CN109012104A - 锅炉旁路烟道直喷脱除NOx和SO3的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，包括相互连通的锅炉旁路烟道直喷装置和SCR脱硝装置，所述锅炉旁路烟道直喷装置包括依次连通的锅炉旁路烟道、热解室、锥形联箱和喷射装置，还包括喷枪；SCR脱硝装置包括省煤器出口水平烟道、SCR入口上升烟道、SCR反应器和SCR反应器出口烟道。本发明的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3系统，针对锅炉旁路烟道直喷尿素热解脱硝工艺研制了旁路烟道出口含氨烟气喷射装置和脱硝入口烟气大尺度混合装置，能实现NOX和SO3的高效低成本脱除，从源头上解决ABS问题；使催化剂入口氨氮摩尔比分布均匀性达到现有SCR脱硝装置的水平，解决了锅炉旁路烟道直喷尿素热解脱硝工艺实用化的关键技术。
Description
技术领域
本发明属于烟气污染物治理技术领域，具体地说，本发明涉及锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统。
背景技术
随着NOX排放标准的日益严格，我国燃煤发电厂普遍安装了NH3法SCR烟气脱硝装置。SCR(Selective Catalytic Reduction)脱硝技术是指在280-420℃范围内，还原剂(如液氨、尿素和氨水等)在催化剂作用下，“有选择性”地与烟气中的NOX反应，生成无污染的N2和H2O的NOX减排技术。SCR脱硝还原剂的制备，通常采用液氨蒸发法、尿素热解/水解法、氨水蒸发法。液氨蒸发法因初投资及运行费用较低，在国内SCR还原剂制备工艺中应用最多，尿素热解法次之。但液氨是有毒化学品，运输环节安全隐患大、道路运输安全风险高，生产场所储存量超过10吨时即归属重大危险源。随着社会对当地安全形势要求的日益提高，SCR还原剂从液氨改为尿素的电厂日益增多。在尿素制氨工艺中，锅炉烟气旁路直喷热解法因不需要单独建设热解/水解装置，设备投资少、运行成本低日益受到重视。
我国火电厂超低排放实施之后，NOX排放≤50mg/m3，SCR脱硝装置普遍安装3-4层催化剂，脱硝效率提升至90％左右，氨逃逸大幅增加，空预器ABS(Ammonium Bisulfate，硫酸氢铵，分子式(NH4)HSO4)堵塞问题愈发严重，甚至危及机组安全运行。ABS问题是指气态硫酸氢铵在露点以下凝结为液态后，沉积粘附在设备表面，给设备运行带来的问题。为了从源头上解决ABS问题，不但需要控制氨逃逸，也需脱除烟气中的SO3。
发明专利《一种利用锅炉旁路进行尿素热解制氨的系统》(公开号CN205133164U)，提出利用锅炉旁路烟道进行尿素热解的方案，但其锅炉旁路是为提高脱硝入口烟温服务，入口烟温偏低，烟气量较大且烟道较短，尿素热解反应的时间极短，实用性较差。发明专利申请《锅炉宽负荷尿素直喷热解烟气脱硝系统》(公开号CN106582234A)，通过设置高低温烟气旁路和调温挡板，提高了负荷适用范围。但是现有技术中，均缺乏专门的旁路烟道出口含氨烟气喷射装置和脱硝入口烟气大尺度混合装置，无法使得SCR催化剂入口处的氨氮摩尔比分布均匀性达到现有SCR脱硝装置的水平，因此没法有效控制氨逃逸，也不具备脱除SO3的功能。目前已公开的锅炉旁路烟道直喷脱硝系统与常规的SCR脱硝装置相比，它们很可能会使空预器ABS堵塞问题愈发严重。