CN107051203A - 一种基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置及方法，可应用于电站锅炉及各种工业炉窑尾部烟道处，装置包括用于氧化NO的氧化模块以及用于脱硝的SCR反应模块。氧化模块使烟气中的部分NO转化为NO2后进入SCR反应模块，预氧化的烟气与喷入的NH3混合，然后进入选择性催化还原层进行快速SCR反应。催化剂还原层采用低钒负载的钒钨钛蜂窝状催化剂，反应温度为200℃~350℃。本脱硝系统有着高效抗硫中毒能力，并且大大提升了烟气低温段的脱硝效率，经实验验证，在250℃的低温含硫烟气的氛围中，本系统脱硝效果明显，效率可达90%以上，且保持稳定。

Description

一种基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置及 方法
技术领域
本发明属于烟气脱硝技术领域，特别是涉及一种基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置及方法。
背景技术
2016年初，面对日益严峻的大气污染形势，国家提出了更为严格的“超低排放”标准，针对于氮氧化物，将燃煤电站氮氧化物100mg/m3的排放限制降低到了50mg/m3。与此同时，国家对玻璃厂，水泥厂，钢铁企业以及其他小型工业炉窑也提出了更严格的氮氧化物排放标准。目前，选择性催化还原(SCR)烟气脱硝是最为成熟的烟气脱硝技术，但是现在的SCR脱硝以中高温烟气SCR为主，低温烟气SCR脱硝技术正在国内外研究开发中，技术上还没有成熟，主要问题是现在大部分工业烟气中均存在着部分SO2与少量的SO3，SOx在低温下非常容易与NH3反应生成硫酸铵盐沉积于催化剂表面，堵塞催化剂孔道，导致催化剂失活，更严重的还会导致烟道堵塞。对于低温含硫烟气NOx的脱除，现在工业上可以应用的办法就是加热低温烟气，将烟气温度提升到中、高温SCR脱硝的温度范围，再进行脱硝。由于加热烟气需要二次能源消耗，系统运行费用大大提升，且在进行烟气加热的过程中也会产生NOx形成二次污染，实际应用推广非常困难，导致低温烟气脱硝的使用率低，严重影响了NOx减排。
发明内容
针对现有技术存在的低温SCR脱硝效率低且存在硫中毒现象的问题，本发明提供了一种基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置及方法，能有效避免催化剂在低温下的硫中毒问题，显著提升催化剂的低温脱硝效率，由于减少了烟气的加热环节，大大降低了能源消耗与系统的运行费用。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置，所述的脱硝装置包括用于氧化NO的NO氧化模块1及用于脱硝的选择性催化还原模块2，其中所述NO氧化模块1包括NO离子体或臭氧氧化装置1.1及NO催化氧化层1.2；所述选择性催化还原模块2内部由上至下依次设置喷氨装置2.2和至少一层催化还原层，所述的喷氨装置2.2与储氨装置连接，处理后的烟气经烟气出口排入大气。
进一步，所述选择性催化还原模块入口处设有入口导流板，所述入口导流板存在110～135°折角；所述烟气出口处设有出口导流板，所述出口导流板正对出口烟道部分为垂直导流板，其余部分带有110～135°折角。进一步，所述NO离子体或臭氧氧化装置1.1采用高压放电方式产生臭氧和/或等离子体，所述NO催化氧化层1.2采用蜂窝状金属氧化物催化剂，优选Pt-Pd/TiO2、Pt-Pd/Al2O3、Mn-Ce/TiO2和 Mn-Ce/Al2O3催化剂中的一种。
进一步，所述的催化还原层平行设置有两层2.3，2.4。
进一步，所述催化还原层采用低钒负载的V2O5-WO3/TiO2催化剂，其中V2O5的负载量不超过1wt%，WO3负载量不超过5wt%，所述催化剂为蜂窝状。
本发明还提供了一种利用上述所述的基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置进行脱硝的方法，包括以下步骤：
步骤1：烟气进入NO离子体或臭氧氧化装置，与产生的臭氧和/或等离子体充分混合；
步骤2：烟气随后进入NO催化氧化层进行预氧化处理，利用臭氧-催化氧化和/或等离子体氧化方式将烟气中的NO氧化为NO2；
步骤3：预氧化的烟气与喷氨装置喷入的NH3混合均匀，然后进入选择性催化还原层进行快速SCR反应，并将处理后的烟气排入大气。
进一步，所述的步骤2中NO氧化为NO2的氧化效率为40~50%。
进一步，所述的催化还原反应温度为200℃~350℃，优选250℃。
