CN105771608B - 一种层燃锅炉的中温高效改性sncr脱硝装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种层燃锅炉的中温高效改性SNCR脱硝装置和方法，属于燃煤锅炉污染物控制技术领域，尿素在H2O2和有机酸(甲酸、乙酸或丙酸)的协同作用下产生氨基和亚氨基自由基，因氨基自由基·NH2或亚氨基自由基·NH对氮氧化物具有更高的反应活性和选择性，可大大降低SNCR反应的温度窗口；同时改性还原剂雾化喷嘴位于层燃锅炉炉膛出口转向室，该区域有助于改性还原剂与氮氧化物充分混合，提高了尿素的利用率；本发明经济环保，易于实施，脱硝效率高，除层燃锅炉外，也适应于燃煤电站和其他燃煤工业过程，具有广泛的应用前景和市场推广价值。

Description

一种层燃锅炉的中温高效改性SNCR脱硝装置和方法
技术领域
本发明涉及层燃燃煤锅炉控制氮氧化物排放技术领域，具体涉及一种层燃锅炉的中温高效改性SNCR脱硝装置和方法。
背景技术
中国工业锅炉在国民经济和社会发展中起着重要的作用，被广泛应用于冶金、建筑采暖、炼焦和化工等领域。在国内市场强劲需求的推动下，我国工业锅炉产业整体保持平稳较快增长。截至2014年我国工业锅炉产量为55.81万蒸发量吨，相比去年增长8.9％。我国是以煤炭为主要能源的国家，以燃煤为主导的工业锅炉占锅炉总量的65％以上，在未来燃煤工业锅炉的市场依然会占有较高比重。目前，从总体上看，工业锅炉能源消耗和污染排放均位居全国工业行业第二，仅次于电站锅炉，煤炭消耗量远高于钢铁、石化等高耗能工业行业。然而传统燃煤锅炉热效率低，污染严重，据统计，2012年燃煤工业锅炉累计排放烟尘约410万吨、SO2约570万吨、NOX约200万吨，分别占全国排放总量的 32％、26％和15％左右，是造成雾霾天气的主要原因之一。选择性非催化还原 (Selective Non-catalyticReduction，SNCR)是一种常规低成本烟气脱硝技术，投资和运行成本相对较低，对新建或改造工业锅炉均具有广泛的适用性。然而常规SNCR技术存在温度窗口要求过高(900-1100℃)，所用还原剂氨水或尿素只能从前后拱窄点位置喷入，氨水或尿素气化分解后难以穿透前后拱窄点处高速升腾的烟气，混合程度不高，导致还原剂利用率低下，若要提高脱硝效率，必须喷入过量的氨水或尿素还原剂，产生严重的氨逃逸，逃逸氨是二次雾霾的元凶，尤其对城市运行的层燃锅炉，氨逃逸将加重雾霾蔓延。为彻底解决层燃锅炉氮氧化物污染物控制问题，寻找一种高效环保且经济性的SNCR方法和工艺迫在眉睫。
发明内容
针对常规SNCR脱硝技术在层燃锅炉实施时存在影响锅炉运行效率、温度窗口要求过高和脱硝效率不稳定等问题，本发明的目的在于提出了一种层燃锅炉的中温高效改性SNCR脱硝装置和方法，本发明选用尿素充当脱硝还原剂，通过在尿素溶液中加入一定浓度的添加剂溶液(H2O2和有机酸的混合溶液)对脱硝还原剂进行改性，在提高SNCR脱硝效率的同时显著降低常规SNCR方法所需过高的运行温度，该方法不仅满足层燃锅炉节能减排需求，而且高效环保、易于安装，最大程度避免了氨逃逸等二次污染。
为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案如下：
一种层燃锅炉的中温高效改性SNCR脱硝装置，包括脱硝还原剂制备与存储系统、添加剂制备系统、喷射系统、NOX在线检测装置和脱硝剂流量实时控制系统；所述脱硝还原剂存储与制备系统包括固体尿素存储仓4，通过螺旋输送机5与固体尿素存储仓4连通的配液灌6，配液灌6通过一号输送泵9与液体预混装置16的①号进样口连通，在一号输送泵9与配液灌6连通的管路上设置有一号流量计8；所述添加剂制备系统包括H2O2存储罐10，H2O2存储罐10通过二号输送泵12与液体预混装置16的②号进样口连通，在二号输送泵12与 