CN106457142A - 借助sncr(选择性非催化还原)和用于氨分解的下游催化剂使烟道气脱氮氧化物的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于烟道气(1)脱氮的方法和相应的系统，其中在用于烧结水泥熟料的旋转式窑炉(2)产生的烟道气(1)被引导至用于水泥生料脱酸的煅烧区(3)。根据选择性非催化还原(SNCR)方法，将用于烟道气(1)脱氮氨水溶液、氨(NH3)或释放氨的物质(6)注入煅烧区(3)，并且使烟道气流与在脱氮期间产生的氨逃逸(6)一起通过换热器(9)和至少一个除尘装置(10)。根据本发明提供的是，将烟道气流从换热器(9)引导通过换热器废气管线(11)、经过催化剂(12)，其用于用按照选择性催化还原方法(SCR)包含于烟道气(1)中的残余氮氧化物来分解过量氨(6)，其中催化剂(12)安排在换热器烟道气管线(11)中提供的反应器(13)中，并且其量的大小不多于充分分解氨(6)所需。这具有的优势是能够是相对少的催化剂(12)。

Description

借助SNCR(选择性非催化还原)和用于氨分解的下游催化剂使 烟道气脱氮氧化物的方法和系统
本发明涉及烟道气脱氮氧化物的方法，其中将烟道气在用于烧结水泥熟料的旋转炉中产生的引入用于生料脱酸的煅烧区，向煅烧区中按照选择性非催化还原方法(SNCR)注入氨水溶液、氨(NH3)或释放氨的物质以使烟道气脱氮氧化物，并且烟道气流与脱氮氧化物中产生的任何氨逃逸一起引导通过换热器和至少一个除尘装置。本发明还涉及用于烟道气脱氮氧化物的相应设施，其具有用于烧结水泥熟料的旋转炉，用于生料脱酸的煅烧区，所述煅烧区优选在窑升井通道和/或煅烧炉中形成，至少一个用于将氨水溶液、氨(NH3)或释放氨的物质注入煅烧区的装置，和换热器，所述换热器具有至少一个在换热器之后连接的烟道气除尘装置以及在此处后接的换热器废气管线。
在制备水泥时，在旋转炉中烧结含硅酸盐的和含碳酸盐的生料以产生水泥熟料。在旋转炉中于燃烧器火焰中出于该意图所需的高温下，作为大气中存在的氮燃烧的结果形成氮氧化物(NOX)。其它氮氧化物来源可以存在于用来在旋转炉中产生热的燃料中。然而，立法机构对氮氧化物的排放规定了限制，原因是氮氧化物对人类和环境具有许多不良作用。更特别地，氮氧化物导致酸雨；此外，它们还导致平流层中的臭氧降解和全球变暖。因此，在制备水泥的情况下(正如在其它燃烧设备中)必需使用烟道气脱氮氧化物的方法，所述烟道气在物质流的反方向离开旋转炉。它们流入生料在其中脱酸的煅烧区。该区最频繁地在窑升井通道中或在煅烧炉中形成，或者在窑升井通道中和在下游煅烧炉中形成。
氮氧化物减少的第一步提供于EP0854339A1描述的方法中，其分步进行引入冷却区输出空气和加入预热物质，从而对氮氧化物减少有利的温度窗口在煅烧区中产生。对于烟道气中甚至更大幅的氮氧化物含量减少，可能的是将氨(NH3)加至煅烧区的反应空间。出于该意图，在一个或多个适宜位置将氨水溶液、氨或释放氨的物质注入煅烧区中或者窑升井通道和/或煅烧炉中。此处脱氮氧化物是基于选择性非催化还原(SNCR)的已知方法，其中氨与氮氧化物通过热分解转化为氮和水(优选在900°至1000℃的温度窗口)。
常规SNCR方法受到下述问题限制：不参与氮氧化物减少反应的过量氨(称为氨逃逸)从设施中排出。然而，氨类似地对人类和环境有害效果；例如，慢性呼吸道障碍能够由氨引起。人们认为立法机构可能在不远的将来对其进行限制。需要减少的氮氧化物越多，则氨的逃逸也越高。因此，为了实现更进一步的氮氧化物充分降解而不显著排放氨，脱氮氧化物目前也通过选择性催化还原方法(SCR)进行，其描述例如在EP2444145A1。在SCR方法的情况下，通过在催化剂上与氨进行化学反应还原氮氧化物，其得到作为产物的氮和水。频繁地，这些催化剂由二氧化钛，五氧二钒和/或二氧化钨组成。尽管该方法在一方面提供很高效的烟道气脱氮氧化物，其在另一方面具有的缺点是，在水泥生产的工业用途中必须使用具有数个催化剂层的很大催化剂体积。上述技术因为大(体积)催化剂而导致很高的基建投资和操作成本(维护、修复和清洁)。另外，大催化剂体积相应地导致气体体积流中的高压降。
