CN111298642A - 低温烟气段自由基增强选择性催化还原脱硝方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低温烟气段自由基增强选择性催化还原方法和装置，装置包括预热系统、过氧化氢配制系统、氨气配制系统和脱硝反应器，首先抽取除尘装置前的部分烟气进入预热系统，经预热系统中排出的烟气和经过除尘装置后的烟气一起进入脱硝反应器中；利用预热系统的热量预热过氧化氢溶液，预热后的过氧化氢溶液进入脱硝反应器，在烟气的温度下蒸发成过氧化氢蒸汽，在第一催化剂作用下对烟气中的NO进行氧化处理；利用预热系统的热量预热氨水溶液，使氨水变成氨气进入脱硝反应器中，在第二催化剂作用下进行脱硝反应。过氧化氢在第一催化剂表面氧化NO，可以有效提高低温条件下NH3还原NO的反应效率,实现了对工业锅炉和工业窑炉的低温烟气段进行脱硝。

Description

低温烟气段自由基增强选择性催化还原脱硝方法和装置
技术领域
本发明涉及烟气脱硝领域，具体涉及一种低温烟气段自由基增强选择性催化还原方法和装置。
背景技术
工业锅炉和工业窑炉为工业生产和国民生活提供了能源和热源。当空气作为氧化剂时，热化学反应过程中会存在氮氧化物的生成。空气中过量的氮氧化物(NOx)会形成硝酸盐等细微颗粒物，严重损害人体的心肺功能，引起呼吸系统疾病；同时，NOx参与光化学反应产生对流层臭氧也会对人的视觉和呼吸系统产生严重危害。如果不加处理而直接将玻璃窑炉烟气排放至大气中会对我国生态环境构成了严重威胁。
成熟的电厂脱硝技术主要是非选择性催化还原技术(SNCR)和选择性催化还原(SCR)。这两种成熟的电厂脱硝技术均需要在特定的反应温度区间下才能获得较高的脱硝效果，这种特定的反应温度区间通常被称为温度窗口。通常，选择性催化还原技术的温度窗口为300-500℃，非选择性催化还原技术的温度窗口为则高于800℃。然而，不同于电厂锅炉，工业锅炉和工业窑炉的烟气温度通常较低，这导致在工业窑炉后端(即低温烟气段)难以获得合适的温度窗口。以小型供热锅炉为例，排烟经过多级换热设备后，排烟温度通常低于200℃，这导致在工业窑炉后端难以获得合适的温度窗口。因此，受制于烟气条件、场地面积和成本限制，成熟的电厂脱硝技术难以在工业锅炉和工业窑炉上得到应用。要想达到温度窗口必须对后端烟气进行外置加热设备加热以提高其温度，导致生产成本大大提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够对工业锅炉和工业窑炉的低温烟气段进行脱硝的低温烟气段自由基增强选择性催化还原方法；同时，本发明的目的还在于提供一种实现上述方法的装置。
为实现上述目的，本发明的低温烟气段自由基增强选择性催化还原方法采用如下技术方案：低温烟气段自由基增强选择性催化还原脱硝方法，包括以下步骤：
1)抽取除尘装置前的部分烟气进入预热系统，经预热系统中排出的烟气和经过除尘装置后的烟气一起进入脱硝反应器中；
2)利用预热系统的热量预热过氧化氢溶液，预热后的过氧化氢溶液进入脱硝反应器，在烟气的温度下蒸发成过氧化氢蒸汽，在第一催化剂作用下对烟气中的NO进行氧化处理；
3)利用预热系统的热量预热氨水溶液，使氨水变成氨气进入脱硝反应器中与步骤2)中氧化后的烟气混合，在第二催化剂作用下进行脱硝反应。
在步骤2)中第一催化器选取以铁的氧化物或铜的氧化物为活性中心的复合型氧化物。
在步骤3)中第二催化器选取以钒的氧化物或铁的氧化物为活性中心的复合型氧化物。