H2O2存储罐10的管路上设置有二号流量计11，还包括有机酸存储罐13，有机酸存储罐13通过三号输送泵15与液体预混装置16的③号进样口连通，在三号输送泵15与有机酸存储罐13连通的管路上设置有三号流量计14；所述喷射系统包括与液体预混装置16④号出样口连接的加压泵17，与加压泵17连接的喷氨格栅2，设置在喷氨格栅2上的雾化喷嘴3，改性尿素溶液由雾化喷嘴3以雾化形式喷入炉膛出口参与脱硝反应；所述NOX在线检测装置包括放置在炉膛出口、喷射系统前端的监测NOX浓度的烟气取样枪1和NOX在线测量仪表18，与NOX在线测量仪表18连接的数据处理系统19；所述脱硝剂流量实时控制系统为脱硝剂流量控制系统20，数据处理系统19将NOX浓度测量结果及时反馈至脱硝剂流量控制系统20，根据反馈结果脱硝剂流量控制系统20实时调节一号流量计8、二号流量计11、三号流量计14及其输送单元的流量。
所述雾化喷嘴3的位置分布在550-650℃的层燃锅炉炉膛出口，该位置处于炉膛转向室；该区域烟气扰动强烈，便于雾化液滴与烟气充分混合，延长还原剂的停留时间。
所述雾化喷嘴3布置为一层或多层。
所述添加剂制备系统的H2O2输送管道、喷射系统的雾化喷嘴3内表面、炉膛转向室及炉膛出口涂覆高温氮化硼涂层，目的是降低H2O2的沿程损失，同时延长羟基自由基的寿命。
上述所述层燃锅炉的中温高效改性SNCR脱硝装置的脱硝方法，其步骤包括：
1)在所述脱硝还原剂存储与制备系统中，固体尿素存储仓4中的尿素颗粒经螺旋输送机5输送至配液灌6中与去离子水混合，溶解稀释成预设浓度的尿素溶液，尿素溶液经一号流量计8和一号输送泵9从①号进样口输送至液体预混装置16中备用；
2)在所述添加剂制备系统中，H2O2存储罐10中的H2O2溶液经二号流量计 11、二号输送泵12从②号进样口进入液体预混装置16中，同时，有机酸存储罐13中的有机酸溶液经三号流量计14、三号输送泵15从③号进样口进入液体预混装置16中，H2O2溶液和有机酸溶液作为添加剂与尿素溶液混合生成改性尿素溶液；
3)在所述NOX在线检测装置中，烟气取样枪1和NOX在线测量仪表18测得的NOX浓度在线传输给数据处理系统19，数据处理系统19将NOX测量结果及时反馈至脱硝剂流量控制系统20，根据反馈结果脱硝剂流量控制系统20实时调节一号流量计8、二号流量计11、三号流量计14及其输送单元的流量；
4)在所述喷射系统中，改性尿素溶液从液体预混装置16的④号出样口输出经加压泵17加压，流经喷氨格栅2，由雾化喷嘴3以雾化形式喷入炉膛出口参与脱硝反应；雾化粒度为100-180um。
所述的尿素溶液的浓度为25％～60％，改性尿素溶液的喷入量根据尿素中氮元素与烟气中NOX的物质的量之比为2-2.5:1进行控制。
所述H2O2溶液浓度为30-50％。
所述有机酸溶液浓度为30-40％。
所述有机酸为甲酸溶液、乙酸溶液或丙酸溶液。
本发明反应原理如下：
(1)H2O2与有机酸反应生成有机过氧酸(以甲酸为例)，其反应原理
如下：
CH3CO2H+H2O2→CH3CO3H+H2O
(2)H2O2自身在加热条件下会产生羟基，其反应原理如下：
H2O2+M→2·OH
·OH+H2O2→·OOH+H2O
·OOH+H2O2→H2O+O2+·OH
(3)尿素受热分解产生的氨经有机酸与H2O2溶液协同产生的羟基自由基氧化生成氨基自由基·NH2或亚氨基自由基·NH，氨基和亚氨基自由基对氮
氧化物具有更高的选择性和反应活性，反应原理如下：
CO(NH2)2→NH3+HNCO
NH3+·OH→·NH2+H2O
·NH2+NO→N2+H2O
·NH2+·OH→·NH+H2O
·NH+NO→N2+·OH
与现有技术相比，本发明具有以下一些显著优点：
(1)本发明脱硝方法利用H2O2和有机酸的协同氧化作用对尿素进行活化，生成活性和选择性更高的氨基或亚氨基自由基参与脱硝反应，显著降低脱硝反应温度，提高脱硝反应效率。
(2)本发明方法所需温度窗口550℃-650℃，脱硝剂喷嘴布置炉膛出口，不影响锅炉正常燃烧，相比常规SNCR方法显著改善锅炉运行效率。