因此，本发明的任务是提出烟道气高效脱氮氧化物且仅低氨排放的方法，其适用于水泥生产中并且其中可能使用催化剂，所述催化剂的体积与常规催化剂、特别是SCR方法中所用的那些相比有利地更小。属于本发明的又一任务是提出相应于该方法的用于烟道气脱氮氧化物的设施。
本发明的任务解决如下：烟道气脱氮氧化物的方法，其具有权利要求1的特征；和用于烟道气脱氮氧化物的设施，其具有权利要求6的特征。其它有利的实施方式在权利要求1的从属权利要求和在权利要求6的从属权利要求中指定。
从而本发明方法预期的是，在脱氮氧化物的SNCR阶段之后将烟道气流送至催化剂。在烟道气离开煅烧区之后，它们在该方法中流过在水泥生产过程中常规的具有下游除尘的换热器。然后，将经除尘的烟道气引导通过换热器废气管线进入布置了催化剂的反应器。催化剂实现引起烟道气中氨份额减少的任务。按照最初描述，在SCR方法中所用的催化剂在其上催化在氨逃逸与氮氧化物之间的反应。氮氧化物所指氮氧化物份额，其即使在限制之下也还以不可忽视的程度存在于烟道气中。催化剂从而并非在此(主要地)为了氮氧化物减少，而是为了烟道气中的氨份额的实质降低而用于换热器废气管线中。其结果是催化剂能够显著小于水泥生产中为了通过常规SCR方法脱氮氧化物必须使用的催化剂。在按照本发明提出的设施中催化剂的小催化剂体积导致相对低的基建投资和操作成本并且导致废气体积流中的小压降。
因为在下游催化剂中氨排放量的减少而可能的是，在方法的SNCR阶段期间添加大量的氨(特别是通过氨水溶液注入煅烧区进行)而无需特别注意任何显著的氨逃逸。采用这种程度增加的氨量，可能的是达到甚至更强限制性的氮氧化物排放限值，同时由于催化剂效果而不出现显著氨排放。
用待注射的氨水溶液、氨或释放氨的物质的量按照本发明来在烟道气在气体流动方向上催化剂下游释放入环境的情况下控制氮氧化物排放。出于该意图，在烟道气中连续地或以规律的短时间间隔监测氮氧化物含量，所述烟道气例如通过烟囱释放入大气中。在本发明的优选实施方式中，并且调节待注射的量使得对氮氧化物排放入环境各自给定的限值被达到或超过，和因此不需要进一步的脱氮氧化物步骤。
用于借助烟道气体积流中仍存在的残余氮氧化物NOX来降解氨的催化剂，在本发明优选实施方式中，是一般的蜂窝催化剂或一般的板催化剂，其中尤其可能使用二氧化钛、五氧二钒和/或二氧化钨，以便催化氮氧化物与氨的反应。烟道气从换热器/除尘器通过换热器废气管线引导至反应器中布置的催化剂。在通过压缩机之后，离开反应器的废气流一般被送至烟囱以释放入大气。催化剂用于借助氮氧化物降解过量氨。烟道气体积流中的氮氧化物量已经在方法的SNCR阶段被降低至(或低于)排放目前要求的限值，其中残余氮氧化物仍存在于通过换热器废气管线到达催化剂的烟道气流中。由于催化剂仅用于降解氨逃逸，该催化剂的尺度能够显著小于下述催化剂的尺度，其是在水泥生产的SCR方法中一般必须用来借助氨降解相对大量亚硝酸气体的催化剂。更小的催化剂体积提供相对更大体积的许多重要优势：基建投资和催化剂操作在经济上更有利，反应器中的压降更小和催化剂的清洁更简单。在本发明的优选实施方式中，仅1个催化剂层安排在反应器中。在反应器中也提供的是能够容纳1个额外催化剂层的装置。从而可能的是，在必须交换过程中存在的催化剂层的情况下，在将其拆除的同时将又一催化剂层装入未预先占用的装置，这有利地缩短催化剂交换操作。在后续交换中，容纳催化剂层的第一装置被再次加载。
本发明的一种实施方式预期了换热器废气管线区域中的旁路管线。如果催化剂正在维护或修复或者催化剂功能发生未预见的故障，则来自换热器的废气流能够以此方式绕过催化剂。如果对于涉及氨排放的限值的规章允许，则烟道气经由马达驱动的压缩机且经过烟囱直接释放入大气中。这种仅持续短时间的废气引导带来显著经济损害，其产生自关闭在煅烧和烧结区域中的水泥生产设施。此外，在该阶段加入氨能够被减少至确保符合NOX限值的程度。为了截断废气流通过催化剂的路径，和类似地为了截断在正常情况下运用的旁路管线，在各情况下于管线中使用截断气流或调节气流流量的组件，例如屏障闸门阀、屏障翼片、浮球阀或阀门。
