CN105674323B - 一种空气预热器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空气预热器。该空气预热器至少包括：转子以及中心驱动装置，所述转子为一筒体，该转子至少包括转子外壳、位于转子外壳中的若干个换热元件盒以及位于换热元件盒中的若干个换热元件，所述中心驱动装置贯穿所述转子的中心以驱动转子转动，所述换热元件中的至少一部分为表面具有SCR催化剂层的换热板和/或SCR催化剂形成的换热板。利用该空气预热器中的SCR催化剂能够消除SCR脱硝装置中逃逸的NH3，防止NH4HSO4和(NH4)2SO4的生成，从而避免空气预热器堵塞。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气预热器，具体涉及一种集成了SCR催化剂的空气预热器，属于换热器技术领域。
背景技术
SCR(selective catalytic reduction)脱硝为选择性催化还原法脱硝，即在锅炉尾部烟道喷入液氨或氨水，在280-420℃的温度条件和催化剂作用下，烟气中氮氧化物被NH3还原脱除的反应。
电站锅炉普遍使用SCR装置进行烟气脱硝，SCR脱硝装置中通常使用的还原剂为NH3。
电站锅炉中燃烧后烟气依次通过SCR脱硝装置和空气预热器之后进入后续烟道。烟气在SCR脱硝装置中主要是与NH3反应，烟气在整个SCR脱硝装置中温度变化不大；烟气在空气预热器中将自身的热量传递空气预热器换热材料，烟气温度一般从360-300℃下降到150-110℃。
由于SCR装置运行的控制要求以及化学反应的不完全，喷入的NH3并不能够完全参与反应，未参与反应的NH3随烟气进入空气预热器，称之为氨逃逸。烟气中NH3与SO3、H2O、O2反应，产生NH4HSO4和(NH4)2SO4，该反应的化学方程式为：
通常运行温度下，硫酸氢铵的露点为147℃，其以液体形式在物体表面聚集或以液滴形式分散于烟气中。液态的NH4HSO4是一种粘性很强的物质，在烟气中会粘附飞灰。硫酸氢铵在低温下具有吸湿性，当从烟气中吸收水分后会造成设备的腐蚀。
随着烟气进入空气预热器，烟气温度降低，NH4HSO4就在空气预热器内的换热面上形成熔融结晶，液态的硫酸氢铵以其强粘性，使得烟气中的粉尘覆盖其上并结成块状，堵塞空气预热器的烟气通道，增大锅炉风机电耗，严重时还会降低锅炉出力。同时NH4HSO4吸收烟气中的水分，具有较强腐蚀性，会造成空气预热器内换热板材和固定支架的腐蚀。
CN103521073A提供了一种通过提高锅炉SCR脱硝系统脱硝率从而降低进入空气预热器烟气中NH3含量的方法。该方法包括如下步骤：(1)测量SCR脱硝反应器出口的NOx的浓度分布；(2)根据步骤(1)的测量结果计算NOx浓度分布的不均匀度Cv；(3)当Cv>20％时，根据SCR脱硝反应器出口的NOx的浓度分布调整喷氨格栅相应区域的阀门开度；(4)重复步骤(1)-(3)，直至Cv≤20％。通过该技术优化调整，SCR脱硝反应器反应效率提高。在同样喷氨量情况下，脱硝反应效率提高能够降低脱硝出口烟气中NH3含量。但是，该技术方案存在以下缺点：(1)需要测量NOx浓度分布，就需要布置大量测点，成本高昂；(2)需要实时测试NOx调整各个喷嘴的喷氨量，就需要复杂的自动控制系统。
CN102759931提供了一种通过测量氨逃逸量来控制氨喷入量，以有效控制进入空气预热器的烟气中NH3含量的方法。该方法包括以下步骤：释放液氨；利用液氨执行烟气脱硝处理；检测氨逃逸量；判断检测到的氨逃逸量是否大于第一预设值；以及在判定检测到的氨逃逸量大于第一预设值时，降低液氨的释放量。但是该方法只是把氨逃逸量控制在第一预设值内而不是完全消除，逃逸的氨仍然对后续设备有影响；而且脱硝装置出口烟气分布极不均匀，准确测量氨逃逸存在技术困难。
