CN103443405A - 动力锅炉中的选择性催化NOx还原方法及其设备 - Google Patents

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Abstract

一种动力锅炉（10）中的选择性催化NOx还原的方法以及一种具有选择性催化NOx还原的动力锅炉。在所述锅炉的炉子（12）中燃烧燃料，并且产生包括NOx的烟道气流。将所述烟道气流从所述炉子沿着烟道气通道引导到烟囱（46）。在布置于所述烟道气通道中的热回收区域（34）中冷却所述烟道气流，所述热回收区域包括节约器区段（38）。在NOx催化剂中将所述NOx的至少一部分还原为N2，所述NOx催化剂布置在所述烟道气通道中，位于所述节约器区段的下游。在气体至空气加热器（50）中进一步冷却所述烟道气并且产生经加热的空气，所述气体至空气加热器布置在所述烟道气通道中，位于所述节约器区段的下游以及所述NOx催化剂的上游。所述气体至空气加热器可以是管式空气加热器或者是具有再循环传热流体的换热器。

Description

动力锅炉中的选择性催化NOx还原方法及其设备
技术领域
本发明涉及固体或液体烃类燃料点燃的动力锅炉中的选择性催化NOx还原（SCR）方法以及用于固体或液体烃类燃料点燃的动力锅炉中的选择性催化NOx还原的系统。更具体地，本发明涉及对进入锅炉的NOx催化剂的烟道气温度进行控制。
背景技术
氮的氧化物（也称为NOx）会导致产生酸雨和雾霾。由于环境法规要求将NOx排放保持在可接收水平，因此现代动力锅炉的设计和操作中的主要考虑因素是在燃烧过程期间和燃烧过程之后还原NOx。
氮的氧化物是固体和液体烃类燃料（例如粉煤或油）的燃烧副产物，并且被发现具有两种主要形式。如果氮源自于燃烧空气，则NOx被称为“热NOx”。当出现如下情况时会形成NOx：氮分子（N2）经受高于约1500℃的温度而导致其分解为氮原子（N），然后氮原子可与氧原子或氧分子组合而形成NO或NO2。如果氮源自于燃料中的被原始约束的氮，则NOx被称为“燃料NOx”。
各种方法被用于控制氮氧化物的排放。一种方法是选择性催化还原（SCR），其使用催化剂和还原剂（通常为气态氨）以根据以下反应将NOx离解为氮气和水：
4NO+4NH3+O2=>4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2=>3N2+6H2O。
由于NOx是约95％的NO，所以第一种反应在过程中占据主导。SCR的理想操作温度范围通常从约300至约400℃。当操作条件降到比300℃低得多，硫酸氢铵和三氧化硫沉积在催化剂表面上的可能性增大。这会导致永久的催化剂活性丧失。高于400℃，氨可能离解，降低了过程的有效性。如果温度超过约450℃，则催化剂活性可能由于烧结而被永久地损害。
将SCR作为NOx还原技术的典型动力锅炉包括与烟道气通道流体连通的炉子。在炉子中进行烃类燃料的燃烧，从而产生热烟道气，热烟道气在炉子中上升，将它们的能量的一部分用于在炉壁处的蒸发器表面中产生蒸汽。然后，烟道气被引导通过烟道气通道的热回收区域（HRA），其中，它们将剩余的能量用于使所述蒸汽过热并且加热节约器表面中的给水。离开节约器区段的烟道气被引导通过NOx催化剂、空气预加热器和可能的烟道气清洁系统，并且最终经由烟囱流向大气。
在典型的SCR系统中，在催化剂区段上游的烟道气通道中的某个位置，反应物（例如气态氨或尿素水溶液）被引入并且与烟道气流混合。然后，反应物和烟道气的混合物进入催化剂区段，其中，在反应物和烟道气中的过量氧气之间发生NOx的催化还原。
催化剂通常包括位于烟道气流的路径中的多层固体催化材料。目前使用前的最常见类型的催化材料以及所述材料作为催化剂而对之有效的烟道气大致温度范围是：二氧化钛（270-400℃）、沸石（300-430℃）、氧化铁（380-430℃）和活性煤炭/焦炭（100-150℃）。
美国专利No. 5,555,849公开了一种化石燃料发电厂，具有在NOx催化剂上游的节约器系统，其中，节约器系统包括水侧旁通线路以便即使在低负载条件下依然在NOx催化剂中维持期望的烟道气温度。
欧洲专利出版物EP0753701A1公开了一种锅炉，具有布置在两个节约器之间的烟道气通道中的NOx催化剂并且具有用于NOx催化剂上游的节约器的烟道气旁通通道。
