CN202015573U - 一种烟气脱硝设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种烟气脱硝设备,该烟气脱硝设备包括烟道(1)以及沿烟气的流向依次设置在该烟道(1)内的脱硝剂供给装置(2)和催化剂床层(5),其特征在于,该烟气脱硝设备还包括脱硝剂补给装置(3)和扰动装置(4),所述脱硝剂补给装置(3)和扰动装置(4)依次设置在脱硝剂供给装置(2)和催化剂床层(5)之间的烟道(1)内。本实用新型的烟气脱硝设备,通过在烟道(1)内脱硝剂供给装置(2)和催化剂床层(5)之间增加脱硝剂补给装置(3)和扰动装置(4),能够大大降低脱硝后的烟气中的NOx的含量,而且还能避免由于氨分布不均造成局部氨逃逸量超标的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种烟气脱硝设备。
背景技术
烟气是热电厂的主要排放物之一,通过可燃物在燃烧器(即锅炉)中燃烧产生。由于烟气中通常含有大量的氮氧化物NOx如NO,这些氮氧化物如果直接排放到大气中,会导致腐蚀性很强的酸雨,因此烟气在排放之前必须经过脱氮(即脱硝)处理。
目前,运用比较成熟的烟气脱硝技术主要有两种:选择性催化还原(SCR)工艺和选择性非催化还原脱硝(SNCR)工艺。SCR和SNCR脱硝工艺的化学反应原理都是一样的,都是将脱硝剂(尿素或者氨)与烟气接触,使脱硝剂与烟气中的NOx进行选择性还原反应生成氮气(N2)和水蒸气(H2O)。SNCR工艺一般在锅炉的炉膛内即燃烧区(800-1250℃)进行选择性还原反应。SCR工艺则是在烟道内设置催化剂床层,在280-420℃温度下,在催化剂存在的条件下进行催化选择性还原反应。
SNCR和SCR各自有优缺点,SNCR的优点是不需要价格昂贵的催化剂床,缺点是脱硝效果较差,脱硝率一般不超过40%。SCR的缺点则是需要使用价格昂贵的催化剂床,而且需要有足够的空间设置催化剂床,优点则是脱硝效果较SNCR好,脱硝率一般为60%以下。
尽管SCR脱硝效果较SNCR工艺的好,但如上所述,SCR的脱硝率也仅为60%以下,有待进一步提高。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术中SNCR脱硝装置和SCR脱硝装置存在的脱硝率较低的缺点,提供一种能够明显降低烟气中NOx含量且成本较低的烟气脱硝设备。
为了有效提高脱硝率,本实用新型的发明人试图通过对脱硝剂供给装置进行改进,以增大脱硝剂在烟气的非催化还原脱硝区的供给量,并在位于非催化还原脱硝区之后的烟道尾部增加一个催化剂床层,使非催化脱硝后的烟气直接进行选择性催化还原脱硝,然而却意外地发现,随着烟道内非催化脱硝区脱硝剂供给量的明显增加,烟气中的氮氧化物NOx的量不但没有降低,反而较脱硝剂在上述范围内时有所上升,这可能是因为氨被氧化成了NOx。
为了解决上述问题,本实用新型的发明人进行了大量的研究,结果发现,通过在所述烟道的1000-1300℃区域的下游至催化剂床层之前增加脱硝剂补给单元可以有效解决上述问题。原因可能是因为,烟道的1000-1300℃区域的下游的温度由于较低,在没有催化剂存在下,氨的上述副反应不能发生,而补充的脱硝剂能够与烟气一起在SCR区在催化剂的作用下进行脱硝反应,由此真正实现烟气的SNCR和SCR联合脱硝。
本实用新型的发明人还发现,由于尾部烟道的容积较大,同时受锅炉本身结构和位置的限制,脱硝剂的送入位置非常受限,因而进入尾部烟道的脱硝剂在尾部烟道的分布通常都不均匀。由此对于脱硝设备的脱硝效率影响也很大。如果通过催化剂的氨分布不均匀,对于氨浓度大的部位将加速催化剂的失效,对于氨浓度小的部位又达不到设计的脱硝效率,并且氨分布不均将必然造成局部氨逃逸量超标。因此,使氨在尾部烟道的均匀分布也是提高脱硝设备脱硝效率的关键所在。
