CN208356520U - 提高低温scr催化剂活性并且抑制副产物n2o的scr反应器 - Google Patents

提高低温scr催化剂活性并且抑制副产物n2o的scr反应器 Download PDF

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    • Y02C20/10—Capture or disposal of greenhouse gases of nitrous oxide (N2O)

Abstract

本实用新型提供了一种提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，按烟气的流动方向包括烟气入口、反应器主体及烟气出口，在反应器主体内部设有用于放置低温SCR催化剂的催化剂床层，在催化剂床层中插装有氨氮混合气扩散管组，氨氮混合气扩散管组包括氨氮混合气输入管和由上至下并排设置的至少两排扩散总管，每排扩散总管由水平设置的多根扩散管构成，每根扩散管上分别连接有多根扩散支管，氨氮混合气输入管连接于外部氨氮混合气供气装置与各所述扩散总管之间，在各扩散管和各所述扩散支管上均开设有若干扩散孔。本实用新型有利于提高低温催化剂活性，提高低温催化脱硝效率，同时达到控制副产物N2O生成的功效。

Description

提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器
技术领域
本实用新型涉及提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，属于环保烟气净化领域。
背景技术
在冶金行业常常涉及到大量的高温燃烧过程，从而产生了大量的氮氧化物(NOx)。同样的，在化工生产、油气炼制、燃煤发电领域，也会产生富含NOx的烟气。上述领域排放的烟气都需要经过脱硝处理以满足环境保护的要求。脱硝处理是指把已生成的NOx还原为N2，从而脱除烟气中的NOx，现有技术中主要的脱硝工艺分为：选择性催化还原工艺(英文缩写为SCR)和选择性非催化还原工艺(英文缩写为SNCR)。
其中，选择性催化还原法脱硝技术(SCR)是目前应用最为广泛的烟气脱硝技术，它没有副产物，不形成二次污染，装置结构简单，并且具有脱除效率高(可达90％以上)，运行可靠，便于维护等优点。
SCR技术原理为：在催化剂作用下，向一定温度的烟气中喷入氨，将NOX还原成N2和H2O。但是，目前的SCR催化剂主要针对的脱硝工况是中高温(220℃～420℃) 条件下的NOx脱出，而实际冶金生产过程中产生的需要脱硝的烟气温度都相对较低，比如烧结烟气一般在120℃左右，焦化烟气在200℃左右。另外，烟气还可能需要经过除尘脱硫等工艺之后才会进入SCR反应器中，此时的烟气温度往往较所需要的脱硝反应温度更低，需要使用加热设备对烟气进行加热后再送入SCR反应器中，加热烟气势必带来能耗问题。因此，低温脱硝催化剂的使用能够有效地控制净化脱出的成本，目前广泛使用的低温SCR催化剂都是采用V-Mn系催化剂或者类似配方的催化剂，Mn基氧化物的引入能够有效的提高低温SCR催化剂活性，但是实验室研究发现Mn基氧化物的加入会带来N2选择性下降的问题，目前国内不论钢铁厂或是电厂排放端的烟气排放连续监测系统(英文缩写为CEMS)数据中只对NO和NO2排放浓度作为监察对象，实际上Mn基氧化物会促进N2O的生成，所以看似达标的净化气中实际上含有相当含量的N2O，而N2O不但会破坏臭氧层，该种气体还是一种相当于等量CO2气体300倍的温室气体，对环境的破坏和影响非常严重。
实用新型内容
为克服上述技术的缺陷，根据目前使用低温SCR催化剂的特征，分析SCR反应在催化剂上的反应机理和路径，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种有利于提高低温催化剂活性，提高低温催化脱硝效率，同时达到控制副产物N2O生成的SCR 反应器。
为实现上述目的，本实用新型提供一种提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，按烟气的流动方向，其依次包括烟气入口、反应器主体及烟气出口，在所述反应器主体内部设有用于放置低温SCR催化剂的催化剂床层，在所述催化剂床层中插装有氨氮混合气扩散管组，所述氨氮混合气扩散管组包括氨氮混合气输入管和由上至下并排设置的至少两排扩散总管，每排所述扩散总管由水平设置的多根扩散管构成，每根扩散管上分别连接有多根扩散支管，所述氨氮混合气输入管连接于外部氨氮混合气供气装置与各所述扩散总管之间，在各所述扩散管和各所述扩散支管上均开设有若干扩散孔。