因此，目前亟需针对锅炉旁路烟道直喷尿素热解脱硝工艺，研发可实现该工艺可靠实用运转的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，实现NOX和SO3的高效脱除，从源头上解决ABS堵塞问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对锅炉旁路烟道直喷尿素热解脱硝工艺，研发相配合的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统和脱硝入口烟气大尺度混合装置，使催化剂入口氨氮摩尔比分布均匀性达到现有SCR脱硝装置的水平，控制氨逃逸量并脱除烟气中的SO3，实现NOX和SO3的高效低成本脱除，从源头上解决ABS堵塞问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，包括锅相互连通的锅炉旁路烟道直喷装置和SCR脱硝装置，所述锅炉旁路烟道直喷装置包括依次连通的锅炉旁路烟道、热解室、锥形联箱和喷射装置，还包括喷枪；SCR脱硝装置包括省煤器出口水平烟道、SCR入口上升烟道、SCR反应器和SCR反应器出口烟道。
在上述实施例的基础上，还包括旁路烟道挡板门，所述旁路烟道挡板门设置于所述锅炉旁路烟道入口水平段内部。
在上述实施例的基础上，还包括旁路烟道导流板组，所述旁路烟道导流板组设置于所述锅炉旁路烟道和热解室之间的旁路烟道中。
在上述实施例的基础上，还包括锥形联箱入口导流板组，所述锥形联箱入口导流板组设置于所述锥形联箱的上游入口烟道中。
在上述实施例的基础上，所述锥形联箱的上端与所述热解室同宽，所述锥形联箱的下端与所述省煤器出口水平烟道同宽。
在上述实施例的基础上，所述喷射装置包括长、短两层支管，所述长支管直径大于所述短支管直径，所述支管末段为斜切坡口。
在上述实施例的基础上，所述喷枪设置于所述锅炉旁路烟道竖直段的内部顶侧。
在上述实施例的基础上，所述SCR反应器设置于所述SCR脱硝装置入口上升烟道和SCR反应器出口烟道之间；所述锅炉旁路烟道直喷装置设置于锅炉转向室和省煤器出口水平烟道之间的旁路，所述喷射装置末端置于所述省煤器出口水平烟道内。
在上述实施例的基础上，所述SCR脱硝装置还包括设置于所述锅炉的SCR脱硝装置入口上升烟道中的烟气大尺度混合器，所述烟气大尺度混合器内设置有相间隔的多层烟气通道，位于一侧的第一烟气入口与奇数层烟气通道相连，位于另一侧的第二烟气入口与偶数层烟气通道相连。
在上述实施例的基础上，所述SCR脱硝装置入口上升烟道进出口分别设置有SCR上升烟道入口导流板组和SCR上升烟道出口导流板组，所述烟气大尺度混合器下游设置有混合器出口整流板组，所述SCR反应器入口设置有SCR反应器入口导流板组和SCR反应器入口整流格栅。
本发明的技术方案所取得的有益技术效果是：
申请人前期的试验设计及验证发现，锅炉旁路烟道尿素直喷热解脱硝要能够实用化，确保尿素溶液能充分热解只是第一步；更重要的是针对锅炉旁路烟道直喷尿素热解脱硝工艺，研发专门的旁路烟道出口含氨烟气喷射装置和脱硝入口烟气大尺度混合装置，使催化剂入口氨氮摩尔比分布均匀性达到现有SCR脱硝装置的水平，以控制氨逃逸。
本发明的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3系统，研制了针对锅炉旁路烟道直喷尿素热解脱硝工艺的旁路烟道出口含氨烟气喷射装置和脱硝入口烟气大尺度混合装置，能实现NOX和SO3的高效低成本脱除，从源头上解决ABS问题；使催化剂入口氨氮摩尔比分布均匀性达到现有SCR脱硝装置的水平，解决了锅炉旁路烟道直喷尿素热解脱硝工艺实用化的关键技术。
附图说明
图1为实施例中锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统及其与锅炉连接关系的左视图；
图2为实施例中锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统及其与锅炉连接关系的俯视图；
图3为实施例中锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统及其与锅炉连接关系的后视图；
附图中的标记为：