本实用新型提供了一种烟气脱硝设备,该烟气脱硝设备包括烟道以及沿烟气的流向依次设置在该烟道内的脱硝剂供给装置和催化剂床层,其特征在于,该烟气脱硝设备还包括脱硝剂补给装置和扰动装置,所述脱硝剂补给装置和扰动装置依次设置在脱硝剂供给装置和催化剂床层之间的烟道内。
本实用新型提供的烟气脱硝设备,通过在烟道内脱硝剂供给装置和催化剂床层之间增加脱硝剂补给装置和扰动装置,能够在SNCR工艺之后向烟气中补充脱硝剂,保证SCR工艺所需的脱硝剂的量,并使得脱硝剂在烟道内均匀分布,从而既避免了局部氨浓度过大导致的催化剂快速失效的问题,同时也避免了局部氨浓度过小导致的达不到设计的脱硝效率的问题,使得SCR工艺能够真正发挥作用,进一步降低SNCR脱硝后的烟气中的NOx的含量,而且也避免了由于氨分布不均造成局部氨逃逸量超标的问题。
附图说明
图1为本实用新型提供的烟气脱硝设备的一种实施方式的结构示意图;
图2为显示本实用新型提供的烟气脱硝设备的一种实施方式中扰动装置位置的局部结构示意图;
图3为显示本实用新型提供的烟气脱硝设备的一种实施方式中扰动装置为管状物时,管状物位于烟道中的端口的朝向Y与烟气流动方向X的夹角α的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行详细的说明。
如图1所示,本实用新型提供的烟气脱硝设备包括烟道1以及沿烟气的流向依次设置在该烟道内的脱硝剂供给装置2和催化剂床层5,其特征在于,该烟气脱硝设备还包括脱硝剂补给装置3和扰动装置4,所述脱硝剂补给装置3和扰动装置4依次设置在脱硝剂供给装置2和催化剂床层5之间的烟道1内。
所述烟道1的横截面可以为圆形、椭圆形、矩形、正方形或者各种不规则形状,烟道1本身可以是直行的,也可以是弯形的,根据本实用新型的一种实施方式,所述烟道包括第一垂直段a、第二垂直段c和位于该两个垂直段之间的一个水平段b,所述水平段b的两端各自与第一垂直段a、第二垂直段c的顶部连通。
根据本实用新型的第一种实施方式,所述脱硝剂供给装置2和脱硝剂补给装置3位于第一垂直段a内,所述催化剂床层5位于第二垂直段c内。
优选情况下,脱硝剂供给装置2到该脱硝剂供给装置2所在垂直段的底部的距离A、脱硝剂供给装置2到所述脱硝剂补给装置3的距离B、该脱硝剂补给装置3所在垂直段的底部到顶部的距离C之间优选满足:A∶B∶C=10-25∶5-15∶30,更优选A∶B∶C=15-23∶5-13∶30。此时所述脱硝剂供给装置2供给的脱硝剂进入所述烟道的非催化还原脱硝区域,所述脱硝剂补给装置3供给的脱硝剂进入所述烟道的位置对应于使用时所述烟道的温度为800℃左右的区域,有利于脱硝剂为尿素时,尿素分解为氨。通常情况下,相对于烟道的第一垂直段a的高度为30米、宽度10米、深度10米时,所述脱硝剂补给装置3位于所述第一垂直段a的23-28米的位置,所述脱硝剂供给装置2位于所述第一垂直段a的15-23米的位置。
根据本实用新型的第二种实施方式,所述脱硝剂供给装置2位于第一垂直段a内,脱硝剂补给装置3位于水平段b内,催化剂床层5位于第二垂直段c内。该实施方式适用于脱硝剂补给装置3补给的脱硝剂为氨水的情况。
根据本实用新型的第三种实施方式,所述烟气脱硝设备还包括脱硝剂源(未示出),为脱硝剂供给装置2和脱硝剂补给装置3提供脱硝剂。所述脱硝剂源例如可以是脱硝剂储罐或泵。所述脱硝剂供给装置2和脱硝剂补给装置3的一端端口与脱硝剂源连通,另一端端口则穿过所述烟道1的壁而伸入所述烟道1内。脱硝剂供给装置2和脱硝剂补给装置3可以共用一个脱硝剂源,也可以各自与不同的脱硝剂源连通,由不同的脱硝剂源提供脱硝剂。所述脱硝剂可以是各种能够与NOx反应从而降低烟气中NOx含量的试剂,例如可以是氨或各种在烟气脱硝条件下能够产生氨的物质,如尿素。上述脱硝剂优选以其水溶液的形式使用,所述溶液的浓度已为本领域技术人员所公知,可以为脱硝剂所能达到的各种浓度。为了降低脱硝剂的用量,优选所述脱硝剂以其饱和溶液的形式使用。
