CN105091008A - 一种可控温的火电厂scr脱硝反应催化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控制温度的SCR脱硝反应催化装置，包括设置在锅炉尾部、省煤器与空预器之间烟道内的喷氨装置，卧式热管管束，热管冷凝段上的SCR反应催化剂，以及热管蒸发段的换热装置。热管冷凝段置于烟道内，蒸发段置于烟道外的换热装置内，SCR反应催化剂以肋片的结构覆盖于热管冷凝段。本发明通过调节外部热源（高温烟气或过热蒸汽）的流量，来减少SCR脱硝催化装置的换热量，从而使不能达到SCR工作温度区间的烟气及催化剂满足SCR投运要求，有效提高电厂SCR脱硝系统连续运行时间，在机组低负荷运行工况下，保证SCR反应温度处于催化剂的活性范围内，从而帮助电厂在长时间内达到环保标准。

Description

一种可控温的火电厂SCR脱硝反应催化装置

技术领域

本发明属于燃煤电站锅炉及脱硝技术领域，涉及一种适用于低负荷工况运行的SCR催化剂结构。

背景技术

我国是世界上少数以煤为主要能源的国家之一，因此决定了电力行业的结构以燃煤电厂为主。而燃煤烟气中含有大量的氮氧化物，直接排放会对大气造成严重污染。

随着环境要求的日益严格，目前燃煤电站锅炉均需配设脱硝装置，而最常用的SCR（选择性催化还原）反应器中，催化剂正常的活性反应温度一般为320-400℃，最佳反应温度区间为340-380℃。而在机组低负荷下，SCR反应器入口烟温可能会低于这个温度区间，这使得SCR催化剂活性无法始终维持在最佳状态，反应器运行效率低下，SCR系统运行过程中，由于催化效率降低或者单纯以增大氨氮比提高脱硝效率，均会导致氨逃逸率增加。从SCR反应器逃逸的NH₃与烟气中的SO₃和H₂O在合适的温度下，反应生成NH₄HSO₄和(NH₃)₂SO₄（少量）。NH₄HSO₄的液化温度和固化温度分布为350℃、147℃，液/固态的NH₄HSO₄具有较强的粘结性，NH₄HSO₄会附着在空预器表面并吸附飞灰颗粒，长时间堆积从而引起堵灰。NH₄HSO₄生成量随着氨逃逸率的增加而增加。在保持脱硝效率等其他条件一定时，最有效的降低氨逃逸率的方法就是提高SCR反应效率。

超（超）临界燃煤发电机组在满负荷（BMCR）工况下，省煤器出口（即SCR入口）烟气温度一般在350-380℃。而当50%BMCR工况以下负荷时，省煤器出口（即SCR入口）烟气温度一般便处于310℃以下，不能满足最低喷氨要求。

目前国内解决此类问题的方法主要有以下几种：

1、设置省煤器给水旁路。在低负荷运行时，调节给水旁路调节阀门，使部分省煤器给水通过旁路直接到达省煤器出口集箱，通过减少热量传递，提升省煤器出口烟温（SCR入口烟温）。该方案的缺点在于：水侧传热系数远大于烟气侧，需旁路大量省煤器入口给水才有明显效果。

2、省煤器加装循环泵。低负荷时利用水泵抽取省煤器出口工质或汽包下降管高温工质送入省煤器入口，提高省煤器内工质的平均温度，减少省煤器内的传热温差，从而提高省煤器出口烟温（SCR入口烟温）。该方案的缺点在于：一方面由于压力等因素影响，该方案仅适用于亚临界和超高压锅炉，并对泵的可靠性要求很高。

3、设置省煤器烟气旁路。机组低负荷运行时，通过调节旁路烟气挡板，从而引出省煤器入口部分烟气与出口烟气混合，提升省煤器出口烟温（SCR入口烟温）。该方案为现今最常用方案，其提升烟气温度效果好，但控制难度较大，且旁路调节挡板在高温下极易变形，产生内漏，，影响机组安全运行。

