CN105289301A - 一种双旋式scr脱硝方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双旋式SCR脱硝方法及其装置。沿脱硝塔本体的内设置了第一和第二旋流催化反应腔；烟气通入管道设在塔体上侧壁；沿烟气通入管道的内圆周面以及第一旋流催化反应腔顶部的内圆周面分别布置有多个旋流雾化喷嘴；当烟气进入烟气通入管道时，与旋流雾化喷嘴喷射的氨气相互卷吸混合，沿第一旋流催化反应腔的圆周自上而下以切圆的方式螺旋下沉，并在旋流器的作用下，又沿第二旋流催化反应腔的圆周自下而上以切圆的方式螺旋上升；本装置在保证高效脱硝的前提下，催化剂用量少，技术手段简便易行，与现有技术相比不仅脱硝塔结构简单、造价低廉，且脱硝效率高，能耗低，降低了氨的逃逸率，使脱硝成本大幅降低，显著提高了经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及烟气脱硝，尤其涉及一种双旋式SCR脱硝方法及其装置。
背景技术
NOx是大气污染中影响较大污染物，能形成光化学烟雾、酸雨，破坏臭氧层，甚至导致严重的温室效应，对人体、环境和生态系统有极大危害。因此，对NOx进行治理，完善脱硝技术对保护生态环境以及我国的可持续发展具有重要意义。
目前，传统的脱硝主要采用选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)。其中，被广泛采用的SCR技术是一种从尾气上治理NOx排放的有效方法，其还原剂有尿素、氨水和纯氨，通常是利用NH3作为还原剂在催化剂的作用下将NOx还原为无害的N2，从而脱除烟气中的NOx。催化剂的合理选取和使用是SCR技术的核心。催化剂的结构主要有蜂窝式、平板式和波纹板式三种。其中，平板式或波纹板式催化剂比蜂窝式催化剂具有更好的防积尘和堵塞能力，但气固接触比表面积小，催化效果差。
研究表明，国内外的脱硝设备，由于受气固接触面积的影响，塔体内烟气的流场分布不均，烟气与还原剂、催化剂接触的时间有限，其催化还原反应效率低，并且广泛存在NH3的逃逸、催化剂堵塞、催化剂失效等问题。不仅影响脱硝效率的提高，而且造成脱硝成本增高，出现二次污染等问题。研发高效的SCR方法及装置十分紧迫与必要。
通过对现有SCR系统研究可知，影响脱硝效率的因素包括反应温度、停留时间、还原剂与烟气的混合均匀度、还原剂与NOx的化学当量比、催化剂性能等。根据SCR催化剂的反应动力学原理，在反应温度与催化剂性能一定的情况下，氨和NOx的混合程度对SCR工艺的脱硝效率具有极大的影响。在传统的脱硝设备中，为了增加氨和NOx的混合时间，采用了增大装置的横截面积，减少烟气流速，增加塔体高度或长度的方法。增大装置的横截面积不仅导致塔内流场呈现出层流态，减少了混合器的紊流度，降低了脱硝效率，而且增加了烟气中颗粒物的沉积，使催化剂表面大量积灰，影响催化剂的活性，增大了氨的逃逸；增加塔体高度或长度又大大增加催化剂用量，增加建设成本与运行成本。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种双旋式SCR脱硝方法及其装置。既可实现烟气高效脱硝，又解决了现有技术中常出现的易积灰、催化剂失效和氨逃逸的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种双旋式SCR脱硝装置，包括脱硝塔本体和沿脱硝塔本体的内圆周面设置的第一板式催化剂层8，在第一板式催化剂层8内设有第二板式催化剂层8-1；第一板式催化剂层8与第二板式催化剂层8-1之间的空腔为第一旋流催化反应腔8-2，第二板式催化剂层8-1内的空腔为第二旋流催化反应腔8-3；第二旋流催化反应腔8-3底端设有旋流器9；
