CN112963857A - 一种超低NOx排放浸没燃烧式气化系统及尾气脱硝余热回收工艺 - Google Patents
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Abstract
一种超低NOx排放浸没燃烧式气化系统及尾气脱硝余热回收工艺，其特征是：所述系统由浸没燃烧式气化器和选择性催化还原技术脱硝及余热回收装置组成，选择性催化还原技术脱硝及余热回收装置由热风炉、SCR反应器、换热器、喷淋塔和烟囱组成，热风炉进气口与浸没燃烧式气化器的烟气出口连接；SCR反应器进气口与热风炉出气口相连接；换热器热源进气口与SCR反应器出口相连接；喷淋塔进气口与换热器烟气出口相连接；换热器使用的换热介质是从SCV水池中引流而来，经过热交换的水再流回SCV水池中；喷淋塔使用的换热介质是从浸没燃烧式气化器的水槽中引流而来，经过热交换的水再流回浸没燃烧式气化器水槽中。脱硝效率高，运行成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及液化天然气气化技术领域和环保技术领域，涉及一种浸没燃烧式气化器，特别是涉及一种含有尾气SCR脱硝及余热回收的浸没燃烧式气化器，该浸没燃烧式气化器常应用于液化天然气接收站。
背景介绍
液化天然气（LNG）供给用户时需要利用浸没燃烧式气化器（SCV）将LNG加热，使其变为气态天然气。浸没燃烧式气化器（SCV）的作用是通过燃烧天然气产生的热量把LNG接收站的低温LNG加热气化并过热至0℃以上的天然气（NG），然后送入管道外输至用户。在大型的LNG接收站，通常配备相应的SCV气化器，以备用气负荷急增的情况下，迅速启动，提高系统的供气能力。现有技术中有的LNG接收站使用的SCV的结构如图1所示，其包括鼓风机1、空气风道2、燃烧器3、燃烧室4、烟气分布器5、水槽6、换热管束7、水泵8、碱液罐9、烟囱10等。空气和天然气在燃烧器3充分混合后燃烧产生高温烟气，高温烟气经烟气分布器5直接排入水槽6中，高温烟气与水槽6中的水浴直接接触换热，加热后的水浴将进入到换热管束7的LNG加热气化成天然气（NG），NG过热到要求的外输温度后从换热管束7的出口排出，最终烟气与水浴换热后经烟囱10排放到空气中。
在SCV设备使用过程中，会产生大量的NOX，NOX会对人体的健康以及环境造成很大的损害，所以必须对NOX的排放严加控制。随着环保要求的不断严格，对锅炉排放尾气中NOX的排放也愈加严格。北京市地方标准《锅炉大气污染物排放标准》（DB11/139-2015）要求新建燃气锅炉氮氧化物排放浓度限值30mg/Nm³；天津市地方标准《锅炉大气污染物排放标准》（DB12/151-2020）规定燃气锅炉NOX的排放限值是50mg/Nm³。
目前常用的脱硝方式有两种：
一、采用选择性非催化还原（SNCR）方法对烟气进行脱硝，将还原剂直接在高温炉膛内喷洒，炉膛内温度需在850℃~1100℃，还原剂与烟气混合后与烟气中NOX发生化学反应使NOX转化为N2和H2O。但是此方案存在以下问题：
（1）对炉膛内温度要求较高，最佳反应温度为850℃~1100℃，当温度较低时，还原剂与NOX无法反应，同时尾气中NH3的量增加；当温度过高时，还原剂NH3会被氧化为NOX。
（2）难以保证还原剂与烟气充分混合，NH3/NOX摩尔比高；
（3）对还原剂的用量较大；
（4）脱硝效率较低，只有50%左右。