CN102654776A提供了一种通过脱硝效率和测量氨逃逸量来控制氨喷入量，以有效控制进入空气预热器的烟气中NH3含量的方法。该方法包括以下步骤：获取脱硝效率的偏差值；计算脱硝效率的偏差值对应的第一喷氨系数；获取氨逃逸量的偏差值；计算氨逃逸量的偏差值对应的第二喷氨系数；以及按照第一喷氨系数和第二喷氨系数调节喷氨量。但是该方法通过氨逃逸确定第二喷氨系数具有与CN102759931中的方法相同的技术缺点。而且该方法获取脱硝效率需要测量SCR脱硝装置出入口烟气中NOx的浓度，准确测量存在技术困难。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种空气预热器。本发明的空气预热器中集成了SCR催化剂，利用该空气预热器中的SCR催化剂能够消除SCR脱硝装置中逃逸的NH3。
为达到上述目的，本发明提供一种空气预热器，该空气预热器至少包括：转子以及中心驱动装置，所述转子为一筒体，该转子至少包括转子外壳、位于转子外壳中的若干个换热元件盒，以及位于换热元件盒中的若干个换热元件，所述中心驱动装置贯穿所述转子的中心以驱动转子转动，所述换热元件中的至少一部分为表面具有SCR催化剂层的换热板和/或SCR催化剂形成的换热板。所述换热元件可以全部为表面具有SCR催化剂层的换热板和/或SCR催化剂形成的换热板；也可以仅一部分采用SCR催化剂，另一部分则为常规的换热材料制成，换热材料可以为钢材，比如考登钢。换热元件均装在元件盒内以便于安装和取出。换热元件盒放置在转子外壳中并将转子外壳的内部填充满。换热元件的规格可以由本领域技术人员进行常规的选择和调节。
根据本发明的具体实施方式，上述空气预热器在运用时，其外部会连接风道、外部支撑架以及烟道等。这些部件均为常规的，其安装位置为本领域的常规技术。在本发明的空气预热器中，所述转子、中心驱动装置以及换热元件盒均可以为本领域常规的。本发明的表面具有SCR催化剂层的换热板和/或SCR催化剂形成的换热板可以作为换热元件应用到各种结构的回转式空气预热器中，并不局限于上述的空气预热器结构。
在上述的空气预热器中，采用表面具有SCR催化剂层的换热板作为换热元件时，可以采用各种常规的方法在常规换热板(如钢板)表面形成SCR催化剂层，比如喷涂、涂敷、浸渍、烤结等，使催化剂在钢板上均匀分布。
在上述的空气预热器中，所述SCR催化剂形成的换热板是采用SCR催化剂以常规方法制成的板材，如压制成型等。
在上述的空气预热器中，优选地，所述SCR催化剂为以贵金属和/或金属氧化物为活性组分，以Cr2O4、Al2O3和TiO2等中的一种或几种的组合为载体的催化剂，所述贵金属包括Pt、Rh和Pd等中的一种或几种的组合，所述金属氧化物包括V2O5、Fe2O5、CuO、CrOx、MnOx、MgO和NiO等中的一种或几种的组合。本发明所采用的SCR催化剂为本领域常规的SCR催化剂，其中活性组分的负载量为本领域常规的，采用几种活性组分进行配合使用时，其配比可以由本领域技术人员进行常规的调节，并且可以在活性组分的基础上配合使用WO3和/或MoO3等作为抗氧化、抗毒化辅助成分。采用金属氧化物为主要成分的SCR催化剂形成换热板，由于金属热容系数较钢材接近，因此SCR催化剂形成的换热板并不影响空气预热器的换热性能。
在上述的空气预热器中，优选地，位于转子外壳中靠上部分的换热元件盒中的换热元件为表面具有高温型SCR催化剂层的换热板和/或高温型SCR催化剂形成的换热板，所述高温型SCR催化剂的工作温度为250-400℃，对应于空气预热器烟气入口段烟气温度区间。工作温度在250-400℃的常规SCR催化剂均适用于制作位于转子外壳中靠上部分的换热元件盒中的换热元件。更优选地，所述高温型SCR催化剂包括V2O5/TiO2催化剂和/或V2O5-WO3/TiO2催化剂等。
在上述的空气预热器中，优选地，位于转子外壳中靠下部分的换热元件盒中的换热元件为表面具有低温型SCR催化剂层的换热板和/或低温型SCR催化剂形成的换热板，所述低温型SCR催化剂的工作温度为150-280℃，对应于空气预热器烟气出口段烟气温度区间。工作温度在150-280℃的常规SCR催化剂均适用于制作位于转子外壳中靠下部分的换热元件盒中的换热元件。更优选地，所述低温型SCR催化剂包括MnOx/TiO2催化剂、CuO/Al2O3催化剂、MnOx/Al2O3催化剂、MgO/Al2O3催化剂、Fe2O5/Cr2O4催化剂、CuO/Cr2O4催化剂、MgO/Cr2O4催化剂、MnOx/Cr2O4催化剂、NiO/Cr2O4催化剂以及Pt、Rh、Pd等贵金属催化剂(以Cr2O4、Al2O3、TiO2等为载体)等中的一种和几种的组合。