4、设置分级省煤器。重新布置省煤器管组，在SCR出口烟道内增设一定量的省煤器受热面，通过减少SCR反应器前省煤器的吸热量，提升省煤器出口烟温（SCR入口烟温）。烟气通过SCR脱硝后，进一步通过SCR反应器后的省煤器来吸收烟气中的热量，以保证空预器进出口烟温基本保持不变。该方案虽解决了低负荷时经济性下降的问题，但同样在高负荷时，省煤器出口烟温也得以提升，有高于脱硝最佳温度区间的危险，并无法进行控制。

发明内容

技术问题：本发明提供一种可，在机组低负荷运行过程中，促进SCR反应进行的同时能起到对烟气加热作用的可控温的火电厂SCR脱硝反应装置。

技术方案：本发明的可控温的火电厂SCR脱硝反应装置，包括在锅炉尾部省煤器出口与空气预热器入口之间的竖直烟道内依次设置的喷氨装置和热管管束、设置在竖直烟道外的换热器，所述热管管束中的热管包括设置于竖直烟道内的冷凝段和设置于换热器中的蒸发段，所述热管中放置有用以热传递的介质，所述换热器与外部热源连接，所述热管冷凝段表面固定有肋片状催化剂。

进一步的，本发明装置中，热管与水平面角度成5-15°倾斜设置，冷凝段高于蒸发段。

进一步的，本发明装置中，热管管束中的热管沿烟道内烟气流动方向方向错开设置。

进一步的，本发明装置中，介质为萘。

本发明装置中，包括喷氨装置，热管管束，SCR反应催化剂以及热管蒸发段的换热装置。如图1所示，改造部位置于省煤器与空气预热器之间的烟道里。

喷氨装置位于锅炉尾部省煤器出口与空预器入口的竖直烟道内。

喷氨装置之后布置密集的热管管束，其冷凝段位于锅炉尾部烟道内，蒸发段位于烟道外。热管为冷凝段在上、蒸发段在下的水平布置，且与水平面角度为5-15°。

热管蒸发段处于外部换热装置内。热源可为省煤器以前的高温烟气，或过热蒸汽，其来源不受限制。

SCR反应催化剂以肋片形式覆盖于热管冷凝段上。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

在机组低负荷运行过程中，本发明可通过热管，将热量从热源（可为高温烟气或过热蒸汽）传递给SCR催化剂及烟气，由于热管内介质是通过相变传热，温度可始终维持在稳定的工作温度，因此，该装置能有效地将SCR的反应温度控制在反应温度区间内。

现有的改造措施，为保证机组低负荷运行工况下，SCR入口烟温达到反应温度区间，多对省煤器结构进行改造，如增加省煤器给水或烟气旁路，或采用省煤器分级布置，但其改造工程量较大，并受到锅炉尾部烟道空间的限制，而本发明仅在原有的脱硝装置上进行改造，改造难度较小，且不影响锅炉其他组件的构造。

本发明利用热管技术，通过热管将热量从热源（可为高温烟气或过热蒸汽）传递给SCR催化剂及烟气。由于热管是通过馆内介质的相变传热，因此传热效率高。另外，热管倾斜布置，则冷凝段内的液体介质可通过重力回流到蒸发段，从而使热管内的循环得以延续，因此不需安装任何泵或添加任何外部动力，节省能源。

附图说明

图1为锅炉整体结构图。

图2为改造的SCR反应装置结构图。

图3为催化反应装置结构布置示意图。

图中有：燃料1、锅炉炉膛2、水冷壁3、热空气4、高温烟气5、换热器6、出口烟气7、省煤器8、冷凝段9、蒸发段10、换热器11、空气预热器12、喷氨装置13、混合烟气14、催化剂15、介质16。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

图1为一个燃煤电站的锅炉结构。1为输入的燃料，这里是煤，其在炉膛2中与热空气4混合燃烧，产生高温烟气。流经水冷壁3的高温烟气5随后流经加热器6（其由高温过热器，高温再热器，低温过热器，低温再热器等构成），出口烟气7流过省煤器8，加热锅炉入口给水。省煤器8的出口烟气7在覆盖有催化剂的热管冷凝段9与催化剂反应，脱除烟气中的NOx，烟气最终流经空预器12。

改造区域为省煤器8与空气预热器12之间烟道内的SCR脱硝装置，省煤器8为锅炉正常布置的尾部低温受热面，对其结构不作任何变动。而空预器12同样为锅炉正常布置的尾部低温受热面，其结构也不作任何变动。