在SNCR方法阶段之后，按照本发明将烟道气在流经换热器之后立即引入至少一个用于从烟道气分离粉尘颗粒的装置。一般地，使用依赖离心力作用的旋流器。使用静电和织物滤器也是可能的，其中系统的总效率是选择除尘器类型的重要参数。本文提出的方法的优势之一是流入催化剂的烟道气是已经大幅除尘的。这消除对为了避免关停必须以高频率进行的不经济清洁的需要，而这种需要正是在将非除尘烟道气引导通过SCR催化剂的方法中所必须在催化剂中进行的。在烟道气中的腐蚀性组分的预先沉积也延长催化剂寿命。
由于尽管来自换热器的烟道气流进行了除尘但少量粉尘颗粒仍存在于烟道气流中，并且它们至少以某种程度沉降在催化剂上或截断其细微结构，本发明的一种实施方式预期在方法中清洁催化剂表面以除去固体颗粒。此处优选的是使用一般的除尘鼓风机，其使用压缩空气(和任选地额外的声学压力)来清洁催化剂的有关表面。还有利地可能的是在清洁过程中包括反应器壁。根据污染平均程度的经验知识，清洁优选以适宜的定期间隔进行而不关闭设施。
SNCR方法反应需要特定的热力学前提，特别是存在适宜的温度窗口。通过将氨水溶液、氨或释放氨的物质注入优选在窑升井通道和/或煅烧炉中形成的煅烧区而加入氨，将因此有利地在本发明的实施方式中以两个或更多个注射水平进行，其取决于特定设施和过程方案的真实参数。在此，于各水平的注射特别地取决于在那里占优势的温度条件打开或关闭，所述温度条件通过测量气体温度的相应装置、例如通过声学气体温度测量方法来在煅烧区的特别部分中进行测量。此外在本发明的又一实施方式中，注射经由每个水平的一个注射装置进行，其各自具有至少一个注射枪。在一个水平的注射枪的控制能够独立于在每个其它水平的注射枪的控制而进行。
所提出的方法并不局限于在制备水泥中使用，而是适于其中需要烟道气高效脱氮氧化物的全部燃烧设备。原则上需要的是，适于SNCR方法和其中进行的氨注射的化学和热力学条件，以及在相应于SCR方法的过程中在小催化剂上用氮氧化物或具有可比拟效果的共反应物降解过量氨的适宜条件。
本发明通过下述附图更详细地解释。图显示的是：
图1本发明用于烟道气脱氮氧化物的设施的简化示意截面。
图1中显示的是，在根据本发明的用于烟道气1脱氮氧化物的设施中，在水泥生产的涉及烟道气1脱氮氧化物的部分中的烟道气1示意路径。烟道气1流出用于烧结水泥熟料的旋转炉2，进入煅烧区3，所述煅烧区3在实施例中显示为扩展经过窑升井通道4和煅烧炉5部分。在SNCR方法中，在多个水平通过注射枪7将足够的氨6作为水溶液注入煅烧区3，从而在烟道气排放口8符合对于氮氧化物的限值。根据测量的温度窗口(未描述)在单独水平控制注射。已大部分脱氮氧化物的烟道气1与在脱氮氧化物中过量比例的未转化氨6流经换热器9(其用来预热生料用于水泥生产)并且流经除尘装置10(在实施例中显示为两个旋流器形式)进入换热器废气管线11。
将已大幅除去固体颗粒的烟道气1通过换热器废气管线11引至催化剂12，其优选呈蜂窝催化剂或板催化剂形式并且布置在反应器13中。催化剂12可以具有相对小的尺度并且优选由仅1层组成。在本文提出的方法中，与SCR方法类似，氨逃逸在催化剂12上用氮氧化物大幅降解、产生氮和水，其中氮氧化物源自仍存在于烟道气1中的氮氧化物份额。以此方式，通过所提出的方法可能实现的是，在SNCR阶段期间通过过量注射氨6进行烟道气1的高效脱氮氧化物，但不导致烟道气1中氨6的显著排放8。
反应器13优选具有容纳第二催化剂层(未描述)的装置。如果在操作中由于维护或损耗必须更换催化剂层，则可能在经济上有利的方式是，与在所述装置中拆除该层同时地将新催化剂层构入反应器13。在催化剂层交换阶段期间和在催化剂12或反应器13有任何其它问题的情况下，烟道气1流能够转入绕过反应器13的旁路管线14。用于截断烟道气1流的装置系统15，例如屏障闸门阀，屏障翼片、浮球阀或阀门的布置，调节烟道气1通过反应器13或旁路管线14的流量。
编号数字列表
1 烟道气 9 换热器
2 旋转炉 10 除尘装置
3 煅烧区 11 换热器废气管线
4 窖升井通道
