CN105509081A - 大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统及脱硝工艺 - Google Patents

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Abstract

大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统，属于烟气脱硝的技术领域，所述锅炉包括水平烟道和垂直烟道，本系统包括设置有还原剂喷入装置的SNCR系统，所述的还原剂喷入装置为设置在水平烟道横截面上的喷管，喷管的输入端与还原剂输送装置连接，另一端为封闭的，在喷管对冲烟气方向管壁上开设有喷孔。本发明还公开了利用本系统进行脱硝处理的脱硝工艺，通过本系统的脱硝处理，脱硝率高，氨逃逸少，充分达到净化烟气的效果，本产品可应用于目前火力发电、钢铁、化工、水泥等消耗煤炭的锅炉，能保证其NOx排放指标满足。

Description

大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统及脱硝工艺
技术领域
本发明属于烟气脱硝的技术领域，涉及到利用氨气进行脱硝的技术，具体涉及到大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统及脱硝工艺，通过本系统及本工艺的脱硝处理，脱硝率高，氨逃逸少，充分达到净化烟气的效果，本产品可应用于目前火力发电、钢铁、化工、水泥等消耗煤炭的锅炉，能保证其NOx排放指标满足，满足环保要求。
背景技术
目前脱硝工艺以氨气作为还原剂的技术主要分为选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)。选择性是指在烟气脱硝过程中烟气脱硝催化剂有选择性地将NOx还原为N2，而烟气中的SO2极少地被氧化成SO3。在不添加催化剂的条件下，NH3与NOx的化学反应温度为850-1100℃，在添加催化剂的条件下NH3与NOx的化学反应温度可降低至300-420℃。通常烟气中NO占95％，NO2占95％，习惯上通称NOx。现有脱硝工艺的技术简述如下：
1、选择性催化还原法是在合适的烟温区域加装催化剂，在催化剂入口喷入氨气，氨气与NOx在催化剂内反应，将NOx还原成N2，其工艺流程如图6所示。其主要反应方程式如下：
4NO+4NH3+O2＝3N2+6H2O
6NO+4NH3＝5N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2＝3N2+6H2O
6NO2+8NH3＝7N2+12H2O
2、选择性非催化还原法是在合适的烟温区域将尿素溶液或氨水通过喷枪雾化后喷入炉膛，在炉膛内将尿素溶液或氨水液滴蒸发热解后生成氨气，将NOx还原成N2，其工艺流程如图7所示。现有技术中的SNCR系统还原剂喷入设备是喷枪，将尿素溶液或氨水雾化后喷入炉内，往往受喷枪布置位置与数量限制，分配效果不理解，存在局部浓度过大或欠缺现象，影响脱硝效率难以提高，喷入设备为喷枪结构，必然存在流量在烟气流场中的分布不均现象。喷入位置是在炉膛出口，介质为液态，喷入位置还需考虑汽化吸热量，而炉内温度场分布极不均匀，反应时间也相对不稳定，由于喷枪布置位置与效果综合烟气温度场分布因素必然会导致还原剂分布不均，受喷枪雾化水平限制还可能会出现还原剂对烟气穿透性差，混合效果偏离设计工况等问题。
而超低排放标准执行后，SCR经常超出力运行，使氨逃逸升高，造成二次污染，同时对于发电机组还会造成脱硝生成的副产物(NH4)2SO4在预热器内堵塞。一旦发生预热器堵塞后会造成：