改造部位如图2所示，喷氨装置13喷射氨气与省煤器8的出口烟气7混合，混合烟气14流经热管的冷凝段9，催化剂16以肋片结构覆盖于冷凝段9的外表面。低负荷运行过程中，混合烟气14在热管表面被加热到催化剂的反应温度区间，并在催化剂的作用下反应，脱除烟气中的NOx。

如图2，热管的冷凝段9置于锅炉尾部烟道内，而热管的蒸发段10置于尾部烟道外，通过换热器11对热管内的介质进行加热，换热器11中加热后的介质流向将热量传递给冷凝段9冷凝放热，从而把热量传递给冷凝段9外的烟气。换热器11可以通过从省煤器8前级引出的高温烟气来进行加热，也可以通过引入过热蒸汽进行加热，其来源不受限制。

如图3所示，催化剂15以肋片的形式覆盖于热管冷凝段9的外表面，以加强对烟气的传热。

热管采用中温热管，管内介质16选用萘，工作温度选取330℃至350℃之间。热管需与水平面成5-15°夹角，以便冷凝工质可以迅速返回蒸发段10。

热管沿烟气流动方向采用错列布置，以加大烟气与催化剂的接触面积。

热管材料采用碳钢或不锈钢。热管直径及长度需根据烟道大小确定。

电站中省煤器8后的SCR脱硝系统的投运条件是根据SCR催化剂的活性温度区间决定的，一般设计温度在320℃-400℃。在机组中低负荷工况下运行时，省煤器8的出口烟气7常常低于320℃，由于省煤器8出口与脱硝装置之间不设有任何换热器，且喷氨装置13喷射的氨气量与烟气量相比，远远小于烟气量，因此认为SCR入口烟温与省煤器出口烟温近似相等。

本发明的一种可控温的火电厂SCR脱硝反应催化装置工作流程如下：

SCR系统投运温度区间为320-400℃，锅炉中低负荷工况下运行时，当省煤器出口烟温低于320℃时，烟道外部换热器11开始工作。向换热器11中输入热量（可以将省煤器前级的高温烟气引入换热器11中，也可引入过热蒸汽，热量来源不受限制），通过控制引入气体的流量来控制输入的热量。热管内的介质16在蒸发段10处为饱和液体状态，其吸收换热器11内输入的热量，并开始汽化。汽化后的介质16为饱和气体，由于密度变小，沿着热管向上流动。当到达冷凝段9时，由于管外烟气温度较低，则介质16通过管壁向外散热，加热管子外壁上的催化剂15，并通过催化剂15的肋片结构加热烟道内的烟气。介质16在冷凝段9内释放潜热后液化，由重力作用向低处，即蒸发段10流动，再在蒸发段10重新吸收热量。装置因此得以循环工作，无需外力驱动。而烟气及催化剂被加热到相应的温度，满足SCR的投运要求，有效提高了SCR的投运率和催化剂的有效使用时间。

以上即为本发明的具体实施方式，可有效控制锅炉低负荷运行时脱硝反应在理论的温度区间内进行，从而减少烟气中NOx的含量，使其达到排放标准。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种可控温的火电厂SCR脱硝反应催化装置，其特征在于，该装置包括在锅炉尾部省煤器（8）出口与空气预热器（12）入口之间的竖直烟道内依次设置的喷氨装置（13）和热管管束、设置在竖直烟道外的换热器（11），所述热管管束中的热管包括设置于竖直烟道内的冷凝段（9）和设置于换热器（11）中的蒸发段（10），所述热管中放置有用以热传递的介质（16），所述换热器（11）与外部热源连接，所述热管冷凝段（9）表面固定有肋片状催化剂。

2.根据权利要求1所述的可控温的火电厂SCR脱硝反应催化装置，其特征在于，所述的热管与水平面角度成5-15°倾斜设置，冷凝段（9）高于蒸发段（10）。

3.根据权利要求1或2所述的可控温的火电厂SCR脱硝反应催化装置，其特征在于，所述热管管束中的热管沿烟道内烟气流动方向方向错开设置。

4.根据权利要求1或2所述的可控温的火电厂SCR脱硝反应装置，其特征在于，所述介质（16）为萘。