CN103962005B

CN103962005B - 一种船用选择性脱硝scr催化剂的快速预热工艺及系统

Info

Publication number: CN103962005B
Application number: CN201410190437.6A
Authority: CN
Inventors: 王德荣; 林瑜
Original assignee: NANTONG YATAI ENGINEERING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANTONG YATAI ENGINEERING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2034-05-08
Also published as: CN103962005A

Abstract

一种船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热工艺及系统，通过至少一个蓄热器蓄热，烟气通过烟气管路通入到SCR反应器，经过SCR反应器处理的烟气再经过烟气管道通入蓄热器；将室外空气通过预热空气管道通入蓄热器，从上往下或从下往上地进入SCR反应器，对催化剂床层进行加热，当催化剂床层的温度不再上升时，关闭原有工作的蓄热器，并开启新的蓄热器，并使其改变方向进入SCR反应器来对催化剂床层进行预热；经过若干次正、反向预热过程，直至任何蓄热器继续工作也无法再进一步提高催化剂床层的加权平均温度时，关闭整套预热空气系统。克服了因船舶频繁启停、怠速等导致的催化剂温度低于SCR反应温度区间的问题。

Description

一种船用选择性脱硝 SCR 催化剂的快速预热工艺及系统

技术领域

本发明属于烟气脱硝技术领域，特别涉及一种船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热工艺及其系统。

背景技术

随着船舶上燃烧设备排放标准的日益严格，船舶上锅炉、柴油机主机、辅机等的排烟净化将成为环保的焦点。不同于陆上燃煤火电厂较为连续、稳定的烟气排放过程，船舶的排烟净化有其特点：船舶上的主要燃料为柴油，且运行过程中存在较为频繁的启停。由此会造成烟气量、烟气温度和烟气净化设备内部温度环境的波动，从而降低烟气净化设备的使用率和净化效率。因此如何确保船用烟气净化设备的高效运行，尤其是消除柴油机等燃烧设备频繁启停的不良影响，确保燃烧设备启动后、烟气净化装备就能马上正常工作并满足达标排放的要求，这就对环保装备的开发提出了新的要求。

选择性催化还原SCR工艺是最常用的燃烧后脱硝方法。其核心是在SCR反应器中，通过催化剂表面的催化作用，使烟气中NO/NO₂只与NH₃发生还原反应（而不与烟气中的O₂发生氧化反应），并将NO/NO₂还原成N₂，从而达到烟气脱硝净化的目的。该SCR工艺对烟气温度较为敏感（当烟气和催化剂达到准稳态热平衡时，二者的温度近似相等）——即，只有当反应温度在一个相对狭窄的区间内（即温度窗口，一般在330-450°C），脱硝反应才能高效进行；反之，如果反应温度高于或低于该温度窗口区间，则反应效率低，不仅浪费还原剂，而且给达标排放造成困难。

如上所述，船舶停运的时候，船上的柴油燃烧设备处于关闭状态，待到重新启动后，柴油机排烟和脱硝催化剂无法在短时间内达到热平衡，这就给SCR脱硝装备快速满足环保达标排放的要求带来了困难。现采用如下实验过程对该问题加以说明。

图1为一个SCR脱硝反应器内部的温度巡检记录曲线，目的是掌握催化剂层的蓄热-放热特性。热烟气来自一燃烧柴油的小型锅炉。SCR实验装置见图2。该SCR反应器沿气流方向（高度方向）可放置四层蜂窝状催化剂，其中最下一层、甚至最下两层通常为备用。热烟气由反应器最上层通入，反应后从下层导出，最后进入引风机被抽走。五个Pt100铂热电阻分别置于各层催化剂的前后，用来检测反应器内的温度均匀性。图中五根曲线从上至下分别代表沿烟气流动方向上各温度测点的实测值。从图可见：（1）随着柴油锅炉从冷态启动，热烟气从催化剂层的最上端进入SCR反应器，经过半小时以上，反应器入口的温度才达到约340°C，而此时最下层的催化剂入口温度及反应器出口温度仅为256°C（该温度离脱硝温度窗口的下限还有较大的差距）。（2）由冷态启动经过2小时后，上述两个测点的温差才缓慢地缩小至30°C左右，催化剂层间的温度均匀性才渐趋一致。可见，图1中的温度曲线说明了一个重要问题：SCR脱硝催化剂是热容很大的蓄热材料，在反应器的升温过程要吸收气流中的大量热量，直到气流与催化剂的温差趋近一致，即达到热平衡为止。最上层的催化剂由于与烟气的温差最大（尤其在燃烧设备启动的初期），因此升温速度最快。各层催化剂都是可观的蓄热体，热惰性很大；烟气每经过一层，烟温就产生较大幅度的降低，因此最下层催化剂的温度最低。所述催化剂蓄热的过程，也就是催化剂温度逐渐升高的过程。由于SCR脱硝反应有一个最佳的、但区间较窄的反应“温度窗口”，因此如果各层催化剂的温度均匀性越好，脱硝反应器在有效温度窗口内的反应效果就越好，脱硝效率也就越高，同时也能降低残氨量和氨逃逸率。