1-锅炉转向室；2-锅炉竖井烟道；3-省煤器出口水平烟道；4-SCR脱硝装置入口上升烟道；5-SCR反应器；6-SCR催化剂层；7-锅炉旁路烟道；8-喷枪；9-热解室；10-旁路烟道出口锥形联箱；11-旁路烟道出口含氨烟气喷射装置；12-旁路烟道挡板门；13-旁路烟道导流板组；14-锥形联箱入口导流板组；15-烟气大尺度混合器；16-SCR上升烟道入口导流板组；17-SCR上升烟道出口导流板组；18-SCR反应器入口导流板组；19-混合器出口整流板组；20-SCR反应器入口整流格栅；21-SCR反应器出口烟道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
实施例
参考示意图1所示，本实施例的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，包括锅炉旁路烟道直喷装置和SCR脱硝装置，锅炉旁路烟道直喷装置包括依次连通的锅炉旁路烟道7、热解室9、锥形联箱10和喷射装置11，还包括设置于锅炉旁路烟道7竖直段内部顶侧的喷枪8；SCR脱硝装置包括依次连通的省煤器出口水平烟道3、SCR脱硝装置入口上升烟道4、SCR反应器5和SCR反应器出口烟道21。喷枪8用于喷射还原剂/吸附剂；在本实施例中具体为尿素和SO3脱除剂混合液，SO3脱除剂为易溶于水的碱基吸附剂，优选采用Na2CO3溶液。喷枪8喷出的尿素在热解室9内热解生成NH3气，SO3脱除剂在热解室9内雾化干燥成比表面积大、气流跟随性好的亚微米级细颗粒。
继续参见示意图1，其中，锅炉旁路烟道7水平段的内部设置有旁路烟道挡板门12，挡板门12一侧与锅炉旁路烟道7内壁固定连接，用于烟气量的调节。锅炉旁路烟道7与热解室9连接处的烟道内设置有旁路烟道导流板组13，且位于旁路烟道挡板门12和喷枪8之间。通过设置旁路烟道导流板组13能让旁路烟道中的烟气从水平的锅炉旁路烟道7更为均匀、顺利的进入热解室9中。旁路烟道出口锥形联箱10上游入口处的管道内部设置有锥形联箱入口导流板组14，导流板组14的端部与管道内壁固定连接。参见示意图3，因锥形联箱10的下端宽于上段，呈现为类似上窄下宽的梯形结构，锥形联箱10上游的烟气通过导流板组14可以更为均匀和分散的进入锥形联箱10内部。
旁路烟道出口设置锥形联箱10，能使含氨烟气喷射装置11的每组支管中气流量更为均匀。锥形联箱10设置于热解室9的下游，且锥形联箱10下端与含氨烟气喷射装置11相连。参见示意图3，锥形联箱10的上端与热解室9同宽，锥形联箱10的下端与省煤器出口水平烟道3同宽。将锥形联箱10上端和下段的宽度分别设置，能使从热解室9出来后的烟气更均匀的分散和喷射到省煤器出口水平烟道3中，进而提高与水平烟道3中烟气的混合均匀性。
参见示意图1所示，本实施例中的SCR脱硝装置包括依次连通的省煤器出口水平烟道3、SCR脱硝装置入口上升烟道4和SCR反应器出口烟道21。其中SCR反应器5设置于SCR脱硝装置入口上升烟道和SCR反应器出口烟道之间，SCR催化剂层6设置在SCR反应器5的内部。本实施例中锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统属于锅炉的一部分，与锅炉的上游结构连通；锅炉的上游结构中设有锅炉转向室1和锅炉竖井烟道2。其中锅炉旁路烟道直喷装置从锅炉转向室1的侧面引出，SCR脱硝装置中的省煤器出口水平烟道3与锅炉竖井烟道2连通。锅炉旁路烟道直喷装置设置在锅炉转向室1和省煤器出口水平烟道3之间的旁路烟道上，包括依次连通的锅炉旁路烟道7、热解室9、旁路烟道出口锥形联箱10和旁路烟道出口含氨烟气喷射装置11；喷射装置11末端置于省煤器出口水平烟道3中。锅炉旁路烟道7为水平烟道，一端与锅炉转向室1的侧壁连通，另一端与竖向的热解室9连通。锅炉工作过程中，在锅炉竖井烟道2差压的作用下，锅炉转向室1的高温烟气被引入旁路烟道7中。