所述第一旋流催化反应腔8-2的顶部密封，并在脱硝塔本体的上侧壁沿脱硝塔本体内圆周切向方向设置烟气通入管道11；沿烟气通入管道11的内圆周面以及第一旋流催化反应腔8-2顶部的内圆周面分别布置有多个旋流雾化喷嘴7；
当烟气进入烟气通入管道11时，与旋流雾化喷嘴7喷射的氨气相遇，由于氨气是以旋流的方式喷出，使烟气与氨气相互卷吸混合，形成混合气，混合气沿着第一旋流催化反应腔8-2的圆周自上而下以切圆的方式螺旋下沉，当下沉至第一旋流催化反应腔8-2底部后，在旋流器9的旋流作用下，混合气沿着第二旋流催化反应腔8-3的圆周自下而上以切圆的方式螺旋上升；
各旋流雾化喷嘴7通过管路连接设置在脱硫塔外的氨供给系统。
所述烟气通入管道11、第一旋流催化反应腔8-2和第二旋流催化反应腔8-3的截面为圆形。
所述氨供给系统包括依次管路连接的液氨储罐6、用于对液氨进行蒸发的液氨蒸发器5、用于对氨气进行缓冲的氨气缓冲槽4、用于对氨和空气进行混合的氨/空气混合器3和用于对氨气进行稀释的稀释风机2；
所述氨/空气混合器3通过一带有电磁阀12的管路连接旋流雾化喷嘴7；所述脱硝塔本体的外部还设有一个氨逃逸反馈控制系统1，所述脱硝塔本体顶部的烟气出口设置有用于检测氨浓度的探头13；氨逃逸反馈控制系统1根据探头13检测到的氨的浓度数据，控制氨供给系统以及电磁阀12的开度，用于实时控制旋流雾化喷嘴7对氨的喷入量，使喷入烟气通道内的氨量与NOx浓度相匹配。
所述脱硝塔本体的底部设置有密闭式积灰箱10，用于由收纳第一板式催化剂层8和第二板式催化剂层8-1跌落下来的积灰。所述密闭式积灰箱10的底部设有排灰阀。
一种双旋式SCR脱硝方法，如下：
一级旋流催化还原反应步骤：
当烟气进入烟气通入管道11时，与旋流雾化喷嘴7喷射的氨气相遇，由于氨气以旋流的方式喷出，使烟气与氨气相互卷吸混合，形成混合气，混合气沿着第一旋流催化反应腔8-2的圆周自上而下以切圆的方式螺旋下沉，螺旋下沉过程中，反复切向冲刷第一板式催化剂层8的内壁和第二板式催化剂层8-1的外壁，并与之发生一级旋流催化还原反应；
二级旋流催化还原反应步骤：
当混合气螺旋下沉至第一旋流催化反应腔8-2底部后，在旋流器9的旋流作用下，混合气沿着第二旋流催化反应腔8-3的圆周自下而上以切圆的方式螺旋上升，螺旋上升的过程中反复切向冲刷第二板式催化剂层8-1的内壁，并与之发生二级旋流催化还原反应；最后由脱硝塔本体顶部出口排出，实现了烟气脱硝。
氨逃逸反馈控制步骤：当探头13检测到烟气中氨的浓度大于预设值时，氨逃逸反馈控制系统1根据该探头13反馈的氨浓度数据，控制氨供给系统以及电磁阀12的开度，用于实时控制旋流雾化喷嘴7对氨的喷入量，使喷氨量与NOx浓度与预设值相匹配。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、烟气与NH3混合效果好、流场均匀、脱硝效率高。烟气进入烟气通入管道时，与旋流雾化喷嘴喷射的氨气相遇，由于氨气以旋流的方式喷出，使烟气与氨气相互卷吸混合，形成混合气，混合气沿着第一旋流催化反应腔的圆周自上而下以切圆的方式螺旋下沉，当下沉至第一旋流催化反应腔底部后，在旋流器的旋流作用下，混合气沿着第二旋流催化反应腔的圆周自下而上以切圆的方式螺旋上升。这种旋流雾化态，与其传统的流态相比，一方面可以增加混合气在圆周方向的速率，在保证烟气与氨气的充分混合前提下，使其在各旋流催化反应腔有足够的行程，使烟气更加充分完成催化还原反应，达到完美脱硝目的。另一方面，混合气螺旋流动而非直线流动，充分加长了其在各旋流催化反应腔内的行程和停留时间，使流场更加均匀，充满度好，使烟气的催化还原反应更充分，接触时间更长，增大了反应物接触比表面积，有效地利用了脱硝塔的空间，使烟气的脱硝效率更进一步得到了提高。
