CN104906952A - 一种scr脱硝系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SCR脱硝系统及方法，脱硝系统包括窑尾预热器、窑尾收尘器、热交换器、SCR反应器、还原剂系统；脱硝方法采用水泥烧成系统热烟气自身的热量对经除尘后的低温烟气进行加热，不另外使用燃烧燃料加热含氮氧化物的烟气，从而避免了新的能源的能耗和环境的二次污染；利用本发明，高温烟气与低温烟气之间为非传质性传热，能有效利用了高温烟气中的热量，又避免了高温烟气带进的灰尘对催化剂的磨损、堵塞和毒化现象，使待处理的烟气的温度处在催化剂的高效区间，提高了氮氧化物与还原物质的反应效率。

Description

一种SCR脱硝系统及方法

技术领域

本发明涉及环境保护技术领域，涉及一种高效的SCR脱硝系统及方法。

背景技术

水泥工业窑炉燃烧燃料产生的NO_x，主要由NO和NO₂组成。NO_x和空气中的水和杂质结合生成硝酸、硝酸盐形成酸雨，是重大的大气污染物之一。因此，我国在2010～2012年针对国内水泥行业NO_x排放量不断上升的情况，颁布了一系列法规及相关政策。国家《“十二五”节能减排规划》中明确规定了水泥行业NO_x排放的大气污染物的约束性指标。环保部门也修订发布了GB4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》，第三次修订的标准全面提高了颗粒物、NO_x等的排放控制要求。规定自2015年7月1日起，现有企业与新建企业氮氧化物排放低于400mg/Nm³，重点地区氮氧化物排放控制在320mg/Nm³以内。

在国家政策的引导和要求下，建材行业加快产业结构调整的步伐，大力发展先进技术和工艺装备，加强减排技术的研发与应用，目前已应用于水泥窑的NO_x减排的技术主要包括低氮燃烧技术及装备、分级燃烧技术、选择性非催化还原技术(SNCR)、选择性催化还原技术(SCR)。低氮燃烧器在欧洲应用较为广泛，通常为多通道设计，方便使用替代燃料，但其本身NO_x减排率较低，目前国内也已自主开发出多通道多介质低NO_x燃烧器。分级燃烧技术是通过控制燃烧过程在工业窑炉内的特定区域形成还原区，将窑炉内产生的NO_x部分还原成N₂。低氮燃烧技术投资运行成本较低，在我国水泥行业已有一定规模的应用。然而，该技术需要对窑系统进行改造，容易受窑炉类型和规模的限制，脱硝率通常仅能达到20％～50％，单独使用无法满足现有环保要求。

SNCR技术是将氨基还原剂喷入分解炉中，并在870℃-1100℃温度范围内将NO_x还原为N₂和H₂O，该技术系统较简单，只需配置适当的氨水储罐，在既有分解炉上增加还原剂喷入口及其控制系统。欧美等国水泥工业以SNCR技术作为首选的减排技术，并认为是最适用于水泥回转窑的脱硝技术，上世纪80年代SNCR技术在德国水泥生产线的普及率就已达到42％。SNCR技术近年来在我国水泥行业发展迅速，大部分水泥厂已安装并运行SNCR系统。然而，SNCR技术的减排性能受到水泥窑自身条件的影响较大，在应用中受到温度、粉尘、反应时间、混合情况等因素的影响，实际脱硝率往往不足50％，无法满足越来越高的排放标准。另一方面，SNCR需要使用大量NH₃，运行成本较高，并且有可能形成一定量的氨逃逸及二次污染。因此，寻找可代替氨水的低成本、高效率还原剂将能够进一步促进SNCR技术的发展和升级改造。

选择性催化还原技术(SCR)是目前电力工业应用较广泛的一种脱硝方法，脱销效率较高，能达到85％以上，NO_x排放浓度能降低至200mg/Nm³以下，且氨逃逸浓度低于5mg/Nm³。