参见示意图1和3所示，喷射装置11末端置于省煤器出口水平烟道3内，喷射装置11包括长、短两层支管，长短两层支管均采用无缝钢管制作，末段采用斜切坡口设计。伸入省煤器出口水平烟道3的喷射支管迎风侧设有防磨角钢(图中未标注)。由于锅炉竖井烟道(2)的差压有限，设计时应让旁路烟道中的阻力应尽可能小，因此本实施例中的含氨烟气喷射装置(11)的支管上采用圆形无缝钢管，且支管上不设置流量调节阀。支管的直径和长度，通过数值模拟方法根据省煤器出口水平烟道(3)内的流场分布优化设计，长支管直径较粗，短支管直径较细。
参见示意图1，在本实施例中，SCR脱硝装置5上游入口的上升烟道中设置有烟气大尺度混合器15。烟气大尺度混合器15内设置有相间隔的多层烟气通道，位于一侧的第一烟气入口与奇数层烟气通道相连，位于另一侧的第二烟气入口与偶数层烟气通道相连。由于含氨烟气喷射装置11的每组支管流量不可调，必须在SCR脱硝装置入口上升烟道4中设置烟气大尺度混合器15，使NH3气、SO3脱除剂与烟气充分混合。
省煤器出口水平烟道3的下游管道为SCR脱硝装置入口上升烟道4的入口，二者之间设有弯折管道(图中未标注)。SCR上升烟道入口导流板组16设置在该弯折管道内部，SCR入口烟道宽度方向的烟气(包括旁路烟道中喷射装置11喷出的含氨烟气和来自于省煤器出口水平烟道3的烟气)经过导流板组16后交叉进入烟气大尺度混合器15，并在烟气大尺度混合器15出口及下游烟道相互掺混。混合器15出口设计有绕流元件(图中未标注)，以加强奇偶层烟气在混合器15出口及下游的相互掺混。
参见示意图1，烟气大尺度混合器15的下游为SCR脱硝装置入口上升烟道4的出口，二者之间设有弯折管道(图中未标注)。在SCR脱硝装置5的入口上升烟道4进、出口分别设置导流板组16和17，在烟气大尺度混合器15下游设置整流板组19，在SCR反应器入口设置导流板组18和整流格栅20，能使SCR脱硝装置5内的流场均匀，SCR催化剂层6入口的烟气入射角≤10°，进而提升SCR脱硝的效率，防止催化剂磨损。
本实施例的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，将专门的旁路烟道出口含氨烟气喷射装置设置于锅炉旁路上，将烟气大尺度混合装置设置于SCR入口烟道内；使催化剂入口氨氮摩尔比分布均匀性达到现有SCR脱硝装置的水平，解决了锅炉旁路烟道直喷热解脱硝工艺实用化的关键技术；并在锅炉旁路烟道竖直段内部顶侧的喷枪喷出的尿素溶液中加入易溶于水的碱基吸附剂，实现NOX和SO3的高效低成本脱除，从源头上解决ABS问题。
采用本实施例中的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，对某电厂的锅炉旁路烟道和SCR入口流场进行了优化设计。在热解室顶部设置5根沿宽度方向均布的尿素SO3脱除剂混合溶液喷枪，烟气旁路出口含氨烟气喷射装置设置上下两排分配支管，共30个(2×15)。满负荷下，高温烟气旁路挡板门开度为17°，系统阻力364Pa，出口分配支管上游NH3浓度分布相对标准偏差为4.9％，上下两组分配支管的烟气量相对标准偏差分别为1.5％、2.0％。50％负荷下，高温烟气旁路挡板门全开，系统阻力107Pa，出口分配支管上游NH3浓度分布相对标准偏差为4.3％，上下两组分配支管的烟气量相对标准偏差分别为1.7％、2.0％。优化设计后锅炉相关参数的检测结果如下表1所示。
表1锅炉旁路烟道优化设计后的锅炉相关参数的检测结果
采用数值计算方法，对SCR催化剂入口速度、NH3浓度、烟气入射角、系统压降、温度等参数进行分析，具体结果如下表2所示。满负荷下，首层催化剂上游500mm截面的速度分布相对标准偏差为7.6％，NH3/NOx摩尔比分布相对标准偏差为3.2％，最大入射角小于10°，最大温度绝对偏差小于±2℃，省煤器出口至空预器进口的烟道阻力(不含催化剂层)为439Pa。
