CN1309458C - 在可变锅炉负载条件下通过选择性催化还原优化去除NOx的被动系统 - Google Patents
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Abstract
一种从锅炉产生的烟道气中回收热量和去除氮氧化物的被动系统，它提供特殊的节热器表面，确保进入选择性催化还原(SCR)反应器的烟道气的温度保持在覆盖广阔锅炉负载范围的所需温度范围以内。
Description
发明领域和背景
本发明一般涉及锅炉，它采用节热器将烟道气中的余热传递给锅炉给水并采用选择性催化还原(SCR)反应器除去烟道气中的NOx，此外，更特别地，在可变的负载范围内优化反应器的操作温度。
在燃烧矿物燃料的锅炉系统中，节热器由于从废气中回收低水平，即低温的能量在提供锅炉总体热效率中起到了关键性作用。节热器通过加热锅炉给水而回收热量，由此冷却烟道气。烟道气自烟囱温度每降低40(22℃)，锅炉的总体热效率就大约升高1％。
节热器通常为预热供给锅炉的锅炉给水提供管状的热传递表面。如图1所示，通常的节热器是裸露的同轴蛇形管，垂直向下流动的烟道气与通过管子向上流动的锅炉给水150逆向进行热交换。由于烟道气温度和锅炉给水温度之差相对较小，节热器每回收单位热量需要很大的热传递表面。有些用途中，可在管道外面采用翼片，以改善控制气侧的热传递速率。该节热器通常是在空气加热器上游提供最末水冷却热传递表面的，该空气加热器是用来预热燃烧空气的气-气热交换器。
SCR反应器被用来减少来自锅炉和炉子的烟道气或烟道气中的杂质，特别被用来减少NOx的排放。在催化剂存在条件下，将氨或氨前体注入锅炉烟道气流中，和烟道气发生化学反应，该反应能从烟道气中除去大部分Nox，将其转化为水和氮元素。SCR反应发生在一定的所需温度范围内，大多在450-840之间，但最好在500-750之间。在此推荐的温度范围以外，许多催化物质活性降低或无法发挥所需的作用。此外，含有硫氧化物的烟道气，要进一步限制在600-650的下限温度，以免使下游空气预加热器操作劣化。
在Stultz和Kitto编的
Steam/its generation and use(第40版，Copyright1992，Babcock&Wilcox公司)第35章中提供了有关除去NOx的SCR系统的其它细节，将此书内容参考结合于此，如同在此将其全文引入一样。
由于SCR反应发生在一定所需的温度范围内，SCR反应器通常位于蒸汽发生器即锅炉的节热器烟道气出口下游和用来预热进入的助燃空气的空气任何加热装置的上游(上游和下游就烟道气流动方向而言)。
出于经济上的原因，进入SCR反应器的气体温度在任何负载，从完全负载到部分负载的情况下，都应保持在所需的范围内。同时，保持所需的烟道气温度能减少氨和/或硫酸盐在氨喷射系统和催化剂中或其上的形成。然而，随着锅炉负载的减少，锅炉排出的气体的温度会低于最佳温度范围。为使气体温度升高至所需的温度范围，同时使对完全负载热效率的影响最小，目前的实践是使用图2所示的节热器气体旁路烟道80。节热器气体旁路烟道80被用来除去节热器上游一些较热的烟道气，然后将此较热的烟道气和离开节热器的较冷烟道气混合，这样可提高整个烟道气的温度。通过控制流过旁路系统的气体的量，可在较低的锅炉负载情况下使进入SCR反应器的烟道气的温度保持在所需的范围内。
在另一个处理在低锅炉负载情况下进入SCR反应器的烟道气温度降低问题的办法中，是在节热器上安装一个调制的局部给水旁路，以便在低负载情况下保持烟道气温度而不减低全负载热效率。
上述用来减轻锅炉负载变化对SCR反应器20操作性能的影响的两种方法，是需要使用阀门、挡板或其它切断装置如图2所示的挡板94的主动方法。
对蒸汽发生器用的空间有限的SCR系统具有要进行上述改装，会带来一些具体的问题。
在发电厂锅炉使用的实现有效NOx减少所需的催化床的尺寸非常非常大。为便于操作和安装，催化剂块被制成大的模件。例如，Babcock&Wilcox公司制造的SCR系统和对675MW燃煤发电厂的改装包括总体积31,664立方英尺(897立方米)的许多0.25英寸(6毫米)的板形催化剂。如此大型的催化装置及其相关装置和系统，改装的花费非常昂贵。
