CN103389231B - 用于scr脱硝反应器的烟气取样装置及方法 - Google Patents

用于scr脱硝反应器的烟气取样装置及方法 Download PDF

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本发明公开了一种用于SCR脱硝反应器的烟气取样装置及方法，该烟气取样装置包括取样管、过滤装置、铵盐生成与吸附装置和真空泵，取样管、过滤装置、铵盐生成与吸附装置和真空泵依次顺序连接，并在过滤装置上连接有反吹空气加热装置。本发明有效解决现场取样管使用寿命短的问题；解决了脱硝反应器出口的烟气由于含有NH3导致铵盐结垢而对后续装置造成损害问题；同时，由于反吹空气加热装置的反吹逻辑采用脉冲反吹，可以使反吹间隔加长，且脉冲反吹效果较好，有效解决了传统技术反吹次数过于频繁的问题。

Description

用于SCR脱硝反应器的烟气取样装置及方法
技术领域
本发明属于SCR脱硝技术领域，具体涉及一种应用于SCR脱硝反应器的、具有清除铵盐功能的烟气取样装置及方法。
背景技术
十二五期间，燃煤电站脱硝改造作为我国重点NOX气体减排重要技术措施之一。因此我国进行大规模燃煤电站脱硝改造。
在我国，电站脱硝技术主流的工艺选择选择性催化还原法(SelectiveCatalyticReduction，SCR)，选择性催化还原法是指在催化剂的作用下，利用还原剂(如NH3、液氨、尿素)来“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。
SCR脱硝技术对锅炉烟气NOx控制效果十分显著、技术较为成熟，目前已成为世界上应用最多、最有成效的一种烟气脱硝技术。在合理的布置及温度范围下，可达到80～90％的脱除率。
针对上述脱硝工艺，燃煤电站作为重要气体污染源检测对象，其SCR脱硝反应器出口NOx被作为国家环保部门重要污染源气体检测项目之一。
SCR脱硝反应器出口烟道测量环境有如下特点：
1)烟气温高：工作温度在380℃至440℃之间，因此要求取样管必须耐高温；
2)气体含尘浓度高，为高灰尘环境：气体含尘量在30g/Nm3至50g/Nm3之间，因此要求取样装置整体必须防止灰尘集结堵塞；
3)烟气流速高：烟气流速可达30m/s，因此高速灰尘对一次元件有较强的磨蚀作用；
4)SCR脱硝反应器烟气气体成份含有高浓度SO2、NOx及低浓度的NH3，上述气体在适当的温度下，与水蒸气结合，形成腐蚀性液体；因此要求测量元件具备抗腐蚀性。
现有的烟气取样器设计技术均参照采用国家环境保护总局发布标准HJ/T47-1999《烟气采样器技术条件》，主要作为用于测定固定污染源中烟气有害成分SO2和NOX的含量；安装位置是电站、水泥厂、钢厂的烟囱部位。其关键运行参数为：
(1)工作温度设置在130℃正负10℃；
(2)导气管工作温度150℃正负10℃之间(见HT/T47-1999,4.1.4条款)；
(3)有一定的除尘能力，布置有空气反吹装置。
现有技术标准与设计适用环境为把电站烟囱作为污染源排放口测量的技术环境。传统的烟气取样装置设计工作温度在150℃以下，而实际工况温度多在120℃至130℃左右，对元器件的工作温度要求低；现有的烟气取样装置主要安装位置在除尘器后面，气体含尘量低，对采样杆耐磨性要求低；SCR脱硝反应器出口部位比较特殊的特点是烟气中含有NH3，在低于220℃的工况下，有铵盐生成，从而造成铵盐粘结、结垢。
铵盐的主要成分是硫酸氢铵(NH4HSO4)和硫酸铵((NH4)2SO4)，其形成原因是由于SCR脱硝反应器出口烟气含有NH3、浓度较高SO2及浓度较低的SO3及少量的水蒸汽，上述几种气体在低于220℃时，发生化学反应生成硫酸氢铵、硫酸铵。
NH3+SO3+H2O＝NH4HSO4(1)
2NH3+SO3+H2O＝(NH4)2SO4(2)
其中铵盐具有很强热不稳定性，在低于220℃工况下，可以与烟气中的灰尘产生粘结，在取样系统的部件上结垢，进而造成阻塞。