在上述的空气预热器中，本领域技术人员可以根据实际情况仅对位于转子外壳中靠上部分的换热元件盒中的换热元件采用表面具有高温型SCR催化剂层的换热板和/或高温型SCR催化剂形成的换热板，或者仅对位于转子外壳中靠下部分的换热元件盒中的换热元件采用表面具有低温型SCR催化剂层的换热板和/或低温型SCR催化剂形成的换热板，也可以对位于转子外壳中靠上、靠下部分的换热元件盒中的换热元件均采用SCR催化剂。对于在“靠上部分”和/或“靠下部分”采用的SCR催化剂换热元件的数量(也就是，装有SCR催化剂换热元件的元件盒罗列形成的厚度)没有特殊要求，可以由本领域技术人员根据实际情况进行调节。当对位于转子外壳中靠上、靠下部分的元件盒中的换热元件均采用SCR催化剂时，可以在中间部分采用常规的换热元件；也可以在上、中、下部份全部采用SCR催化剂换热元件，在该情况下，高温型与低温型SCR催化剂换热元件接头，由于“高温”与“低温”仅是相对而言，二者有重叠的范围，所以可以在高温型与低温型SCR催化剂换热元件接头的部分采用工作温度在“高温”与“低温”重叠范围内的催化剂。具体而言，可以根据烟气进出空气预热器换热面的高温区和低温区的温度，来确定空气预热器内部沿空气预热器轴向的温度分布的梯度，然后按照温度分布梯度，来确定装有高温型或低温型SCR催化剂换热元件的元件盒罗列形成的厚度，同时根据该温度分布梯度选择合适的SCR催化剂。
在上述的空气预热器中，优选地，所述换热元件的表面具有波纹、直槽或斜槽，如图3a、图3b、图4a、图4b、图5a以及图5b所示。所述波纹、直槽与斜槽的尺寸规格可以由本领域技术人员进行常规的选择与调控。本发明的空气预热器中的换热元件，无论是常规的，还是表面具有SCR催化剂层的换热板，或是SCR催化剂形成的换热板，均在其表面具有波纹、直槽或斜槽。
在上述的空气预热器中，优选地，表面具有波纹的换热元件或表面具有斜槽的换热元件与表面具有直槽的换热元件在一换热元件盒中纵向交替层叠排列形成一换热元件组以填充满该换热元件盒，所述换热元件组的横截面成波纹或斜槽与直槽交错形成的网状，该网状结构能够增加换热面积，可以根据需要选择采用具有波纹的换热元件与具有直槽的换热元件的组合，或者具有斜槽的换热元件与具有直槽的换热元件的组合。在同一换热元件盒中，两种形状的换热元件的数量大致是一样的。
本发明的空气预热器采用的换热元件中的至少一部分为表面具有SCR催化剂层的换热板和/或SCR催化剂形成的换热板，尤其如图1所示，可以在换热面的高温区3采用表面具有高温型SCR催化剂层的钢材作为换热材料或者采用高温型SCR催化剂形成的换热材料，在换热面的低温区4采用表面具有低温型SCR催化剂层的钢材作为换热材料或者采用低温型SCR催化剂形成的换热材料，由此使空气预热器2形成一个微型SCR脱硝装置，使得从SCR脱硝装置1中逃逸的NH3仍然能够继续与NOx反应，以消除SCR脱硝装置1中逃逸的NH3，防止NH3与SO2、H2O、O2在空气预热器2内反应生成NH4HSO4和(NH4)2SO4，从而避免了逃逸的NH3形成的空气预热器堵塞。
本发明的空气预热器主要具有以下优点：(1)利用SCR催化剂使烟气中的NH3反应完全，从根本上解决了NH4HSO4和(NH4)2SO4的生成，从而避免了因NH4HSO4凝结而造成的空气预热器堵塞；(2)不需要布置NOx和氨的测点；(3)不需要复杂的自动控制系统；(4)能够利用现有的安装空间，不需要对尾部烟道结构进行改造；(5)能够更进一步减少烟气中的NOx含量，减少污染物的排放。
附图说明
图1为本发明的空气预热器的工作原理示意图。
图2为实施例1的空气预热器的结构示意图。
图3a为表面具有斜槽的换热元件的侧视图。
图3b为表面具有斜槽的换热元件的俯视图。
图4a为表面具有直槽的换热元件的侧视图。
图4b为表面具有直槽的换热元件的俯视图。
图5a为表面具有波纹的换热元件的侧视图。
图5b为表面具有波纹的换热元件的俯视图。
主要组件符号说明：
SCR脱硝装置1 空气预热器2 换热面的高温区3 换热面的低温区4转子21 中心驱动装置22 转子外壳23