本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供的一种基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置及方法，由于存在着NO氧化模块，首先可以将烟气中的NO部分氧化成NO2，从而使烟气中含有NO，NO2，SO2等气体，经过喷氨装置与喷出的NH3混合，而催化剂还原层因为采用了低钒负载的V2O5-WO3/TiO2催化剂，根据实验得出该类型催化剂基本不会受SO2影响而产生硫酸铵盐的沉积，其缺点是低温下脱硝活性较低，但是在NO2的存在下，NO，NO2在催化剂上构成了Fast SCR的反应机理，反应活性大大提升，满足了现有的脱硝要求。本发明装置提供的脱硝装置及方法减少了现有低温脱硝中的加热环节，可以使脱硝系统在低温、低能耗下运行，节省了投资及运行成本，提高了经济效益及社会效益。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1是本发明提供的基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置的结构示意图。
图2是本发明提供的不同V2O5负载时V2O5-WO3/TiO2催化剂在250℃含硫烟气气氛下脱硝活性变化的示意图。
图3是本发明提供的不同WO3负载时V2O5-WO3/TiO2催化剂在250℃含硫烟气气氛下脱硝活性变化的示意图。
图4是本发明提供的低钒负载的V2O5-WO3/TiO2催化剂在250℃含硫烟气气氛下Fast SCR的脱硝活性及变化的示意图。
附图标记：1、NO氧化模块；1.1、NO离子体或臭氧氧化装置；1.2、NO催化氧化层；2、选择性催化还原模块；2.1、入口导流板；2.2、储氨装置和与其连接的喷氨装置；2.3，2.4、催化还原层，2.5、烟气出口导流板。
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说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置，该装置可安装在工业锅炉排烟烟道上，该装置包括：NO氧化模块1及选择性催化还原模块2。所述的NO氧化模块1包括NO离子体或臭氧氧化装置1.1及NO催化氧化层1.2；选择性催化还原模块2内部由上至下依次为入口导流板2.1，储氨装置和与其连接的喷氨装置2.2，催化还原层2.3,2.4，烟气出口处设有出口导流板2.5，处理后的烟气经反应器出口烟道排出反应器。
为了达到更好的导流效果，所述入口导流板2.1存在110～135°折角，所述出口导流板2.5正对出口烟道部分为垂直导流板，其余部分带有110～135°折角。
作为具体实施例，图1中所述NO氧化模块1，采用高压放电方式如使用臭氧发生器、等离子发生器等设备产生臭氧和/或等离子体，协同NO催化氧化层进行作用，根据现场情况，选用臭氧-催化氧化及等离子体氧化等方式将烟气中的NO部分氧化为NO2。NO氧化效率达到40~50%最佳。
作为具体实施例，所述催化还原层2.3,2.4均采用低钒负载的V2O5-WO3/TiO2催化剂，其中V2O5的负载量不超过1wt%，WO3负载量不超过5wt%。确保在含SO2气氛下催化剂不会受到硫酸氢铵沉积等硫中毒现象的影响。
采用前述基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置进行脱硝的方法，包括以下步骤：
步骤1：烟气进入NO离子体或臭氧氧化装置，与臭氧发生器或等离子发生器产生的臭氧和/或等离子体充分混合；
步骤2：烟气随后进入NO催化氧化层进行预氧化处理，利用臭氧-催化氧化和/或等离子体氧化方式将烟气中的NO氧化为NO2；
步骤3：预氧化的烟气与喷氨装置喷入的NH3混合均匀，然后进入选择性催化还原层进行快速SCR反应，并将处理后的烟气排入大气。需要特别说明的是本发明提供的脱硝装置及方法适用于温度为200℃~350℃范围的烟气脱硝，作为具体实施例其催化还原反应温度为250℃。
作为具体实施例，本发明选择不同V2O5，WO3负载的V2O5-WO3/TiO2催化剂进行了250℃下模拟烟气硫中毒活性测试。其中，模拟烟气中O2浓度为5%，NO浓度为500ppm，NH3浓度为500ppm，SO2浓度为1000ppm，平衡器为N2。其空速为300000h-1，烟气流量2L/min。在实验过程中，利用英国Protea公司生产的傅里叶红外在线烟气组分分析仪进行尾气检测。所述脱硝效率计算式如下：
其中，C1为反应前NOx浓度（ppm），C2为反应后NOx浓度（ppm）。
如图2所示，研究250℃下不同V2O5负载时SO2对V2O5-WO3/TiO2催化剂脱硝效率的影响。结果显示在V2O5负载低于1wt%时，催化剂在SO2存在下效率不但没有降低，反而受到了SO2硫酸化的影响，酸性提高，从而使效率上升。而V2O5负载高于1wt%时，催化剂则受到了硫酸铵盐沉积的影响，效率出现了明显的下降。由此可见，为使催化剂抗硫性提升，不受硫中毒现象的影响，催化剂V2O5负载量应低于1wt%。