如上所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其中，所述催化剂床层为蜂窝状整体式催化剂床层，所述蜂窝状整体式催化剂床层包括沿纵向间隔布设的至少两层催化剂子床层，每层催化剂子床层由沿所述反应器主体的横截面拼装在一起的多个催化剂床层单元构成，每个催化剂床层单元包括床层框体和在所述床层框体内交叉设置的床层分隔板；所述扩散支管在所述反应器主体的横截面内垂直于所述扩散管布设，所述扩散孔的开孔方向与所述反应器主体纵向保持一致。
如上所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其中，所述催化剂子床层为2至4层。
如上所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其中，所述扩散总管的相邻的扩散管之间的间距为0.8m～1.2m，优选为1m～1.1m。
如上所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其中，所述催化剂床层为颗粒型填充催化剂床层，所述颗粒型填充催化剂床层包括整体式床层框体和在所述整体式床层框体内交叉设置的床层分隔板；多根所述扩散支管分别在所述反应器主体的横截面和纵截面内垂直于所述扩散管布设，所述扩散孔的开孔方向朝向所述颗粒型填充催化剂床层的内部四周。
如上所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其中，所述扩散总管的相邻的扩散管之间的间距为1.2m～2m，优选为1.5m～1.6m。
如上所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其中，各所述扩散管上的相邻的所述扩散管支管之间的距离为0.6m～1m，优选间隔为0.7m ～0.8m，各所述扩散管支管的长度为0.4m～0.6m。
如上所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其中，所述扩散孔在所述扩散管和所述扩散支管上的开孔率为4％～12％，优选5％～10％，更有选为7％～8％。
如上所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其中，每个所述扩散孔的孔径为1mm～5mm，优选2mm～3mm。
如上所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其中，在所述烟气入口处设有导流板和整流格栅。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益技术效果：
1、本实用新型结构简单，无需增加体积和外挂装置，既方便加工生产，也利于对现有装置进行改造；
2、本实用新型通过扩散管将氨氮混合气直接释放到催化剂床层，可以提高在催化剂床层上吸附的NH3量，达到提高催化活性的目的；
3、本实用新型采用直接将氨氮混合气释放进入催化剂床层的设计，能够保证在反应局部范围内还原剂的相对饱和，防止由于还原剂NH3的不足造成副反应生成N2O 的情况发生，同时降低了NH3在湿烟气中与SO2接触的时间，提高还原剂使用效率，增强脱硝效果；
4、本实用新型所设计的扩散管系统还可根据实际需要进行调整，达到充分均匀的释放氮氨混合气到催化剂床层的功效。
附图说明
图1为本实用新型提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器的实施例一的结构示意图；
图2为图1的反应器主体内部俯视图；
图3为图2中A部分的放大结构示意图；
图4为本实用新型提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器的实施例二的结构示意图。
图中标号具有如下意义：
1-烟气入口；2-反应器主体；3-烟气出口；4-导流板；5-整流格栅；6-催化剂床层；61-整体式床层框体；62-床层分隔板；7-氨氮混合气扩散管组；71-氨氮混合气输入管； 72-扩散总管；73-扩散管；74-扩散支管；75-扩散孔；9-催化剂子床层；91-催化剂床层单元；911-分体式床层框体；912-床层分隔板。
具体实施方式
为了对本实用新型的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合具体实施例及对本实用新型的技术方案进行以下详细说明，应理解这些实例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。实施例中，各原始试剂材料均可商购获得，未注明具体条件的实验方法为所属领域熟知的常规方法和常规条件，或按照仪器制造商所建议的条件。
在本实用新型中，低温SCR催化剂是现有的催化剂，是采用V-Mn系催化剂或者类似配方的催化剂。