一种此类装置的侧视图显示在图2中。在这种常规的结构中，SCR系统的SCR反应器20包括几个催化层30。烟道气由SCR反应器20流进现技术的空气加热器60。SCR系统的设计是烟道气在向上流过氨喷射系统10的管道系统并混合后再向下流动。这样就产生了在高部位的垂直反应器。其结果是，建造费用占了SCR系统尤其是改装系统几乎所有的费用。多达50％的SCR改装基本投资涉及设备的建造，因此建造方面是降低成本的一个重要考虑因素。由于可以使用现有的结构钢50，图2显示，需要大量新的结构钢40来承受SCR系统和相关的上游和下游烟道的重量。SCR系统的基础和结构钢也必须考虑在内，并且需要对改装装置进行改进。
日益严格的环保规则继续对使用矿石燃料的锅炉即蒸汽发生器的发电厂产生压力。然而，由于空间有限，对现有锅炉的改造通常会出现问题，而发电厂需要以有效方式和最小花费进行此类改造。因此，进行改进以便更经济地安装和操作锅炉烟道气纯化的SCR反应器，在工业上会是受欢迎的。
发明概要
本发明涉及从锅炉的烟道气中除去余热和氮氧化物的系统，该系统使用一个分开的节热器阵列，它具有在选择性催化还原反应器前面的第一节热器和该反应器后面的第二节热器。在一个实施方案中，烟道气最好以与在节热器管道中向上流的锅炉给水交叉顺流热交换的方式向上流动通过第一节热器。第一节热器将烟道气冷却至可在反应器中通过催化有效除去氮氧化物所需的温度范围。选择性催化反应器下游的第二节热器进一步加热锅炉给水并冷却烟道气，由此提高热效率。
在另一个实施方案中，烟道气可水平地以与节热器管道交叉流动的方式通过一个或两个节热器。
因此，本发明一方面涉及用于从流动的烟道气中回收热量并除去氮氧化物的系统，此系统包括具有在第一温度和低于第一温度的第二温度之间操作的催化剂，用来从烟道气中除去氮氧化物的反应器。第一节热器，与反应器流动连通并位于反应器上游，其中有以与流动的烟道气交叉顺流热交换的方式排到的许多水冷却的管子。此第一节热器将烟道气冷至低于第一温度并高于第二温度的温度。第二节热器，与反应器流动连通并位于反应器下游，其中有以与流动的烟道气交叉顺流热交换的方式排列的许多水冷却的管子。第二节热器将烟道气冷至低于第二温度的温度。
本发明的另一方面涉及从流动的烟道气中回收热量并除去氮氧化物的系统，此系统包括具有在第一温度和低于第一温度的第二温度之间操作的催化剂，用来从烟道气中除去氮氧化物的反应器。第一节热器与反应器流动连通并位于反应器上游。第一节热器将烟道气冷至低于第一温度并高于第二温度的温度。第一节热器还具有用来接受烟道气的入口和位于入口上方用来排出气体的出口。第二节热器与反应器流动连通并位于反应器下游。第二节热器将烟道气冷至低于第二温度的温度。第二节热器还具有用来接受烟道气的入口和位于入口下方用来排出气体的出口。
本发明的再一方面涉及从流动的烟道气中回收热量并除去氮氧化物的系统，此系统包括具体在第一温度和低于第一温度的第二温度之间操作的催化剂，用来从烟道气中除去氮氧化物的多个反应器。第一节热器，与多个选择性催化还原反应器流动连通并位于这些反应器上游，第一节热器将烟道气冷至低于第一温度并高于第二温度的温度。第一节热器还具有用来接受烟道气的入口和位于入口上方用来排出气体的出口。多个第二节热器，所述每个第二节热器都与相关的一个反应器流动连通并位于其下游，以便将烟道气冷至低于第二温度的温度。每个第二节热器具有用来接受烟道气的入口和位于入口下方用来排出气体的出口。
在附加于此说明书并成为其一部分的权利要求书中，将具体指出表征本发明的各种新颖性特征。为了更好地理解本发明和通过使用它而得到操作益处，可参见附图和描述性内容，它们是本说明书的一部分，其中例举了本发明一个优选的实施方案。
附图简述
在构成本说明书一部分的附图中，所显示的数字在全文中代表相同或相应的部件。
图1是典型电厂锅炉节热器的透视图；
图2是现有技术SCR系统的侧视示意图；
图3是本发明第一个实施方案的侧视示意图；
