CN103585867B - 一种烟气脱硫脱硝方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种烟气脱硫脱硝方法及装置，特别是涉及船舶等大型移动设施烟气的脱硫脱硝工艺系统。烟气依次经过热管换热器及热泵依次提升烟气温度，可选地再经过电加热器加热至烟气温度为340～350℃。尿素溶液在水解反应器制备氨气，氨气被部分SCR反应器出口高温烟气稀释混合后喷入脱硝前烟气，混合烟气进入SCR反应器进行烟气脱硝反应。脱硝后的烟气经过换热器、热泵、及水解反应器降温后进入脱硫塔，脱硫后净烟气直接排入大气，吸收液加碱及海水再生后循环使用。该方法中应用换热器及热泵回收烟气余热，大大降低了能耗。水解制氨的方法，提高了氨与烟气混合度，进一步提高了脱硝效率。

Description

一种烟气脱硫脱硝方法及装置

技术领域

本发明涉及一种烟气脱硫脱硝方法及装置，特别是涉及船舶等大型移动设施烟气的脱硫脱硝方法及装置，属于节能环保领域。

背景技术

随着国际社会对海上环境污染的关注的增加，船舶烟气的污染也越来越显得突出，其中氮氧化物(NO_x)和二氧化硫是柴油机排放产物中对生态环境危害最大的。环境保护要求逐步提高，NO_x和SO₂的排放要求也越来越严格。为防止、减少和控制船舶柴油机尾气造成大气污染，国际海事组织(IMO)制定的MARPOL附则VI《防止船舶造成空气污染规则》已于2000年1月1日生效，并规定对2016年1月1日或以后建造的船上安装的柴油机，当船舶在排放限制区内航行时，其NO_x排放量的限制值按TierⅢ标准要执行。但是，由于船舶所排烟气与陆地的电厂锅炉烟气不同的特点及移动设施的特殊要求，使得其烟气的处理又无法直接应用电厂锅炉的脱硫脱硝技术和设备，这就成为了烟气处理的行业性难题之一。

船舶烟气规模较小温度低、排气波动大、烟气中含有未燃尽的油和炭黑等特点。对烟气处理技术要求：处理设备体积小，重量轻；脱硫脱硝反应剂及产物要易储存；能耗电耗都要低。

在单元技术方面，目前主要的烟气脱硫单元技术按脱除产物的干湿形态可分湿法脱硫、干法脱硫和半干法脱硫三种，其中干法脱硫不能满足要求，传统的半干法脱硫也很难稳定达到要求，湿法脱硫效率高，但也存在设备大的困扰。

脱硝方面，目前我国常用的烟气脱硝方法为NH₃还原法，包括有选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)两种。NO_x选样性催化还原技术作为有效的排气后处理措施最初应用在锅炉、焚烧炉和发电厂等固定式污染源，其后逐渐应用到交通运输领域，作为降低柴油机NO_x排放的有效措施之一。由于其较高的还原率及技术成熟度，现已成为国内烟气脱硝治理的主流技术。但是SCR应用于重型柴油机尾气脱硝，还存在柴油机低负荷排放烟气温度低、设备体积大等问题。

对船舶烟气的处理不仅要求单元技术效率高，还要求工艺系统简捷高效低成本，装备紧凑稳定性好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于柴油机在低负下排气温度会降低至250℃左右低于选择性催化还原(SCR）反应温度，需将烟气温度来提高至SCR反应窗口以达到较高的脱硝效率，并减小整个系统的压力损失。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种烟气脱硫脱硝方法，其特征是至少由如下工序组成；

(1)对烟气进行加热的烟气加热工序；

(2)对升温后的烟气脱除氮氧化物的脱硝工序；

(3)对脱硝后的烟气冷却的脱硝烟气降温工序；

(4)对降温后的脱硝烟气脱除硫化物的脱硫工序。

本发明所述的烟气脱硫脱硝方法：烟气进入加热工序前，系统设立两个并联的烟气通路，通路1内设有可以喷入粒径在0.5mm以下的固体颗粒，且带有除尘装置，另一条通路2上不设任何其他机构；在系统启动和停车时，烟气通过通路1后进入烟气加热工序，在系统正常运转时烟气直接经过通路2进入烟气加热工序。