在本实用新型中，SCR是指选择性催化还原(selective catalytic reduction)，利用催化剂和还原剂对NOx烟气进行还原净化的现有技术。
L-H(英文全称：Langmuir-Hinshelwood)机理，是指NH3气体分子在催化剂表面的B酸位吸附形成NH4 +，进一步与催化剂表面由NO/NO2反应形成的烟硝酸盐进一步反应生成N2和H2O的反应过程。
E-R(英文全称：Eley-Rideal)机理，是指NH3气体分子在催化剂表面的L酸位吸附并脱氢形成NH2，进一步与气相的NO反应生成N2和H2O的反应过程。
如图1所示，为本实用新型提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR 反应器的实施例一结构示意图。本实用新型提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，按烟气的流动方向(参见图1中箭头方向)，其依次包括烟气入口1、反应器主体2及烟气出口3，在烟气入口1处沿烟气的流动方向依次设有导流板4和整流格栅5，使外部烟气能够均匀的进入反应器主体2中进行反应。在反应器主体2内部设有用于放置低温SCR催化剂的催化剂床层6，在催化剂床层6中插装有氨氮混合气扩散管组7，氨氮混合气扩散管组7包括氨氮混合气输入管71和由上至下并排设置的至少两排扩散总管72，每排扩散总管72由水平并排设置的多根扩散管73构成，每根扩散管73上分别连接有多根扩散支管74，使得各排扩散总管 72的扩散管73和扩散支管74密集分布于催化剂床层6内；氨氮混合气输入管71连接于外部氨氮混合气供气装置(图中未示出)与各扩散总管72之间，使得各扩散总管72通过氨氮混合气输入管8并联后与外部氨氮混合气供气装置相连接，在各扩散管73和各扩散支管74上均开设有若干扩散孔75，使得氨氮混合气(一般氨气含量不高于5％，氨气含量可根据需要量进行调整)通过扩散孔75扩散至反应器主体2 内的催化剂床层6内部。与现有的SCR反应器相比，本实用新型将氨氮混合气与烟气的接触位置设置在于放置低温SCR催化剂的催化剂床层6处，这样可以起到提高氨氮混合气中的NH3与低温SCR催化剂接触吸附活化，为低温SCR反应创造良好条件的作用，提高了低温SCR催化剂活性；同时本实用新型的结构设计避免了烟气中 NO2局部过量时由于NH3不够而发生副反应，起到抑制副产物N2O的功效；再者，本实用新型的结构设计可减少原烟气中SO2与NH3的接触时间，减少硫酸铵的产生，提高还原剂的使用效率，也能在一定程度上提高了SCR催化剂活性。
如图1、图2所示，在实施例一中，催化剂床层6为蜂窝状整体式催化剂床层，蜂窝状整体式催化剂床层包括沿纵向间隔布设的至少两层催化剂子床层9，优选的，催化剂子床层9为2至4层，相应的，扩散总管72设有2至4排，各排扩散总管72 分别插设于对应的各催化剂子床层9内，使得烟气顺序通过各催化剂子床层9时，能分别与扩散总管72通过扩散孔75扩散出的NH3接触反应。每层催化剂子床层9由沿反应器主体2的横截面拼装在一起的多个催化剂床层单元91构成，每个催化剂床层单元91包括分体式床层框体911和在分体式床层框体911内交叉设置的床层分隔板912，相邻的两个催化剂床层单元91内的床层分隔板912组合在一起形成类似蜂窝状的多边形结构。多个扩散支管74分别设置于各自对应的扩散管73上，且扩散支管74在反应器主体2的横截面内垂直于扩散管73布设(如图2所示)，使得扩散孔 75的开孔方向与反应器主体2纵向保持一致，蜂窝状整体式催化剂床层上敷设的催化剂应紧密的布置安放在平行放置的各扩散管73的上、下侧，能够最大限度的使氨氮混合气中的NH3与低温SCR催化剂接触吸附活化。
在实施例一中，进一步的，扩散总管72中的相邻的扩散管73之间的间距为0.8m ～1.2m，其间距优选为1m～1.1m。该间距可以保证由扩散管73扩散出的NH3与烟气充分接触反应。
为进一步保证NH3与烟气充分接触反应，各扩散管73上的相邻的扩散管支管74 之间的距离为0.6m～1m，优选间隔为0.7m～0.8m，各扩散管支管74的长度为0.4m ～0.6m；扩散孔75在扩散管73和扩散支管74上的开孔率为4％～12％，优选5％～10％，更有选为7％～8％；每个扩散孔75的孔径为1mm～5mm，优选2mm～3mm。其中，开孔率是指所有扩散孔75的开孔总面积占所有扩散管73表面积或所有扩散支管74 表面积的百分比。
