CN109985522A - 一种用于水泥炉窑烟气脱硝的余热锅炉中内嵌scr烟气脱硝反应器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于水泥炉窑烟气脱硝的余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝反应器及方法，包括余热锅炉，余热锅炉的顶部烟气入口接入竖向的余热锅炉入口烟道，余热锅炉入口烟道顶端连接水泥炉窑窑尾预热器C1级旋风筒出口，余热锅炉内带有若干层水平换热管；余热锅炉内且位于最上层水平换热管与顶部烟气入口之间增设竖直扩容段，竖直扩容段内及余热锅炉本体段内沿烟气流向间隔设置若干层催化剂层；每层催化剂层上方对应设置吹灰装置；顶层催化剂层上方设置整流器，整流器上方设置喷氨装置。本发明直接对余热锅炉适当改造，改变了常规思路常常独立设置SCR脱硝反应器，在增设SCR反应器的同时，避免系统压力损失大、流程长、温降大等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业炉窑烟气氮氧化物治理技术，特别是应用于水泥 熟料生产线窑尾高粉尘烟气的选择性催化还原脱硝技术(Selective Catalytic Reduction,SCR)。
背景技术
针对水泥炉窑的NOx控制技术主要有三类：低氮燃烧技术(Low NOx burner,LNB)、选择性非催化还原脱硝技术(Selective Non-Catalytic Reduction,SNCR)和选择性催化还原脱硝技术(Selective Catalytic Reduction,SCR)。依脱硝效率由低到高，低氮燃烧技术约为10％-30％， SNCR脱硝技术约为50％-70％，SCR脱硝高达80-90％以上。
常规SCR脱硝技术是独立于原生产系统，对烟道实施合理改造后， 在外部串联设置装载有催化剂的SCR反应器，在反应器入口烟道喷入合 适的氨基还原剂，将烟气中的氮氧化物快速、高效地将水泥窑烟气中生成 的NOx选择性的还原为N2，脱硝效率一般认为在80％-90％以上。
例如，公开号为CN107596917A的中国发明专利申请公开了一种水泥 熟料生产线窑尾烟气的SNCR-SCR装置及工艺，利用所述水泥熟料生产 线窑尾烟气SNCR-SCR装置，水泥炉窑分解炉出口烟气依次经过预热器、 SCR反应装置、余热锅炉、生料磨和除尘器处理后由窑尾烟囱排出，氨水 经由氨水入口送入氨蒸发器内，来自预热器且温度范围在320-360℃内的 烟气将氨水完全气化，气化后氨引入氨/烟气混合其中，与来自窑尾烟囱温 度在100-180℃范围内的烟气混合并稀释至设定浓度后送入氨喷射器，再 由氨喷射器喷入入口烟道内，在SCR反应器催化反应。公告号为 CN 208599489U的中国实用新型专利公开了一种水泥窑烟气SCR脱硝系 统，包括预热器系统、还原剂供给系统、余热发电系统、高温风机、原料磨及废气处理系统、除尘装置、SCR反应器装置、风机和解析装置；该实 用新型将SCR脱硝系统设置在高温风机的后端，使得烟气在高温环境下 进行脱硝。上述SCR脱硝反应器都是独立于余热锅炉设置(以下简称外 置式SCR反应器)
基于水泥厂的SCR脱硝技术仍然集中在余热锅炉前端(350℃温度段) 增设外置式SCR反应器，目前国内尚无全烟气量实施案例。主要在于： 外置式SCR反应器改造工程量大、适宜的点位位置高，全部为高空作业 (80m以上)，实施难度大；第二，外置式SCR反应器对于烟道的改造量 大，系统运行能耗高；第三，外置式SCR反应器温度损失大，降低了余 热锅炉热能利用率。
发明内容