根据本实用新型提供的烟气脱硝设备,尽管各种能够用来提供脱硝剂的装置均可作所述脱硝剂供给装置和所述脱硝剂补给装置,但优选情况下,所述脱硝剂供给装置和所述脱硝剂补给装置各自为管道,该管道穿过烟道1的壁,伸入烟道1中,伸入烟道1中的管道上形成有开口。脱硝剂通过该开口进入烟道内。
进一步优选情况下,所述管道为多根,例如为3-10根。
更进一步优选情况下,所述多根管道沿烟道1的轴向或周向排列。
更进一步优选情况下,所述多根管道沿烟道1的轴向排列并沿烟道1的径向均匀分布。
进一步优选情况下,每根伸入烟道1中的管道上的开口为多个,如2-20个。
更进一步优选情况下,每根伸入烟道1中的管道上的多个开口沿所述管道的轴向分布。
为了使所述脱硝剂与烟气的接触更加充分,所述开口的方向与烟道1中烟气流动的方向相反,从而烟气与来自所述脱硝剂供给装置2和脱硝剂补给装置3的所述脱硝剂非同向接触,能够更好的获得脱硝效果。
本实用新型中,所述开口的方向与烟道1中烟气流动的方向相反并非绝对相反,包括所述开口的方向朝下、朝向水平或者向下倾斜1-15°的情况。
根据本实用新型的一种实施方式,所述烟道1的横截面积与所述脱硝剂供给装置2的管道的开口的总面积之比为5000-50000∶1,优选为20000-30000∶1。
根据本实用新型的一种实施方式,所述烟道1的横截面积与所述脱硝剂补给装置3的管道的开口的总面积之比为5000-50000∶1,优选为20000-30000∶1。
为了充分利用烟气中的热,优选情况下,所述烟道1尤其是所述烟道1的脱硝剂供给装置2所在的第一垂直段a、水平段b以及催化剂床层5所在第二垂直段c的催化剂床层5以上(即靠近水平段b)的部分由金属管围成。所述金属管例如可以是碳钢管、不锈钢管、铜管、钛管或者各种金属合金管等。
根据本实用新型提供的烟气脱硝设备,尽管各种能够实现扰动功能的扰动装置均可实现本实用新型的目的,例如,所述扰动装置4可以为固定式均流装置,如均流板。但由于这种固定式均流装置需要通过多次均流才能实现使脱硝剂与烟气的均匀混合,从而需要多组均流板,因而需要较大的空间。因此,优选情况,如图1-2所示,所述扰动装置4为管状物,该管状物穿过烟道1的壁,一端端口位于烟道1中。进一步优选情况下,为了更好的获得扰动效果,如图3所示,管状物位于烟道1中的端口的朝向Y与烟气流动方向X的夹角α为70-90°角。
为了使得脱硝剂在进入催化剂床层5之前与烟气充分混合均匀,优选情况下,所述管状物位于烟道1中的端口与所述催化剂床层5之间的路程为所述催化剂床层厚度的5-10倍。其中,所述管状物位于烟道1中的端口与所述催化剂床层5之间的路程指在烟气脱硝过程中,烟气从所述管状物位于烟道1中的端口行进至催化剂床层5的表面实际走过的距离。
所述管状物可以为一个或多个,优选为3-10个。进一步优选所述多个管状物沿烟道1的径向或周向分布。
综合考虑扰动效果和对扰动装置的设备要求,本实用新型优选所述烟道1的横截面积与所述管状物的位于烟道1中的端口的总面积之比为5000-50000∶1。进一步优选所述烟道1的横截面积与所述管状物的位于烟道1中的端口的总面积之比为20000-30000∶1。
根据本实用新型的一种实施方式,该设备还包括扰动介质提供装置(图1中未示出),扰动介质提供装置为扰动装置4提供扰动介质。所述扰动介质提供装置可以是各种能够提供扰动介质的装置,如高压钢瓶或泵。所述扰动装置4的一端端口与扰动介质提供装置连通,另一端端口则穿过所述烟道1的壁而伸入所述烟道1内。