(3)本发明雾化喷嘴布置在层燃燃煤工业锅炉炉膛出口烟气转向室，该区域扰动强烈，有利于烟气和还原剂充分混合，提高了氨水或尿素利用率，从而减少了氨逃逸，本装置和方法易于实施，操作简单，对改造和新建锅炉均具有广泛的适用性，投资和运行成本低廉。
附图说明
图1是本发明层燃燃煤锅炉SNCR系统的流程示意图。
图2是烟气取样枪、喷氨格栅和雾化喷嘴在层燃燃煤锅炉中的安装位置示意图。
图3是喷氨格栅和雾化喷嘴结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述：
如图1、图2和图3所示，本发明层燃锅炉的中温高效改性SNCR脱硝装置的结构及脱硝方法如下：
尿素储存仓4由管道通过螺旋输送机5与配液罐6连接，配液罐6中配备有搅拌桨7，通过一号流量计8计量，由一号输送泵9从①号进样口输送至液体预混装置15中；H2O2存储罐10和有机酸存储罐13中的H2O2和有机酸溶液分别经二号输送泵12和三号输送泵15从②和③号进样口输送到液体预混装置16中与尿素溶液混合；预混装置16中的混合溶液从④号出样口输出经加压泵17由雾化喷嘴喷人炉膛出口转向室内参与脱硝反应。
NOX在线检测监测装置(烟气取样枪1和NOX在线检测仪表18)对炉膛出口的氮氧化物浓度进行实时监测，检测得到的数据经数据处理系统19反馈给脱硝剂流量实时控制系统20，脱硝剂流量实时控制系统20根据烟气中的氮氧化物浓度调节尿素、H2O2和有机酸溶液的流量大小。
实施例1：
固体尿素颗粒储存于尿素储存仓4，由螺旋输送机5输送到配液罐6内，用去离子水将尿素颗粒溶解成浓度在25％～60％的尿素溶液；H2O2溶液浓度为 30％，添加量按H2O2与检测得到的NOX摩尔比为1:1进行确定，有机酸添加剂选取甲酸溶液，浓度为20％，尿素、H2O2和甲酸溶液分别经一号流量计8、二号流量计12和三号流量计14由一号输送泵9、二号输送泵12和三号输送泵15 送至预混装置16中，混合好的改性溶液由加压泵17加压经喷氨格栅2由雾化喷嘴3喷入炉膛出口转向区形成雾化液滴，其中喷嘴位置烟温为620℃。在改性尿素溶液中氮元素与NOX在线测量装置测得烟气中氮氧化物摩尔比为2:1的情况下，实现78％的脱硝效率，氨逃逸为5ppm。
实施例2：
固体尿素颗粒储存于尿素储存仓4，由螺旋输送机5输送到配液罐6内，用去离子水将尿素颗粒溶解成浓度在25％～60％的尿素溶液；H2O2溶液浓度为 30％，添加量按H2O2与检测得到的NOX摩尔比为1:1进行确定，有机酸添加剂选取乙酸溶液，浓度为20％，尿素、H2O2和乙酸溶液分别经一号流量计8、二号流量计12和三号流量计14由一号输送泵9、二号输送泵12和三号输送泵15 送至预混装置16中，混合好的改性溶液由加压泵17加压经喷氨格栅2由雾化喷嘴3喷入炉膛出口转向区形成雾化液滴，其中喷嘴位置烟温为595℃。在改性尿素溶液中氮元素与NOX在线测量装置测得烟气中氮氧化物摩尔比为2.2:1的情况下，实现82％的脱硝效率，氨逃逸为8ppm。
实施例3：
固体尿素颗粒储存于尿素储存仓4，由螺旋输送机5输送到配液罐6内，用去离子水将尿素颗粒溶解成浓度在25％～60％的尿素溶液；H2O2溶液浓度为30％，添加量按H2O2与检测得到的NOX摩尔比为1:1进行确定，有机酸添加剂选取丙酸溶液，浓度为20％，尿素、H2O2和丙酸溶液分别经一号流量计8、二号流量计 12和三号流量计14由一号输送泵9、二号输送泵12和三号输送泵15送至预混装置16中，混合好的改性溶液由加压泵17加压经喷氨格栅2由雾化喷嘴3喷入炉膛出口转向区形成雾化液滴，其中喷嘴位置烟温为580℃。在改性尿素溶液中氮元素与NOX在线检测仪表测得烟气中氮氧化物摩尔比为2.1:1的情况下，实现76％的脱硝效率，氨逃逸为5ppm。

Claims (9)

1.一种层燃锅炉的中温高效改性SNCR脱硝装置，其特征在于：包括脱硝还原剂存储与制备系统、添加剂制备系统、喷射系统、NOX在线检测装置和脱硝剂流量实时控制系统；