美国专利No. 6,405,791公开了一种管式空气加热器，具有进口气室（plenum），其允许现有锅炉中的空气加热器上游的选择性催化还原（SCR）系统的翻新安装。
除了美国专利No. 5,555,849所考虑解决的问题之外，还发现特别是在现有动力锅炉中的NOx催化剂的翻新安装时，NOx催化剂处的烟道气温度可能（尤其是高负载时）趋向于太高。由于例如燃料或锅炉操作模式的变化或者甚至锅炉的不良设计，节约器出口温度可能超过430℃，即高于现有NOx催化剂的最优温度范围。
因此，为了还原NOx而在节约器下游添加SCR，这可能需要使用特殊的催化剂。该问题的另一种解决方案是在锅炉的热回收区域（HRA）中安装另外的节约器表面。然而，该方法提高了给水温度，并且如果该问题升高到接近于蒸汽鼓的保护温度，则其将会对锅炉的水循环造成负面影响并最终降低锅炉性能。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种动力锅炉中的选择性催化NOx还原方法，可以凭借该方法来最小化上述现有技术中的问题。
本发明的另一个目的在于提供一种用于动力锅炉中的选择性催化NOx还原的系统，可以凭借该系统来最小化上述现有技术中的问题。
根据一个方面，本发明提供了一种动力锅炉中的选择性催化NOx还原的方法，所述方法包括步骤：（a）在所述锅炉的炉子中燃烧燃料，并且产生包括NOx的烟道气流；（b）将所述烟道气流从所述炉子沿着烟道气通道引导到烟囱；（c）在布置于所述烟道气通道中的热回收区域中冷却所述烟道气流，所述热回收区域包括节约器区段；（d）在NOx催化剂中将所述NOx的至少一部分还原为N2，所述NOx催化剂布置在所述烟道气通道中，位于所述节约器区段的下游；和（e）在气体至空气加热器中进一步冷却所述烟道气并且产生经加热的空气，所述气体至空气加热器布置在所述烟道气通道中，位于所述节约器区段的下游以及所述NOx催化剂的上游。
根据另一个方面，本发明提供了一种具有选择性催化NOx还原的动力锅炉，所述锅炉包括：（a）燃烧室，所述燃烧室用于在所述锅炉的炉子中燃烧燃料，从而产生包括NOx的烟道气流；（b）烟道气通道，所述烟道气通道用于将所述烟道气流从所述炉子引导到烟囱；（c）热回收区域，所述热回收区域包括节约器区段，布置于所述烟道气通道中，用于冷却所述烟道气流；（d）NOx催化剂，所述NOx催化剂布置在所述烟道气通道中，位于所述节约器区段的下游，用于将所述NOx的至少一部分还原为N2；和（e）气体至空气加热器，所述气体至空气加热器布置在所述烟道气通道中，位于所述节约器区段的下游以及所述NOx催化剂的上游，用于进一步冷却所述烟道气并且用于产生经加热的空气。
本发明（也即将气体至空气加热器布置在NOx催化剂的上游以冷却烟道气）所提供的优点是使得能够安装使用标准催化剂材料的常规NOx催化剂。气体至空气加热器优选地是管式空气加热器，但是在一些情况中也可以是其它换热器的类型，其从烟道气传递热量到锅炉的燃烧空气。根据本发明的另一优选实施例，气体至空气加热器是具有再循环传热流体的换热器。在一些应用中，气体至空气加热器可以替代地是另一种合适的类型，例如热管。
有利地，动力锅炉包括燃烧器，或者实际上一组燃烧器，用于通过主空气流来燃烧被运输到燃烧器的燃料。根据本发明的第一实施例，在气体至空气加热器中被加热的燃烧空气作为第二空气被引导到燃烧器。由于使用第二空气作为冷却介质，所述方法没有使冷却介质过热的风险，而当使用给水作为冷却介质时可能出现冷却介质过热的情况。而且，由于被传递到第二空气的热能够在锅炉中被完全回收，所述方法不会影响现有锅炉的操作或效率。替代地，在气体至空气加热器中被加热的燃烧空气也可以是将要被引导到炉子的其它类型燃烧空气，例如主空气。
当在不同的锅炉负载条件下使用根据本发明的方法时，可以调整或关停经过气体至空气加热器的空气流，以维持进入催化剂的烟道气的期望温度。因此，可以直接基于锅炉的负载条件或者基于进入NOx催化剂的烟道气的测得温度来有利地控制空气流。因此，本发明提供了一种简单的方法，以提供催化剂在不同负载条件下的优化操作，而不需要例如针对低负载操作提供具有烟道气旁路或水侧旁路的节约器。因此，本发明提供了宽范围的温度控制，而不需要对锅炉的烟道气或蒸汽/水回路进行任何改变。因此，本发明尤其在翻新应用中有用，但是其也可应用于新单元中，以例如控制进入NOx催化剂的烟道气的温度。