针对常规独立的外置式SCR反应器改造难度大、温降大、阻力损失 大等问题，发明提供一种余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝反应器及烟气脱 硝方法，直接对余热锅炉适当改造后将SCR反应器内嵌于余热锅炉内部， 利用余热锅炉内嵌SCR烟气脱硝反应器的技术方法，改变了常规思路常 常独立设置SCR脱硝反应器，在增设SCR反应器的同时，避免系统压力损失大、流程长、温降大等问题。
一种用于水泥炉窑烟气脱硝的余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝反应器， 包括余热锅炉，余热锅炉的顶部烟气入口接入竖向的余热锅炉入口烟道， 余热锅炉入口烟道顶端连接水泥炉窑窑尾预热器C1级旋风筒出口，所述 余热锅炉内带有若干层水平换热管；所述余热锅炉内且位于最上层水平换 热管与顶部烟气入口之间增设竖直扩容段，所述竖直扩容段内及余热锅炉 本体段内沿烟气流向间隔设置若干层催化剂层，所述余热锅炉本体段内的催化剂层设于对应的水平换热管上方；每层催化剂层上方对应设置吹灰装 置；顶层催化剂层上方设置整流器，整流器上方设置喷氨装置。
本发明未设置独立的SCR反应器，催化剂布置在余热锅炉上部扩容 段和余热锅炉本体段。为保证催化剂、整流器的安装、检修空间，对余热 锅炉上部实施扩容改造，使SCR反应器和余热锅炉成为一体式装置，SCR 反应器内嵌于余热锅炉，依催化剂设计层数，余热锅炉上部的扩容段高度 增加8-10m。
本发明直接在余热锅炉中或将余热锅炉适当扩容改造后，利用余热锅 炉内嵌SCR烟气脱硝反应器的技术方法，改变了常规思路常常独立设置 SCR脱硝反应器，在增设SCR反应器的同时，避免了系统压力损失大、 流程长、温降大等问题。水泥窑尾预热器C1级旋风筒引出的高温高尘烟 气都是送入余热锅炉，现将余热锅炉改造成为内嵌SCR反应器的结构，兼具余热锅炉和SCR反应器的功能，烟气自上而下流经内嵌有SCR反应 器的余热锅炉时依次通过整流器、2～8层催化剂，在催化剂床体上完成催 化还原脱硝反应，净化烟气从余热锅炉下部排出。为节约蒸汽耗量，各层 催化剂上部设置蒸汽吹灰器，余热锅炉扩容段内催化剂上部另外增设声波 吹灰器，其它结构形式与常规SCR反应器基本一致。
本发明奖将SCR反应器内嵌于余热锅炉，尽量减少因加装SCR反应 器对烟道造成的改造和阻力损失的增加。
本发明的催化剂2-8层可调，引接自窑尾预热器C1级旋风筒，处理 的是经低氮燃烧和SNCR联合脱硝的烟气，烟气温度可达320-500℃，入 口NOx浓度200～1200mg/m3，脱硝率可以高达90％以上。优选地，催化 剂层采用蜂窝式催化剂，为应对高尘环境，催化剂孔径不小于9mm。
优选地，所述顶部烟气入口与余热锅炉入口烟道之间设置导入烟道； 所述导入烟道包括与余热锅炉入口烟道连接的接口段，接口段连接余热锅 炉入口烟道上的导入烟道引接点；所述接口段的轴线与余热锅炉入口烟道 轴线的夹角不大于55°。
优选地，竖直扩容段的高度为8～10m。对应的将新引接点比原引接点 太高8-10m，导入烟道自新开孔的导入烟道引接点引入烟气。
本发明对现有的余热锅炉壳体和入口烟道进行改造，对余热锅炉实施 竖直向上方向的扩容改造，形成内嵌SCR反应器的余热锅炉，依余热锅 炉扩容高度所需的空间，新增SCR反应器导入烟道，开孔位置向上部抬 升，新增开孔位置保证自窑尾预热器C1级旋风筒导入SCR反应器的烟道 竖直方向夹角不大于55°。
优选地，所述导入烟道沿烟气流向依次为所述接口段、烟气挡板门、 烟气膨胀节、弯管和方圆节，所述方圆节连接弯管和所述竖直扩容段的顶 部。可通过挡板门通过挡板门临时退出内嵌SCR脱硝的余热锅炉，保证 系统运行的稳定性。
