CN108671752A - 一种荷电喷氨和氨分解组合的烟气脱硝装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种荷电喷氨和氨分解组合的烟气脱硝单元，包括反应器筒体，反应器筒体内沿烟气流向依次设置一级省煤器、二级省煤器和空预器，还包括：设于一级省煤器与二级省煤器之间的SCR催化剂层；设于二级省煤器与空预器之间的氨分解催化剂层；以及设于反应器筒体的烟气进口处的荷电喷氨器。本发明还公开荷电喷氨和氨分解组合的烟气脱硝装置，包括顺次设置的燃烧器、旋风筒、烟气脱硝单元、除尘器、脱硫塔和烟囱。本发明采用荷电喷氨，喷入的氨水颗粒具有荷电，反应活性好提高SCR催化还原效果；在空预器前设置氨分解催化剂层，能够有效分解反应剩余的NH3，减少氨逃逸对尾部空预器、除尘器等的影响；同时，使流经尾部设备的烟气无氨味、飞灰品质高。
Description
技术领域
本发明属于锅炉烟气排放的大气污染物控制技术领域，具体涉及一种 荷电喷氨和氨分解组合的烟气脱硝装置及方法，适用于中小型循环流化床 燃煤锅炉的超低排放改造。
背景技术
火力发电一直以来是我国电力行业的主体，煤炭的燃烧使用，不可避 免会产生二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)等大量气态污染物。燃煤电 厂排放烟气中的NOx具有严重危害，NOx是形成光化学烟雾和酸雨的重要 组成成分，也易演变为PM10及PM2.5，导致雾霾产生，污染环境，NO 还会与人体的血红蛋白直接反应，危害人类身体健康。因此，旨在解决氮氧化物控制的基础研究和技术开发一直以来备受关注。
近年来，环保标准也越来越严格。火电厂大气污染物排放标准 (GB13233-2011)，曾对火电厂烟气中氮氧化物的最高允许排放浓度作出 规定：新建电厂燃煤锅炉排放烟气中氮氧化物排放浓度不得高于100 mg/m3。
为了满足日趋严格的氮氧化物排放标准，电厂锅炉必须采用高效脱硝 技术。烟气脱硝主要有还原法和吸收法两种，还原法包括选择性催化还原 (SCR)技术和选择性非催化还原(SNCR)技术。SCR法脱硝效率高， 但是前期投入及运行成本高，工艺流程较复杂，反应温度控制要求高，催 化剂价格昂贵且易由于烧结、中毒、堵塞、磨损等问题失效；SNCR法脱硝虽然系统简单，但脱硝效率仅35～45％，且反应温度高，能耗相对较高， 而且在高氨氮比的氨水投加情况下，氨逃逸较为明显，对尾部的设备产生 重大的腐蚀。而吸收法主要针对烟气中NO2/NO摩尔比>1的情况，需要 对烟气中的NO的进行前置氧化，系统复杂且氧化后的氮氧化物难以有效 脱除。
许多电厂往往根据项目实际情况，特别是中小型循环流化床锅炉通常 采用SNCR-SCR联合烟气脱硝系统，但由于SCR催化剂的体积有限，在 保证脱硝效率的同时，氨逃逸的问题仍然是目前急需解决的一大难题。如 果能够进一步提高脱硝效率，并有效解决氨逃逸，必将使水冷壁腐蚀、冷 灰斗积渣、氨分布不均和空预器低温腐蚀等问题得到有效控制。
例如，专利申请201510768292.8《一种燃煤锅炉SNCR和SCR联合 脱硝系统及方法》中，提出了一种联合脱硝系统，但是跟本发明的装置相 比，该专利仅仅在锅炉炉膛燃烧区上部及锅炉折焰角位置进行普通氨喷 射，SCR反应区的还原剂来自于SNCR区的氨逃逸。
专利申请201410013763.X《一种SNCR和SCR混合脱硝系统》中， 采用氨水或尿素溶液代替氨气，由喷枪进行雾化后作为还原剂，以此来降 低氨逃逸量。但根据研究及工程实际运行情况可知，该方法对抑制氨逃逸 所起的效果十分有限。
发明内容
本发明提供一种荷电喷氨和氨分解组合的烟气脱硝装置及方法，在提 高脱硝效率的同时，有效降低氨逃逸率，以解决锅炉脱硝后氨逃逸引起的 二次污染和后续设备腐蚀的问题。
一种荷电喷氨和氨分解组合的烟气脱硝单元，包括反应器筒体，所述 反应器筒体内沿烟气流向依次设置一级省煤器、二级省煤器和空预器，还 包括：