在步骤2)中预热后的过氧化氢溶液温度在40-90℃，预热后的过氧化氢溶液与NO的反应温度控制在100-250℃。
在步骤3)氨气与烟气中氮氧化物的反应温度控制在100-200℃之间。
在步骤2)中过氧化氢蒸汽与原始烟气中NO的摩尔比为0.5-3，在步骤3)氨气与原始烟气中NO的摩尔比为0.8-1.5。
在步骤1)中预热系统还包括备用加热系统，备用加热系统包括备用加热锅炉用于向预热系统中的烟气提供热量。
实现上述方法的低温烟气段自由基增强选择性催化还原装置采用如下技术方案：低温烟气段自由基增强选择性催化还原装置，包括脱硝反应器，脱硝反应器具有进烟口，还包括预热系统、过氧化氢配制系统和氨气配制系统；
预热系统包括通过管路与除尘装置前的烟气管道连通的第一轴流风机，第一轴流风机通过管路连通有第一换热器，第一换热器通过管路连通有第二轴流风机，第二轴流风机通过管路与除尘装置后的烟气管道连通，除尘装置后的烟气管道上于第二轴流风机的下游设置有第一压气机，第一压气机通过管路与脱硝反应器的进烟口连通，第一轴流风机与第一换热器之间的管路上设置有与管路中烟气进行换热的第二换热器；
过氧化氢配制系统包括过氧化氢储液罐，过氧化氢储液罐通过管路与第一换热器连通，管路上设置有第一计量泵，第一换热器通过管路连通有第二计量泵以并换热后的过氧化氢溶液通过，第二计量泵通过管路连接有喷射器，喷射器连通有空气风机，喷射器通过管路与脱硝反应器连通以使预热后的过氧化氢溶液进入脱硝反应器与进入脱硝反应器中的烟气混合并产生反应，脱硝反应器设置有第一催化剂层；
氨气配制系统包括氨水储液罐，氨水储液罐通过管路连通有第三计量泵，第三计量泵通过管路与第二换热器连通，第二换热器通过管路与脱硝反应器连通以使氨水变成氨气进入脱硝反应器中，脱硝反应器中于第一催化剂层下游设置有格栅，连通第二换热器和脱硝反应器的管路与格栅连通，连通第二换热器和脱硝反应器的管路上设置有气液分离器、储气罐和第三轴流风机，脱硝反应器中于格栅下游设置有第二催化剂层。
该装置还包括备用加热系统，备用加热系统包括备用加热锅炉，备用加热锅炉通过管路连通有第二压气机，第二压气机通过管路与第一轴流风机和除尘装置前的烟气管道之间的管路连通，以向预热系统中的烟气提供热量。
连通喷射器和脱硝反应器的管路伸入脱硝反应器中，位于脱硝反应器中的管路部分上设置有多个喷头。
本发明的有益效果：利用除尘装置前的部分烟气的热量进入预热系统，加热过氧化氢溶液，预热后的过氧化氢溶液进入脱硝反应器中与烟气混合，在烟气温度下蒸发成过氧化氢蒸汽，第一催化剂能够活化过氧化氢蒸汽产生强氧化性的羟基自由基，利用羟基自由基将烟气中的部分NO快速氧化成NO2或HNO3。预热系统还能够对氨水进行加热，使氨水变成氨气进入脱硝反应器中，在第二催化剂作用下，NO2可与NO被氨气还原形成N2，此外，HNO3与氨气可形成NH4NO3，NH4NO3与NO同样可在第二催化剂作用下反应生成N2。过氧化氢在第一催化剂表面氧化NO，可以有效提高低温条件下NH3还原NO的反应效率,实现了对工业锅炉和工业窑炉的低温烟气段进行脱硝。
附图说明
图1是本发明低温烟气段自由基增强选择性催化还原装置的一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明的低温烟气段自由基增强选择性催化还原方法的实施例，包括以下步骤：
1)抽取除尘装置前的部分烟气进入预热系统，经预热系统中排出的烟气和经过除尘装置后的烟气一起进入脱硝反应器中；
2)利用预热系统的热量预热过氧化氢溶液，预热后的过氧化氢溶液进入脱硝反应器，在烟气的温度下蒸发成过氧化氢蒸汽，在第一催化剂作用下对烟气中的NO进行氧化处理；