如图3所示，研究250℃下不同WO3负载时SO2对V2O5-WO3/TiO2催化剂脱硝效率的影响。结果显示在WO3负载低于5wt%时，催化剂在SO2存在下效率不但没有降低，反而受到了SO2硫酸化的影响，酸性提高，从而使效率上升。而WO3负载高于5wt%时，催化剂则受到了硫酸铵盐沉积的影响，效率出现了明显的下降。由此可见，为使催化剂抗硫性提升，不受硫中毒现象的影响，催化剂WO3负载量应低于5wt%。
作为具体实施例，本发明实验还选择了低V2O5，WO3负载的V2O5-WO3/TiO2催化剂进行了250℃下模拟烟气Fast SCR硫中毒活性测试。其中，模拟烟气中O2浓度为5%，NO浓度为250ppm，NO2浓度为250ppm，NH3浓度为500ppm，SO2浓度为1000ppm，平衡器为N2。其空速为300000h-1，烟气流量2L/min。
如图4所示，研究250℃模拟烟气Fast SCR硫中毒活性变化，结果显示低V2O5，WO3负载的V2O5-WO3/TiO2催化剂在NO2存在的情况下仍然不会受到硫中毒的影响，而且由于NO2的存在，形成了Fast SCR的反应，催化剂的初始脱硝活性由39.7%上升到了77.93%，SO210h处理后的活性由53.61%上升到了97.24%，而高V2O5，WO3负载的V2O5-WO3/TiO2催化剂虽然在初始阶段受NO2影响而提升了脱硝活性，但由于其高氧化性受到SO2中毒的影响，活性下降。由此可见，在催化剂低V2O5，WO3负载的情况下，NO氧化模块的添加，使烟气中的NO2成分增多，从而大大提升了催化剂的低温脱硝活性，使其可完全满足现在严格的排放要求。
需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置，其特征在于，所述的脱硝装置包括用于氧化NO的NO氧化模块（1）及用于脱硝的选择性催化还原模块（2），其中所述NO氧化模块（1）包括NO离子体或臭氧氧化装置（1.1）及NO催化氧化层（1.2）；所述选择性催化还原模块（2）内部由上至下依次设置喷氨装置（2.2）和至少一层催化还原层，所述的喷氨装置（2.2）与储氨装置连接，处理后的烟气经烟气出口排入大气。
2.根据权利要求1所述的基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置，其特征在于，所述选择性催化还原模块（2）入口处设有入口导流板（2.1），所述入口导流板（2.1）存在110～135°折角；所述烟气出口处设有出口导流板（2.5），所述出口导流板（2.5）正对出口烟道部分为垂直导流板，其余部分带有110～135°折角。
3.根据权利要求1所述的基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置，其特征在于，所述NO离子体或臭氧氧化装置（1.1）采用高压放电方式产生臭氧和/或等离子体，所述NO催化氧化层（1.2）采用蜂窝状金属氧化物催化剂，所述金属氧化物催化剂为Pt-Pd/TiO2、Pt-Pd/Al2O3、Mn-Ce/TiO2和Mn-Ce/Al2O3催化剂中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置，其特征在于，所述的催化还原层平行设置有两层（2.3，2.4）。
5.根据权利要求1所述的基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置，其特征在于，所述催化还原层采用低钒负载的V2O5-WO3/TiO2催化剂，其中V2O5的负载量不超过1wt%，WO3负载量不超过5wt%。
6.根据权利要求5所述的基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置，其特征在于，所述V2O5-WO3/TiO2催化剂为蜂窝状。
7.一种利用权利要求1～6任一项所述的基于Fast SCR反应的中低温含硫烟气高效脱硝装置进行脱硝的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：烟气进入NO离子体或臭氧氧化装置，与产生的臭氧和/或等离子体充分混合；
步骤2：烟气随后进入NO催化氧化层进行预氧化处理，利用臭氧-催化氧化和/或等离子体氧化方式将烟气中的部分NO氧化为NO2；
步骤3：预氧化的烟气与喷氨装置喷入的NH3混合均匀，然后进入选择性催化还原层进行快速SCR反应，并将处理后的烟气排入大气。
8.根据权利要求7所述的脱硝方法，其特征在于，步骤2中NO氧化效率为40~50%。
9.根据权利要求8所述的脱硝方法，其特征在于，其催化还原反应温度为200℃~350℃。
10.根据权利要求9所述的脱硝方法，其特征在于，其催化还原反应温度为250℃。
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