二、采用选择性催化还原技术（SCR）方法对烟气进行脱硝，由于SCV设备烟囱烟气温度较低，所以需要从炉膛引出一部分高温烟气与低温烟气混合达到反应温度，同时在烟囱部位加装SCR反应器，将还原剂在反应器进口喷洒，还原剂与烟气混合后在反应器内催化剂的作用下，与烟气中NOX发生化学反应使NOX转化为N2和H2O。但是此方案存在以下问题：
（1）现有市场上SCR反应温度窗口较为狭窄，在300℃~420℃，并且起始反应温度较高，烟囱烟气温度较低，这就需要更多的高温烟气从炉膛引出，就需要更多的燃料，降低了设备效率；或者采用电加热方法将烟气温度升高，增加了运行成本；
（2）在脱硝反应后，烟气温度较高，没有回收利用，造成能源的浪费。
发明内容
本发明的目的是针对目前国内外SCV设备排放的烟气中NOX含量远高于相关排放标准，而且烟气温度较低（<30℃）的问题，设计了一种超低NOx排放浸没燃烧式气化系统，同时提供了一种使用SCR解决SCV设备排放的低温烟气中NOX中含量超标并且对烟气余热进行回收利用的一体化工艺路线，不仅使烟气中NOX的排放符合当地的环保要求，同时对烟气热量进行回收，减小热量的损耗，提高设备的热利用率。
本发明的技术方案之一是：
一种超低NOx排放浸没燃烧式气化系统，其特征是：它由浸没燃烧式气化器和选择性催化还原技术（SCR）脱硝及余热回收装置组成，所述的浸没燃烧式气化器由水槽、燃烧器、烟气分布器、换热管束组成，所述的选择性催化还原技术（SCR）脱硝及余热回收装置由热风炉、SCR反应器、换热器、喷淋塔和烟囱组成，所述热风炉进气口与浸没燃烧式气化器的烟气出口连接；所述SCR反应器进气口与热风炉出气口相连接；所述换热器热源进气口与SCR反应器出口相连接；所述喷淋塔进气口与换热器烟气出口相连接；所述换热器使用的换热介质是从SCV水池中引流而来，经过热交换的水再流回SCV水池中；所述喷淋塔使用的换热介质是从浸没燃烧式气化器的水槽中引流而来，经过热交换的水再流回浸没燃烧式气化器水槽中。
本发明的技术方案之二是：
一种基于超低NOx排放浸没燃烧式气化系统的尾气脱硝及余热回收工艺，其特征在于：将浸没燃烧式气化器产生的烟气引入选择性催化还原技术（SCR）脱硝及余热回收装置中，采用“低氮燃烧+还原剂直喷技术+选择性催化还原技术（SCR）脱硝”联合一体化脱硝。
热风炉所需要的燃料量根据浸没燃烧式气化器的烟气量决定，且与SCV进行联动，当烟气量发生变化时，自动调节所需要的燃料；热风炉采用低氮燃烧器，减少热风炉所产生的NOX；SCR反应器采用中低温脱硝催化剂，反应温度范围为180℃~280℃；
SCR反应器为独立SCR反应器，通过设置导流片，整流格栅以及喷氨格栅，使还原剂与烟气中的NOX均匀混合；SCR反应器采用热态密封装置，避免还原剂的泄露；SCR反应器进口设置有混风阀。
SCR反应器旁设置有还原剂系统，还原剂系统包括储存系统、输送系统、喷射系统。
喷射系统采用喷枪直喷技术，通过对喷枪的布置方式、喷射角度、与烟气的混合方式使得还原剂在烟道以及反应器内分布更加均匀。
喷枪应用了水路雾化、强分散、双路线、多角度交叉综合喷入技术，使得还原剂在锅炉烟道内分布更加均匀；同时对还原剂的喷入方式应用了分区控制技术，进一步优化反应效果。
SCR反应器进气口安装还原剂喷枪，并设置整流格栅，采用计算流体动力学（CFD）对SCR反应器和脱硝系统的烟道布置进行数值模拟，优化SCR反应器的设计，并确认SCR还原剂喷射点位置及数量，以达到精准控制还原剂喷射量的目的，有效减少氨逃逸，使催化剂表层的烟气和还原剂的分布更为均匀。