(1)引风机出力不足，被迫降机组出力；
(2)轴流风机偏离设计工作点发生失速，喘振；
(3)预热器阻力增加，经济性降低；
(4)排烟温度升高后还影响其它环保指标的达标排放。
目前各消耗煤炭的锅炉普遍采用低氮燃烧器与脱硝系统相结合的技术路线，尤其电力企业受环保排放指标约束，受脱硝效率限制，被迫采用低氮燃烧的方式。但其存在以下问题：
(1)炉膛结焦是缺氧燃烧方式必然结果；
(2)水冷壁高温腐蚀；
(3)飞灰可燃物、排烟温度升高，炉效降低；
(4)对煤种适应性变差，燃烧调整手段受限，NOx达不到设计参数；
(5)少数锅炉改造后出现受热面局部壁温超限被迫加大减温水量，同时还导致汽温参数降低的现象；
(6)燃烧惯性变大，机组难以适应变负荷速率要求。甚者影响了热工自动、机组滑压运行方式等。
可见，对大型锅炉高温烟气区域的脱硝技术的研究对烟气净化处理具有重大的影响。
发明内容
本发明为解决现有技术中脱硝率低，氨逃逸升高，造成二次污染，烟气净化效果差的问题，提供了一种大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统及工艺。
本发明为实现其目的采用的技术方案是：
大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统，所述锅炉包括水平烟道和垂直烟道，本系统包括设置有还原剂喷入装置的SNCR系统，所述的还原剂喷入装置为设置在水平烟道横截面上的喷管，喷管的输入端与还原剂输送装置连接，另一端为封闭的，在喷管对冲烟气方向管壁上开设有喷孔，同时设计使喷孔喷出的混合气体有效避开受热面管排。
所述的喷管设置在烟道850℃-1100℃烟温区域处。
所述喷管在水平烟道横截面上横向布置，所述喷管多于两个，且设置在水平烟道同一横截面上，喷管间的间距为400-2000mm。
横向布置的喷管为自烟道两侧壁插入烟道内的喷管组，每组包含两根相对设置的喷管，每组中两个喷管间留有间隙，间隙范围为喷管管径的1-20倍。
所述喷管在水平烟道横截面上纵向布置，所述喷管多于两个，且设置在水平烟道同一横截面上，喷管间的间距为400-2000mm。
喷孔的孔径为6-30mm，相邻孔径间的间距为400-2000mm。该孔径的设计是发明人经过长期创造性研究的结果，该孔径使得混合气体在炉内受热工况下沿喷管入口至端部之间每个喷孔处氨气质量流量相同，且喷孔处体积流速保持了必要的刚性，保证了在反应区喷氨平面内氨气与烟气的混合均匀，同时达到脱除NOx的最佳反应时间需求。
还原剂喷入装置喷入的还原剂为氨气与空气的混合气体，且氨气与空气的体积比为3％-10％。从安全性考虑，氨的爆炸浓度下限是15％、上限是28％，这个就是氨气在这个浓度中较易爆炸，因而，经长期的研究确认为3％-10％的比例。
在锅炉垂直烟道内设置有SCR催化反应器。
高温烟气区域喷管的材质为金属或耐高温陶瓷，金属材质为310S(0Cr25Ni20)、HR3C、2Cr20Mn9Ni2Si2N、1Cr20Ni14Si2、镍基高温合金等耐温1000℃以上材质；耐高温陶瓷的材质为碳化硅、氧化锆等。
所述的SNCR系统包括借助管道依次连接的还原剂储槽、还原剂输送装置和喷管，所述的还原剂输送装置包括输入端与还原剂储槽连接的氨气输送管道、与稀释风机连接的空气输送管道，所述氨气输送管道与空气输送管道的输出端均与混合器的输入端相连，混合器的输出端借助管道与喷管相连。所述的还原剂输送装置至少有1个，两个以上还原剂输送装置之间并联设置。所述的氨气输送管道上设置有速关气动阀、调整气动阀、手动阀、逆止阀、压力表和流量表。所述的空气输送管路上设置有手动阀、逆止阀、压力表和流量表。
本脱硝系统进行脱硝时的工艺为：