不同于陆地上电厂的脱硝装置，船舶上的SCR烟气脱硝装置，由于船舶的经常性启停，因此催化剂层也会较频繁地经历相应的蓄热—放热过程，见图3。图中后半段曲线表明SCR反应器停运后（也即柴油机或锅炉停运后）的温度曲线，可以看到催化剂温度快速降低，先前的蓄热状态已不复存在。每次SCR反应器从冷态启动直至达到反应所需的温度窗口条件，就意味着在相当长时间内（甚至以小时计），不仅整体脱硝效率相对较低，净化效果无法得到保证，而且白白浪费能量。此外，催化剂沿长度方向越长（一般在几百mm至1000mm以上），整块催化剂内部温差就越大，热膨胀率和伸缩量就越不一致，往往导致材料疲劳损耗、催化剂开裂，最终使用寿命缩短。

归纳上述问题，即：（1）SCR催化剂存在一个显著的蓄热问题；（2）须尽可能消除由于船舶频繁启停而导致的催化剂蓄热--放热的不良影响；（3）尽可能在柴油燃烧设备启动前，使催化剂的整体温度处于、或至少提高到接近SCR脱硝反应所需“温度窗口”的水平；（4）须尽量缩短催化剂的加热（预热）时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热工艺，以解决因船舶频繁启停、怠速等导致的催化剂温度低于SCR反应温度区间的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热工艺，包括以下步骤：

a、蓄热：通过至少一个蓄热器蓄热，蓄热器采用烟气蓄热，烟气来自于此前船用燃烧设备工作阶段时的排烟，烟气通过烟气管路通入到SCR反应器，经过SCR反应器处理的烟气再经过烟气管道通入蓄热器，通过设置在烟气管道尾部的引风机带动烟气流动，并将处理后的烟气排放；

b、预热：将室外空气通过预热空气管道通入蓄热器，通过设置在预热空气管道端部的鼓风机带动空气流动，经蓄热器预热后的热空气分为两路，从上往下或从下往上地进入SCR反应器，对催化剂床层进行加热，当催化剂床层的温度不再上升时，即正在工作的蓄热器已不再具有向SCR反应器放热的能力时，关闭原有工作的蓄热器，并开启新的蓄热器，从而继续获得高温的预热空气，并使其改变方向进入SCR反应器来对催化剂床层进行预热；

c、预热完成：经过若干次正、反向预热过程，直至任何蓄热器继续工作也无法再进一步提高催化剂床层的加权平均温度时，关闭整套预热空气系统，完成对催化剂的预热；

d、排放：最后将完成SCR反应器预热后的空气并入原有脱硝尾部烟道，经引风机抽出排放。

当预热空气系统工作时，关闭某个蓄热器或一组正在并联工作的蓄热器组的判据为：各层催化剂的加权平均温度随时间的变化率Δ((t1+t2+⋯+tn)/n)/Δτ小于一个预先设定值，其中tn表示催化剂层的第n个测点，τ表示时间。

当船舶无排烟或烟气温度低于蓄热器温度时，将连接蓄热器的蒸汽阀门打开，对蓄热器内部的蓄热材料进行加热，直至蓄热材料的整体温度达到蒸汽温度。

可直接用天然气燃烧后的烟气对蓄热器进行加热。

本发明还提供了一种船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统，其技术方案是：

一种船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统，包括至少一个蓄热器，以及与其连接的烟气管路、预热空气管路，所述烟气管路通入原烟气，依次连接SCR反应器、蓄热器，其尾部设置有引风机；所述预热空气管路通入室外空气，其端部设有鼓风机，连接蓄热器后分为两路，分别接入SCR反应器的顶部和底部，该两路预热空气管路从SCR反应器出来后合为一路，然后与烟气管路尾部连接。

作为进一步改进，还包括蒸汽管路，所述蒸汽管路内通入蒸汽，连接蓄热器。

优选的，所述蓄热器由高比热容的材料组成，蓄热器外包裹有保温层。

优选的，所述高比热容的材料为蓄热小球。

优选的，所述蓄热小球为氧化铝小球、陶瓷材料。

所述蓄热器内部安装有若干个温度测点，用来对蓄热器进行整体温度监控。

所述蓄热器为多个时，多个蓄热器并联。

进一步改进，所述烟气管路在进SCR反应器和出SCR反应器的位置、进蓄热器和出蓄热器的位置均设有阀门；预热空气管路在进蓄热器和出蓄热器的位置、进SCR反应器和出SCR反应器的位置、以及连接烟气管路的位置均设有阀门；蒸汽管路在进入蓄热器的位置设有阀门。