对于新型干法水泥生产线，能够安装SCR脱硝系统的位置有三处，第一处为悬浮预热器与窑尾余热发电装置之间、窑尾余热发电装置与除尘器之间和窑尾除尘器之后。窑尾烟气经过一级旋风筒后温度约350℃左右，此时温度虽然满足商用钒系催化剂的使用条件，但烟气中极高的粉尘浓度和微量的碱金属，很容易造成催化剂的磨损、堵塞甚至毒化失效，并会大大降低余热发电效率。第二处为余热发电锅炉之后，经余热发电锅炉后，烟气中的粉尘、SO₂和碱土金属浓度会有所减少，但是烟气温度将降低至200℃以下，若在此处安装SCR反应器，所使用的催化剂很难逾越这一区间内的低温和多粉尘带来的不利影响。第三处为袋式收尘器之后，当烟气经过除尘器之后，粉尘含量降低到30ppm以下，SO₂和碱土金属含量也明显下降，有利于催化剂使用寿命的延长，但烟气温度进一步降低，直接影响到氮氧化物与还原物质的反应效率。综合比较，理想的是优化催化剂的理化组成和界面形态，将SCR反应器安装在窑尾除尘器之后。目前国内很多高校和科研院所正致力于开发适用于水泥工业的低温SCR催化剂，已取得了很大的进展，但是仍处于实验室开发或中试阶段。根据实验研究发现，温度越高，低温催化剂的脱硝效果越好。为了达到较好的脱硝效率，有些低温催化还原系统采用电或燃料加热的方式，将烟气或者催化剂加热升温，存在着运行成本较高和补充燃烧造成的环境污染问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种可以利用烟气废热的SCR脱硝系统及方法。

为了实现上述目的，本发明的SCR脱硝系统，包括：窑尾预热器、窑尾收尘器、热交换器、SCR反应器、还原剂系统，所述窑尾预热器通过烟道连接至热交换器的高温区域的进烟口，所述窑尾收尘器的出口通过烟道连接至热交换器的低温区域的进烟口，分别进入高、低温区域的气体不直接接触，进行传热不传质的能量传递；所述低温区域的出烟口通过烟道连接至所述SCR反应器的烟气入口，在所述SCR反应器的进烟口的烟道上还设置有所述还原剂系统的还原剂喷嘴，用于保证催化剂在优化的温度区间内促成氮氧化物的还原。

所述热交换器的高温区域的进烟口和/或低温区域的进烟口设置有流量调节装置。

在所述还原剂喷嘴与所述SCR反应器之间的烟道上设置有静态混合器。

所述热交换器与所述还原剂喷嘴之间的烟道上和/或所述SCR反应器的烟气出口后设置有压力监测器、温度监测器、流量监测器以及NO_x浓度监测器。

所述SCR反应器包括依次由上而下设置的烟气入口、至少一层催化剂层、烟气出口以及出灰口。

在所述SCR反应器侧壁上对应所述催化剂层的位置开设有用于更换催化剂的开门；所述催化剂置于催化剂斗内，所述催化器斗可在所述开门内抽出或放入。

本发明还提供一种SCR脱硝方法，其特征在于，利用如前所述的SCR脱硝系统，包括以下步骤：

1)将经窑尾收尘器除尘后获得的低尘、少毒化物质的低温烟气通入热交换器的低温区域，同时将窑尾预热器内的高温烟气通入热交换器的高温区域，所述低温烟气经过与高温烟气不直接接触的热交换方式，使低温烟气温度升高到所控制的温度后在热交换器中排出；所控制的温度为80-250℃；

2)对热交换器排出的烟气充入还原剂并与烟气充分混合；

3)将混合物通入SCR反应器进行脱硝，通过催化剂促成氮氧化物与还原物质之间的反应。脱硝后的尾气可直接排放。

所述还原剂包括气化的含氨基化合物。

所述还原剂通过气化或热解生成氨气，通过氨气喷射栅格进行喷射。

采用上述技术方案，可以利用烟气废热，实现进入低温还原催化反应器的烟气温度从80-250℃之间进行有控调节，这样既保证了较高的氮氧化物还原率，又避免了额外的加热带来环境的二次污染。