2、拓宽了氨气与烟气混合的时间与空间。在脱硝塔本体的上部侧壁沿脱硝塔本体内圆周切向方向增设了烟气通入管道，在其内圆周面设置的旋流雾化喷嘴，起到预喷氨作用，以对烟气进行预处理，充分利用喷氨空间与时间，进一步确保氨与烟气的混合均匀。
3、避免了催化剂积灰，提高了催化剂使用效率。混合气(烟气与氨)在各旋流催化反应腔内高速旋流作用下，离心分离出的灰尘沿由板式催化剂层，滚落至密闭式积灰箱中。有效解决了烟气流速、积灰、接触比表面积之间的矛盾，既减少了积灰与堵塞，缓解了催化剂失效，又使催化剂使用效率达到较高水平。
4、降低了氨的逃逸率。一方面由于氨气以旋流的方式喷出，使烟气与氨气相互卷吸混合，并沿着由各旋流催化反应腔内圆周方向以切圆的方式螺旋流动，减少脱硝塔出口烟气中NH3的体积分数，有效地实现了烟气的高效脱硝，降低了NH3的逃逸率。另一方面，为进一步优化NH3的逃逸率，增加了氨逃逸反馈控制系统，并在脱硝塔本体顶部的烟气出口设置了用于检测氨浓度的探头；氨反馈控制系统根据探头检测到的氨的浓度数据，控制氨供给系统以及电磁阀的开度，用于实时控制旋流雾化喷嘴对氨的喷入量，使喷入烟气通道内的氨量与NOx浓度相匹配。解决了传统SCR装置中喷氨实时跟踪动态控制问题，既保证脱硝效率，进一步降低了氨的逃逸率降低了氨的逃逸，避免二次污染，降低了氨的逃逸，避免二次污染。
5、本发明在保证高效脱硝的前提下，催化剂用量少，技术手段简便易行。与现有技术相比不仅脱硝塔结构简单、造价低廉，而且脱硝效率高，能耗低，使脱硝成本大幅降低，显著提高了经济效益。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为图1中在脱硝塔本体的上部侧壁，沿脱硝塔本体内圆周切向方向设置的烟气通入管道结构俯视示意图。
图3为脱硝塔本体顶部旋流雾化喷嘴分布示意图。
图4为旋流器结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1至4所示。本发明公开了一种双旋式SCR脱硝装置，包括脱硝塔本体和沿脱硝塔本体的内圆周面设置的第一板式催化剂层8，在第一板式催化剂层8内设有第二板式催化剂层8-1；第一板式催化剂层8与第二板式催化剂层8-1之间的空腔为第一旋流催化反应腔8-2，第二板式催化剂层8-1内的空腔为第二旋流催化反应腔8-3；第二旋流催化反应腔8-3底端设有旋流器9；第一旋流催化反应腔8-2和第二旋流催化反应腔8-3的截面为圆形。
所述第一旋流催化反应腔8-2的顶部密封，并在脱硝塔本体的上侧壁沿脱硝塔本体内圆周切向方向设置烟气通入管道11；沿烟气通入管道11的内圆周面以及第一旋流催化反应腔8-2顶部的内圆周面分别布置有多个旋流雾化喷嘴7。
当烟气进入烟气通入管道11时，与旋流雾化喷嘴7喷射的氨气相遇，由于氨气以旋流的方式喷出，使烟气与氨气相互卷吸混合，形成混合气，混合气沿着第一旋流催化反应腔8-2的圆周自上而下以切圆的方式螺旋下沉，当下沉至第一旋流催化反应腔8-2底部后，在旋流器9的旋流作用下，混合气沿着第二旋流催化反应腔8-3的圆周自下而上以切圆的方式螺旋上升。强化了烟气与催化剂混合，使整个流场充分达到紊流态，解决了传统SCR脱硝内流场呈现的层流态，烟气与氨气混合不良，流场不均的问题。从第一旋流催化反应腔8-2反应后出来的混合气在旋流气的作用下，旋流上升进入第二旋流催化反应腔8-3，反复旋流冲刷各式催化剂层，实现二次高效脱硝反应，增大了混合气与催化剂接触的比表面积，进一步增加了氨和烟气中NOx与催化剂的接触时间。