优选地，所述导入烟道引接点上游设置CEMS；所述余热锅炉的出口 烟道内设置氨逃逸检测仪。
从窑尾预热器C1级旋风筒出口到导入烟道引接点布置第一烟气检测 仪(CEMS)，作为SCR反应器入口CEMS(Continous Emmission Monitor System，烟气连续在线检测仪)，从导入烟道引接点依烟气流向布置电动 挡板门、膨胀节、弯管、方圆节。方圆节与余热锅炉扩容段相连，扩容段 由上自下布置氨水喷射系统，与上游的SNCR脱硝喷氨装置组成二级氨喷 射系统，尽量利用SNCR段的余氨，余氨不足时启动SCR段脱硝系统。
作为优选，扩容段内的氨水喷射系统可以引接自SNCR脱硝供氨系 统，也可以设置独立的SCR反应器供氨系统。
优选地，所述导入烟道引接点上游设置CEMS；所述余热锅炉的出口 烟道内设置氨逃逸检测仪。
第一烟气检测仪(CEMS)布置从C1级旋风预热器出口到导入烟道 引接点间的竖直烟道，主要检测指标有烟气流量、温度、NOx浓度、O2浓度和烟尘浓度；内嵌SCR反应器的余热锅炉出口设置氨逃逸检测仪， 作为优选，内嵌SCR反应器的余热锅炉出口不设置独立的CEMS，直接 利用窑尾烟囱CEMS作为本脱硝系统的第二CEMS。
第一CEMS、第二CEMS和氨逃逸检测仪，所有信号送至SCR脱硝 控制系统，由控制系自动算出的理论需氨量，通过气动调节阀和质量流量 计配合使用，确定实际的氨水需求量。
优选地，所述竖直扩容段内催化剂层上方的吹灰器为声波-蒸汽联合 吹灰装置；余热锅炉本体段内催化剂层上方的吹灰器为蒸汽吹灰器。即原 余热锅炉本体段内增设的催化剂层上方采用蒸汽吹灰器；扩容段内催化剂 层上方采用声波-蒸汽联合吹灰装置。在催化剂上部配置吹灰器，采用蒸 汽吹灰器+声波吹灰器，正常工况下投用声波吹灰器，蒸汽吹灰器作为备 用，尽可能节省蒸汽消耗。
优选地，所述喷氨装置和顶层催化剂之间设置烟气整流器，保证进入 余热锅炉SCR反应器烟气的流场均匀性。
优选地，所述喷氨装置为喷氨格栅；喷嘴的设置保证喷氨格栅的喷射 截面覆盖率为150％。喷氨格栅为常规喷氨格栅。
优选地，所述余热锅炉外设置催化剂吊装平台和脱硝检修平台。对余 热锅炉壳体现有检修人孔进行改造或是重新开孔，开孔位置满足各层催化 剂的吊装和检修需求。
优选地，所述余热锅炉本体段、竖直扩容段和导入烟道段外均包覆保 温层。
改造工作完成后，在内嵌SCR反应器的余热锅炉外部包覆保温材料， 覆盖范围包括导入烟道段、新增扩容段和余热锅炉本体段，保温材料由内 向外依次为为硅酸铝纤维、岩棉和彩钢板包覆，保证余热锅炉外部温度不 超过50℃。
本发明一改传统SCR脱硝技术新增独立的外置式SCR反应器的思路， 将SCR反应器内嵌于余热锅炉。内嵌SCR反应器的余热锅炉系统可以避 免烟气系统大幅改造，使烟气流程更加流畅，压力损失更小，提高余热锅 炉入口温度进而提升余热锅炉热效，实施SCR脱硝改造的工程量大幅下 降。依烟气流向，烟气从水泥窑尾预热器C1级旋风筒出口汇合后送入余 热锅炉的烟道合适点位设置第一烟气检测仪完成烟气参数检测后，自新增 开孔点转向，经导入烟道送至在余热锅炉上内嵌的SCR反应器，在余热 锅炉扩容段上部合适点位布置喷氨格栅，喷入的氨与烟气混合，经整流器 均布后进入SCR反应层，然后依次通过2～8层催化剂，在催化剂床体上 完成催化脱硝反应后，从余热锅炉下部排出。催化剂采用蜂窝式催化剂， 为应对高尘环境，催化剂孔径不小于9mm。
为克服增设催化床层引起的压力损失，需同步配套实施高温风机扩容 改造/新增增压风机，随后依次经由生料磨、除尘器、窑尾风机后由烟囱排 放。