本发明的高效SCR脱硝系统及方法，欲处理的含有氮氧化物的烟气通过SCR反应器，其入口氮氧化物的浓度在1400-200mg/Nm³左右，通过低温SCR反应器后，氮氧化物的浓度可降低至150mg/Nm³左右，排放浓度达标的烟气由SCR系统风机通过烟囱排入大气中。与现有技术相比，具有以下效益：采用水泥烧成系统热烟气自身的热量对经除尘后的低温烟气进行加热，不另外使用燃烧燃料加热含氮氧化物的烟气，从而避免了新的能源的能耗和环境的二次污染；高温烟气与低温烟气之间的非传质性的加热，从而有效利用了高温烟气中的热量，又避免了高温烟气带进的灰尘对催化剂的磨损、堵塞和毒化现象。使待处理的烟气的温度处在催化剂的高效区间，提高了氮氧化物与还原物质的反应效率。

附图说明

图1为本发明的SCR脱硝系统的示意图。

图2为本发明中SCR反应器的结构示意图。

图中：

01-窑尾收尘器；02-窑尾风机；03-电动三通；04-窑尾预热器；05-窑尾烟气冷风阀；06、07-高温调节阀门；08-热交换器；09、10-低温调节阀门；11、22-压力监测器；12、23-温度监测器；13、24-流量监测器；14、25-NO_x浓度监测器；15-还原剂喷嘴；16-静态混合器；21-SCR反应器；26-尾排风机；27-烟囱；211-SCR反应器烟气入口；212-催化剂层；213-SCR反应器烟气出口；214-出灰口。

具体实施方式

以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供一种水泥窑系统的高效SCR脱硝系统，如图1所示，包括窑尾收尘器01，窑尾风机02，电动三通03，窑尾预热器04，窑尾烟气冷风阀05，高温调节阀门06、07，热交换器08，SCR反应器21，低温调节阀门09、10。所述窑尾预热器04通过烟道连接至热交换器08的高温区域的进烟口，所述窑尾收尘器01通过烟道连接至热交换器08的低温区域的进烟口，所述高、低温烟气的通道相互隔离，用于分别通入入高、低温烟气进行无传质的热交换；经过除尘和加温的烟气，通过管道进入SCR反应器21，在所述SCR反应器21的进烟口的烟道上还设置有所述还原剂系统的还原剂喷嘴15。

所述窑尾预热器04是指水泥预分解生产线上的原有预热器，其出口烟气温度在300-350℃之间，其出口烟气颗粒物含量100g/m³左右，氮氧化物含量在1400-200mg/Nm³之间，其一个出口通过高温三通阀门与热交换器08的高温区域的进烟口相连，另一个出口与热交换器08的高温区域出烟口相连，高温三通阀门可以控制高温烟气进入热交换器的风量从0％～100％进行调整，从而有效的调控进入SCR反应器的烟气温度。

所述热交换器08为管道式热交换器，由耐400℃高温烟气的金属材料制作，其高温区域的进烟口与窑尾预热器04的出口相连，高温烟气在热交换器08的管道中通过，经过热交换器08的锥斗收集烟气中的颗粒物，最后通过锁风阀排出，通过换热后，高温区域中的烟气从高温区域出烟口排出。所述高温三通阀门可以根据需要调整进入热交换器08的高温烟气量，高温烟气通过热交换器08进行并沉降部分颗粒物后，与其余未进入热交换器08的高温烟气混合，进入水泥系统原有生料磨系统，不会造成烟气热量的流失和浪费，同时高温烟气中的颗粒物也不会进入低温SCR反应器21对催化剂造成破坏。图1中的高温调节阀门06、07可以实现高温三通阀门的作用。