各旋流雾化喷嘴7通过管路连接设置在脱硫塔外的氨供给系统。
所述烟气通入管道11、第一旋流催化反应腔8-2和第二旋流催化反应腔8-3的截面为圆形。
所述氨供给系统包括依次管路连接的液氨储罐6、用于对液氨进行蒸发的液氨蒸发器5、用于对氨气进行缓冲的氨气缓冲槽4、用于对氨和空气进行混合的氨/空气混合器3和用于对氨气进行稀释的稀释风机2；
所述氨/空气混合器3通过一带有电磁阀12的管路连接旋流雾化喷嘴7；所述脱硝塔本体的外部还设有一个氨逃逸反馈控制系统1，所述脱硝塔本体顶部的烟气出口设置有用于检测氨浓度的探头13；氨逃逸反馈控制系统1根据探头13检测到的氨的浓度数据，控制氨供给系统以及电磁阀12的开度，用于实时控制旋流雾化喷嘴7对氨的喷入量，使喷入烟气通道内的氨量与NOx浓度相匹配。
本发明在保证烟气轴向流速不变或减少的情况下，增大了圆周速度，促进了混合气在催化剂表面反复高速旋流作用，减少了催化剂表面的积灰，使催化剂使用效率达到较高水平。通过设置两级旋流催化还原反的串联布置，有效地实现了烟气的多次脱硝，并设置氨逃逸反馈控制系统，实时控制氨的喷入量，可使喷入氨量与NOx浓度相匹配。有效的解决了流场不均，烟气中颗粒物的沉积，催化剂表面大量积灰出现的催化剂失效问题，保证了催化剂的活性，提高了脱硝效率，减少了氨的逃逸，避免二次污染的问题，降低了运行成本。
板式催化剂层适合含灰浓度高，不易堵塞，但其比表面积小。为了解决这个矛盾，既可提高脱硝效率，又可防止积灰堵塞，本发明采用先混合气旋流下沉在旋流上升，反复旋流冲刷该两个旋流催化反应腔的板式催化剂层，利用烟气旋流雾化所产生的离心力和惯性力使得部分灰尘分离出来，灰尘沿塔壁滚落到设置在脱硝塔底部的密闭式积灰箱10中，即可达到自吹灰的目的，这样既使催化剂发挥其最大的作用又避免了积灰堵塞。
采用本发明双旋式SCR脱硝装置实现烟气脱硝，可通过如下步骤实现：
一级旋流催化还原反应步骤：
当烟气进入烟气通入管道11时，与旋流雾化喷嘴7喷射的氨气相遇，由于氨气以旋流的方式喷出，使烟气与氨气相互卷吸混合，形成混合气，混合气沿着第一旋流催化反应腔8-2的圆周自上而下以切圆的方式螺旋下沉，螺旋下沉过程中，反复切向冲刷第一板式催化剂层8的内壁和第二板式催化剂层8-1的外壁，并与之发生一级旋流催化还原反应；
二级旋流催化还原反应步骤：
当混合气螺旋下沉至第一旋流催化反应腔8-2底部后，在旋流器9的旋流作用下，混合气沿着第二旋流催化反应腔8-3的圆周自下而上以切圆的方式螺旋上升，螺旋上升的过程中反复切向冲刷第二板式催化剂层8-1的内壁，并与之发生二级旋流催化还原反应；最后由脱硝塔本体顶部出口排出，实现了烟气脱硝。
氨逃逸反馈控制步骤：当探头13检测到烟气中氨的浓度大于预设值时，氨逃逸反馈控制系统1根据该探头13反馈的氨浓度数据，控制氨供给系统以及电磁阀12的开度，用于实时控制旋流雾化喷嘴7对氨的喷入量，使喷氨量与NOx浓度与预设值相匹配。
旋流雾化喷嘴7，将气体或者液体以旋转射流的方式喷出。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双旋式SCR脱硝装置，其特征在于：包括脱硝塔本体和沿脱硝塔本体的内圆周面设置的第一板式催化剂层(8)，在第一板式催化剂层(8)内设有第二板式催化剂层(8-1)；第一板式催化剂层(8)与第二板式催化剂层(8-1)之间的空腔为第一旋流催化反应腔(8-2)，第二板式催化剂层(8-1)内的空腔为第二旋流催化反应腔(8-3)；第二旋流催化反应腔(8-3)底端设有旋流器(9)；