3)利用预热系统的热量预热氨水溶液，使氨水变成氨气进入脱硝反应器中与步骤2)中氧化后的烟气混合，在第二催化剂作用下进行脱硝反应。
在步骤2)中第一催化器选取以铁的氧化物或铜的氧化物为活性中心的复合型氧化物。
在步骤3)中第二催化器选取以钒的氧化物或铁的氧化物为活性中心的复合型氧化物。
在步骤2)中预热后的过氧化氢溶液温度在40-90℃，预热后的过氧化氢溶液与NO的反应温度控制在100-250℃。
在步骤3)氨气与烟气中氮氧化物的反应温度控制在100-200℃之间。
在步骤2)中过氧化氢蒸汽与原始烟气中NO的摩尔比为0.5-3，在步骤3)氨气与原始烟气中NO的摩尔比为0.8-1.5。
在步骤1)中预热系统还包括备用加热系统，备用加热系统包括备用加热锅炉用于向预热系统中的烟气提供热量。
预热过氧化氢溶液的目的是，由于烟气温度会随锅炉负荷发生变化，且除尘装置后的尾部烟气段的温度较低，与纯过氧化氢的沸点相对比较接近，因此为保证相对稳定和良好的雾化效果，有必要对过氧化氢溶液进行预热。
本发明的低温烟气段自由基增强选择性催化还原装置的实施例，如图1所示，包括预热系统、过氧化氢配制系统、氨气配制系统、烟气脱硝系统。预热系统包括通过管路与除尘装置1前的烟气管道连通的第一轴流风机2，第一轴流风机2通过管路连通有第一换热器3，第一换热器3采用管壳式换热器。第一换热器3通过管路连通有第二轴流风机4，第二轴流风机4通过管路与除尘装置1后的烟气管道连通。除尘装置为现有技术，此处不再详述其结构。除尘装置1后的烟气管道上于第二轴流风机4的下游设置有第一压气机5，第一压气机5通过管路与脱硝反应器6的进烟口连通。第一轴流风机2与第一换热器3之间的管路上设置有与管路中烟气进行换热的第二换热器7，第二换热器7采用蒸发式换热器，第一轴流风机与第一换热器之间的管路上具有换热管段8。该装置还包括备用加热系统，备用加热系统包括备用加热锅炉9，备用加热锅炉9通过管路连通有第二压气机10，第二压气机10通过管路与第一轴流风机和除尘装置前的烟气管道之间的管路连通，以向预热系统中的烟气提供热量。
过氧化氢配制系统包括过氧化氢储液罐15，过氧化氢储液罐15通过管路与第一换热器3连通，该管路上设置有第一计量泵16，第一换热器3通过管路连通有第二计量泵17以并换热后的过氧化氢溶液通过。第二计量泵17通过管路连接有喷射器18，喷射器18连通有空气风机19，喷射器通过管路与脱硝反应器连通以使预热后的过氧化氢溶液进入脱硝反应器与进入脱硝反应器中的烟气混合并产生反应。连通喷射器18和脱硝反应器6的管路伸入脱硝反应器6中，位于脱硝反应器中的管路部分上设置有多个雾化喷头20。脱硝反应器设置有第一催化剂层21，第一催化剂采用铁的氧化物或铜的氧化物为活性中心的复合型氧化物。过氧化氢配制系统还包括第一储液罐11用于储存高浓度的过氧化氢，还包括第二储液罐13用于储存工艺水，第一储液罐通过管路与过氧化氢储液罐连通且该管路上设置有第四计量泵12。第二储液罐通过管路与过氧化氢储液罐连通且该管路上设置有第五计量泵14。
氨气配制系统包括氨水储液罐22，氨水储液罐通过管路连通有第三计量泵23，第三计量泵23通过管路与第二换热器7连通，第二换热器通过管路与脱硝反应器连通以使氨水变成氨气进入脱硝反应器中。脱硝反应器中于第一催化剂层21下游设置有格栅30，连通第二换热器和脱硝反应器的管路与格栅连通。连通第二换热器和脱硝反应器的管路上设置有气液分离器24、储气罐25和第三轴流风机26。脱硝反应器中于格栅下游设置有第二催化剂层31，第二催化剂采用以钒的氧化物或铁的氧化物为活性中心的复合型氧化物。第二换热器具有液体氨出口，液体氨出口设置有排液管，气液分离器的液体出口设置有液体管路，液体管路与排液管连通，液体管路上设置有第一阀门27，排液管上于液体管路的下游设置有第二阀门28。氨气配制系统还包括用于盛接排液管中氨水的储液池29。