通过参照本发明当前的优选但示意性实施例的以下详细描述并结合附图，将会更加全面地理解本发明的以上简要描述以及进一步的目的、特征和优点。
附图说明
图1是根据本发明的示例性动力锅炉的示意图。
图2示出了隔间本发明另一个实施例的动力锅炉的烟道气通道的一部分。
具体实施方式
图1是根据本发明的粉煤燃烧动力锅炉10的示意图。该锅炉包括炉子12，炉子12具有燃烧器14，燃烧器14用于将来自磨煤机20的粉煤16和主空气18的混合物注射到炉子。通常，动力锅炉包括多个燃烧器，但是为了简单起见，在图1中仅示出了一个燃烧器。燃料与主空气和经由燃烧器附近的风箱24被注射到炉子的第二空气22在炉子中燃烧，并且产生热烟道气。实际上，可通过在燃烧器下游注入炉子的二次空气（overfire air）和/或第三空气来完善燃烧，然而为了简单起见，在图1中未示出注射第三空气和/或二次空气。所产生的热烟道气在炉子中上升，在炉壁处的蒸发器表面30中失去它们的能量的一部分以将给水26蒸发成蒸汽28。烟道气从炉子沿着连接到炉子上部的烟道气通道32排出。
然后，烟道气被引导通过烟道气通道的热回收区域（HRA）34，在热回收区域34中，烟道气在过热器表面36中失去另外的能量以使被蒸发的蒸汽过热并且在节约器表面38中失去另外的能量以对将要供给到蒸发器表面的给水进行预加热。通常，HRA包括多个过热器和再加热器表面，但是因为它们对于本发明而言不重要，因此仅在图1中示出了一个过热器36。
离开节约器38的烟道气被引导通过NOx催化剂40、空气预加热器42、烟道气清洁系统44和烟囱46而通向大气。烟道气通道32还包括用于在催化剂40上游注射NOx还原剂（例如氨）的注射器48。催化剂40优选地包括常规催化剂材料，例如二氧化钛或氧化铁。通常，烟道气清洁系统包括若干烟道气清洁单元，例如灰尘分离器和脱硫器，但是因为它们对于本发明而言不重要，因此仅在图1中示出了一个示意性的气体清洁系统44。
根据本发明，烟道气通道包括布置在NOx催化剂40上游的气体至空气加热器，其在本例中是管式空气加热器50。对于管式空气加热器而言，其可以根据需要将烟道气冷却至催化剂的最优温度范围，例如冷却至低于约400℃。
管式空气加热器50被有利地连接成进行第二空气22的可能的加热。在一些实施例中，还可以使用管式空气加热器来加热主空气18，或者图1未示出的第三空气或二次空气。根据本发明的优选实施例，管式空气加热器50与空气加热器42并行地连接，在本文中，空气加热器42也称为第二空气加热器，其布置在烟道气通道32中，位于NOx催化剂40下游。因此，可通过使用控制装置（例如控制阀54、54'）将来自第二鼓风机52的第二空气流在管式空气加热器50和催化剂40下游的空气加热器42之间分配。
可以有利地基于锅炉负载或者基于催化剂上游的烟道气温度来确定流经管式空气加热器50和催化剂40下游的空气加热器42的空气的比率，催化剂上游的烟道气温度由诸如温度计56的温度测量装置来测量。因此，该系统有利地包括控制器58，用于基于测得的温度来控制控制阀54、54'。
通常，在高负载时，当催化剂上游的烟道气温度趋向于升高到高于催化剂的最优操作温度时，通过至少部分地关闭阀54'而将第二空气的更大的部分引导通过管式空气加热器50，阀54'布置在第二空气线路的通向空气加热器42的分支中，空气加热器42布置在催化剂40下游。相应地，在低负载时，通过至少部分地关闭阀54而将第二空气的更小的部分引导通过管式空气加热器，阀54布置在第二空气供给线路的通向管式空气加热器50的分支中。因此，通过控制空气流在管式空气加热器50和NOx催化剂40下游的空气加热器42之间的分配，可以在不同负载条件下对进入NOx催化剂的烟道气温度进行优化。
图2示出了根据本发明另一个实施例的动力锅炉的烟道气通道32的一部分。气体至空气加热器50N布置在催化剂区段40上游的烟道气通道中，并且常规空气加热器42布置在催化剂区段40下游。根据该实施例，气体至空气加热器50N包括烟道气通道32中的烟道气冷却器60以及空气供给线路66的分支64中的分离的空气加热器62。烟道气冷却器60和空气加热器62被管68连接，以便用泵70使传热流体循环。
