCR催化剂反应，催化剂采用体积为450*450*500mm模块，波纹型式，最终脱硝效率达到72%，尾部未检测到氨逃逸。

实施例4

某一循环流化床锅炉NO_X的初始排放浓度为580mg/Nm3，采用三次风管、折焰角、旋风筒前3层20%的氨水进行喷射，NSR为1.2，其NO_X脱除率为46.3%。氨剂进行补充（NSR为0.3），进入2层SCR催化剂反应，催化剂采用体积为450*450*500mm模块，波纹型式，最终脱硝效率达到90%，尾部检测到3ppm左右的氨逃逸。

Claims

1.一种氨剂喷射组合内置式催化反应去除烟气中NO_X的装置，包括依次连接的燃烧室、旋风筒、锅炉转向室、高温省煤器、低温省煤器和空气预热器；所述燃烧室中部连通有三次风管，所述燃烧室内上部设有折焰角，

其特征在于，还包括：

设置在三次风管内的第一层喷枪；

设置在所述燃烧室壁上且位于折焰角位置处的第二层喷枪；

设置在所述旋风筒入口处的第三层喷枪；

内置在所述高温省煤器与低温省煤器之间及低温省煤器与空气预热器之间用于承载SCR脱硝催化剂的催化剂床。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一层喷枪的喷嘴端贯穿三次风管管壁且向燃烧室一侧弯折形成喷射部。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述喷射部位于三次风管的中心处且与三次风管的管壁相互平行。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二层喷枪位于折焰角下方500～1000mm处，所述第二层喷枪包括绕燃烧室壁周向均匀分布的若干根。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第二层喷枪的每根喷枪均垂直所述燃烧室的内壁布置，且每根喷枪的喷嘴与所述燃烧室的内壁平齐，喷嘴的喷射面向下倾斜5-7°。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二层喷枪包括10～12根喷枪。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述燃烧室与旋风筒的入口之间通过旋风筒进风烟道连通，所述第三层喷枪布置在该旋风筒进风烟道上，所述第三层喷枪包括绕旋风筒进风烟道的周向均匀分布的若干根喷枪。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第三层喷枪的每根喷枪均垂直所述旋风筒进风烟道的内壁布置，且每根喷枪的喷嘴与所述旋风筒进风烟道的内壁平齐，喷嘴的喷射面向下倾斜5-7°。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第三层喷枪包括4根喷枪。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋风筒与锅炉转向室之间通过旋风筒尾部烟道连通，在该旋风筒尾部烟道上依次设有氨气检测仪、氨剂补充喷嘴和蒸汽扰动喷嘴。