还原剂通过计量泵控制，对系统进行控制参数优化，控制氨氮比始终略小于1，确保脱硝反应处于高效工作范围，使得氨排放小于标准规定值50%以上。
SCR反应器入口烟气量与所需的还原剂采用双模糊控制、预测前馈控制及拟合优选算法集成控制系统进行控制，系统提前预判设备负荷和反应区入口NOX浓度变化趋势，实时采集出口NOX和氨逃逸浓度，寻找出不同工况对应的最优目标值，提高脱硝系统闭环稳定性和抗干扰能力，始终保持还原剂投入量与设备运行工况相匹配，实现NOX和氨逃逸双控目标。
所述换热器与喷淋塔的水经过热交换后，出水温度相差在0℃~10℃。
所述换热器与喷淋塔的水通过循环泵在SCV水池中与换热器与喷淋塔之间循环。
所述经过喷淋塔降温的烟气的饱和含水量与整个系统所需燃料燃烧产生的水量需持平，以减少整个系统的补水量。
所述烟气中含有的少量氨气溶于水中可使水的pH升高，SCV设备水池中减少碱液的投入量。
所述换热器和喷淋塔之间设置引风机。
所述引风机配备有变频风机，通过对风机进行变频调节，使整个系统满足脱硝工艺所需要的压力，也保证炉膛正常燃烧所需要的负压值。
所述烟囱上部安装丝网除雾器，去除烟气中吸附的水分，以减少整个系统的补水量。
所述烟囱安装与喷淋塔上部，可减少设备的占地面积。
所述循环泵、计量泵等采用一用一备。
本发明的有益效果：
（1）脱硝效率高，烟气经过处理后，含有的NOX低于30mg/m3，满足地方的环保要求。
（2）脱硝后的烟气余热进行充分回收利用，热量回收率达到68%以上。
（3）运行成本较低，热量的回收用于加热SCV水池中水，减少了燃料的耗量。
附图说明
图1为现有的LNG接收站使用的浸没燃烧式气化器的结构图。
图2为本发明的超低NOx排放浸没燃烧式气化系统示意图。
11-水槽、12-燃烧器、13-烟气分布器、14-换热管束、15-热风炉、16-SCR反应器、17-换热器、18-喷淋塔、19-烟囱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例一
如图2所示，一种超低NOx排放浸没燃烧式气化系统，它由与现技术相同的浸没燃烧式气化器和选择性催化还原技术（SCR）脱硝及余热回收装置组成，所述的浸没燃烧式气化器由水槽11、燃烧器12、烟气分布器13、换热管束14组成，所述的选择性催化还原技术（SCR）脱硝及余热回收装置由热风炉15、SCR反应器16、换热器17、喷淋塔18和烟囱19组成，所述热风炉15进气口与浸没燃烧式气化器的烟气出口连接；所述SCR反应器16进气口与热风炉15出气口相连接；所述换热器17热源进气口与SCR反应器16出口相连接；所述喷淋塔18进气口与换热器17烟气出口相连接；所述换热器17使用的换热介质是从SCV水池中引流而来，经过热交换的水再流回SCV水池中；所述喷淋塔18使用的换热介质是从浸没燃烧式气化器的水槽11中引流而来，经过热交换的水再流回浸没燃烧式气化器水槽中。
实施例二