A、还原剂的制备：用液氨、氨水或尿素溶液制得氨气作为还原剂，或直接采用氨气；
B、一次脱硝：由还原剂储槽输出的氨气经过氨气输送管道被输送到混合器中，同时利用稀释风机将空气借助空气输送管道输送到混合器中，氨气和空气在混合器中混合后，借助管道输送到喷管，由喷孔喷出，对烟气进行一次脱硝处理；
C、二次脱硝：经过一次脱硝后的烟气随锅炉烟道进入到SCR催化反应器中，利用烟气中过量氨气或再次喷入氨气，在催化剂的作用下，进行还原反应实现二次脱硝，二次脱硝后的烟气从SCR催化反应器出口排出，经过除尘、脱硫后排放。
本发明有益效果是：
(1)锅炉燃烧调整方式不再被迫采用低氮方式运行，恢复保证了锅炉燃烧安全、经济运行的方式，避免了低氮燃烧方式带来的危害。
(2)本发明脱硝系统调整原则是以高温烟气区域喷氨气脱硝法为粗调，通过调整氨气调整门，控制氨气与空气的体积比，保证了一次脱硝的效果，同时结合锅炉内喷管的分布及喷孔的设计保证了SCR入口NOx低于催化剂设计能力，此时烟气中逃逸的氨可以在SCR内相对富裕催化剂条件下继续反应，进一步降低NOx，再辅以SCR喷氨调整，最终以净化烟气的效果。
(3)本发明系统对反应区温度场控制更为精确，本发明是在一个烟气温度场平面上喷入还原剂(如图8直线所示)，原喷枪技术也是在一个烟气温度场平面上喷入还原剂(如图8圈线所示)。对比两个平面可以比较出本发明(直线)所切割的温度场等温线少且平缓；而原有技术(圈线)所切割的温度场等温线多且陡。可以精确控制反应条件，喷入反应温度既不过，也不欠，不但最大程度保持了反应时间，还可避免氨气再次氧化成NOx条件。
(4)与烟气混合性更好，本方案是在烟道平面通长布置了若干喷管，设计的每个喷口的间距，是精密布置。而原有技术是从炉墙一侧喷入，只是在一个大致区域。从空间几何条件比原有技术有本质的突破。
(5)脱硝效率高，在相同的精确控制反应温度与混合条件的前提下，本发明较原有喷枪结构相比，从化学反应理论角度可以证明脱硝效率提高的支持性结论。
(6)控制氨逃逸，脱硝效率提高意味着氨气与NOx反应更加充分，即未参加反应的物质大幅降低，则氨逃逸问题能得到有效控制，同时进过两次脱硝，不仅大大提高了脱硝效率，同时提高了氨气的利用率，减少了氨气的逃逸，避免了二次污染。
附图说明
图1是实施例1中喷管的结构示意图。
图2是本发明系统的工艺流程图。
图3是本系统结构示意图。
图4是横向布置的喷管。
图5是纵向布置的喷管。
图6是背景技术中SCR工艺流程图。
图7是背景技术中SNCR工艺流程图
图8是炉内温度场分布示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：喷管纵向布置，喷管的总长度为12800mm，该喷管上开设有19个喷孔，喷孔的孔径为6-10mm，自喷管输入端的喷孔开始算，孔径依次变大，孔径依次变大，使得还原剂喷出的更均匀，与烟气的接触更均匀，不会造成偏压，对烟气的净化更彻底，同时可进一步防止氨逃逸。
A、氨气的制备：将液氨蒸发制得氨气，暂时储存在还原剂储槽内；
B、一次脱硝：由还原剂储槽输出的氨气经过氨气输送管道被输送到混合器中，同时利用稀释风机将空气借助空气输送管道输送到混合器中，氨气和空气在混合器中混合后，通过控制氨气输送管道和空气输送管道上的各个阀门及流量计，控制氨气和空气的流量，从而使得混合其中氨气与空气的体积比为3％-10％，然后借助管道将混合气体输送到喷管，由喷孔喷入到800-1100℃的烟温区域内，对烟气进行一次脱硝处理；
C、二次脱硝：经过一次脱硝后的烟气随锅炉烟道进入到SCR催化反应器中，利用烟气中过量氨气或再次喷入氨气，在催化剂的作用下，从一次脱硝中逃逸的氨与烟气进行还原反应实现二次脱硝，二次脱硝后的烟气从SCR催化反应器出口排出，经过除尘、脱硫后被排放。
