空預脫硝一體反應器及反應方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種空預脫硝一體反應器及反應方法，反應器包括回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)和回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)外面的殼體、殼體上下面的氣體進出通道，氣體進出通道分隔為煙氣進出通道、還原劑進出通道和空氣進出通道三部分，回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)為圓柱形，包括中心軸轉(zhuǎn)子、可繞中心軸轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的多層圓形催化劑層，多層圓形催化劑層由徑向密封板和軸向密封板分割為空氣區(qū)、煙氣區(qū)和還原劑區(qū)，反應器中催化劑在煙氣區(qū)、還原劑區(qū)和空氣區(qū)交替循環(huán)。催化劑將隨反應器旋轉(zhuǎn)進行催化劑層的加熱-再加熱-冷卻過程，各區(qū)域溫度及反應氛圍的不同均有利于空預和脫硝過程的進行，進而提高整個反應器的脫硝效率。
【專利說明】空預脫硝一體反應器及反應方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型空預脫硝一體反應器及反應方法，具體涉及鍋爐的空氣預熱和煙氣中NOx的脫除技術(shù)，屬于鍋爐節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]空氣預熱器和煙氣脫硝反應器是現(xiàn)在燃煤鍋爐，特別是燃煤電站鍋爐煙氣處理裝置中必不可少的兩個部分。
[0003]空氣預熱器，簡稱空預器，主要作用是利用煙氣將進入鍋爐的空氣預熱到一定溫度，這樣可以回收煙氣的熱量，降低鍋爐排煙溫度，同時也由于空氣被預熱，提高了燃料與空氣的初始溫度，強化了燃料的著火和燃燒過程，減少了燃料的不完全燃燒損失，進一步提高了鍋爐效率。
[0004]煙氣脫硝方面，于2012年I月I日實施的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)中規(guī)定所有新建火電機組NOx排放量達到100mg/cm3。從2014年I月I日開始，要求重點地區(qū)所有火電投運機組NOx排放量達到lOOmg/cm3，而非重點地區(qū)2003年以前投產(chǎn)的機組達到200mg/cm3。新標準的實施為火電企業(yè)帶來了巨大的壓力，氮氧化物的控制也成為國家經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護的緊迫客觀要求。目前催化還原NOx技術(shù)(SCR)已成為世界上應用最多、最為成熟且最有成效的一種煙氣脫硝技術(shù)。該技術(shù)是把氨作為還原劑，噴入煙道與煙氣充分混合，然后流經(jīng)裝載SCR催化劑的反應器中，在催化劑的作用下，煙氣中的NOx被還原劑氨還原為無害的氮氣。目前，SCR反應器在燃煤電站鍋爐中得到廣泛應用。
[0005]空預器和SCR脫硝反應器為電站鍋爐常規(guī)煙氣處理設備，占地較大，投資和運行成本均較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種空預脫硝一體反應器及反應方法，在該反應器中可以實現(xiàn)熱煙氣對冷空氣的預熱，同時實現(xiàn)煙氣的脫硝反應，實現(xiàn)煙氣余熱利用和煙氣脫硝凈化處理的同時進行，提高燃煤鍋爐煙氣處理設備的緊湊性，降低投資和運行成本。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]空預脫硝一體反應器，包括回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)和回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)外面的殼體、殼體上下面的氣體進出通道，氣體進出通道分隔為煙氣進出通道、還原劑進出通道和空氣進出通道三部分，回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)為圓柱形，包括中心軸轉(zhuǎn)子、可繞中心軸轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的多層圓形催化劑層，多層圓形催化劑層由徑向密封板和軸向密封板分割為空氣區(qū)、煙氣區(qū)和還原劑區(qū)，各層圓形催化劑層的空氣區(qū)上下相通并大小與空氣進出通道相對應，各層圓形催化劑層的煙氣區(qū)上下相通并大小與煙氣進出通道相對應，各層圓形催化劑層的還原劑區(qū)上下相通并大小與還原劑進出通道相對應，氣體進出通道固定在殼體上，殼體不隨中心軸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。