如图2所示，一种基于超低NOx排放浸没燃烧式气化系统的尾气脱硝及余热回收工艺，通过将浸没燃烧式气化器产生的烟气引入选择性催化还原技术（SCR）脱硝及余热回收装置中，采用“低氮燃烧+还原剂直喷技术+选择性催化还原技术（SCR）脱硝”实现联合一体化脱硝。也就是通过将SCV产生的含有NOX的烟气引入热风炉15，使SCV设备出口烟气与热风炉15产生的高温烟气混合达到SCR反应16所需温度200℃，然后烟气进入SCR反应器16，在反应器内尿素还原剂与NOX在催化剂的作用下反应生成N2和H2O，尿素还原剂可使用氨水、液氨、氨气代替。经过SCR反应器16脱硝后的烟气进入换热器17中由SCV水池中引流的水将烟气温度降低至80℃，烟气再进入喷淋冷却塔18由SCV水池中引流的水进一步降温，使温度降低至40℃，达到排放标准的烟气经过烟囱排出。在换热器17和喷淋塔18中进行热交换后的水温度升高，再流回SCV水池，减少了SCV燃烧炉所使用的燃料。
热风炉15所需要的燃料与SCV设备进行联动反应，当烟气量发生变化时，自动调节所需要的燃料。热风炉15采用低氮燃烧器，可减少热风炉所产生的NOX。除此以外，热风炉15也可采用电加热器，将SCV设备出口烟气加热至所需温度。
SCR反应器16通过在反应器内设置导流片，整流格栅以及喷氨格栅，可以使还原剂与烟气中的NOX均匀混合，还采用新型热态密封装置，避免了还原剂的泄露。
SCR反应器16旁还可设置还原剂系统，包括储存系统、输送系统、喷射系统。喷射系统采用喷枪直喷技术，通过对喷枪的布置方式、喷射角度、与烟气的混合方式等，应用了水路雾化、强分散、双路线、多角度交叉综合喷入等技术，使得还原剂在烟道以及反应器内分布更加均匀。将还原剂喷枪安装在SCR反应器16进气口，并设置整流格栅，采用计算流体动力学（CFD）对SCR反应器16和脱硝系统的烟道布置进行数值模拟，优化SCR反应器的设计，并确认SCR还原剂喷射点位置及数量，以达到精准控制还原剂喷射量的目的，有效减少氨逃逸，使催化剂表层的烟气和还原剂的分布更为均匀。
SCR反应器16入口烟气量与所需的还原剂可采用双模糊控制、预测前馈控制及拟合优选算法集成控制系统进行控制，系统提前预判设备负荷和反应区入口NOX浓度变化趋势，实时采集出口NOX和氨逃逸浓度，寻找出不同工况对应的最优目标值，提高了脱硝系统闭环稳定性和抗干扰能力，始终保持还原剂投入量与设备运行工况相匹配，实现NOX和氨逃逸双控目标。还原剂通过计量泵控制，对系统进行控制参数优化，控制氨氮比始终略小于1，确保脱硝反应处于高效工作范围，获得较低的氨排放。
换热器17与喷淋塔18的水通过循环泵在SCV水池中与换热器与喷淋塔之间循环，出水温度相差在0℃~10℃。经过喷淋塔18降温的烟气的饱和含水量与整个系统所需燃料燃烧产生的水量需持平，以减少整个系统的补水量。除此，烟气中含有的少量氨气溶于水中可使水的pH升高，可减少SCV设备水池中碱液的投入量。
在换热器17和喷淋塔18之间设置引风机，引风机配备有变频风机，通过对风机进行变频调节，使整个系统满足脱硝工艺所需要的压力，也保证炉膛正常燃烧所需要的负压值。
将烟囱19安装与喷淋塔18上部，并在烟囱上部安装丝网除雾器，去除烟气中吸附的水分，以减少整个系统的补水量，同时可减少设备的占地面积。