过去的两年，从SCR脱硝反应器出口NOx气体检测系统(CEMS系统)来看，出现了烟气取样装置探头磨损导致的使用寿命短、铵盐积聚导致的堵塞现象，甚至于影响整体CEMS分析仪表的安全可靠运行。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于SCR脱硝反应器的烟气取样装置及方法，解决了SCR脱硝反应器出口工作环境下，使用传统烟气连续取样装置寿命短、铵盐积累结垢等进而影响分析装置工作不可靠问题。
本发明采用以下技术方案：
一种用于SCR脱硝反应器的烟气取样装置，包括取样管、过滤装置、铵盐生成与吸附装置和真空泵，所述取样管、过滤装置、铵盐生成与吸附装置和真空泵依次顺序连接，所述过滤装置上连接有反吹空气加热装置，所述铵盐生成与吸附装置的出入口设有电磁阀。
进一步地，上述烟气取样装置还包括分析仪表，安装于铵盐生成与吸附装置与真空泵之间。
进一步地，所述取样管采用复合材料制作，包括内层、过渡层、外层；所述内层为不锈钢；过渡层为高温陶瓷胶层；外层为耐磨陶瓷层。
进一步地，上述内层为耐腐蚀的不锈钢材料，优选奥氏体304、316系列，如奥氏体钢316L，厚度为2～20mm，优选为6mm，长期耐温性能为600～800℃；上述过渡层为高温陶瓷胶层，如214胶层，厚度在1mm以内，长期耐温性能为600～1200℃；上述外层厚度为1～20mm，优选为4mm，长期耐温性能大于1200℃。
进一步地，上述外层为两片半环结构，两者之间预留0.1～20mm膨胀间隙，优选0.5mm。
进一步地，所述过滤装置为耐高温过滤滤网，优选不锈钢滤网或者刚玉滤网。
进一步地，所述铵盐生成与吸附装置包括进气室、铵盐生成区与吸附区、位于进气室与铵盐生成区与吸附区之间的导流板、换料口，所述进气室一侧设有进气口，所述铵盐生成区与吸附区与换料口之间设有出气口。
进一步地，所述铵盐生成与吸附装置的材料为水晶玻璃或石英玻璃。
进一步地，所述换料口处设有磨砂玻璃盖。
进一步地，所述铵盐生成区与吸附区的材料为水晶玻璃碎石或者石英玻璃碎石，碎石平均直径在1～20mm，优选为4～6mm。
进一步地，所述导流板为布置有均匀小孔的玻璃底板，所述小孔的直径在1～20mm，小于上述碎石直径即可，优选为2mm。
进一步地，所述铵盐生成与吸附装置的体积容量设计公式为：
DYX＝Dz-Dc＝(BLS/60)*15
DYX为有效吸收体积容量(升)；
DZ为铵盐生成与吸附装置总体积容量(升)；
DC为铵盐生成区与吸附区的材料总体积容量(升)；
BLS为真空泵的工作流量(升/分钟)。
一种用于SCR脱硝反应器的烟气取样方法，包括以下步骤：
1)由取样管抽取被测量烟道内的烟气，作为样气；
2)样气进入过滤装置进行过滤，所述过滤装置上连接有反吹空气加热装置，反吹空气加热装置按一定的时间间隔，引入压缩空气，对过滤装置内部及表面进行脉冲吹扫,进行吹扫的时间间隔为：连续抽气运行3小时，反吹15分钟；
3)过滤后的样气进入铵盐生成与吸附装置，所述铵盐生成与吸附装置内的温度控制在130℃-150℃，停滞时间为15-30s；
4)通过真空泵将样气抽出，完成取样。
进一步地，将通过真空泵抽出的样气送至分析仪表。
进一步地，所述反吹空气加热装置采用脉冲反吹，每反吹5秒间隙3秒，每8秒完成一个反吹周期。
进一步地，所述反吹空气加热装置将压缩空气加热至200℃以上。
本发明具有以下有益效果：
1)取样管采用防磨、耐高温材料，保证在现场的取样管的使用寿命大于4年，有效解决现场使用寿命短(低于1年)的问题；
2)增设了铵盐生成与吸附装置，解决了脱硝反应器出口的烟气由于含有NH3导致铵盐结垢而对后续装置造成损害问题；
3)反吹逻辑采用脉冲反吹，可以使反吹间隔加长，且脉冲反吹效果较好，有效解决了传统技术反吹次数过于频繁的问题(传统技术每工作45分钟，反吹15分钟)；
4)由于增设铵盐生成与吸附装置，后期伴热管线的工作温度不需要选择伴热温度超过220℃的伴热管线，选择工作温度140℃-160℃伴热管线即可，因为两种型号的伴热管线的价格相差非常大，因此可以极大降低固定污染物连续在线监测系统CEMS产品成本，提高CEMS产品核心竞争能力。