根据本实用新型的第二种实施方式,所述扰动介质为不与烟气和脱硝剂反应的惰性介质,根据现场情况和成本核算确定,优选是水蒸气、空气、氮气和元素周期表中第零族元素中的一种或多种,从而不会因扰动而给烟气引入新的杂质,脱硝后的烟气能够直接排放。
根据本实用新型的第三种实施方式,所述扰动介质为烟气或者含脱硝剂和烟气的混合物。所述作为扰动介质的烟气可以是经过脱硝处理或未经脱硝处理的烟气。当使用未经脱硝处理的烟气作为扰动介质时,一方面无需外界供给扰动介质,另一方面还能够使未经脱硝处理的烟气在起到扰动作用后也能获得脱硝效果。而是用含脱硝剂和烟气的混合物时,特别是是用氨氮摩尔比符合脱硝反应的含脱硝剂和烟气的混合物作为扰动介质时,扰动介质的通入还不会导致烟气和脱硝剂的混合物中脱硝剂浓度的大幅降低。因此本实用新型优选所述扰动介质为未经脱硝处理的烟气或者含脱硝剂和烟气的混合物,尤其优选所述扰动介质为含脱硝剂和烟气的混合物,更为优选NOx的氨氮摩尔比为0.5-1.1∶1的脱硝剂和烟气的混合物。
由于本实用新型主要涉及在催化剂床层5和脱硝剂供给装置2之间增加脱硝剂补给装置3和扰动装置4,而催化剂床层5和脱硝剂供给装置2以及他们在烟道1中的设置方式和位置没有特别的要求,可以为本领域技术人员公知的催化剂床层和脱硝剂供给装置以及他们在烟道中的设置方式和位置。
本实用新型的烟气脱硝设备使用时,通过脱硝剂供给装置2将脱硝剂送入烟道1内,与烟气在烟道1中接触并进行烟气的选择性非催化还原反应,降低烟气中的氮氧化物含量,得到SNCR脱硝后的烟气,并通过脱硝剂补给装置3向该SNCR脱硝后的烟气中补充脱硝剂,通过扰动装置4向SNCR脱硝后的烟气中注入扰动介质,从而使补充的脱硝剂和SNCR脱硝后的烟气经过扰动介质的扰动后一起通过催化剂床层5,进行烟气的选择性催化脱硝即SCR脱硝,得到氮氧化物含量进一步降低的烟气。
所述烟气与所述脱硝剂发生选择性非催化还原反应的条件包括温度优选为800-1300℃更优选为800-1100℃,以氮元素计,脱硝剂中氮与烟气中NOx的氮(以NO计)的摩尔比(简称氨氮摩尔比)可以为0.3-1.5∶1,优选为0.3-1∶1,在该温度下接触的时间优选为0.1-2秒,更优选为0.5-1秒。上述温度可以通过选择所述脱硝剂供给的位置从而利用该温度段烟气本身的温度来实现,因而无需额外供热或降温。上述选择性非催化还原的温度需要严格控制,当温度高于1300℃时,氨就被氧化为NOx,即发生下述反应:
而当温度低于800℃时,前述选择性非催化还原反应在无催化剂存在下不能发生。
烟气选择性催化还原脱硝的条件包括,温度可以为280-420℃,优选为300-400℃,烟气的体积空速可以为200-20000小时-1,优选为1000-10000小时-1,以氮元素计,脱硝剂中氮与烟气中NOx的氮(以NO计)的摩尔比(简称氨氮摩尔比)可以为0.5-1.1∶1,优选为0.7-1∶1。
所述催化剂可以是各种能够催化脱硝剂与氮氧化物NOx反应,使氮氧化物NOx转化为氮气的催化剂,优选为金属氧化物催化剂。
例如,所述金属氧化物可以是V2O5、Fe2O3、CuO、Cr2O3、Co3O4、NiO、CeO2、La2O3、Pr6O11、Nd2O3、Gd2O3、Yb2O3中的一种或多种,优选V2O5。进一步优选所述催化剂是分散在TiO2上、以V2O5为主要活性组分、WO3或MoO3为助催化剂的钒钛体系,即V2O5-WO3/TiO2或V2O5-MoO3/TiO2。V2O5-WO3/TiO2或V2O5-MoO3/TiO2催化剂固定在不锈钢板表面或制成蜂窝陶瓷状,形成不锈钢波纹板式和蜂窝陶瓷的结构形式。上述催化剂可以商购得到,例如可以购自日本触媒化成、日立公司、德国雅佶隆公司以及美国的Cormetech公司。
