CN103994462B - 空预脱硝一体反应器及反应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空预脱硝一体反应器及反应方法，反应器包括回转式催化剂本体结构和回转式催化剂本体结构外面的壳体、壳体上下面的气体进出通道，气体进出通道分隔为烟气进出通道、还原剂进出通道和空气进出通道三部分，回转式催化剂本体结构为圆柱形，包括中心轴转子、可绕中心轴转子旋转的多层圆形催化剂层，多层圆形催化剂层由径向密封板和轴向密封板分割为空气区、烟气区和还原剂区，反应器中催化剂在烟气区、还原剂区和空气区交替循环。催化剂将随反应器旋转进行催化剂层的加热‑再加热‑冷却过程，各区域温度及反应氛围的不同均有利于空预和脱硝过程的进行，进而提高整个反应器的脱硝效率。

Description

空预脱硝一体反应器及反应方法
技术领域
本发明涉及一种新型空预脱硝一体反应器及反应方法，具体涉及锅炉的空气预热和烟气中NOx的脱除技术，属于锅炉节能减排技术创新领域。
背景技术
空气预热器和烟气脱硝反应器是现在燃煤锅炉，特别是燃煤电站锅炉烟气处理装置中必不可少的两个部分。
空气预热器，简称空预器，主要作用是利用烟气将进入锅炉的空气预热到一定温度，这样可以回收烟气的热量，降低锅炉排烟温度，同时也由于空气被预热，提高了燃料与空气的初始温度，强化了燃料的着火和燃烧过程，减少了燃料的不完全燃烧损失，进一步提高了锅炉效率。
烟气脱硝方面，于2012年1月1日实施的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)中规定所有新建火电机组NOx排放量达到100mg/cm3。从2014年1月1日开始，要求重点地区所有火电投运机组NOx排放量达到100mg/cm3，而非重点地区2003年以前投产的机组达到200mg/cm3。新标准的实施为火电企业带来了巨大的压力，氮氧化物的控制也成为国家经济可持续发展和环境保护的紧迫客观要求。目前催化还原NOx技术(SCR)已成为世界上应用最多、最为成熟且最有成效的一种烟气脱硝技术。该技术是把氨作为还原剂，喷入烟道与烟气充分混合，然后流经装载SCR催化剂的反应器中，在催化剂的作用下，烟气中的NOx被还原剂氨还原为无害的氮气。目前，SCR反应器在燃煤电站锅炉中得到广泛应用。
空预器和SCR脱硝反应器为电站锅炉常规烟气处理设备，占地较大，投资和运行成本均较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空预脱硝一体反应器及反应方法，在该反应器中可以实现热烟气对冷空气的预热，同时实现烟气的脱硝反应，实现烟气余热利用和烟气脱硝净化处理的同时进行，提高燃煤锅炉烟气处理设备的紧凑性，降低投资和运行成本。
本发明采用的技术方案为：
空预脱硝一体反应器，包括回转式催化剂本体结构和回转式催化剂本体结构外面的壳体、壳体上下面的气体进出通道，气体进出通道分隔为烟气进出通道、还原剂进出通道和空气进出通道三部分，回转式催化剂本体结构为圆柱形，包括中心轴转子、可绕中心轴转子旋转的多层圆形催化剂层，多层圆形催化剂层由径向密封板和轴向密封板分割为空气区、烟气区和还原剂区，各层圆形催化剂层的空气区上下相通并大小与空气进出通道相对应，各层圆形催化剂层的烟气区上下相通并大小与烟气进出通道相对应，各层圆形催化剂层的还原剂区上下相通并大小与还原剂进出通道相对应，气体进出通道固定在壳体上，壳体不随中心轴转子转动。
所述的圆形催化剂层上竖直装载着蜂窝状催化剂。所述蜂窝状催化剂由两部分组成，金属支撑骨架与催化剂涂层。金属支撑骨架采用钢板，为蜂窝状结构。催化剂涂层均匀覆盖在金属支撑骨架表面，催化剂采用Fe或Cu等非贵金属催化剂，该金属可负载于分子筛、氧化铝等硅铝氧化物载体，成本较低。
所述的空气区、烟气区和还原剂区的两两相接处有过渡区过渡。
所述的烟气区的扇区为160°±10°，空气区的扇区为120°±10°，还原剂区的扇区为40°±10°。所述各扇形区域的角度可根据催化剂种类及烟气温度等具体设置调整。所述过渡区的扇区为10°～20°。
所述回转式催化剂本体结构的驱动方式可以采用周边驱动或中心轴驱动。反应器中壳体与回转式催化剂本体结构间应加入轴向密封和径向密封，以减小各区域之间的漏风。