附图说明
图1是本发明烟气取样装置示意图。
图2是本发明取样管管壁材料结构图。
图3是本发明铵盐生成与吸附装置示意图。
其中：
1—取样管；2—过滤装置；3—铵盐生成与吸附装置；4—反吹空气加热装置；5—真空泵；6，7，8—电磁阀；9，11—球阀；10—空气疏水器；12—分析仪表；13—流量计；14—针形阀；101—外层；102—过渡层；103—内层；104—外层膨胀间隙；301—进气口；302—出气口；303—进气室；304—导流板；305—换料口；306—铵盐生成区与吸附区。
具体实施方式
下面通过实施例进一步详细描述本发明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
实施例1
本发明烟气取样装置如图1所示，包括取样管1、过滤装置2、铵盐生成与吸附装置3和真空泵5，其中取样管1、过滤装置2、铵盐生成与吸附装置3和真空泵5依次顺序连接，过滤装置2上连接有反吹空气加热装置4，铵盐生成与吸附装置3的出入口设有电磁阀6和7，铵盐生成与吸附装置3与真空泵5之间还安装有分析仪表12。
取样管1采用复合管材制作，其主要特点为耐磨、耐高温、耐腐蚀结构设计，其管材结构为三层，如图2所示，包括内层103、过渡层102、外层101，其中内层103为奥氏体钢316L，厚度为6mm，长期耐温性能为600～800℃；过渡层102为214高温陶瓷胶层，长期耐温性能为1200℃；外层101为耐磨陶瓷层，厚度4mm，长期耐温性能大于1200℃。
为防止内外层膨胀系统不均，如图2所示，外层采取两片半环结构，两者之间预留0.5mm的外层膨胀间隙104。
如上设计，可以保证在现场的取样管使用寿命大于4年。
在本实施例中，铵盐生成与吸附装置3整体结构上设计采取类似于广口玻璃瓶设计，简称铵瓶，如图3所示：
气体由下至上，底部设置一夹层，形成进气室303，样气由底部进气口301进入，进底部进气室303。经过导流板304,导流板304布置有均匀的小孔，进入铵盐生成区与吸附区306。然后经出气口302流出。
导流板304为布置有均匀小孔(直径2mm左右)的玻璃底板，其作用是有两个：1)对样气有疏导分流作用，形成相对均匀的气体流场；2)隔离吸附材料，不使吸附材料堵塞进气口。
铵盐生成与吸附装置3的整体材料为水晶玻璃或者石英玻璃。本装置上部为换料口305，其作用装料和清洗材料用。换料口305为磨砂玻璃，起到密封空气作用。
铵盐生成与吸附装置3设置的关键因素：既要使样气在装置滞留一段时间，以便生成铵盐化学反应充分完成，便完成生产铵盐的化学反应；同时样气在吸附区的流场要相对均匀，方便铵盐在吸附材料表面形成结晶。反应装置的体积容量设计公式为：
DYX＝Dz-Dc＝(BLS/60)*15
DYX为有效吸收体积容量(升)；
DZ为铵盐生成与吸附装置总体积容量(升)；
DC为铵盐生成区与吸附区的材料总体积容量(升)；
BLS为真空泵的工作流量(升/分钟)。
在本实施例中，铵瓶总体积容量Dz＝1.5升，铵盐生成区与吸附区的材料总体积容量Dc＝1升，真空泵的工作流量BLS＝2升/分钟。
选择铵盐生成区与吸附区的材料的要点为：铵盐生成区与吸附区的材料有一定的比表面积，且只能是物理吸附，不能和NOX气体产生化学反应，而引起气体组份丢失；经过试验，铵盐生成区与吸附区的材料选择为水晶玻璃碎石或者石英玻璃碎石，碎石平均直径在4mm至6mm之间。
铵盐生成与吸附装置3长期工作在微负压环境(-30KPa)左右。因此，铵盐生成与吸附装置3的换料口305处设有磨砂玻璃盖。设计磨砂玻璃盖，即解决微负压工况下，密闭性问题，同时装置造价也较低。
铵盐生成与吸附装置3整体结构为全水晶玻璃结构，系统整体化学稳定好。除NH3、SO2、S03H2O化学反应外生成铵盐外，目标气体NOX气体组份不丢失问题，对后面仪表测量不受影响。
本实施例按照以下步骤对烟气进行取样：
1)由取样管1抽取被测量烟道内的烟气，作为样气；
2)样气进入过滤装置2进行过滤；
3)过滤后的样气进入铵盐生成与吸附装置3，装置内的温度控制在130℃-150℃，停滞时间为15-30s；