所述窑尾收尘器01和窑尾风机02是指原新型干法水泥厂原有废气处理车间烟气的净化处理设备，其风机出口烟气温度在80-150℃之间，低温烟气中颗粒物含量低于30mg/Nm³，氮氧化物含量在1400-200mg/Nm³之间。因此，低温SCR反应器可以避免高温催化剂在烟气中产生的中毒、磨损、堵塞等问题，延长催化剂的使用寿命。所述窑尾收尘器01和窑尾风机02的低温烟气经过低温三通阀进入热交换器08。所述低温三通阀入口与窑尾风机02出口相连，低温三通阀出口分别与热交换器08和低温SCR反应器21相连，低温三通控制进入热交换器08的低温烟气的风量从0％～100％进行调节。图1中低温调节阀门09、10可以实现低温三通阀的作用。所述低温烟气充入热交换器08内的管外，与热交换器08管内的高温烟气进行热交换，从而达到提高低温烟气温度的目的。升高到要求温度后的低温烟气从热交换器08的低温区域出烟口排出，与未进行换热的低温烟气混合，一起进入低温SCR反应器21。通过调整进入热交换器的高温烟气和低温烟气量，来调整进入低温SCR反应器21的烟气温度，温度范围可以实现80℃～250℃之间调整。

所述达到升温要求的烟气进入低温SCR反应器21，在低温SCR反应器21入口及出口均设置低温调节阀门09、10，压力监测器11、22，温度监测器12、23，流量监测器13、24，以监测低温SCR催化还原系统的脱硝效率。

所述系统的还原剂可以采用氨水、液氨、尿素等含有含氨基化合物及含有还原性成份的溶液，所述还原剂必须通过气化或热解成氨气，通过喷氨格栅喷射入烟气中，以达到还原剂的均匀喷射。为了进一步混合均匀，在低温SCR反应器21还设置了静态混合器16，所述静态混合器16安装在氨气喷射格栅后，烟气和还原剂的混合物通过静态混合器16，会产生一定强度的湍流，从而实现烟气和还原剂的均匀混合。

本发明还提供一种便于更换催化剂的SCR反应器21，包括烟气入口211、催化剂层212、烟气出口213和排灰口214。

所述烟气入口211包括喷氨格栅、烟气和还原剂混合室、稳流板。所述混合室设置导流板设置在管道弯管处，引导烟气在管道中进行均匀分配。所述催化剂层入口设置两层稳流板，所述稳流板包括圆孔型、棱形等型式。

所述催化剂层212包括至少一层催化剂，并设置催化剂备用层。所述每层的催化剂层侧面设置快速打开门，方便催化剂的更换。所述催化剂层设置催化剂篮，将催化剂模块在催化剂篮中提前组装好，催化剂篮整体放置催化剂层与之想配对的催化剂斗中。所述的催化剂斗可以从侧面抽出，将催化剂篮卡入催化剂斗中，然后将催化剂斗载着催化剂篮推入SCR反应器21中，最后锁死催化剂门即可。每层的催化剂均可以拉出，单独更换，不需要将上面或下面的催化取出，从而实现催化剂模块化组装，在工厂催化剂篮中组装好，避免了催化剂在运输过程中的损坏。

所述排灰口214下安装螺旋排灰口，一般灰尘很少，一段时间后可根据情况进行人工清灰。

低温SCR反应器21具有结构简单，更换催化剂方便，可以单独更换催化剂，以及密封性较好等优点。

本发明还提供一种利用如前所述的SCR脱硝系统进行SCR脱硝的方法，可经过以下步骤：

1)将经窑尾收尘器01除尘后获得的低尘、少毒化物质、温度在80-150℃之间、颗粒物含量低于30mg/Nm³、氮氧化物含量在1400-200mg/Nm³之间的低温烟气通入热交换器08的低温区域，同时将窑尾预热器04内温度在300-350℃之间的高温烟气通入热交换器08的高温区域；在交换器08中，低温烟气的通道与高温烟气的通道相互隔离，从而低温烟气与高温烟气不直接接触而实现无传质的热交换，使低温烟气温度升高到所控制的80℃～250℃之间的温度后在热交换器中排出；