脱硝反应器中于第二催化剂层31下游还设置有除雾装置32，脱硝反应器的出口设置有烟气换热器33进行升温处理，并通过第四轴流风机34排入空气中，除雾装置32和烟气换热器33均为现有技术，本实施例中不再详述其具体结构。
使用时，热烟气一部分从除尘装置通过，热烟气另一部分即除尘装置前的部分烟气经过预热系统，两部分烟气混合后经第二轴流风机增压进入脱硝反应器。利用进入预热系统中的部分热烟气的预热，并以备用锅炉作为热源补充，为过氧化氢热源预热和氨气的制备提供热源。只有当除尘装置前的烟气管道中的烟气温度过低时，达不到后期预热效果时才使用备用锅炉。在氧化氢配制系统中配制预热的过氧化氢溶液，通过雾化喷嘴送入脱硝反应器中，并与烟气进行混合，混合后的烟气通过第一催化剂层，过氧化氢溶液在高温的烟气中蒸发成蒸汽并与烟气混合，在反应温度为100-250℃，工作压力为0-0.5MPa，过氧化氢与原始烟气中一氧化氮的摩尔比为0.5-3，氨与原始烟气中一氧化氮的摩尔比为0.8-1.5的范围内，烟气中的NO经过氧化转化为NO2和HNO3，上述两者摩尔比的选择根据产物分布进行选择。氧化后的烟气经过格栅；向氧化后的烟气中喷入氨气，与氧化后烟气中的NO2及硝酸反应形成铵盐，在反应温度为100-200℃，工作压力为0-0.5MPa之间的范围内，剩余的NO经过第二催化剂层后被还原成氮气，实现脱硝功能，净化后的烟气通过除雾装置脱除过饱和水，经过烟气换热器换热升温后，通过第四轴流风机输送到烟囱排入大气。通过本装置及方法，不仅解决了低温条件下氮氧化物脱除的技术问题，还可避免硝酸盐的形成，并节省环保装置的初投资及运行成本。
利用除尘装置前的部分烟气的热量进入预热系统，加热过氧化氢溶液，预热后的过氧化氢溶液进入脱硝反应器中与烟气混合，在烟气温度下蒸发成过氧化氢蒸汽，第一催化剂能够活化过氧化氢蒸汽产生强氧化性的羟基自由基，利用羟基自由基将烟气中的部分NO快速氧化成NO2或HNO3。预热系统还能够对氨水进行加热，使氨水变成氨气进入脱硝反应器中，在第二催化剂作用下，NO2可与NO被氨气还原形成N2，此外，HNO3与氨气可形成NH4NO3，NH4NO3与NO同样可在第二催化剂作用下反应生成N2。过氧化氢在第一催化剂表面氧化NO，可以有效提高低温条件下NH3还原NO的反应效率,实现了可以高效率的对工业锅炉和工业窑炉的低温烟气段进行脱硝。由于除尘装置前段抽出的烟气没有除尘，具有一定的灰尘和杂质，因此从除尘装置前段抽出的烟气应尽量少，满足使用即可。
在本发明的其他实施例中，在除尘装置前烟气温度能够满足要求时，也可以不设置备用加热系统；过氧化氢储液罐中也可以直接灌入配制好的一定浓度的过氧化氢溶液，此时可以省去第一储液罐、第四计量泵以及第二储液罐和第五计量泵。

Claims (10)

1.低温烟气段自由基增强选择性催化还原脱硝方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)抽取除尘装置前的部分烟气进入预热系统，经预热系统中排出的烟气和经过除尘装置后的烟气一起进入脱硝反应器中；
2)利用预热系统的热量预热过氧化氢溶液，预热后的过氧化氢溶液进入脱硝反应器，在烟气的温度下蒸发成过氧化氢蒸汽，在第一催化剂作用下对烟气中的NO进行氧化处理；