设于所述一级省煤器与二级省煤器之间的SCR催化剂层；
设于二级省煤器与空预器之间的氨分解催化剂层；
以及设于反应器筒体的烟气进口处的荷电喷氨器。
本发明采用荷电喷氨，喷入的氨水颗粒具有同性电荷，分散度好，与 烟气进行良好的混合，提高反应活性，从而提高SNCR和SCR催化的整 体还原效果；使NOx排放浓度小于25mg/Nm3，高于目前的超低排放标准 50mg/Nm3。同时在空预器前设置氨分解催化剂层，能够有效分解反应剩 余的NH3，将氨逃逸控制在1mg/Nm3以下。进而减少氨逃逸对尾部空预 器、除尘器等设备产生的影响；同时，达到流经尾部设备的烟气无氨味， 飞灰品质高的目的。
优选地，所述一级省煤器和SCR催化剂层之间筒壁上设置声波吹灰 器。所述声波吹灰器在筒壁上均匀分布。
优选地，所述反应器筒体的烟气入口位于顶部侧壁上，烟气水平进入 反应器筒体内并在反应器筒体内顶部转折后向下运行，所述荷电喷氨器设 置在烟气流向转折处。
优选地，所述荷电喷氨器包括高压喷枪以及与高压喷枪相连的氨计量 泵、空压机和高压电源。
进一步优选地，还包括自动控制器，所述氨计量泵、空压机和高压电 源接入并受控于该自动控制器。
优选地，所述氨分解催化剂层的厚度为1～2m。
优选地，所述氨分解催化剂层所用催化剂包括载体和负载在载体上的 活性成分；所述载体为TS-1、TS-2或ZSM-5；所述活性成分为贵金属或 过渡金属。
进一步优选地，所述活性成分的负载量为：过渡金属的负载量1～5％wt (质量比)，贵金属的负载量0.1～0.5％wt(质量比)。
氨分解催化剂采用浸渍法或离子交换法合成。按常规制备方法，以 TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2为原料，合成TS-1、TS-2、ZSM-5等载体，再 将贵金属Pt、Pd、Ru、Rh、Ag、Au或过渡金属Fe、Cu、Co、Ni、Zn、 Cd负载至载体上，得到氨分解催化剂。
在目前普遍的SNCR和SCR脱硝过程中，提高脱硝效率往往需要更 多的氨水喷入，从而产生更高的氨逃逸。现有技术中为追求高效率， NH3/NOx比甚至达到了3～4，造成了大量的氨逃逸，从而造成后续设备腐 蚀和二次污染。本发明氨分解催化剂的研发能够很好的解决这一矛盾。
本发明还提供一种荷电喷氨和氨分解组合的的烟气脱硝装置，其特征 在于，包括顺次设置的燃烧器、旋风筒、所述的烟气脱硝单元、除尘器、 脱硫塔和烟囱；所述旋风筒烟气入口处设置荷电喷氨器。
本发明还提供一种荷电喷氨和氨分解组合的的烟气脱硝方法，优选采 用本发明装置进行，包括如下步骤：
先将氨水以NH3/NOx＝0.5～1在旋风筒前通过荷电喷氨器喷入，在旋 风筒内完成初步脱硝；之后在省煤器前的烟气流向转折处再次通过荷电喷 氨器喷入氨水将以NH3/NOx＝0.3～0.5喷入，氨水在一级省煤器完成均布之 后经过SCR催化剂成，从而完成深度脱硝，使NOx排放小于25mg/Nm3； 最后烟气通过第二级省煤器至氨分解催化剂层，之前未反应的氨在此完成 完全分解，使最终的氨逃逸小于1mg/Nm3；脱硝后的烟气再经过除尘和脱 硫完成最终的烟气净化处理，通过烟囱排向大气。
当前使用的SNCR脱硝装置投资少、设备简单、不增加锅炉烟气阻力， 但SNCR对烟气温度、烟气中氨的混合度、合适温区内的停留时间都有很 高的要求，所以脱硝效率较低且氨逃逸量较大；在一、二级省煤器间设置 的SCR脱硝装置正好可以利用SNCR逃逸的氨作为还原剂去除烟气中的 氮氧化物，在提高脱硝效率的同时降低氨逃逸量。但是，按照目前的 SNCR/SCR耦合脱硝仅仅能做到50mg/Nm3的排放浓度。如要达到更高的 脱硝效率，进一步降低NOx的排放浓度，必须对脱硝过程进行改进。所 以本发明将常规的SNCR氨喷射改成了荷电喷射，能有效改善氨在烟气中 的混合度，同时提高氨的反应活性，继而提高SNCR的脱硝效率。另外在 一级省煤器烟道转折区设置了带荷电氨还原剂喷射点，既可提高SCR脱硝装置内的催化还原反应的活性，也可提高烟气与还原剂的混合程度，从 而大大增加SCR脱硝装置对氮氧化物的脱除效率。此外，由于设置了氨 分解催化剂，所以在之前的脱硝过程中即使氨的喷入过量，也可以在此过 程中得到有效分解，不会造成氨的大量逃逸。