4)通过真空泵5将样气抽出，完成取样。
通过真空泵5抽出的样气送至分析仪表12，铵瓶在不同环境温度下取样及分析结果如表1所示：
表1.铵瓶在不同环境温度下取样及分析结果
过滤装置2上还连接有反吹空气加热装置4。反吹空气加热装置4的作用是将压缩空气引入，并控制电磁阀6、7和8，按一定的时间间隔，对过滤装置内部及表面进行脉冲吹扫，将积聚至过滤装置中不锈钢网表面的灰尘吹回至烟道。
反吹空气加热装置4的控制逻辑如下：
1)连续抽气运行3小时，反吹15分钟。
2)反吹控制逻辑为脉冲吹灰。
每反吹5秒间隙3秒，每8秒完成一个反吹周期，依次循环。
3)反吹程序启动前提前1秒，先关断铵盐生成与吸附装置3出入口的电磁阀6和7。
由于样气中含有SO2、NOX、SO3、NH3及水蒸汽，常温压缩空气作为反吹气源，进入过滤装置中，会迅速将水蒸汽冷凝与S02、SO3、NH3，因此会生成铵盐，粘结在不锈钢滤网表面。因此需要将压缩空气加热至200℃以上。
另外，由于增设铵盐生成与吸附装置3，后期伴热管线的工作温度不需要选择伴热温度超过220℃的伴热管线，选择工作温度140℃-160℃伴热管线即可。

Claims (8)

1.一种用于SCR脱硝反应器的烟气取样装置，包括取样管、过滤装置、铵盐生成与吸附装置和真空泵，所述取样管、过滤装置、铵盐生成与吸附装置和真空泵依次顺序连接，所述取样管采用复合材料制作，包括内层、过渡层、外层；所述内层为不锈钢；过渡层为高温陶瓷胶层；外层为耐磨陶瓷层，所述外层为两片半环结构，两者之间预留0.1～20mm膨胀间隙，所述过滤装置上连接有反吹空气加热装置，所述铵盐生成与吸附装置包括进气室、铵盐生成区与吸附区、位于进气室与铵盐生成区与吸附区之间的导流板、换料口，所述进气室位于所述铵盐生成与吸附装置的底部，所述进气室一侧设有进气口，所述铵盐生成区与吸附区与换料口之间设有出气口，所述铵盐生成与吸附装置的出入口设有电磁阀。
2.如权利要求1所述的用于SCR脱硝反应器的烟气取样装置，其特征在于，还包括分析仪表，安装于铵盐生成与吸附装置与真空泵之间。
3.如权利要求1所述的用于SCR脱硝反应器的烟气取样装置，其特征在于，所述内层为耐腐蚀的不锈钢材料，厚度为2～20mm，长期耐温性能为600～800℃；所述过渡层为高温陶瓷胶层，厚度在1mm以内，长期耐温性能为600～1200℃；所述外层厚度为1～20mm，长期耐温性能大于1200℃。
4.如权利要求1所述的用于SCR脱硝反应器的烟气取样装置，其特征在于，所述铵盐生成与吸附装置的材料为水晶玻璃或石英玻璃，所述铵盐生成区与吸附区的材料为水晶玻璃碎石或者石英玻璃碎石，碎石平均直径在1～20mm。
5.如权利要求1所述的用于SCR脱硝反应器的烟气取样装置，其特征在于，所述换料口处设有磨砂玻璃盖。
6.如权利要求1所述的用于SCR脱硝反应器的烟气取样装置，其特征在于，所述导流板为布置有均匀小孔的玻璃底板，所述小孔的直径在1～20mm。
7.如权利要求1所述的用于SCR脱硝反应器的烟气取样装置，其特征在于，所述铵盐生成与吸附装置的体积容量设计公式为：
DYX＝Dz-Dc＝(BLS/60)*15
DYX为有效吸收体积容量，单位为升；
DZ为铵盐生成与吸附装置总体积容量，单位为升；
DC为铵盐生成区与吸附区的材料总体积容量，单位为升；
BLS为真空泵的工作流量，单位为升/分钟。
8.采用权利要求1-7任一项所述的烟气取样装置的烟气取样方法，包括以下步骤：
1)由取样管抽取被测量烟道内的烟气，作为样气；
2)样气进入过滤装置进行过滤，所述过滤装置上连接有反吹空气加热装置，反吹空气加热装置按一定的时间间隔，引入压缩空气，对过滤装置内部及表面进行脉冲吹扫,进行吹扫的时间间隔为：连续抽气运行3小时，反吹15分钟；
3)过滤后的样气由下至上进入铵盐生成与吸附装置，所述铵盐生成与吸附装置内的温度控制在130℃～150℃，停滞时间为15～30s；
4)通过真空泵将样气抽出，完成取样。
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