Claims (15)
1.一种烟气脱硝设备,该烟气脱硝设备包括烟道(1)以及沿烟气的流向依次设置在该烟道(1)内的脱硝剂供给装置(2)和催化剂床层(5),其特征在于,该烟气脱硝设备还包括脱硝剂补给装置(3)和扰动装置(4),所述脱硝剂补给装置(3)和扰动装置(4)依次设置在脱硝剂供给装置(2)和催化剂床层(5)之间的烟道(1)内。
2.根据权利要求1所述的烟气脱硝设备,其特征在于,所述烟道(1)包括沿烟气的流向的第一垂直段(a)、水平段(b)和第二垂直段(c),所述脱硝剂供给装置(2)和脱硝剂补给装置(3)位于第一垂直段(a)内,所述催化剂床层(5)位于第二垂直段(c)内。
3.根据权利要求2所述的烟气脱硝设备,其特征在于,脱硝剂供给装置(2)到第一垂直段(a)的底部的距离A、脱硝剂供给装置(2)到所述脱硝剂补给装置(3)的距离B和所述脱硝剂补给装置(3)到第一垂直段(a)的顶部的距离C之间满足:A∶B∶C=10-25∶5-15∶30。
4.根据权利要求1所述的烟气脱硝设备,其特征在于,所述烟道(1)包括沿烟气的流向的第一垂直段(a)、水平段(b)和第二垂直段(c),所述脱硝剂供给装置(2)和脱硝剂补给装置(3)分别设置在第一垂直段(a)和水平段(b)内,所述催化剂床层(5)设置在第二垂直段(c)内。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的烟气脱硝设备,其特征在于,所述脱硝剂供给装置(2)和所述脱硝剂补给装置(3)为管道,该管道穿过烟道(1)的壁,伸入烟道(1)中,伸入烟道(1)中的管道上形成有开口。
6.根据权利要求5所述的烟气脱硝设备,其特征在于,所述管道为多根,每根伸入烟道(1)中的管道上的开口为多个。
7.根据权利要求6所述的烟气脱硝设备,其特征在于,所述多根管道沿烟道(1)的轴向排列,每根伸入烟道(1)中的管道上的多个开口沿所述管道的轴向分布。
8.根据权利要求6或7所述的烟气脱硝设备,其特征在于,所述烟道(1)的横截面积与所述脱硝剂供给装置(2)的所述开口的总面积之比为5000-50000∶1,所述烟道(1)的横截面积与所述脱硝剂补给装置(3)的所述开口的总面积之比为5000-50000∶1。
9.根据权利要求1所述的烟气脱硝设备,其特征在于,所述扰动装置(4)为管状物,该管状物穿过烟道(1)的壁,一端端口位于烟道(1)中。
10.根据权利要求9所述的烟气脱硝设备,其特征在于,所述管状物位于烟道(1)中的端口的朝向与烟气流动方向的夹角为70-90°。
11.根据权利要求9所述的烟气脱硝设备,其特征在于,所述管状物位于烟道(1)中的端口与所述催化剂床层(5)之间的路程为所述催化剂床层(5)厚度的5-10倍,其中,所述管状物位于烟道(1)中的端口与所述催化剂床层(5)之间的路程指在烟气选择性催化还原脱硝反应过程中,烟气从所述管状物位于烟道(1)中的端口行进至催化剂床层(5)的表面实际走过的距离。
12.根据权利要求10或11所述的烟气脱硝设备,其特征在于,所述管状物为多个。
13.根据权利要求12所述的烟气脱硝设备,其特征在于,所述多个管状物沿烟道(1)的径向排列。
14.根据权利要求9或12所述的烟气脱硝设备,其特征在于,所述烟道(1)的横截面积与所述管状物的位于烟道(1)中的端口的总面积之比为5000-50000∶1。
15.根据权利要求1所述的烟气脱硝设备,其特征在于,该设备还包括扰动介质提供装置,扰动介质提供装置为扰动装置(4)提供扰动介质。
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