图4是本发明第二个实施方案的侧视示意图；
图5是本发明第三个实施方案的透视图。
优选实施方案的描述
试看图3，在锅炉1中产生含有氮氧化物的烟道气即废气15流进烟道115。如已知技术那样，烟道115将烟道气15带到选择性催化还原反应器20中。反应器20中有市售的氮氧化物还原催化剂30如氧化钛(TiO2)、氧化钒(V2O5)、氧化钨(WO3)和氧化钼(MoO3)的层。催化剂30在所需的温度范围内才有效，该温度范围是由上限温度(或第一温度)和下限温度(或低于第一温度的第二温度)确定。氨喷射系统10在烟道气15进入反应器20之前将氨或氨前体喷射进烟道气15，在反应器20中对氮的氧化物发生还原反应。
第一节热器100装在烟道115中，它与反应器20流动连通并位于反应器20上游按照烟道气15的流动方向。第一节热器100包含多排来回横过烟道115的水平排列的蛇形管92。锅炉1中产生的烟道气15流过烟道115并从第一节热器的烟道气入口110通过第一节热器100。烟道气15垂直向上流过第一节热器100并通过位于上述第一节热器烟道气入口110上方的第一节热器的烟道气出口120流出第一节热器100。锅炉给水150通过第一节热器给水入口总管130进入第一节热器100。锅炉给水150以弯曲的方式向上流过第一节热器100的与烟道气15交叉顺流流动排列的管道，并通过位于第一节热器给水入口130上方的第一节热器给水的出口总管140离开。热量从烟道气15流进锅炉给水150，由使烟道气15冷却。第一节热器100被设计成将烟道气15冷却至上述的当锅炉1满负载或低负载操作时催化剂30所需的温度范围内的一定温度。
第二节热器200装在烟道115中，它与反应器20流动连通并位于反应器20下游(按照烟道气15的流动方向)。第二节热器200也包含多排来回横过烟道115的水平排列的蛇形管92。从反应器流出的烟道气15流过烟道115并从第二节热器的烟道气入口210通过第二节热器200。烟道气15垂直向下流过第二节热器200并通过位于第二节热器烟道气入口210下方的第二节热器的烟道气出口220流出第二节热器200。锅炉给水150通过第二节热器给水入口总管230进入第二节热器200，并通过位于第二节热器给水入口总管230上方的第二节热器给水的出口总管240离开。锅炉给水150以弯曲的方式朝上流过与烟道气15交叉逆流流动排列的第二节热器200。烟道气15使锅炉给水150加热，由此进一步被冷却。第二节热器200被设计成将烟道气15冷却至一定温度，该温度低于上面提到的当锅炉1满负载或低负载操作时所需的温度范围，由此保持热效率。
第一节热器100的尺寸和设计，使得烟道气15离开第一节热器100进入反应器20时的温度在所有预期的负载范围内都保持在所需的温度范围内，而无需操作者干且无需使用烟道挡板或水旁路阀门。
本发明特别适合对锅炉进行改装的用途，即现有技术的节热器被有利地拆除或动，用以安装一个选择性催化还原反应器20。
在图4所示的另一个实施方案中，烟道115在第一节热器100下游被分成两个烟道115a和115b。该系统然后包括两套反应器20a和20b以及分别在反应器20a和20b下游的两套第二节热器200a和200b。相应的空气加热器60a和60b置于第二节热器200a和200b下游。这种安排是有用的，因为若只用一个反应器20，则会很大而难以支撑。在这种排列中烟道气15同时平行流过两组反应器20a和20b和第二节热器200a和200b。
在图5所示的另一实施方案中，烟道气15水平地在其中有锅炉给水150流动的交叉流动热交换排布的节热器管道92外面流过。根据设计需要，这种排布方式可用于第一节热器100、第二节热器200或这两个节热器。
在按本发明进行改装时，可以保留去某些或所有的现有技术的节热器作为第一节热器100，而在反应器20下游提供另外的节热器表面以保持热效率。
上述那些实施方案是实现在锅炉滞负载条件的整个范围内，获得SCR反应器20最佳操作所需的烟道气温度范围的被动系统。这些系统避免了复杂的水或烟道气旁路排列，也避免了现有的安装或改装SCR反应器方法的流动控制方案。不需要阀门、烟道挡板或其它截断装置。