经检测，一次脱硝的脱硝率为45％，二次脱硝效率为53％(SCR绝对效率为93％)。
实施例2：喷管横向布置，每根喷管的总长度为6300mm，该喷管上开设有10个喷孔，喷孔的孔径为20-30mm，自喷管输入端的喷孔开始算，孔径依次变大。
A、氨气的制备：将液氨蒸发制得氨气，暂时储存在还原剂储槽内；
B、一次脱硝：由还原剂储槽输出的氨气经过氨气输送管道被输送到混合器中，同时利用稀释风机将空气借助空气输送管道输送到混合器中，氨气和空气在混合器中混合后，通过控制氨气输送管道和空气输送管道上的各个阀门及流量计，控制氨气和空气的流量，从而使得混合其中氨气与空气的体积比为4％-10％，然后借助管道将混合气体输送到喷管，由喷孔喷入到800-1100℃的烟温区域内，对烟气进行一次脱硝处理；
C、二次脱硝：经过一次脱硝后的烟气随锅炉烟道进入到SCR催化反应器中，利用烟气中过量氨气或再次喷入氨气，在催化剂的作用下，进行还原反应实现二次脱硝，二次脱硝后的烟气从SCR催化反应器出口排出，经过除尘、脱硫后被排放。
经检测，一次脱硝的脱硝率为43％，二次脱硝效率为51％(SCR绝对效率为91％)。
实施例3：喷管纵向布置，每根喷管的总长度为13000mm，该喷管上开设有21个喷孔，喷孔的孔径为10-15mm，自喷管输入端的喷孔开始算，孔径依次变大。
A、氨气的制备：将液氨蒸发制得氨气，暂时储存在还原剂储槽内；
B、一次脱硝：由还原剂储槽输出的氨气经过氨气输送管道被输送到混合器中，同时利用稀释风机将空气借助空气输送管道输送到混合器中，氨气和空气在混合器中混合后，通过控制氨气输送管道和空气输送管道上的各个阀门及流量计，控制氨气和空气的流量，从而使得混合其中氨气与空气的体积比为5％-8％，然后借助管道将混合气体输送到喷管，由喷孔喷入到800-1100℃的烟温区域内，对烟气进行一次脱硝处理；
C、二次脱硝：经过一次脱硝后的烟气随锅炉烟道进入到SCR催化反应器中，利用烟气中过量氨气或再次喷入氨气，在催化剂的作用下，进行还原反应实现二次脱硝，二次脱硝后的烟气从SCR催化反应器出口排出，经过除尘、脱硫后被排放。
经检测，一次脱硝的脱硝率为44％，二次脱硝效率为52％(SCR绝对效率为94％)。
实施例4：喷管横向布置，每根喷管的总长度为7400mm，该喷管上开设有15个喷孔，喷孔的孔径为15-21mm，自喷管输入端的喷孔开始算，孔径依次变大。
A、氨气的制备：将液氨蒸发处理制得氨气，暂时储存在还原剂储槽内；
B、一次脱硝：由还原剂储槽输出的氨气经过氨气输送管道被输送到混合器中，同时利用稀释风机将空气借助空气输送管道输送到混合器中，氨气和空气在混合器中混合后，通过控制氨气输送管道和空气输送管道上的各个阀门及流量计，控制氨气和空气的流量，从而使得混合其中氨气与空气的体积比为4％-7％，然后借助管道将混合气体输送到喷管，由喷孔喷入到800-1100℃的烟温区域内，对烟气进行一次脱硝处理；
C、二次脱硝：经过一次脱硝后的烟气由锅炉烟道排出，借助管道进入到SCR催化反应器中，利用烟气中过量氨气或再次喷入氨气，在催化剂的作用下，进行还原反应实现二次脱硝，二次脱硝后的烟气从SCR催化反应器出口排出，经过除尘、脱硫后被排放。
经检测，一次脱硝的脱硝率为46％，二次脱硝效率为51％(SCR绝对效率为93％)。
实施例5：喷管纵向布置，每根喷管的总长度为13600mm，该喷管上开设有26个喷孔，喷孔的孔径为18-25mm，自喷管输入端的喷孔开始算，孔径依次变大。
A、氨气的制备：将液氨蒸发值得氨气，暂时储存在还原剂储槽内；