2)将步骤1中热交换器排出的烟气通入静态混合器16，在静态混合器16中通过氨气喷射格栅向烟气喷射还原剂，从而使还原剂与烟气充分混合，所述还原剂可以采用氨水、液氨、尿素等含有含氨基化合物及含有还原性成份的溶液，所述还原剂必须通过气化或热解成氨气；

3)将混合物通入SCR反应器进行脱硝，通过催化剂促成氮氧化物与还原物质之间的反应。

反应完毕后，在通过尾排风机26将脱硝后的尾气排出烟囱27之前，通过NO_x浓度监测器25对尾气进行检测，结果为尾气的氮氧化物的浓度由处理前的1400-200mg/Nm³左右降低至150mg/Nm³左右，表明本发明的脱硝方法，能够保证较高的氮氧化物还原率。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种SCR脱硝系统，其特征在于，包括：窑尾预热器、窑尾收尘器、热交换器、SCR反应器、还原剂系统，所述窑尾预热器通过烟道连接至热交换器的高温区域的进烟口，所述窑尾收尘器的出口通过烟道连接至热交换器的低温区域的进烟口，分别进入高、低温区域的气体不直接接触，进行传热不传质的能量传递；所述低温区域的出烟口通过烟道连接至所述SCR反应器的烟气入口，在所述SCR反应器的进烟口的烟道上还设置有所述还原剂系统的还原剂喷嘴，用于保证催化剂在优化的温度区间内促成氮氧化物的还原。

2.如权利要求1所述的SCR脱硝系统，其特征在于，所述热交换器的高温区域的进烟口和/或低温区域的进烟口设置有流量调节装置。

3.如权利要求1或2所述的SCR脱硝系统，其特征在于，在所述还原剂喷嘴与所述SCR反应器之间的烟道上设置有静态混合器。

4.如权利要求1或2或3所述的SCR脱硝系统，其特征在于，所述热交换器与所述还原剂喷嘴之间的烟道上和/或所述SCR反应器的烟气出口后设置有压力监测器、温度监测器、流量监测器以及NO_x浓度监测器。

5.如权利要求1至4任一项所述的SCR脱硝系统，其特征在于，所述SCR反应器包括依次由上而下设置的烟气入口、至少一层催化剂层、烟气出口以及出灰口。

6.如权利要求5所述的SCR脱硝系统，其特征在于，在所述SCR反应器侧壁上对应所述催化剂层的位置开设有用于更换催化剂的开门；所述催化剂置于催化剂斗内，所述催化器斗可在所述开门内抽出或放入。

7.一种SCR脱硝方法，其特征在于，利用权利要求1至6任一所述的SCR脱硝系统，包括以下步骤：

1)将经窑尾收尘器除尘后获得的低尘、少毒化物质的低温烟气通入热交换器的低温区域，同时将窑尾预热器内的高温烟气通入热交换器的高温区域，所述低温烟气经过与高温烟气不直接接触的热交换方式，使低温烟气温度升高到所控制的温度后在热交换器中排出；所控制的温度为80-250℃；

2)向热交换器排出的烟气中充入还原剂并充分混合；

3)将混合物通入SCR反应器进行脱硝，通过反应器中的催化剂促成混合物中氮氧化物与还原剂之间的反应。

8.如权利要求7所述的SCR脱硝方法，其特征在于，所述还原剂包括气化的含氨基化合物。

9.如权利要求7或8所述的SCR脱硝方法，其特征在于，所述还原剂通过气化或热解生成氨气，通过氨气喷射栅格进行喷射。