虽然本文已经通过示例并结合目前被认为最优的实施例来描述了本发明，但应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例而是意图覆盖其特征的各种组合或修改以及若干其它应用，这些被包括在所附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种动力锅炉中的选择性催化NOx还原的方法，所述方法包括步骤：
（a）在所述锅炉的炉子中燃烧燃料，并且产生包括NOx的烟道气流；
（b）将所述烟道气流从所述炉子沿着烟道气通道引导到烟囱；
（c）在布置于所述烟道气通道中的热回收区域中冷却所述烟道气流，所述热回收区域包括节约器区段；
（d）在NOx催化剂中将所述NOx的至少一部分还原为N2，所述NOx催化剂布置在所述烟道气通道中，位于所述节约器区段的下游；和
（e）在气体至空气加热器中进一步冷却所述烟道气并且产生经加热的空气，所述气体至空气加热器布置在所述烟道气通道中，位于所述节约器区段的下游以及所述NOx催化剂的上游。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述气体至空气加热器被连接到空气流，以允许经加热的空气被作为第二空气引导到燃烧器，所述燃烧器布置在所述炉子中。
3.如权利要求1所述的方法，还包括另外的空气加热器，所述另外的空气加热器布置在所述烟道气通道中，位于所述NOx催化剂的下游。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述气体至空气加热器和所述另外的空气加热器被并行地连接到空气流。
5.如权利要求4所述的方法，还包括步骤：基于所述动力锅炉的负载条件来控制进入所述气体至空气加热器的空气流。
6.如权利要求4所述的方法，还包括步骤：测量进入所述NOx催化剂的烟道气的温度，并且基于测得的温度来控制进入所述气体至空气加热器的空气流。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述气体至空气加热器是管式空气加热器。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述气体至空气加热器是具有再循环传热流体的换热器。
9.一种具有选择性催化NOx还原的动力锅炉，所述锅炉包括：
（a）燃烧室，所述燃烧室用于在所述锅炉的炉子中燃烧燃料，从而产生包括NOx的烟道气流；
（b）烟道气通道，所述烟道气通道用于将所述烟道气流从所述炉子引导到烟囱；
（c）热回收区域，所述热回收区域包括节约器区段，布置于所述烟道气通道中，用于冷却所述烟道气流；
（d）NOx催化剂，所述NOx催化剂布置在所述烟道气通道中，位于所述节约器区段的下游，用于将所述NOx的至少一部分还原为N2；和
（e）气体至空气加热器，所述气体至空气加热器布置在所述烟道气通道中，位于所述节约器区段的下游以及所述NOx催化剂的上游，用于进一步冷却所述烟道气并且用于产生经加热的空气。
10.如权利要求9所述的动力锅炉，其中，用于燃烧燃料的所述燃烧室包括燃烧器，并且所述气体至空气加热器被连接到空气通道，以便将经加热的空气作为第二空气在所述燃烧器附近引导到所述炉子。
11.如权利要求9所述的动力锅炉，还包括另外的空气加热器，所述另外的空气加热器布置在所述烟道气通道中，位于所述NOx催化剂的下游。
12.如权利要求11所述的动力锅炉，其中，所述气体至空气加热器和所述另外的空气加热器被并行地连接到空气通道。
13.如权利要求9所述的动力锅炉，还包括控制器，所述控制器用于基于所述动力锅炉的负载条件来控制进入所述气体至空气加热器的空气流。
14.如权利要求9所述的动力锅炉，还包括温度计和控制器，所述温度计用于测量进入所述NOx催化剂的烟道气的温度，并且所述控制器用于基于测得的温度来控制进入所述气体至空气加热器的空气流。
15.如权利要求9所述的动力锅炉，其中，所述气体至空气加热器是管式空气加热器。
16.如权利要求9所述的动力锅炉，其中，所述气体至空气加热器是具有再循环传热流体的换热器。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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