进一步改进，烟气管路和预热空气管路上的位于SCR反应器进、出口位置的阀门均为快开蝶阀，并且联锁；烟气管路和预热空气管路上的位于蓄热器进、出口位置的阀门均为快开蝶阀,并且联锁。

本发明的有益效果是：

1) 该催化剂预热系统及预热方法，能有效克服因船舶频繁启停、怠速等导致的催化剂温度低于SCR反应温度区间的问题。从而保证船舶上柴油燃烧设备开启时，SCR反应器在温度窗口内、或快速达到温度窗口的要求，确保脱硝效率，并有效利用还原剂，同时降低残氨逃逸率。

2) 特别对于催化剂长度较长的情况，本发明可使得催化剂的上部和下部温度不至于相差过大，避免了催化剂内部因温度不均而引起开裂和寿命缩短。

3) 如预热空气仅从一个方向流入催化剂层，则往往随着时间的推移，预热空气和催化剂的温差越来越小，致使加热速度渐趋缓慢。而采用本发明所述的方法后，预热空气和其后最先接触的催化剂之间的温差最大，温差大有利于快速加热——即利用预热空气介质和低温部分催化剂的大温差，来加快催化剂的预热速度。经过若干次的从上往下或从下往上加热，催化剂两端温度快速趋近一致，从而缩短预热时间。

附图说明

图1为一个SCR脱硝反应器内部的温度巡检记录曲线图；

图2为SCR实验装置示意图；

图3为催化剂层的蓄热—放热过程的曲线图；

图4为本发明的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图4为本发明的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统的示意图，图中实线表示烟气管路，虚线表示预热空气管路，波浪线表示蒸汽管路。

本发明的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统包括一个或多个蓄热器，当蓄热器为多个时，多个并联的蓄热器则组成一个蓄热器阵列或蓄热器组，如第一蓄热器11、第二蓄热器12……第n蓄热器1n，以及与其连接的烟气管路、预热空气管路。烟气管路通入原烟气，依次连接SCR反应器、蓄热器，其尾部设置有引风机；所述预热空气管路通入室外空气，其端部设有鼓风机，连接蓄热器后分为两路，分别接入SCR反应器的顶部和底部，该两路预热空气管路从SCR反应器出来后合为一路，然后与烟气管路尾部连接。还包括蒸汽管路，蒸汽管路内通入蒸汽，连接蓄热器。

蓄热器外包裹有保温层，以防热量散失。

蓄热器由高比热容的材料组成，高比热容的材料优选为为蓄热小球，比如氧化铝小球、陶瓷材料等。

烟气管路在进SCR反应器和出SCR反应器的位置、进蓄热器和出蓄热器的位置均设有阀门；预热空气管路在进蓄热器和出蓄热器的位置、进SCR反应器和出SCR反应器的位置、以及连接烟气管路的位置均设有阀门；蒸汽管路在进入蓄热器的位置设有阀门。

烟气管路和预热空气管路上的位于SCR反应器进、出口位置的阀门均为快开蝶阀，并且联锁；烟气管路和预热空气管路上的位于蓄热器进、出口位置的阀门均为快开蝶阀，并且联锁。

蓄热器的热量来自前一次燃烧设备工作时的脱硝后排烟，即：上一次燃烧设备工作时段内，烟气首先进行脱硝，脱硝后三、四百摄氏度的烟气逐次、或并联进入蓄热器阵列11、12……1n。蓄热时，蓄热器上的烟气管路阀门（例如阀门a和b）处于开启状态，而蓄热器上的预热空气管路阀门（例如阀门c和d）则处于关闭状态。流经蓄热器后的烟气可直接进入脱硝后烟道（即阀门i所在管路），并经引风机2外排。当脱硝后烟气温度大幅度降低导致蓄热器温度水平亦降低时，可关闭SCR反应器与蓄热器（组）之间的阀门，烟气通过原有烟道（即阀门i所在管路）绕过蓄热器直接排放。蓄热器内部安装多个温度测点，用来对蓄热器进行整体温度监控。当蓄热器的整体温度水平达到或高于预定值后，切断蓄热器上的烟气和空气管路，蓄热完成。