如图4所示，为本实用新型提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR 反应器的实施例二的结构示意图。本实施例二与实施例一的结构和原理基本相同，其区别主要在于，催化剂床层6采用颗粒型填充催化剂床层，该颗粒型填充催化剂床层包括整体式床层框体61和在所述整体式床层框体61内交叉设置的床层分隔板62，扩散总管72整体插入整体式床层框体61内，低温SCR催化剂堆叠在颗粒型填充催化剂床层内并形成不规则的通气道。多根扩散支管74分别在反应器主体2的横截面和纵截面内垂直于各自对应的扩散管73布设，而形成立体三维分布结构，扩散管73 和扩散支管74上的扩散孔75的开孔方向朝向颗粒型填充催化剂床层的内部四周分布，使得NH3能够从各个方向与经过的烟气充分接触反应。
在实施例二中，扩散总管72的相邻的扩散管73之间的间距为1.2m～2m，优选为1.5m～1.6m，以进一步的保证NH3与烟气充分接触反应。
本实用新型的工作原理为：
对于低温状态下的SCR反应，其反应路径和机理目前已经有了大量的实验分析和数据结果，虽然学界对于低温时SCR反应是L-H机理还是E-R机理，亦或是两者并存，尚存争议，但是都不否认低温下SCR反应主要和NH3在催化剂上的吸附活化直接相关，不论是在B酸位形成NH4 +还是在L酸位脱氢形成NH2物种，都对后面进一步反应生成N2有着直接影响，同时快速SCR反应：NO+NO2+2NH3＝2N2+3H2O能否发生也直接关系着低温SCR催化剂的反应活性，而根据对反应机理的分析发生快速SCR的反应路径应该是L-H机理，这需要催化剂具有较多的B酸位，同时保证有足够的NO能被氧化成NO2，目前所使用的低温SCR催化剂都是具备这样的基本条件的，通过多组分金属氧化物的加入特别是Mn元素，还有配合助剂金属氧化物及氧化物载体，使得这类催化剂既包含丰富的B酸位，也含有大量的L酸位，因此不论是L-H还是E-R路径，催化剂都具备基本条件，但是值得注意的是在实验室试验中，低温条件下，会大量生成副产物N2O，这是由于NO氧化成NO2的速度过快后，多余NO2的不能及时参与快速SCR反应，此时NO2则会发生自身SCR反应，总的方程式为：2NO2+4NH3+O2＝3N2+6H2O,实际反应过程却很复杂，而这种反应结果只发生在还原剂过量的条件下，可是根据标准SCR反应所释放的NH3与NOx的比例一般都略小于1，在这种情况下，中间产物NH4NO3则会分解释放N2O，这就是副产物出现的原因，当温度较高时，NH4NO3还会分解生成NO和NO2，导致NOx转化率下降；通过以上的分析。本实用新型的原理就是通过NH3与催化剂的接触位置设置在于放置低温SCR催化剂的催化剂床层处，这样可以起到提高氨氮混合气中的NH3与低温 SCR催化剂接触吸附活化，为低温SCR反应创造良好条件，同时避免NO2局部过量时由于NH3不够而发生副反应，这样操作还有一个好处就是减少原烟气中SO2与NH3的接触时间，减少硫酸铵的产生，提高还原剂的使用效率，也能在一定程度上提高 SCR活性。
在使用时，在经过氮气稀释混合的氨氮混合气由氨氮混合气输入管71注入到反应器主体2中，氨氮混合气经过扩散管73，分流进入扩散支管74，再由扩散管73 和扩散支管74上的扩散孔75均匀释放进入到催化剂床层6中。
本实用新型采用工作温度为200℃～220℃的V-Mn-TiO2低温SCR催化剂，在实施例一中催化剂床层采用蜂窝整体式，催化剂床层数为3层，层高度为1.25m，氨氮混合气分布扩散管在每层催化剂床层内设置，每根管水平间隔为1m,每层4根，扩散支管长度为0.45m，水平方向设置，设置间隔为0.7m，在主管和支管上都均匀开有扩散孔，孔径3mm，开孔率为6％，将温度为190～210℃的焦炉烟气由反应器进口经导流板4和整流格栅5引入反应区中，烟气中NOx为300～800mg/Nm3，SO2为50～200 mg/Nm3，烟气中的NO/NO2与还原剂NH3在催化剂床层上发生SCR反应，经过催化剂床层后由反应器下口排出，此时烟气中NOx含量低于150mg/Nm3；NOx的转化率超过80％。
本实用新型技术方案具有以下有益的技术效果：
1、本实用新型结构简单，无需增加体积和外挂装置，既方便加工生产，也利于对现有装置进行改造；
2、本实用新型通过扩散管将氨氮混合气直接释放到催化剂床层，可以提高在催化剂床层上吸附的NH3量，达到提高催化活性的目的；
3、本实用新型采用直接将氨氮混合气释放进入催化剂床层的设计，能够保证在反应局部范围内还原剂的相对饱和，防止由于还原剂NH3的不足造成副反应生成N2O 的情况发生，同时降低了NH3在湿烟气中与SO2接触的时间，提高还原剂使用效率，增强脱硝效果；
4、本实用新型所设计的扩散管系统还可根据实际需要进行调整，达到充分均匀的释放氮氨混合气到催化剂床层的功效。
最后说明的是：以上实施例仅用于说明本实用新型的实施过程和特点，而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本实用新型的保护范围当中。