经过SNCR脱硝装置和SCR脱硝装置后，烟气中仍会有少量氨逃逸 至锅炉尾部空预器及除尘器等设备处，逃逸的氨会与烟气中的硫化物发生 反应生成硫酸氢铵。
NH3+SO3+H2O＝NH4HSO4
硫酸氢铵在通常运行温度下的露点为147℃，它以液体的形式在物体 表面凝聚或是液滴的形式分散于烟气中。液态的硫酸氢铵是一种粘性很强 的物质，在烟气中会黏附飞灰。同时，硫酸氢铵在低温下还具有吸湿性， 当其从烟气中吸水后，随着烟气到达锅炉尾部空预器及除尘器等设备处时 会对设备造成腐蚀，降低设备使用寿命、增加设备出力，导致设备运行成 本增加，同时也增大了设备运行的不安全性。本发明在二级省煤器后的氨 分解催化装置，可将逃逸的氨还原成无害的N2。氨分解反应如下：
2NH3+3O2＝N2+3H2O
4NH3+3O2＝2N2+6H2O
以TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2为原料，合成TS-1、TS-2、ZSM-5等载 体，再将贵金属Pt、Pd、Ru、Rh、Ag、Au或过渡金属Fe、Cu、Co、Ni、 Zn、Cd负载至载体上，形成氨分解催化剂。
SNCR脱硝装置布置在旋风筒进口处，还原剂喷射采用前述的荷电喷 射技术，带荷电氨喷射系统由一套完整的自动控制系统控制，可灵活调节 还原剂喷射量来适应锅炉各种运行负荷要求。
所述一、二省煤器间的SCR脱硝装置，锅炉烟气在流经一级省煤器 烟道转折区时，烟气发生离心转弯，导致大部分还原剂集中在烟道的后墙 侧，本发明在此处设置了带荷电氨喷射点，可强化进入SCR反应器前还 原剂的均匀分布，同时带荷电还原剂具有更好的反应活性，可以大幅提高 催化还原反应效率。SCR反应器布置在一、二级省煤器之间，一方面可通 过调整两级省煤器的受热面，使反应器内达到最优的催化还原反应温度； 另一方面，一级省煤器也有促使还原剂与烟气充分混合的作用，还能优化 烟气进入反应器的流场。
SCR反应器设置声波吹灰器，利用声波发声器把调制高压气流而产生 的强声波，输入反应器空间内。声波吹灰器采用的是物理手段除灰，对催 化剂没有任何的毒副作用，能够保持催化剂的连续清洁，最大限度保证催 化剂在脱硝反应中的催化活性。
所述二级省煤器后的氨分解催化装置，其用处是在氨分解催化剂的作 用下将逃逸的还原剂分解，无论对于单独SNCR脱硝装置、单独SCR脱 硝装置还是SNCR+SCR联合脱硝装置，均可达到大幅降低氨逃逸的效果， 进而减少氨逃逸对尾部空预器、除尘器等设备产生的影响；同时，达到流 经尾部设备的烟气无氨味，飞灰品质高的目的。
本系统可按照脱硝要求进行不同组合，如(氨的荷电喷射)+SNCR+ (氨的荷电喷射)+SCR，(氨的荷电喷射)+SNCR+(氨的荷电喷射)+SCR+ 氨分解，(氨的荷电喷射)+SNCR+氨分解，(氨的荷电喷射)+SCR+氨分 解等。
与现有技术比较，具有如下的有益效果：
(1)系统应用范围广，既可单独用于SNCR或SCR烟气脱硝，又 能在SNCR-SCR联合脱硝时使用。
(2)相比普通氨喷射，本发明在旋风筒进口或者省煤器烟道转折区 喷入还原剂，从而提高氨和烟气的均匀混合程度；此外，喷入的氨水颗粒 具有荷电，反应活性好；这两点均能在一定程度上提高NOx的还原效果；
(3)针对当前脱硝系统氨逃逸现象，本发明在空预器前设置氨分解 催化剂层，能够有效分解反应剩余的NH3，进而减少氨逃逸对尾部空预器、 除尘器等设备产生的影响；同时，达到流经尾部设备的烟气无氨味，飞灰 品质高的目的。
附图说明
图1是本发明脱硝单元的结构示意图；
图2是本发明烟气净化装置结构示意图。
图3是本发明装置中带荷电氨水还原剂制作流程示意图。
图中所示附图标记如下：