B、一次脱硝：由还原剂储槽输出的氨气经过氨气输送管道被输送到混合器中，同时利用稀释风机将空气借助空气输送管道输送到混合器中，氨气和空气在混合器中混合后，通过控制氨气输送管道和空气输送管道上的各个阀门及流量计，控制氨气和空气的流量，从而使得混合其中氨气与空气的体积比为3％-8％，然后借助管道将混合气体输送到喷管，由喷孔喷入到800-1100℃的烟温区域内，对烟气进行一次脱硝处理；
C、二次脱硝：经过一次脱硝后的烟气随锅炉烟道进入到SCR催化反应器中，利用烟气中过量氨气或再次喷入氨气，在催化剂的作用下，进行还原反应实现二次脱硝，二次脱硝后的烟气从SCR催化反应器出口排出，经过除尘、脱硫后被排放。
经检测，一次脱硝的脱硝率为45％，二次脱硝效率为53％(SCR绝对效率为91％)。
实施例6：喷管纵向布置，每根喷管的总长度为14200mm，该喷管上开设有27个喷孔，喷孔的孔径为14-28mm，自喷管输入端的喷孔开始算，孔径依次变大。
A、氨气的制备：将液氨蒸发制得氨气，暂时储存在还原剂储槽内；
B、一次脱硝：由还原剂储槽输出的氨气经过氨气输送管道被输送到混合器中，同时利用稀释风机将空气借助空气输送管道输送到混合器中，氨气和空气在混合器中混合后，通过控制氨气输送管道和空气输送管道上的各个阀门及流量计，控制氨气和空气的流量，从而使得混合其中氨气与空气的体积比为5％-9％，然后借助管道将混合气体输送到喷管，由喷孔喷入到800-1100℃的烟温区域内，对烟气进行一次脱硝处理；
C、二次脱硝：经过一次脱硝后的烟气随锅炉烟道进入到SCR催化反应器中，在催化剂的作用下，进行还原反应实现二次脱硝，二次脱硝后的烟气从SCR催化反应器出口排出，经过除尘、脱硫后排放。
经检测，一次脱硝的脱硝率为44％，二次脱硝效率为52％(SCR绝对效率为91％)。
实施例7：喷管横向布置，每根喷管的总长度为6700mm，该喷管上开设有12个喷孔，喷孔的孔径为12-17mm，自喷管输入端的喷孔开始算，孔径依次变大。
A、氨气的制备：将液氨蒸发制得氨气，暂时储存在还原剂储槽内；
B、一次脱硝：由还原剂储槽输出的氨气经过氨气输送管道被输送到混合器中，同时利用稀释风机将空气借助空气输送管道输送到混合器中，氨气和空气在混合器中混合后，通过控制氨气输送管道和空气输送管道上的各个阀门及流量计，控制氨气和空气的流量，从而使得混合其中氨气与空气的体积比为4％-6％，然后借助管道将混合气体输送到喷管，由喷孔喷入到800-1100℃的烟温区域内，对烟气进行一次脱硝处理；
C、二次脱硝：经过一次脱硝后的烟气随锅炉烟道进入到SCR催化反应器中，利用烟气中过量氨气或再次喷入氨气，在催化剂的作用下，进行还原反应实现二次脱硝，二次脱硝后的烟气从SCR催化反应器出口排出，经过除尘、脱硫后被排放。
经检测，一次脱硝的脱硝率为44％，二次脱硝效率为53％(SCR绝对效率为91％)。
实施例8：喷管纵向布置，每根喷管的总长度为13600mm，该喷管上开设有26个喷孔，喷孔的孔径为13-23mm，自喷管输入端的喷孔开始算，孔径依次变大。
A、氨气的制备：液氨蒸发处理后制成氨气，暂时储存在还原剂储槽内；
B、一次脱硝：由还原剂储槽输出的氨气经过氨气输送管道被输送到混合器中，同时利用稀释风机将空气借助空气输送管道输送到混合器中，氨气和空气在混合器中混合后，通过控制氨气输送管道和空气输送管道上的各个阀门及流量计，控制氨气和空气的流量，从而使得混合其中氨气与空气的体积比为5％-8％，然后借助管道将混合气体输送到喷管，由喷孔喷入到800-1100℃的烟温区域内，对烟气进行一次脱硝处理；
C、二次脱硝：经过一次脱硝后的烟气随锅炉烟道进入到SCR催化反应器中，利用烟气中过量氨气或再次喷入氨气，在催化剂的作用下，进行还原反应实现二次脱硝，二次脱硝后的烟气从SCR催化反应器出口排出，经过除尘、脱硫后被排放。