所述第一旋流催化反应腔(8-2)的顶部密封，并在脱硝塔本体的上侧壁沿脱硝塔本体内圆周切向方向设置烟气通入管道(11)；沿烟气通入管道(11)的内圆周面以及第一旋流催化反应腔(8-2)顶部的内圆周面分别布置有多个旋流雾化喷嘴(7)；
当烟气进入烟气通入管道(11)时，与旋流雾化喷嘴(7)喷射的氨气相遇，由于氨气是以旋流的方式喷出，使烟气与氨气相互卷吸混合，形成混合气，混合气沿着第一旋流催化反应腔(8-2)的圆周自上而下以切圆的方式螺旋下沉，当下沉至第一旋流催化反应腔(8-2)底部后，在旋流器(9)的旋流作用下，混合气沿着第二旋流催化反应腔(8-3)的圆周自下而上以切圆的方式螺旋上升；
各旋流雾化喷嘴(7)通过管路连接设置在脱硫塔外的氨供给系统。
2.根据权利要求1所述的双旋式SCR脱硝装置，其特征在于：所述烟气通入管道(11)、第一旋流催化反应腔(8-2)和第二旋流催化反应腔(8-3)的截面为圆形。
3.根据权利要求1或2所述的双旋式SCR脱硝装置，其特征在于：所述氨供给系统包括依次管路连接的液氨储罐(6)、用于对液氨进行蒸发的液氨蒸发器(5)、用于对氨气进行缓冲的氨气缓冲槽(4)、用于对氨和空气进行混合的氨/空气混合器(3)和用于对氨气进行稀释的稀释风机(2)；
所述氨/空气混合器(3)通过一带有电磁阀(12)的管路连接旋流雾化喷嘴(7)；所述脱硝塔本体的外部还设有一个氨逃逸反馈控制系统(1)，所述脱硝塔本体顶部的烟气出口设置有用于检测氨浓度的探头(13)；氨逃逸反馈控制系统(1)根据探头(13)检测到的氨的浓度数据，控制氨供给系统以及电磁阀(12)的开度，用于实时控制旋流雾化喷嘴(7)对氨的喷入量，使喷入烟气通道内的氨量与NOx浓度相匹配。
4.根据权利要求3所述的双旋式SCR脱硝装置，其特征在于：所述脱硝塔本体的底部设置有密闭式积灰箱(10)，用于由收纳第一板式催化剂层(8)和第二板式催化剂层(8-1)跌落下来的积灰。
5.根据权利要求4所述的双旋式SCR脱硝装置，其特征在于：所述密闭式积灰箱(10)的底部设有排灰阀。
6.一种双旋式SCR脱硝方法，其特征在于采用权利要求1至5中任一项所述双旋式SCR脱硝装置实现，具体步骤如下：
一级旋流催化还原反应步骤：
当烟气进入烟气通入管道(11)时，与旋流雾化喷嘴(7)喷射的氨气相遇，由于氨气是以旋流的方式喷出，使烟气与氨气相互卷吸混合，形成混合气，混合气沿着第一旋流催化反应腔(8-2)的圆周自上而下以切圆的方式螺旋下沉，螺旋下沉过程中，反复切向冲刷第一板式催化剂层(8)的内壁和第二板式催化剂层(8-1)的外壁，并与之发生一级旋流催化还原反应；
二级旋流催化还原反应步骤：
当混合气螺旋下沉至第一旋流催化反应腔(8-2)底部后，在旋流器(9)的旋流作用下，混合气沿着第二旋流催化反应腔(8-3)的圆周自下而上以切圆的方式螺旋上升，螺旋上升的过程中反复切向冲刷第二板式催化剂层(8-1)的内壁，并与之发生二级旋流催化还原反应；最后由脱硝塔本体顶部出口排出，实现了烟气脱硝。
7.根据权利要求6所述的双旋式SCR脱硝方法，其特征在于：还包括一个氨逃逸反馈控制步骤：
当探头(13)检测到烟气中氨的浓度大于预设值时，氨逃逸反馈控制系统(1)根据该探头(13)反馈的氨浓度数据，控制氨供给系统以及电磁阀(12)的开度，用于实时控制旋流雾化喷嘴(7)对氨的喷入量，使喷氨量与NOx浓度与预设值相匹配。
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