1-反应器筒体 2-第一荷电喷氨器 3-一级省煤器
4-声波吹灰器 5-SCR催化剂层 6-二级省煤器
7-氨分解催化剂层 8-空预器 9-压缩空气罐
10-燃烧器 11-第二荷电喷氨器 13-旋风筒
13-除尘器 14-脱硫塔 15-烟囱
具体实施方式
如图1所示，一种SCR脱硝单元，包括反应器筒体1，反应器筒体内 由上至下依次为一级省煤器3、SCR催化剂层5、二级省煤器6、氨分解 催化剂层7和空预器8，一级省煤器3和SCR催化剂层5之间的筒壁上均 匀分布声波吹灰器4，声波吹灰器外接压缩空气罐；氨分解催化剂层厚度 设置为1～2m。
反应器筒体顶部进气、底部出气，顶部的烟气流向转折处设置第一荷 电喷氨器2，荷电喷氨器包括高压喷枪以及与高压喷枪相连的空压机、计 量泵和高压电源，还包括一自动控制器例如DCS，空压机、计量泵和高压 电源接入并受控于自动控制器，喷枪设于一级省煤器转角处，顺烟气流向 喷氨。带荷电氨水还原剂制作流程示意图如图3所示。
如图2所示，一种组合式烟气脱硝系统，包括顺次连接的燃烧器10、 旋风筒12、SCR脱硝单元(如图1和图2所示)、除尘器13、脱硫塔14 和烟囱15。燃烧器的炉膛内设置旋风筒入口处设置第二荷电喷氨器11， 第二荷电喷氨装置和第一荷电喷氨器结构相同，带荷电氨水还原剂制作流 程示意图如图3所示。燃烧器10、旋风筒13、除尘器14、脱硫塔15和烟 囱16均为现有工艺设备。
SCR脱硝单元包括反应器筒体1，反应器筒体内由上至下依次为一级 省煤器3、SCR催化剂层5、二级省煤器6、氨分解催化剂层7和空预器8， 一级省煤器3和SCR催化剂层5之间的筒壁上均匀分布声波吹灰器4，声 波吹灰器外接压缩空气罐。反应器筒体顶部进气、底部出气，顶部的烟气 流向转折处设置第一荷电喷氨器2。
氨分解催化剂采用浸渍法或离子交换法合成。按常规制备方法，以 TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2为原料，合成TS-1、TS-2、ZSM-5等载体，载 体本身也可通过购买获得，再将贵金属Pt、Pd、Ru、Rh、Ag、Au或过渡 金属Fe、Cu、Co、Ni、Zn、Cd采用浸渍法或离子交换法负载至载体上， 得到氨分解催化剂。活性成分的负载量：过渡金属的负载量1～5％wt(质 量比)，贵金属的负载量0.1～0.5％wt(质量比)。。
烟气在流经旋风筒进口和省煤器烟道转折区时，通过一套自动控制系 统对氨水进行荷电，并将荷电氨由设置在旋风筒进口处的SNCR还原剂和 省煤器烟道转折区的SCR还原剂喷枪喷射至烟道内，自动控制系统可灵 活调节还原剂喷射量。此处还原剂的喷射可强化进入反应器前还原剂的均 匀分布，同时带荷电还原剂具有更好的反应活性，可以大幅提高催化还原 反应效率。烟气转向完成后经过一级省煤器，由于一级省煤器受热面的管 子对烟气有扰动作用，可进一步改善还原剂与烟气的混合均匀程度。接着 烟气流经SCR反应器区域，该区域的温度在300～400℃左右。SCR催化 剂的活性物质主要是五氧化二钒，在SCR催化剂的表面上发生氧化还原 反应，氮氧化物被还原成N2，烟气中氮氧化物被大幅度消除，可达到超 净排放的要求。同时此处氨逃逸浓度可以控制在2.5mg/Nm3以下。在SCR 催化剂的上方设置声波吹灰器，能够保持催化剂的连续清洁，最大限度保 证催化剂在脱硝反应中的催化活性。
经过SNCR脱硝装置和SCR脱硝装置的烟气继续流动，经过二级省 煤器下方的氨分级催化装置，该装置内的氨分解催化剂将逃逸的氨还原成 无害的N2，氨逃逸浓度控制在1mg/Nm3以下，从而降低氨逃逸对尾部空 预器、除尘器等设备的影响，并使流经尾部设备的烟气无氨味，同时提高 飞灰品质。氨分解反应如下：
2NH3+3O2＝N2+3H2O
4NH3+3O2＝2N2+6H2O。