经检测，一次脱硝的脱硝率为45％，二次脱硝效率为53％(SCR绝对效率为91％)。

Claims (10)

1.大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统，所述锅炉包括水平烟道和垂直烟道，本系统包括设置有还原剂喷入装置的SNCR系统，其特征在于：所述的还原剂喷入装置为设置在水平烟道横截面上的喷管，喷管的输入端与还原剂输送装置连接，另一端为封闭的，在喷管对冲烟气方向管壁上开设有喷孔。
2.根据权利要求1所述的大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统，其特征在于：所述的喷管设置在水平烟道850℃-1100℃烟温处。
3.根据权利要求1所述的大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统，其特征在于：所述喷管在水平烟道横截面上横向布置，所述喷管多于两个，且在水平烟道同一横截面上，相邻喷管间的间距为400-2000mm。
4.根据权利要求3所述的大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统，其特征在于：横向布置的喷管为自烟道两侧壁插入烟道内的喷管组，每组包含两根相对设置的喷管，每组中两根喷管间留有间隙。
5.根据权利要求1所述的大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统，其特征在于：所述喷管在水平烟道横截面上纵向布置，所述喷管多于两个，且在水平烟道同一横截面上，相邻喷管间的间距为400-2000mm。
6.根据权利要求1所述的大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统，其特征在于：喷孔的孔径为6-30mm，相邻孔径间的间距为400-2000mm。
7.根据权利要求1所述的大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统，其特征在于：还原剂喷入装置喷入的还原剂为氨气与空气的混合气体，且氨气与空气的体积比为3％-10％。
8.根据权利要求1所述的大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统，其特征在于：在锅炉垂直烟道内设置有SCR催化反应器。
9.根据权利要求1所述的大型锅炉高温烟气区域喷氨气脱硝系统，其特征在于：所述的SNCR系统包括借助管道依次连接的还原剂储槽、还原剂输送装置和喷管，所述的还原剂输送装置包括输入端与还原剂储槽连接的氨气输送管道、与稀释风机连接的空气输送管道，所述氨气输送管道与空气输送管道的输出端均与混合器的输入端相连，混合器的输出端借助管道与喷管相连。
10.一种根据权利要求1所述的脱硝系统的脱硝工艺，其特征在于：
A、还原剂的制备：用液氨、氨水或尿素溶液制得氨气作为还原剂，或直接采用氨气；
B、一次脱硝：由还原剂储槽输出的氨气经过氨气输送管道被输送到混合器中，同时利用稀释风机将空气借助空气输送管道输送到混合器中，氨气和空气在混合器中混合后，借助管道输送到喷管，由喷孔喷出，对烟气进行一次脱硝处理；
C、二次脱硝：经过一次脱硝后的烟气随烟道进入到SCR催化反应器中，在催化剂的作用下，利用烟气中过量氨气或再次喷入氨气进行还原反应实现二次脱硝，二次脱硝后的烟气从SCR催化反应器出口排出，经过除尘、脱硫后排放。
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