虽然上面已经给出了本发明的一些具体实施方案和/或细节，用来说明本发明原则的应用，应当理解，在不背离此类原则情况下，本发明可以比权利要求书中更为详细地，或者用此领域的技术人员所知的其它方法(包括任何或所有的等价方法来实施)。例如，虽然本发明对改装用途特别有效，但它也可用于新锅炉的安装。
Claims (10)
1.一种从流动的烟道气中回收热量和除去氮氧化物的系统，其特征在于，所述系统包括：
一个具有在第一温度和低于第一温度的第二温度之间操作的催化剂的能从烟道气中除去氮氧化物的反应器；
第一节热器，它与反应器流动连通并位于反应器上游，其中有以与流动的烟道气交叉顺流热交换的方式排列的多个水冷却的管子，用以将烟道气冷却至低于第一温度并高于第二温度的某个温度；
第二节热器，与反应器流动连通并位于反应器下游，其中有以与流动的烟道气交叉逆流热交换的方式排列的多个水冷却的管子，以将烟道气冷至低于第二温度的某个温度。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述烟道气垂直向上流过第一节热器。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述烟道气垂直向下流过第二节热器。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一节热器具有入口用来接受烟道气，并有位于入口上方的出口以排出烟道气。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二节热器具有入口以用来接受烟道气，并有位于所述入口下方的出口用来排出烟道气。
6.一种从流动的烟道气中回收热量和除去氮氧化物的系统，其特征在于，所述系统包括：
一个具有在第一温度和低于第一温度的第二温度之间操作的催化剂的能从烟道气中除去氮氧化物的反应器；
第一节热器，它与反应器流动连通并位于反应器上游，用来将烟道气冷却至低于第一温度并高于第二温度的某个温度，所述第一节热器具有用来接受收烟道气的入口和位于入口上方用来排出气体的出口；
第二节热器，它与反应器流动连通并位于反应器下游，用来将烟道气冷却至低于第二温度的某个温度，所述第二节热器具有用来接受烟道气的入口和位于最后提到的入口下方用来排出气体的出口。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述烟道气垂直向上流过第一节热器。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述烟道气垂直向下流过第二节热器。
9.一种从流动的烟道气中回收热量和除去氮氧化物的系统，其特征在于，所述系统包括：
在第一温度和低于第一温度的第二温度之间操作的催化剂能从烟道气中除去氮氧化物的多个反应器；
第一节热器，它与多个反应器流动连通并位于这些反应器上游，所述第一节热器将烟道气冷却至低于第一温度并高于第二温度的某个温度，它具有用来接受烟道气的入口和位于入口上方用来排出气体的出口；
多个第二节热器，所述每个第二节热器都与相关的一个反应器流动连通并位于其下游，用来将烟道气冷却至低于第二温度的某个温度，每个第二节热器具有用来接受烟道气的入口和位于最后提到的入口下方用来排出气体的出口。
10.一种从流动的烟道气中回收热量和除去氮氧化物的系统，其特征在于，所述系统包括：
一个具有在第一温度和低于第一温度的第二温度之间操作的催化剂能从烟道气中除去氮氧化物的反应器；
第一节热器，它与所述反应器流动连通并位于其上游，用来将烟道气冷却至低于第一温度并高于第二温度的某个温度；
第二节热器，与所述反应器流动连通并位于其下游，用来将烟道气冷却至低于第二温度的某个温度；
其中第一和第二节热器之一具有多个以与烟道气交叉流动热交换方式排列的水冷却管，且所述烟道气水平流过这些水冷却管外面。
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