本发明还提供一种余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝方法，利用本发明 装置实施，包括如下步骤：来自水泥炉窑窑尾预热器C1级旋风筒出口的 烟气进入余热锅炉内，向烟气中喷氨，喷入的氨与烟气混合，混合后的烟 气自上而下流经内嵌有SCR反应器的余热锅炉时依次通过整流器、若干 层催化剂，在催化剂床体上完成催化还原脱硝反应，净化烟气从锅炉下部 排出。优选地，催化剂设置2-8层。
优选地，使用20～25wt％的氨水作为还原剂，利用烟道自身热量实现 气化，由窑尾烟囱引接洁净烟气稀释到5vol％以下，经烟气/氨气混合器后 送入余热锅炉SCR反应器入口烟道氨喷射点，随烟气进入SCR脱硝反应 器。
SCR反应器以入口NOx浓度在200mg/m3～1000mg/m3范围内波动作 为设计参数，其上游低氮改造和投运SNCR脱硝系统正常或故障启停，独 立投运SCR脱硝系统，仍可保证出口NOx浓度不超过100mg/m3。
本发明装置可以直接加装在现在水泥厂已经配置的低氮燃烧(LNB)、 选择性非催化还原(SNCR)脱硝、LNB-SNCR脱硝后，不影响已经建成 的脱硝设施的使用，配合使用还能减少还原剂耗量。
本发明解决了中国水泥企业实施SCR脱硝改造时普遍存在的场地受 限的问题，以及SCR脱硝改造高空作业施工难度大、温降损失大，是一 种高效的SCR脱硝工艺和技术，也是一种切实有效的SCR脱硝改造技术 方法。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)所选用的技术，将余热锅炉适当扩容改造后的SCR反应器内嵌 于余热锅炉，改造工程量小、烟道系统流畅、系统压力损失小，改造后的 设备兼具SCR脱硝和余热锅炉热能利用的双重功效；
(2)二级喷氨技术，在一级喷氨(SNCR段脱硝)的余氨量较大时， 二级喷氨系统处于低流量或退出状态，减少逃逸氨排放浓度；在一级喷氨 的余氨量不足时，二级喷氨系统处于启动状态或高流量状态，提高脱硝效 率；配置方式和运行方式灵活、氨水利用率高、氨逃逸浓度低。
(3)在余热锅炉上部内嵌SCR反应器后，能有效控制余热锅炉段的 余氨，减少余氨对余热锅炉的腐蚀。SCR段的吹灰系统加强了余热锅炉段 的排灰，提升余热锅炉热效。
(4)改造技术在烟道和烟气检测系统上最大限度实现了利旧，最大限 度为企业节省建设费用。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图。
图中所示附图标记如下：
1 原余热锅炉烟道开孔处 2 新增开孔点
3 导入烟道挡板门 4 膨胀节
5 弯管 6 方圆节
7 余热锅炉扩容段(虚线部分) 8 喷氨装置
9 整流器 10 催化剂层
11 锅炉汽包联合吹灰装置 12 蒸汽吹灰器
13 C1级旋风筒至余热锅炉烟道 14 第一CEMS
15 余热锅炉水平换热管 16 氨逃逸检测仪
具体实施方式
本发明装置在原余热锅炉上进行改造，如图1所示，为本发明对现有 余热锅炉改造后的内嵌SCR反应器的结构示意图。
在竖向的C1级旋风筒至余热锅炉烟道13至余热锅炉烟道13上，将 原余热锅炉烟道开孔处上抬8-10m高度，在原余热锅炉的竖直段上方向上 延长，增设余热锅炉扩容段7(虚线部分)，余热锅炉扩容段7的顶部连接 导入烟道，导入烟道连接C1级旋风筒出口烟道上的新增开孔点2，导入 烟道沿烟气流向包括接口段、膨胀节4、弯管5和方圆节6，弯管段采用 虾米弯，接口段连接新增开孔点2，接口段轴线与余热锅炉入口烟道轴线 的夹角不大于55°。接口段内设置导入烟道挡板门3，方圆节连接弯管段 和余热锅炉扩容段顶部，余热锅炉本体段内有若干层余热锅炉水平换热管 15，余热锅炉扩容段内以及余热锅炉本体段内沿烟气流向依次设置若干层 催化剂层，催化剂数量2-8层，余热锅炉本体段内的催化剂层设置在对应 的水平换热管上方。