本发明所述的烟气加热工序：原烟气经过通路1或通路2后，首先经过换热器冷侧进行换热升温，再经过热泵进一步将烟气温度提高，最后烟气经过电加热器加热至温度为320～380℃；或烟气直接经过换热器及热泵将温度提升至320～380℃。

所述的换热器：换热器烟气间壁传热面的两侧或任一侧涂布可以强化热辐射的涂料，所涂布的涂料层的热辐射吸收率≥0.95；对其涂料的组成并无限制,只要能够在250～400℃的温度范围保持稳定的、热辐射吸收率大于0.95的材料即可。

本发明所述的脱硝工序：脱硝反应还原剂氨的供应方法是质量分数为40%～60%的溶液尿素溶液先在水解反应器内制氨，尿素溶液水解产物经脱硝后高温烟气稀释；稀释过程可以在静态混合器内进行，经稀释后氨的体积分数达到5%～10%，混合烟气温度维持在280℃以上；混合烟气以气相通入热泵与电加热器之间的管道或电加热器与脱硝反应器（SCR反应器）之间的管道抑或热泵与SCR反应器之间的管道；水解反应器维持设定温度所需热量由换热器热侧出口烟气余热或热泵低温热源出口烟气余热提供。

本发明所述的烟气降温工序：经过脱硝工序后的烟气依次经过热泵、换热器热侧及水解反应器降温，或依次经过换热器热侧、水解反应器及热泵降温。

本发明所述的脱硫工序：脱硫吸收液由海水加适量碱性物质配制而成，可选地，所加碱性物质为氢氧化钠、氢氧化镁或氧化镁；所加碱性物质以脱硫塔出口吸收液pH大于5.5为标准。

本发明所述的烟气脱硫脱硝方法：与陆地上锅炉等固定源烟气排放方式不同，船舶烟气等移动设施不需传统的烟囱提升烟囱抽力，烟气与脱硫吸收液反应后不经烟囱而直接经脱硫塔上侧出口外排到海面，随船舶移动烟气自动扩散到大气中。

实现本发明所述的装置，至少由换热器、热泵、SCR反应器、水解反应器及脱硫塔组成；换热器冷侧出口与热泵高温热源入口相连，热泵高温热源出口与SCR反应器进口相连；SCR出口连接两个支路，一路连接静态混合器，另一路连接热泵低温热源入口或换热器热侧入口；换热器热侧出口管道或热泵低温热源出口管道经过水解反应器，在水解反应器下方盘管环绕，再经管道与脱硫塔烟气入口管相连。

本发明的有益效果：

(1)本发明应用换热器及热泵提升脱硝烟气温度，大大降低了电加热能耗，并进一步提高脱硝效率。

(2)将尿素溶液在喷入SCR反应器前水解制氨，水解反应所需热量由换热后中温烟气提供，降低额外能耗；

(3)直接将脱硝后的高温烟气代替热空气稀释氨气，可预先将氨气加热到一定温度，减少稀释氨气在烟道中升温吸热热量并缩短加热时间；

(4)不设稀释风机，大大降低了电耗，增加了安全运行系数；

(5)脱硫塔不需设置除雾器及烟囱，可简化设备结构，降低系统的压力损失。

(6)本发明为高效、低成本和高实用性方法，为开发船舶等大型移动设施的脱硫脱硝提供体积小、效率高的技术和装备提供了技术支撑。

附图说明

图1并联管路示意图；

图2为表示根据本发明一个实施例中一种烟气脱硫脱硝方法流程示意图；

图3为表示根据本发明另一个实施例中一种烟气脱硫脱硝方法流程示意图；

图中：Ⅰ-通路1；Ⅱ-通路2；Ⅲ-喷射装置；Ⅳ-除尘装置；Ⅴ-阀门；

1-换热器；2-热泵；3-电加热器；4-SCR反应器；5--水解反应器；6-静态混

合器；7-脱硫塔。

说明：图1中的虚线表示混合烟气可选路径，两条路径中选择其中一条。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