在柴油机或燃油锅炉启动前一段时间，开启预热空气系统对选择性催化SCR反应器4内的催化剂层5进行预热。即开启连接预热空气管路上的的鼓风机3，连同蓄热器11进、出口上的预热空气管路阀门（阀门c和d）一并打开，但蓄热器11上的烟气管路阀门（阀门a和b）则处于关闭状态。将经过蓄热器11升温后的热空气通过阀门h所在的预热空气管路从下部通入SCR反应器4（此时阀门g所在管路关闭），从下往上（与SCR反应器4内烟气流动方向相反）对催化剂层5进行加热，即最下一层催化剂先被加热，逐次往上。预热催化剂层5后的空气从SCR反应器4上部出来，经阀门j排入脱硝后烟道（即阀门i所在管路。可见该管路在蓄热器蓄热时用来排烟，在催化剂层预热时则用来排放预热后的空气）。当最下一层催化剂温度不再上升或上升速度很慢时，表明蓄热器11已不再具有向SCR反应器4放热的能力，因此马上关闭蓄热器11上所有的阀门（阀门a、b、c、d），使蓄热器11停止工作。其后开启新的蓄热器12上的预热空气管路，将蓄热器12投入运行，从而继续获得高温的热空气。此时需关闭反应器4进、出口预热空气管路上的阀门h和阀门j，同时快速打开（或给以一定的时间提前量）反应器4进、出口预热空气管路上的阀门g和阀门m从而开始自上往下（与烟气流动方向相同）对催化剂层5进行加热。即最上层催化剂先被加热，逐次往下。当最上一层催化剂温度不再上升时（或上升速度很慢时），关闭反应器进、出口预热空气管路上的阀门g和阀门m，同时快速打开（或给以一定的时间提前量）反应器进、出口预热空气管路上的阀门h和阀门j。重复上述过程，经过若干次正、反向交替预热，直至再开启任何蓄热器各层催化剂5的加权平均温度也不再上升（或上升速度很慢）时为止。关闭整套预热空气系统，完成对催化剂层5的预热，就此为热烟气的SCR脱硝提供了良好的反应温度条件。

当无烟气或烟温低于蓄热器温度时，蓄热器的蓄热可通过船用蒸汽的辅助加热来完成。即关闭蓄热器11上的阀门b、c、d，继而打开蒸汽阀门k，对蓄热器内部的蓄热材料进行加热，直至蓄热材料的整体温度接近蒸汽温度。蓄热后的低温乏蒸汽通过阀门a最终进入引风机2排放。

Claims

1. 一种船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热工艺，其特征在于：包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热工艺，其特征在于：当预热空气系统工作时，关闭某个蓄热器或一组正在并联工作的蓄热器组的判据为：各层催化剂的加权平均温度随时间的变化率Δ((t1+t2+⋯+tn)/n)/Δτ小于一个预先设定值，其中tn表示催化剂层的第n个测点，τ表示时间。

3.如权利要求1所述的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热工艺，其特征在于：当船舶无排烟或烟气温度低于蓄热器温度时，将连接蓄热器的蒸汽阀门打开，对蓄热器内部的蓄热材料进行加热，直至蓄热材料的整体温度达到蒸汽温度。

4.如权利要求1所述的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热工艺，其特征在于：直接用天然气燃烧后的烟气对蓄热器进行加热。

5.一种船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统，其特征在于：包括至少一个蓄热器，以及与其连接的烟气管路、预热空气管路，所述烟气管路通入原烟气，依次连接SCR反应器、蓄热器，其尾部设置有引风机；所述预热空气管路通入室外空气，其端部设有鼓风机，连接蓄热器后分为两路，分别接入SCR反应器的顶部和底部，该两路预热空气管路从SCR反应器出来后合为一路，然后与烟气管路尾部连接。

6.如权利要求5所述的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统，其特征在于：还包括蒸汽管路，所述蒸汽管路内通入蒸汽，连接蓄热器。

7.如权利要求5所述的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统，其特征在于：所述蓄热器由高比热容的材料组成，蓄热器外包裹有保温层。

8.如权利要求7所述的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统，其特征在于：所述高比热容的材料为蓄热小球。

9.如权利要求8所述的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统，其特征在于：所述蓄热小球为氧化铝小球、陶瓷材料。

10.如权利要求5所述的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统，其特征在于：所述蓄热器内部安装有若干个温度测点，用来对蓄热器进行整体温度监控。

11.如权利要求5所述的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统，其特征在于：所述蓄热器为多个时，多个蓄热器并联。

12.如权利要求6所述的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统，其特征在于：所述烟气管路在进SCR反应器和出SCR反应器的位置、进蓄热器和出蓄热器的位置均设有阀门；预热空气管路在进蓄热器和出蓄热器的位置、进SCR反应器和出SCR反应器的位置、以及连接烟气管路的位置均设有阀门；蒸汽管路在进入蓄热器的位置设有阀门。

13.如权利要求12所述的船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统，其特征在于：烟气管路和预热空气管路上的位于SCR反应器进、出口位置的阀门均为快开蝶阀，并且联锁；烟气管路和预热空气管路上的位于蓄热器进、出口位置的阀门均为快开蝶阀,并且联锁。