反应器进气部分固定，烟气、还原剂和空气分别进入反应器的不同扇形区域。装载催化剂的回转式催化剂本体结构持续旋转，在烟气区、还原剂区和空气区交替循环。
利用上述反应器进行空预脱硝一体反应的方法，催化剂随转动在烟气区、还原剂区和空气区交替循环，催化剂层旋转至烟气区，入口烟气温度为300-350℃，催化剂被烟气加热，并将烟气温度降低至120-150℃，同时烟气中的NOx被吸附于催化剂表面；然后催化剂继续旋转至还原剂区，入口还原剂气体温度为350-600℃，催化剂被还原剂气体进一步加热，同时催化剂表面吸附的NOx被还原剂气体还原并从催化剂表面脱除；最后催化剂旋转至空气区，入口空气温度为常温，催化剂被冷空气冷却，同时将冷空气加热至120-200℃，催化剂表面残留的NOx也将被空气携带至炉膛参与燃烧过程；催化剂将随反应器旋转回空气区，进行下一轮催化剂层的加热-再加热-冷却过程，也即NOx的吸附-还原脱附-再脱附过程。
所述烟气和还原剂从反应器上部进入，从下方流出；空气从反应器下方进入，上方流出。
所述的还原剂气体采用燃料型气体，如氢气(H2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10)、丁烯(C4H8)等一系列还原性气体之一或几种的组合，该还原剂可以用氮气加以稀释，燃料气体的浓度范围为1-20％。
所述的还原剂气体与烟气的体积流量比范围为1:20～1:400。
本发明的反应器中催化剂在烟气区、还原剂区和空气区交替循环。催化剂将随反应器旋转进行催化剂层的加热-再加热-冷却过程，也即NOx的吸附-还原脱附-再脱附过程。各区域温度及反应氛围的不同均有利于空预和脱硝过程的进行，进而提高整个反应器的脱硝效率。对比空预器和脱硝反应器分开布置的烟气处理***，空预脱硝一体设备的体积约为单独回转式空预器的1.2-1.5倍，投资成本为分开布置的***的50％-75％，运行成本为分开布置的60-80％。同时，预期空气预热效果和单独的回转式空气预热器相当，同时脱硝效率可达到90％左右。
附图说明
图1为本发明空预脱硝一体反应器的结构图；
图2为图1的A-A侧剖视图；
图3为图1的B-B侧剖视图；
图4为催化剂层的分区示意图。
其中，1.烟气进出通道、2.还原剂进出通道、3.空气进出通道、4.中心轴转子、5.圆形催化剂层，6.空气区、7.烟气区、8.还原剂区、9.过渡区、10.壳体。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明。
实施例1
空预脱硝一体反应器，包括回转式催化剂本体结构和回转式催化剂本体结构外面的壳体10、壳体10上下面的气体进出通道，气体进出通道分隔为烟气进出通道1、还原剂进出通道2和空气进出通道3三部分，回转式催化剂本体结构为圆柱形，包括中心轴转子4、可绕中心轴转子旋转的多层圆形催化剂层5，多层圆形催化剂层由径向密封板和轴向密封板分割为空气区6、烟气区7和还原剂区8，各层圆形催化剂层的空气区6上下相通并大小与空气进出通道3相对应，各层圆形催化剂层的烟气区7上下相通并大小与烟气进出通道1相对应，各层圆形催化剂层的还原剂区8上下相通并大小与还原剂进出通道2相对应，气体进出通道固定在壳体10上，壳体不随中心轴转子转动。
反应器进气部分分为三股分别进入反应器，分别为烟气、还原剂和空气。反应器进气部分固定，烟气、还原剂和空气分别进入反应器的不同扇形区域。烟气进入的扇区为160°，称为烟气区7；空气进入的扇区为120°，称为空气区6；还原剂进入的扇区为40°，称为还原剂区8。所述各扇形区域的角度可根据催化剂种类及烟气温度等具体设置调整，调整幅度为±10°。所述的空气区、烟气区和还原剂区之间分别存在过渡区9，该扇区为10°～20°。
回转式催化剂本体结构的驱动方式可以采用周边驱动或中心轴驱动。反应器中应加入轴向密封和径向密封，以减小各区域之间的漏风。回转式催化剂本体结构中心安装旋转轴，回转式催化剂本体结构可以绕中心轴旋转，扇形区装载的催化剂层随之旋转。