该系统用于船舶柴油机机外烟气净化。该方法系统实施前，需了解柴油机及其负载为发电机型号和主要技术参数、柴油机排气允许背压、用油种类及性质、排放烟气组成及含量；柴油机负荷变化条件下烟气的流量、排温、流速、风压。

根据柴油机的布置和外围条件，确定换热器、热泵、水解反应器、脱硫塔及其附属设备的布置方式，并根据具体的SCR出口烟气热量可利用量、换热需求量，计算换热器的换热系数和换热面积，从而确定最终的装置尺寸。

实施例1

如图2所示的本发明的烟气脱硫脱硝方法及装置，该方法用于功率550kW，转速750rpm的船用柴油机烟气的脱硫脱硝。柴油机在低转速下排气温度降低至250℃左右，烟气最大流量4.4t/h，NO_x加权排放量为9.6g/kWh。在系统启动和停车时，烟气经过通路1与入的固体颗粒反应并经过除尘器后进入烟气加热工序，在系统正常运转时烟气直接经过通路2进入烟气加热工序。烟气先进入换热器进行换热升温，使烟气温度升高至290℃左右，升温后的烟在经过热泵提升温度至340℃左右，随后烟气经过电加热器加热至温度为350℃。

尿素先经溶解配制成质量分数为的溶液，贮存于尿素溶液贮罐内，用时经尿素泵加压和调节流量进入尿素水解反应器，在180℃、1.5MPa条件下水解制备氨气。水解反应器维持设定温度所需热量由换热器热侧出口烟气提供。尿素水解后产物与一部分SCR反应器出口烟气进入静态混合器，混合气体中NH₃的体积分数达到5%，经喷氨格栅喷入热泵与电加热器之间的管道。烟气经电加热并加入氨后进入SCR脱硝反应器，在V₂O₅-WO₃/TiO₂蜂窝式催化剂作用下大部分NO_x被还原为N₂，脱硝效率达到90%。

烟气经过换热器热侧及水解反应器降温，经过增压风机从脱硫塔下部烟气入口进入脱硫塔。加氢氧化钠后的海水作为吸收液经泵循环喷入脱硫塔上方，通过烟气与脱硫剂逆向接触使过SO₂被吸收，脱硫后净烟气不经烟囱而直接经脱硫塔上侧出口外排到海面，脱硫效率达到97%以上。吸收SO₂后的吸收液pH达到5.5之后排出脱硫塔，部分流入曝气池，SO₂被通入的空中的氧气氧化，最终生成硫酸盐，剩余部分吸收液进入再生箱加入氢氧化钠及部分新鲜海水后循环利用。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，所不同的是，：换热器烟气间壁传热面的两侧涂布强化热辐射的涂料，所涂布的涂料层的热辐射吸收率为0.95。尿素水解后产物与一部分SCR反应器出口烟气进入静态混合器，混合气体中NH₃的体积分数达到8%，经喷氨格栅喷入电加热器与SCR反应器之间的管道。

实施例3

如图3所示的本发明的烟气脱硫脱硝方法及装置，该方法用于功率1500kW，转速1760rpm的船用柴油机烟气的脱硫脱硝。柴油机在低转速下排气温度降低至260℃左右，烟气最大流量13.6t/h，NO_x加权排放量为9.38g/kWh。在系统启动和停车时，烟气经过通路1与入的固体颗粒反应并经过除尘器后进入烟气加热工序，在系统正常运转时烟气直接经过通路2进入烟气加热工序。烟气先进入换热器进行换热升温，使烟气温度升高至320℃左右，升温后的烟在经过热泵提升温度至380℃左右。