Claims (16)

1.一种提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，按烟气的流动方向，其依次包括烟气入口、反应器主体及烟气出口，其特征在于，在所述反应器主体内部设有用于放置低温SCR催化剂的催化剂床层，在所述催化剂床层中插装有氨氮混合气扩散管组，所述氨氮混合气扩散管组包括氨氮混合气输入管和由上至下并排设置的至少两排扩散总管，每排所述扩散总管由水平设置的多根扩散管构成，每根扩散管上分别连接有多根扩散支管，所述氨氮混合气输入管连接于外部氨氮混合气供气装置与各所述扩散总管之间，在各所述扩散管和各所述扩散支管上均开设有若干扩散孔。
2.根据权利要求1所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，所述催化剂床层为蜂窝状整体式催化剂床层，所述蜂窝状整体式催化剂床层包括沿纵向间隔布设的至少两层催化剂子床层，每层催化剂子床层由沿所述反应器主体的横截面拼装在一起的多个催化剂床层单元构成，每个催化剂床层单元包括床层框体和在所述床层框体内交叉设置的床层分隔板；所述扩散支管在所述反应器主体的横截面内垂直于所述扩散管布设，所述扩散孔的开孔方向与所述反应器主体纵向保持一致。
3.根据权利要求2所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，所述催化剂子床层为2至4层。
4.根据权利要求3所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，所述扩散总管的相邻的扩散管之间的间距为0.8m～1.2m。
5.根据权利要求4所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，所述扩散总管的相邻的扩散管之间的间距为1m～1.1m。
6.根据权利要求1所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，所述催化剂床层为颗粒型填充催化剂床层，所述颗粒型填充催化剂床层包括整体式床层框体和在所述整体式床层框体内交叉设置的床层分隔板；多根所述扩散支管分别在所述反应器主体的横截面和纵截面内垂直于所述扩散管布设，所述扩散孔的开孔方向朝向所述颗粒型填充催化剂床层的内部四周。
7.根据权利要求6所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，所述扩散总管的相邻的扩散管之间的间距为1.2m～2m。
8.根据权利要求7所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，所述扩散总管的相邻的扩散管之间的间距为1.5m～1.6m。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，各所述扩散管上的相邻的所述扩散管支管之间的距离为0.6m～1m，各所述扩散管支管的长度为0.4m～0.6m。
10.根据权利要求9所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，各所述扩散管上的相邻的所述扩散管支管之间的距离为0.7m～0.8m。
11.根据权利要求1至8中任一项所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，所述扩散孔在所述扩散管和所述扩散支管上的开孔率为4％～12％。
12.根据权利要求11所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，所述扩散孔在所述扩散管和所述扩散支管上的开孔率为5％～10％。
13.根据权利要求12所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，所述扩散孔在所述扩散管和所述扩散支管上的开孔率为7％～8％。
14.根据权利要求11所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，每个所述扩散孔的孔径为1mm～5mm。
15.根据权利要求14所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，每个所述扩散孔的孔径为2mm～3mm。
16.根据权利要求1所述的提高低温SCR催化剂活性并且抑制副产物N2O的SCR反应器，其特征在于，在所述烟气入口处设有导流板和整流格栅。
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CN201820556659.9U Active CN208356520U (zh) 2018-04-18 2018-04-18 提高低温scr催化剂活性并且抑制副产物n2o的scr反应器

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108325385A (zh) * 2018-04-18 2018-07-27 中冶京诚工程技术有限公司 提高低温scr催化剂活性并且抑制副产物n2o的scr反应器

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CN108325385A (zh) * 2018-04-18 2018-07-27 中冶京诚工程技术有限公司 提高低温scr催化剂活性并且抑制副产物n2o的scr反应器

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