表2 SCR脱硝装置优化设计结果
备注：BMCR(Boiler maximum continuous rating)，中文意思为锅炉最大连续蒸发量，主要是在满足蒸汽参数、炉膛安全情况下的最大出力。
从上表1和上表2中锅炉旁路烟道优化设计后的各项技术参数可知，本发明的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3系统，完全能够满足常规SCR脱硝装置流场设计的各项性能指标要求，具有工程实用性。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，其特征在于，包括相互连通的锅炉旁路烟道直喷装置和SCR脱硝装置，所述锅炉旁路烟道直喷装置包括依次连通的锅炉旁路烟道、热解室、锥形联箱和喷射装置，还包括喷枪；SCR脱硝装置包括省煤器出口水平烟道、SCR入口上升烟道、SCR反应器和SCR反应器出口烟道。
2.根据权利要求1所述的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，其特征在于，还包括旁路烟道挡板门，所述旁路烟道挡板门设置于所述锅炉旁路烟道入口水平段内部。
3.根据权利要求1所述的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，其特征在于，还包括旁路烟道导流板组，所述旁路烟道导流板组设置于所述锅炉旁路烟道和热解室之间的旁路烟道转弯处。
4.根据权利要求1所述的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，其特征在于，还包括锥形联箱入口导流板组，所述锥形联箱入口导流板组设置于所述锥形联箱的上游入口烟道中。
5.根据权利要求1所述的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，其特征在于，所述锥形联箱的上端与所述热解室同宽，所述锥形联箱的下端与所述省煤器出口水平烟道同宽。
6.根据权利要求1所述的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，其特征在于，所述喷射装置包括长、短两层支管，所述长支管直径大于所述短支管直径，所述支管末段为斜切坡口。
7.根据权利要求1所述的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，其特征在于，所述喷枪设置于所述锅炉旁路烟道竖直段的内部顶侧。
8.根据权利要求1-7任一项所述的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，其特征在于，所述SCR反应器设置于所述SCR脱硝装置入口上升烟道和SCR反应器出口烟道之间；所述锅炉旁路烟道直喷装置设置于锅炉转向室和省煤器出口水平烟道之间的旁路，所述喷射装置末端置于所述省煤器出口水平烟道内。
9.根据权利要求8所述的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，其特征在于，所述SCR脱硝装置还包括设置于所述锅炉的SCR脱硝装置入口上升烟道中的烟气大尺度混合器，所述烟气大尺度混合器内设置有相间隔的多层烟气通道，位于一侧的第一烟气入口与奇数层烟气通道相连，位于另一侧的第二烟气入口与偶数层烟气通道相连。
10.根据权利要求8所述的锅炉旁路烟道直喷脱除NOX和SO3的系统，其特征在于，所述SCR脱硝装置入口上升烟道进出口分别设置有SCR上升烟道入口导流板组和SCR上升烟道出口导流板组，所述烟气大尺度混合器下游设置有混合器出口整流板组，所述SCR反应器入口设置有SCR反应器入口导流板组和SCR反应器入口整流格栅。
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