5 煅烧炉 12 催化剂
6 氨 13 反应器
7 注射枪 14 旁路管线
8 烟道气排放 15 截断装置

Claims (10)

1.用于使烟道气(1)脱氮氧化物的方法,
其中
–将在用于烧结水泥熟料的旋转炉(2)中产生的烟道气(1)引导进入用于生料脱酸的煅烧区(3),
–向煅烧区(3)中注入氨水溶液、氨(NH3)或释放氨的物质(6)，其用于通过选择性非催化还原(SNCR)方法使烟道气(1)脱氮氧化物，和
–将烟道气流与在脱氮氧化物中产生的氨(6)逃逸一起引导通过换热器(9)和至少一个除尘装置(10),
其特征在于
–将烟道气流从换热器(9)引导通过换热器废气管线(11)、经过催化剂(12)，其用于按照选择性催化还原方法(SCR)在催化剂(12)上用烟道气(1)中所含的残余氮氧化物降解过量氨(6)，其中催化剂(12)安排在换热器废气管线(11)中设置的反应器(13)中，并且其量的大小仅相当于各自预先确定规模的氨(6)降解所需。
2.根据权利要求1的方法,
其中
氨(6)的添加通过将氨水溶液、氨或释放氨的物质(6)以至少2种注射水平注入煅烧区(3)进行，所述煅烧区(3)优选在窑升井通道(4)和/或煅烧炉(5)中形成，其中取决于在所述注射水平各自给定的温度符合SNCR过程反应的有利温度窗口而单独地打开和关闭各注射水平。
3.根据权利要求1和2的方法,
其中
在气流方向上催化剂(12)下游进行的烟道气(1)从换热器(9)释放进入环境的情况下，用待注射的氨水溶液、氨或释放氨的物质(6)的量来控制氮氧化物排放，并且调节待注射的量使得达到或超过对氮氧化物排放入环境各自预定的限值。
4.根据权利要求1至3中任一项的方法,
其中
在催化剂(12)出现问题、修复或维护的情况下，将烟道气流引导通过旁路管线(14)以绕过催化剂(12)。
5.根据权利要求1至4中任一项的方法,
其中
用压缩空气清洁催化剂(12)的表面以除去固体颗粒，其中所述清洁优选以规律的、取决于污染程度的时间间隔来进行。
6.用于使烟道气(1)脱氮氧化物的设施,
其具有
–用于烧结水泥熟料的旋转炉(2),
–用于生料脱酸煅烧区(3)，优选在窑升井通道(4)和/或煅烧炉(5)中形成的,
–至少一个用于将氨水溶液、氨(NH3)或释放氨的物质(6)注入煅烧区(3)的装置，和
–换热器(9)，其具有至少一个在换热器(9)之后连接的烟道气(1)除尘装置(10)以及在此之后连接的换热器废气管线(11),
其特征在于，
–在换热器废气管线(11)中安排具有催化剂(12)的反应器(13)，所述催化剂(12)用于用来自换热器(9)的烟道气流中所含的氮氧化物来降解氨(6)，其中所述催化剂(12)量的大小仅相当于各自预先确定规模的氨(6)降解所需。
7.根据权利要求6的设施,
其特征在于，
为了将氨水溶液、氨或释放氨的物质(6)注入煅烧区(3)提供至少2个注射水平，其中
–在各注射水平上安排至少一个注射装置之一，其中各注射装置具有至少一个注射枪(7),
–在各注射水平为所述至少一个注射枪(7)提供流量控制单元，其中在一个水平的至少一个注射枪(7)的控制单元独立于在全部其它水平的注射枪(7)控制单元，和
–在各注射水平安排至少一个测量煅烧区(3)相应部分的气体温度的装置，其中各注射枪(7)的流量控制根据气体温度进行。
8.根据权利要求6或7的设施,
其特征在于，
所述催化剂(12)优选是蜂窝催化剂或板催化剂并且在反应器(13)中安排仅1个催化剂层，其中在反应器(13)中提供容纳第二催化剂层的装置。
9.根据权利要求6至8中任一项的设施,
其特征在于，
在烟道气流方向上换热器(9)下游安排用于绕过催化剂(12)的旁路管线(14)，其中在旁路管线(14)中和在催化剂(12)的直接上游各自提供至少一个用于截断烟道气(1)流过的装置(15)。
10.根据权利要求6至9中任一项的设施,
其特征在于，
在含有催化剂(12)的反应器(13)中安排至少一个用于清洁催化剂表面的除尘鼓风机。
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