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
在本发明的一具体实施方式中，如图2所示，本发明的空气预热器包括：转子21以及中心驱动装置22，所述转子21为一筒体，该转子包括转子外壳23、位于转子外壳23中的若干个换热元件盒以及位于换热元件盒中的若干个换热元件，并且所述换热元件盒将转子外壳23的内部填充满，所述中心驱动装置22贯穿所述转子21的中心以驱动转子转动，所述换热元件中的至少一部分为表面具有SCR催化剂层的换热板和/或SCR催化剂形成的换热板。所述换热元件的表面具有波纹、直槽或斜槽，如图3a、图3b、图4a、图4b、图5a以及图5b所示。表面具有波纹的换热元件或表面具有斜槽的换热元件与表面具有直槽的换热元件在一换热元件盒中纵向交替层叠排列形成一换热元件组以填充满该换热元件盒，所述换热元件组的横截面成波纹或斜槽与直槽交错形成的网状，该网状结构能够增加换热面积，可以根据需要选择采用具有波纹的换热元件与具有直槽的换热元件的组合，或者具有斜槽的换热元件与具有直槽的换热元件的组合。在同一换热元件盒中，两种形状的换热元件的数量大致是一样的。
根据烟气进出空气预热器换热面的高温区和低温区的温度，来确定空气预热器内部沿空气预热器轴向的温度分布的梯度，然后按照温度分布梯度，来确定装有高温型或低温型SCR催化剂换热元件的元件盒罗列形成的厚度，同时根据该温度分布梯度选择合适的SCR催化剂。例如，某燃煤电厂空气预热器入口烟气温度为290-360℃，因氨逃逸大导致空预器内形成NH4HSO4而引起空气预热器堵塞，严重影响了电厂的安全性，故在空气预热器烟气入口位置用V2O5/TiO2催化剂形成的换热板替换原来的空气预热器换热元件，替换数量为一层换热元件盒。在运用该空气预热器一段时间后，并没有发现该空气预热器中存在堵塞现象，说明本发明的空气预热器利用SCR催化剂使烟气中的NH3反应完全，从根本上解决了NH4HSO4和(NH4)2SO4的生成，从而避免了因NH4HSO4凝结而造成的空气预热器堵塞。
上述空气预热器在运用时，其外部会连接风道、外部支撑架以及烟道等。这些部件均为常规的，其安装位置为本领域的常规技术。
Claims (3)
1.一种空气预热器，其特征在于，该空气预热器至少包括：转子以及中心驱动装置，所述转子为一筒体，该转子至少包括转子外壳、位于转子外壳中的若干个换热元件盒，以及位于换热元件盒中的若干个换热元件，所述中心驱动装置贯穿所述转子的中心以驱动转子转动，所述换热元件中的至少一部分为表面具有SCR催化剂层的换热板和/或SCR催化剂形成的换热板；
其中，位于转子外壳中靠上部分的换热元件盒中的换热元件为表面具有高温型SCR催化剂层的换热板和/或高温型SCR催化剂形成的换热板，所述高温型SCR催化剂的工作温度为250-400℃；所述高温型SCR催化剂包括V2O5/TiO2催化剂和/或V2O5-WO3/TiO2催化剂；
其中，位于转子外壳中靠下部分的换热元件盒中的换热元件为表面具有低温型SCR催化剂层的换热板和/或低温型SCR催化剂形成的换热板，所述低温型SCR催化剂的工作温度为150-280℃；所述低温型SCR催化剂包括MnOx/TiO2催化剂、CuO/Al2O3催化剂、MnOx/Al2O3催化剂、MgO/Al2O3催化剂、Fe2O5/Cr2O4催化剂、CuO/Cr2O4催化剂、MgO/Cr2O4催化剂、MnOx/Cr2O4催化剂、NiO/Cr2O4催化剂以及Pt、Rh、Pd贵金属催化剂中的一种和几种的组合；
装有高温型或低温型SCR催化剂换热元件的换热元件盒罗列形成的厚度，根据空气预热器内部沿空气预热器轴向的温度分布的梯度进行确定。
2.根据权利要求1所述的空气预热器，其中，所述换热元件的表面具有波纹、直槽或斜槽。
3.根据权利要求2所述的空气预热器，其中，表面具有波纹的换热元件或表面具有斜槽的换热元件与表面具有直槽的换热元件在一换热元件盒中纵向交替层叠排列形成一换热元件组以填充满该换热元件盒，所述换热元件组的横截面成波纹或斜槽与直槽交错形成的网状。
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