尿素先经溶解配制成质量分数为60%的溶液，贮存于尿素溶液贮罐内，用时经尿素泵加压和调节流量进入尿素水解反应器，在200℃、2.1MPa条件下水解制备氨气。水解反应器维持设定温度所需热量由换热器热测出口烟气提供。尿素水解后产物与一部分SCR反应器出口烟气进入静态混合器，混合气体中NH₃的体积分数达到10%，混合气体经喷氨格栅喷入SCR反应器入口管道。烟气经热泵并加入氨后进入SCR脱硝反应器，在V₂O₅-WO₃/TiO₂蜂窝式催化剂作用下大部分NO_x被还原为N₂，脱硝效率达到86%。

脱硝后换热器热侧及水解反应器降温后，经过热泵低温热源侧进一步降温至246℃左右，再经过增压风机从脱硫塔下部烟气入口进入脱硫塔。加氧化镁后的海水作为吸收液经泵循环喷入脱硫塔上方，通过烟气与脱硫剂逆向接触使过SO₂被吸收，脱硫后净烟气不经烟囱而直接经脱硫塔上侧出口外排到海面，脱硫效率达到96%以上。吸收SO₂后的吸收液pH达到5.5之后排出脱硫塔，部分流入曝气池，SO₂被通入的空中的氧气氧化，最终生成硫酸盐，剩余部分吸收液进入再生箱加入氢氧化钠及部分新鲜海水后循环利用。

实施例4

本实施例与实施例3基本相同，所不同的是，烟气先进入换热器进行换热升温，升温后的烟在经过热泵提升温度至320℃左右；换热器烟气间壁传热面一侧侧涂布强化热辐射的涂料，所涂布的涂料层的热辐射吸收率为0.97。

Claims (5)

1.一种烟气脱硫脱硝方法，其特征在于至少由如下工序组成：

(1)对原烟气进行加热的烟气加热工序；

(2)对升温后的烟气脱除氮氧化物的脱硝工序；

(3)对脱硝后的烟气冷却的脱硝烟气降温工序；

(4)对降温后的脱硝烟气脱除硫化物的脱硫工序；

其中，工序(1)的烟气加热使用工序(2)脱硝后的烟气加热，同时工序(3)的脱硝烟气的降温是用工序(1)的原烟气吸收热量；所述原烟气进入处理工序前，设立两个并联的烟气通路，通路1内设有可以喷入粒径在0.5mm以下的固体颗粒的喷射装置并在其后设有除尘装置，另一条通路2上不设任何其他机构；在系统启动和停车时，烟气通过通路1后进入烟气加热工序，在系统正常运转时烟气直接经过通路2进入烟气加热工序。

2.如权利要求1所述的烟气脱硫脱硝方法，其特征在于所述烟气加热工序(1)和脱硝烟气降温工序(3)使用换热器实现；所述换热器烟气间壁传热面的两侧或任一侧涂布可以强化热辐射的涂料，所涂布的涂料层的热辐射吸收率≥0.95；对其涂料的组成并无限制，只要能够在250～400℃的温度范围保持稳定的、热辐射吸收率大于0.95的材料。

3.如权利要求1所述的烟气脱硫脱硝方法，其特征在于：脱硝工序(2)采用加入氨在催化还原催化剂作用下与氮氧化物反应生成氮气的方法；所述脱硝工序中氨的供应方法是尿素溶液先在水解反应器内经水解反应制取氨，再经脱硝后的高温烟气稀释，以气相通入脱硝前的烟气中。

4.如权利要求3所述的烟气脱硫脱硝方法，其特征在于尿素溶液水解产物经脱硝后的高温烟气稀释后的气体温度维持在280℃以上。

5.实现权利要求1所述烟气脱硫脱硝方法的装置,其特征在于至少由换热器、热泵、SCR反应器、为催化还原脱硝提供还原剂氨而进行尿素水解的水解反应器、脱硫塔组成；换热器冷侧出口与热泵高温热源入口相连，热泵高温热源出口与SCR反应器进口相连；SCR反应器出口连接两个支路，一路连接静态混合器入口，静态混合器出口与SCR反应器入口侧相连接，另一路连接热泵低温热源入口或换热器热侧入口；换热器热侧出口管道或热泵低温热源出口管道经过水解反应器，在水解反应器下方盘管环绕，再经管道与脱硫塔烟气入口管相连。