方圆节下方设置喷氨装置8，为常规喷氨格栅结构，喷氨装置与顶层 催化剂层之间设置整流器9，每层催化剂层上方均设置吹灰装置，原余热 锅炉本体内催化剂层上方设置蒸汽吹灰器12，扩容段内催化剂层上方设置 声波-蒸汽联合吹灰装置11。
C1级旋风筒至余热锅炉烟道13内进入导入烟道前设置第一CEMS 14，余热锅炉底部的出口烟道内仅设置氨逃逸检测仪16，将窑尾烟囱现有 的CEMS作为SCR脱硝的第二CEMS。
第一烟气检测仪，布置在高温预除尘器下游喷氨格栅上游区段，主要 检测指标有烟气流量、温度、NOx浓度、O2浓度和烟尘浓度；第二烟气 检测仪无需新增，直接使用窑尾烟囱CEMS信号；第一CEMS和第二 CEMS和氨逃逸检测仪，所有信号送至SCR脱硝控制系统，由控制系自 动算出的理论需氨量，通过气动调节阀和质量流量计配合使用，确定实际 的氨水需求量。
实施例1
日产2500吨水泥炉窑SCR脱硝试验装置，烟气量250000Nm3/h，入 口烟气温度350℃±20℃，含尘量30-100g/m3，NOx初始浓度 280-1200mg/m3(SCR脱硝反应器上游已经有配置SNCR脱硝装置，若上游 SNCR脱硝装置不投运，初始浓度高达700-1200mg/m3，上游SNCR脱硝 装置投运后，最低可以控制NOx排放浓度在200mg/m3，设计脱硝后NOx 浓度＜50mg/m3，氨逃逸浓度＜5mg/m3。
详见附图1，将余热锅炉上部抬升扩容，导入烟道开孔点位抬升10m， 原有烟道部件入口件2、挡板门3、膨胀节4、虾米弯5、方圆节6直接利 旧，进行整体抬升，对余热锅炉扩容获得新增件7作为SCR反应器，自 上而下依次安装有：喷氨格栅8、整流器9、催化剂10，借用余热锅炉内 部换热管件15之间的内部空间，适当加以改造，布置催化剂10，换热管 件间布置的催化剂仅配置蒸汽吹灰器12，引入余热锅炉原有的声波吹灰器 实现联合吹灰。
第一CEMS14布置在C1级旋风筒至余热锅炉导入管道之间的合理的 点位，所选用的CEMS装置耐高温高尘，监测指标有NOx、烟气流量Q、 烟气温度T、烟气含氧量。扩容段内的第二级氨喷射装置采用常规喷氨格 栅，还原剂采用20-25wt％的氨水，直接引接自原SNCR脱硝的供氨系统。 内嵌SCR反应器的余热锅炉出口仅设置氨逃逸检测仪14，将窑尾烟囱现有的CEMS作为SCR脱硝的第二CEMS，引接的信号有NOx浓度、烟气 流量Q、烟气温度T、烟气含氧量、NH3浓度。
在SNCR脱硝装置投运的条件下，第一CEMS显示NOx浓度为 280-320mg/m3，氨氮摩尔比为0.6时，第二烟气检测仪NOx浓度为140-160 mg/m3，氨逃逸检测仪浓度为0mg/m3；氨氮摩尔比为0.85时，第二CEMS 上NOx浓度为20-35mg/m3，氨逃逸检测仪浓度为1.7mg/m3；氨氮摩尔比 为1.0时，第二CEMS上NOx浓度为8-15mg/m3，氨逃逸检测仪浓度为 3.7mg/m3。
合理的氨氮摩尔比选0.85。
在SNCR脱硝装置故障停运时，第一CEMS上NOx浓度为 750-1200mg/m3，根据合理的氨氮摩尔比0.85，系统自动调节氨水流量增 大至原来的3-4倍，NOx排放浓度可以可控制在50mg/m3以下，NH3排放 浓度可控制在2.5mg/m3以下。
与安装SCR反应器之前相比，余热锅炉出口温度由原来的250℃，提 升到280℃，发热量增加了20％。
此项改造工程充分实现了利旧：导入烟道中阀门烟道、膨胀节等管件 均实现了利旧。充分利用了余热锅炉的内部空间，在余热锅炉水平管件的 中空位置布置催化剂；并利用余热锅炉原来配置的声波吹灰器实现联合吹 扫。余热锅炉中空部位因填充了催化剂，催化剂的蓄热功效提升了余热锅 炉的热效。