本发明不仅适用于SCV设备烟气脱硝，而且本工艺路线可应用于烟气温度极低，且烟气中NOX含量无法满足当地的排放要求，同时要求节省燃料的消耗量，需对产生的余热进行回收利用等相关项目。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种超低NOx排放浸没燃烧式气化系统，其特征是：它由浸没燃烧式气化器和选择性催化还原技术（SCR）脱硝及余热回收装置组成，所述的浸没燃烧式气化器由水槽、燃烧器、烟气分布器、换热管束组成，所述的选择性催化还原技术（SCR）脱硝及余热回收装置由热风炉、SCR反应器、换热器、喷淋塔和烟囱组成，所述热风炉进气口与浸没燃烧式气化器的烟气出口连接；所述SCR反应器进气口与热风炉出气口相连接；所述换热器热源进气口与SCR反应器出口相连接；所述喷淋塔进气口与换热器烟气出口相连接；所述换热器使用的换热介质是从SCV水池中引流而来，经过热交换的水再流回SCV水池中；所述喷淋塔使用的换热介质是从浸没燃烧式气化器的水槽中引流而来，经过热交换的水再流回浸没燃烧式气化器水槽中。
2.一种基于权利要求1所述的超低NOx排放浸没燃烧式气化系统的尾气脱硝及余热回收工艺，其特征在于：将浸没燃烧式气化器产生的烟气引入选择性催化还原技术（SCR）脱硝及余热回收装置中，采用“低氮燃烧+还原剂直喷技术+选择性催化还原技术（SCR）脱硝”联合一体化脱硝。
3.根据权利要求2所述的尾气脱硝及余热回收工艺，其特征在于：热风炉所需要的燃料量根据浸没燃烧式气化器的烟气量决定，且与SCV进行联动，当烟气量发生变化时，自动调节所需要的燃料；热风炉采用低氮燃烧器，减少热风炉所产生的NOX；SCR反应器采用中低温脱硝催化剂，反应温度范围为180℃~280℃.。
4.根据权利要求2所述的尾气脱硝及余热回收工艺，其特征在于：SCR反应器为独立SCR反应器，通过设置导流片，整流格栅以及喷氨格栅，使还原剂与烟气中的NOX均匀混合；SCR反应器采用热态密封装置，避免还原剂的泄露；SCR反应器进口设置有混风阀。
5.根据权利要求2所述的尾气脱硝及余热回收工艺，其特征在于：SCR反应器旁设置有还原剂系统，还原剂系统包括储存系统、输送系统、喷射系统。
6.根据权利要求2所述的尾气脱硝及余热回收工艺，其特征在于：喷射系统采用喷枪直喷技术，通过对喷枪的布置方式、喷射角度、与烟气的混合方式使得还原剂在烟道以及反应器内分布更加均匀。
7.根据权利要求6所述的尾气脱硝及余热回收工艺，其特征在于：喷枪应用了水路雾化、强分散、双路线、多角度交叉综合喷入技术，使得还原剂在锅炉烟道内分布更加均匀；同时对还原剂的喷入方式应用了分区控制技术，进一步优化反应效果。
8.根据权利要求2所述的尾气脱硝及余热回收工艺，其特征在于：SCR反应器进气口安装还原剂喷枪，并设置整流格栅，采用计算流体动力学（CFD）对SCR反应器和脱硝系统的烟道布置进行数值模拟，优化SCR反应器的设计，并确认SCR还原剂喷射点位置及数量，以达到精准控制还原剂喷射量的目的，有效减少氨逃逸，使催化剂表层的烟气和还原剂的分布更为均匀。
9.根据权利要求8所述的尾气脱硝及余热回收工艺，其特征在于：还原剂通过计量泵控制，对系统进行控制参数优化，控制氨氮比始终略小于1，确保脱硝反应处于高效工作范围，使得氨排放小于标准规定值50%以上。
10.根据权利要求2所述的尾气脱硝及余热回收工艺，其特征在于：SCR反应器入口烟气量与所需的还原剂采用双模糊控制、预测前馈控制及拟合优选算法集成控制系统进行控制，系统提前预判设备负荷和反应区入口NOX浓度变化趋势，实时采集出口NOX和氨逃逸浓度，寻找出不同工况对应的最优目标值，提高脱硝系统闭环稳定性和抗干扰能力，始终保持还原剂投入量与设备运行工况相匹配，实现NOX和氨逃逸双控目标。
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