圆形催化剂层上竖直装载着蜂窝状催化剂。所述蜂窝状催化剂由两部分组成，金属支撑骨架与催化剂涂层。金属支撑骨架采用钢板，为蜂窝状结构。催化剂涂层均匀覆盖在金属支撑骨架表面，催化剂采用Fe或Cu等非贵金属催化剂，该金属可负载于分子筛、氧化铝等硅铝氧化物载体，成本较低。
反应器中烟气和还原剂从反应器上部进入，从下方流出；空气从反应器下方进入，上方流出。还原剂气体采用燃料型气体，如氢气(H2)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10)、丁烯(C4H8)等一系列还原性气体之一或几种的组合，该还原剂可以用氮气加以稀释，燃料气体的浓度范围为1-20％。还原剂气体与烟气的体积流量比范围为1:20～1:400。
首先，催化剂层旋转至烟气区，入口烟气温度为300-350℃，催化剂被烟气加热，并将烟气温度降低至120-150℃，同时烟气中的NOx被吸附于催化剂表面。然后，催化剂继续旋转至还原剂区，入口还原剂气体温度为350-600℃，催化剂被还原剂气体进一步加热，同时催化剂表面吸附的NOx被还原剂气体还原并从催化剂表面脱除。最后，催化剂旋转至空气区，入口空气温度为常温，10-30℃，催化剂被冷空气冷却，同时将冷空气加热至120-200℃，催化剂表面残留的NOx也将被空气携带至炉膛参与燃烧过程。至此，催化剂将随反应器旋转回空气区，进行下一轮催化剂层的加热-再加热-冷却过程。

Claims (8)

1.空预脱硝一体反应器，其特征是，包括回转式催化剂本体结构和回转式催化剂本体结构外面的壳体、壳体上下面的气体进出通道，气体进出通道分隔为烟气进出通道、还原剂进出通道和空气进出通道三部分，回转式催化剂本体结构为圆柱形，包括中心轴转子、可绕中心轴转子旋转的多层圆形催化剂层，多层圆形催化剂层由径向密封板和轴向密封板分割为空气区、烟气区和还原剂区，各层圆形催化剂层的空气区上下相通并大小与空气进出通道相对应，各层圆形催化剂层的烟气区上下相通并大小与烟气进出通道相对应，各层圆形催化剂层的还原剂区上下相通并大小与还原剂进出通道相对应，气体进出通道固定在壳体上，壳体不随中心轴转子转动；
催化剂采用Fe或Cu；还原剂气体采用氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷、丁烯中的一种或几种的组合；所述的空气区、烟气区和还原剂区的两两相接处有过渡区过渡。
2.根据权利要求1所述的空预脱硝一体反应器，其特征是，所述的圆形催化剂层上竖直装载着蜂窝状催化剂，所述蜂窝状催化剂由两部分组成：金属支撑骨架与催化剂涂层，金属支撑骨架采用钢板，为蜂窝状结构，催化剂涂层均匀覆盖在金属支撑骨架表面。
3.根据权利要求1所述的空预脱硝一体反应器，其特征是，所述过渡区的扇区为10°～20°。
4.根据权利要求1所述的空预脱硝一体反应器，其特征是，所述的烟气区的扇区为160°±10°，空气区的扇区为120°±10°，还原剂区的扇区为40°±10°。
5.根据权利要求1所述的空预脱硝一体反应器，其特征是，壳体与回转式催化剂本体结构间应加入轴向密封和径向密封。
6.利用权利要求1所述的反应器进行空预脱硝一体反应的方法，其特征是，催化剂随转动在烟气区、还原剂区和空气区交替循环，催化剂层旋转至烟气区，入口烟气温度为300-350℃，催化剂被烟气加热，并将烟气温度降低至120-150℃，同时烟气中的NOX被吸附于催化剂表面；然后催化剂继续旋转至还原剂区，入口还原剂气体温度为350-600℃，催化剂被还原剂气体进一步加热，同时催化剂表面吸附的NOX被还原剂气体还原并从催化剂表面脱除；最后催化剂旋转至空气区，入口空气温度为常温，催化剂被冷空气冷却，同时将冷空气加热至120-200℃，催化剂表面残留的NOX也将被空气携带至炉膛参与燃烧过程；催化剂将随反应器旋转回空气区，进行下一轮催化剂层的加热-再加热-冷却过程，也即NOX的吸附-还原脱附-再脱附过程。
7.根据权利要求6所述的空预脱硝一体反应的方法，其特征是，所述烟气和还原剂从反应器上部进入，从下方流出；空气从反应器下方进入，上方流出。
8.根据权利要求6所述的空预脱硝一体反应的方法，其特征是，所述的还原剂气体与烟气的体积流量比范围为1:20～1:400。
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