对比例1：在专利201510768292.8《一种燃煤锅炉SNCR和SCR联 合脱硝系统及方法》中，提出了一种联合脱硝系统，但是跟本发明的装置 相比，该专利仅仅在锅炉炉膛燃烧区上部及锅炉折焰角位置进行普通氨喷 射，SCR反应区的还原剂来自于SNCR区的氨逃逸。相对应的，在本发明 中，氨水不仅在SNCR区喷入，同时在省煤器烟道转折区喷入，这样有利于提高氨和烟气的均匀混合程度；此外，喷入的氨水颗粒具有荷电，反应 活性好；这两点均能在一定程度上提高SCR催化还原效果。
对比例2：在专利201410013763.X《一种SNCR和SCR混合脱硝系 统》中，采用氨水或尿素溶液代替氨气，由喷枪进行雾化后作为还原剂， 以此来降低氨逃逸量。但根据研究及工程实际运行情况可知，该方法对抑 制氨逃逸所起的效果十分有限。本发明在脱硝过程中增加了氨分解催化系 统，在空预器前设置氨分解催化剂层，在催化剂的作用下，有效分解反应 剩余的NH3，进而减少氨逃逸对尾部空预器、除尘器等设备产生的影响； 同时，达到流经尾部设备的烟气无氨味，飞灰品质高的目的。
对于NOx浓度为300mg/Nm3的燃煤烟气，经过本发明所涉及的不同 的脱硝工艺处理，预期会得到以下的脱硝效果。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征 并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化 或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。
Claims (9)
1.一种荷电喷氨和氨分解组合的烟气脱硝单元，包括反应器筒体，所述反应器筒体内沿烟气流向依次设置一级省煤器、二级省煤器和空预器，其特征在于，还包括：
设于所述一级省煤器与二级省煤器之间的SCR催化剂层；
设于二级省煤器与空预器之间的氨分解催化剂层；
以及设于反应器筒体的烟气进口处的荷电喷氨器。
2.根据权利要求1所述烟气脱硝单元，其特征在于，所述反应器筒体的烟气入口位于顶部侧壁上，烟气水平进入反应器筒体内并在反应器筒体内顶部转折后向下运行，所述荷电喷氨器设置在烟气流向转折处。
3.根据权利要求1所述烟气脱硝单元，其特征在于，所述荷电喷氨器包括高压喷枪以及与高压喷枪相连的氨计量泵、空压机和高压电源。
4.根据权利要求3所述烟气脱硝单元，其特征在于，还包括自动控制器，所述氨计量泵、空压机和高压电源接入并受控于该自动控制器。
5.根据权利要求1所述烟气脱硝单元，其特征在于，所述氨分解催化剂层的厚度为1～2m。
6.根据权利要求1所述烟气脱硝单元，其特征在于，所述氨分解催化剂层所用催化剂包括载体和负载在载体上的活性成分；所述载体为TS-1、TS-2或ZSM-5；所述活性成分为贵金属或过渡金属。
7.根据权利要求6所述烟气脱硝单元，其特征在于，所述活性成分的负载量为：过渡金属的负载量1～5％wt，贵金属的负载量0.1～0.5％wt。
8.一种荷电喷氨和氨分解组合的的烟气脱硝装置，其特征在于，包括顺次设置的燃烧器、旋风筒、如权利要求1～7任意一项权利要求所述的烟气脱硝单元、除尘器、脱硫塔和烟囱；所述旋风筒烟气入口处设置荷电喷氨器。
9.一种荷电喷氨和氨分解组合的烟气脱硝方法，其特征在于，包括如下步骤：
先将氨水以NH3/NOx＝0.5～1在旋风筒前通过荷电喷氨器喷入，在旋风筒内完成初步脱硝；之后在省煤器前的烟气流向转折处再次通过荷电喷氨器喷入氨水将以NH3/NOx＝0.3～0.5喷入，氨水在一级省煤器完成均布之后经过SCR催化剂层，从而完成深度脱硝，使NOx排放小于25mg/Nm3；最后烟气通过第二级省煤器至氨分解催化剂层，之前未反应的氨在此完成完全分解，使最终的氨逃逸小于1mg/Nm3；脱硝后的烟气再经过除尘和脱硫完成最终的烟气净化处理，通过烟囱排向大气。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181019 |
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