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 (10)
1.一种用于水泥炉窑烟气脱硝的余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝反应器，包括余热锅炉，余热锅炉的顶部烟气入口接入竖向的余热锅炉入口烟道，余热锅炉入口烟道顶端连接水泥炉窑窑尾预热器C1级旋风筒出口，所述余热锅炉内带有若干层水平换热管；其特征在于，所述余热锅炉内且位于最上层水平换热管与顶部烟气入口之间增设竖直扩容段，所述竖直扩容段内及余热锅炉本体段内沿烟气流向间隔设置若干层催化剂层，所述余热锅炉本体段内的催化剂层设于对应的水平换热管上方；每层催化剂层上方对应设置吹灰装置；顶层催化剂层上方设置整流器，整流器上方设置喷氨装置。
2.根据权利要求1所述余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝反应器，其特征在于，所述顶部烟气入口与余热锅炉入口烟道之间设置导入烟道；所述导入烟道包括与余热锅炉入口烟道连接的接口段，接口段连接余热锅炉入口烟道上的导入烟道引接点；所述接口段的轴线与余热锅炉入口烟道轴线的夹角不大于55°。
3.根据权利要求1所述余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝反应器，其特征在于，竖直扩容段的高度为8～10m。
4.根据权利要求2所述余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝反应器，其特征在于，所述导入烟道沿烟气流向依次为所述接口段、烟气挡板门、烟气膨胀节、弯管和方圆节，所述方圆节连接弯管和所述竖直扩容段的顶部。
5.根据权利要求2所述余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝反应器，其特征在于，所述导入烟道引接点上游设置CEMS；所述余热锅炉的出口烟道内设置氨逃逸检测仪。
6.根据权利要求1所述余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝反应器，其特征在于，所述竖直扩容段内催化剂层上方的吹灰器为声波-蒸汽联合吹灰装置；余热锅炉本体段内催化剂层上方的吹灰器为蒸汽吹灰器。
7.根据权利要求1所述余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝反应器，其特征在于，所述喷氨装置为喷氨格栅；喷嘴的设置保证喷氨格栅的喷射截面覆盖率为150％。
8.根据权利要求1所述余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝反应器，其特征在于，所述余热锅炉外设置催化剂吊装平台和脱硝检修平台。
9.根据权利要求2所述余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝反应器，其特征在于，所述余热锅炉本体段、竖直扩容段和导入烟道段外均包覆保温层。
10.一种用于水泥炉窑烟气脱硝的余热锅炉中内嵌SCR烟气脱硝方法，其特征在于，包括如下步骤：来自水泥炉窑窑尾预热器的C1级旋风筒出口的烟气进入内嵌SCR反应器的余热锅炉内，向烟气中喷氨，喷入的氨与烟气混合，混合后的烟气自上而下流经内嵌有SCR反应器的余热锅炉时依次通过整流器、若干层催化剂，在催化剂床体上完成催化还原脱硝反应，净化烟气从锅炉下部排出。
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