3)利用预热系统的热量预热氨水溶液，使氨水变成氨气进入脱硝反应器中与步骤2)中氧化后的烟气混合，在第二催化剂作用下进行脱硝反应。
2.根据权利要求1所述的低温烟气段自由基增强选择性催化还原脱硝方法，其特征在于：在步骤2)中第一催化器选取以铁的氧化物或铜的氧化物为活性中心的复合型氧化物。
3.根据权利要求1所述的低温烟气段自由基增强选择性催化还原脱硝方法，其特征在于：在步骤3)中第二催化器选取以钒的氧化物或铁的氧化物为活性中心的复合型氧化物。
4.根据权利要求1所述的低温烟气段自由基增强选择性催化还原脱硝方法，其特征在于：在步骤2)中预热后的过氧化氢溶液温度在40-90℃，预热后的过氧化氢溶液与NO的反应温度控制在100-250℃。
5.根据权利要求1所述的低温烟气段自由基增强选择性催化还原脱硝方法，其特征在于：在步骤3)氨气与烟气中氮氧化物的反应温度控制在100-200℃之间。
6.根据权利要求1所述的低温烟气段自由基增强选择性催化还原脱硝方法，其特征在于：在步骤2)中过氧化氢蒸汽与原始烟气中NO的摩尔比为0.5-3，在步骤3)氨气与原始烟气中NO的摩尔比为0.8-1.5。
7.根据权利要求1所述的低温烟气段自由基增强选择性催化还原脱硝方法，其特征在于：在步骤1)中预热系统还包括备用加热系统，备用加热系统包括备用加热锅炉用于向预热系统中的烟气提供热量。
8.能够实现如权利要求1所述的方法的低温烟气段自由基增强选择性催化还原装置，包括脱硝反应器，脱硝反应器具有进烟口，其特征在于：还包括预热系统、过氧化氢配制系统和氨气配制系统；
预热系统包括通过管路与除尘装置前的烟气管道连通的第一轴流风机，第一轴流风机通过管路连通有第一换热器，第一换热器通过管路连通有第二轴流风机，第二轴流风机通过管路与除尘装置后的烟气管道连通，除尘装置后的烟气管道上于第二轴流风机的下游设置有第一压气机，第一压气机通过管路与脱硝反应器的进烟口连通，第一轴流风机与第一换热器之间的管路上设置有与管路中烟气进行换热的第二换热器；
过氧化氢配制系统包括过氧化氢储液罐，过氧化氢储液罐通过管路与第一换热器连通，管路上设置有第一计量泵，第一换热器通过管路连通有第二计量泵以并换热后的过氧化氢溶液通过，第二计量泵通过管路连接有喷射器，喷射器连通有空气风机，喷射器通过管路与脱硝反应器连通以使预热后的过氧化氢溶液进入脱硝反应器与进入脱硝反应器中的烟气混合并产生反应，脱硝反应器设置有第一催化剂层；
氨气配制系统包括氨水储液罐，氨水储液罐通过管路连通有第三计量泵，第三计量泵通过管路与第二换热器连通，第二换热器通过管路与脱硝反应器连通以使氨水变成氨气进入脱硝反应器中，脱硝反应器中于第一催化剂层下游设置有格栅，连通第二换热器和脱硝反应器的管路与格栅连通，连通第二换热器和脱硝反应器的管路上设置有气液分离器、储气罐和第三轴流风机，脱硝反应器中于格栅下游设置有第二催化剂层。
9.根据权利要求7所述的低温烟气段自由基增强选择性催化还原装置，其特征在于：该装置还包括备用加热系统，备用加热系统包括备用加热锅炉，备用加热锅炉通过管路连通有第二压气机，第二压气机通过管路与第一轴流风机和除尘装置前的烟气管道之间的管路连通，以向预热系统中的烟气提供热量。
10.根据权利要求7所述的低温烟气段自由基增强选择性催化还原装置，其特征在于：连通喷射器和脱硝反应器的管路伸入脱硝反应器中，位于脱硝反应器中的管路部分上设置有多个喷头。
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