所述脱硝还原剂存储与制备系统包括固体尿素存储仓(4)，通过螺旋输送机(5)与固体尿素存储仓(4)连通的配液灌(6)，配液灌(6)通过一号输送泵(9)与液体预混装置(16)的一号进样口连通，在一号输送泵(9)与配液灌(6)连通的管路上设置有一号流量计(8)；
所述添加剂制备系统包括H2O2存储罐(10)，H2O2存储罐(10)通过二号输送泵(12)与液体预混装置(16)的二号进样口连通，在二号输送泵(12)与H2O2存储罐(10)的管路上设置有二号流量计(11)，还包括有机酸存储罐(13)，有机酸存储罐(13)通过三号输送泵(15)与液体预混装置(16)的三号进样口连通，在三号输送泵(15)与有机酸存储罐(13)连通的管路上设置有三号流量计(14)；
所述喷射系统包括与液体预混装置(16)的四号出样口连接的加压泵(17)，与加压泵(17)连接的喷氨格栅(2)，设置在喷氨格栅(2)上的雾化喷嘴(3)，改性尿素溶液由雾化喷嘴(3)以雾化形式喷入炉膛出口参与脱硝反应；
所述NOX在线检测装置包括放置在炉膛出口、喷射系统前端的监测NOX浓度的烟气取样枪(1)和NOX在线测量仪表(18)，与NOX在线测量仪表(18)连接的数据处理系统(19)；
所述脱硝剂流量实时控制系统为脱硝剂流量控制系统(20)，数据处理系统(19)将NOX浓度测量结果及时反馈至脱硝剂流量控制系统(20)，根据反馈结果脱硝剂流量控制系统(20)实时调节一号流量计(8)、二号流量计(11)、三号流量计(14)及其输送单元的流量。
2.根据权利要求1所述的层燃锅炉的中温高效改性SNCR脱硝装置，其特征在于：所述雾化喷嘴(3)的位置分布在550-650℃的层燃锅炉炉膛出口，该位置处于炉膛转向室。
3.根据权利要求1所述的层燃锅炉的中温高效改性SNCR脱硝装置，其特征在于：所述雾化喷嘴(3)布置为一层或多层。
4.根据权利要求2所述的层燃锅炉的中温高效改性SNCR脱硝装置，其特征在于：所述添加剂制备系统的H2O2输送管道、喷射系统的雾化喷嘴(3)内表面、炉膛转向室及炉膛出口涂覆高温氮化硼涂层。
5.利用权利要求1至4任一项所述层燃锅炉的中温高效改性SNCR脱硝装置的脱硝方法，其特征在于，其步骤包括：
1)在所述脱硝还原剂存储与制备系统中，固体尿素存储仓(4)中的尿素颗粒经螺旋输送机(5)输送至配液灌(6)中与去离子水混合，溶解稀释成预设浓度的尿素溶液，尿素溶液经一号流量计(8)和一号输送泵(9)从一号进样口输送至液体预混装置(16)中备用；
2)在所述添加剂制备系统中，H2O2存储罐(10)中的H2O2溶液经二号流量计(11)、二号输送泵(12)从二号进样口进入液体预混装置(16)中，同时，有机酸存储罐(13)中的有机酸溶液经三号流量计(14)、三号输送泵(15)从三号进样口进入液体预混装置(16)中，H2O2溶液和有机酸溶液作为添加剂与尿素溶液混合生成改性尿素溶液；
3)在所述NOX在线检测装置中，烟气取样枪(1)和NOX在线测量仪表(18)测得的NOX浓度在线传输给数据处理系统(19)，数据处理系统(19)将NOX测量结果及时反馈至脱硝剂流量控制系统(20)，根据反馈结果脱硝剂流量控制系统(20)实时调节一号流量计(8)、二号流量计(11)、三号流量计(14)及其输送单元的流量；
4)在所述喷射系统中，改性尿素溶液从液体预混装置(16)的四号出样口输出经加压泵(17)加压，流经喷氨格栅(2)，由雾化喷嘴(3)以雾化形式喷入炉膛出口参与脱硝反应；雾化粒度为100-180μm。
6.根据权利要求5所述的脱硝方法，其特征在于：所述的尿素溶液的浓度为25％～60％，改性尿素溶液的喷入量根据尿素中氮元素与烟气中NOX的物质的量之比为2-2.5:1进行控制。
7.根据权利要求5所述的脱硝方法，其特征在于：所述H2O2溶液浓度为30-50％。
8.根据权利要求5所述的脱硝方法，其特征在于：所述有机酸溶液浓度为30-40％。
9.根据权利要求5所述的脱硝方法，其特征在于：所述有机酸溶液为甲酸溶液、乙酸溶液或丙酸溶液。
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