[0009]所述的圓形催化劑層上豎直裝載著蜂窩狀催化劑。所述蜂窩狀催化劑由兩部分組成，金屬支撐骨架與催化劑涂層。金屬支撐骨架采用鋼板，為蜂窩狀結(jié)構(gòu)。催化劑涂層均勻覆蓋在金屬支撐骨架表面，催化劑采用Fe或Cu等非貴金屬催化劑，該金屬可負載于分子篩、氧化鋁等硅鋁氧化物載體，成本較低。
[0010]所述的空氣區(qū)、煙氣區(qū)和還原劑區(qū)的兩兩相接處有過渡區(qū)過渡。
[0011]所述的煙氣區(qū)的扇區(qū)為160° ±10°，空氣區(qū)的扇區(qū)為120° ±10°，還原劑區(qū)的扇區(qū)為40° ±10°。所述各扇形區(qū)域的角度可根據(jù)催化劑種類及煙氣溫度等具體設置調(diào)整。所述過渡區(qū)的扇區(qū)為10°?20°。
[0012]所述回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方式可以采用周邊驅(qū)動或中心軸驅(qū)動。反應器中殼體與回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)間應加入軸向密封和徑向密封，以減小各區(qū)域之間的漏風。
[0013]反應器進氣部分固定，煙氣、還原劑和空氣分別進入反應器的不同扇形區(qū)域。裝載催化劑的回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)持續(xù)旋轉(zhuǎn)，在煙氣區(qū)、還原劑區(qū)和空氣區(qū)交替循環(huán)。
[0014]利用上述反應器進行空預脫硝一體反應的方法，催化劑隨轉(zhuǎn)動在煙氣區(qū)、還原劑區(qū)和空氣區(qū)交替循環(huán)，催化劑層旋轉(zhuǎn)至煙氣區(qū)，入口煙氣溫度為300-35(TC，催化劑被煙氣加熱，并將煙氣溫度降低至120-150°C，同時煙氣中的NOx被吸附于催化劑表面；然后催化劑繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至還原劑區(qū)，入口還原劑氣體溫度為350-600°C，催化劑被還原劑氣體進一步加熱，同時催化劑表面吸附的NOx被還原劑氣體還原并從催化劑表面脫除；最后催化劑旋轉(zhuǎn)至空氣區(qū)，入口空氣溫度為常溫，催化劑被冷空氣冷卻，同時將冷空氣加熱至120-200°C，催化劑表面殘留的NOx也將被空氣攜帶至爐膛參與燃燒過程；催化劑將隨反應器旋轉(zhuǎn)回空氣區(qū)，進行下一輪催化劑層的加熱-再加熱-冷卻過程，也即NOx的吸附-還原脫附-再脫附過程。
[0015]所述煙氣和還原劑從反應器上部進入，從下方流出；空氣從反應器下方進入，上方流出。
[0016]所述的還原劑氣體米用燃料型氣體，如氫氣(H2)、一氧化碳(CO)、甲燒(CH4)、乙燒(C2H6)'乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10)'丁烯(C4H8)等一系列還原性氣體之一或幾種的組合，該還原劑可以用氮氣加以稀釋，燃料氣體的濃度范圍為1_20%。
[0017]所述的還原劑氣體與煙氣的體積流量比范圍為1:20?1:400。
[0018]本發(fā)明的反應器中催化劑在煙氣區(qū)、還原劑區(qū)和空氣區(qū)交替循環(huán)。催化劑將隨反應器旋轉(zhuǎn)進行催化劑層的加熱-再加熱-冷卻過程，也即NOx的吸附-還原脫附-再脫附過程。各區(qū)域溫度及反應氛圍的不同均有利于空預和脫硝過程的進行，進而提高整個反應器的脫硝效率。對比空預器和脫硝反應器分開布置的煙氣處理系統(tǒng)，空預脫硝一體設備的體積約為單獨回轉(zhuǎn)式空預器的1.2-1.5倍，投資成本為分開布置的系統(tǒng)的50% -75%，運行成本為分開布置的60-80%。同時，預期空氣預熱效果和單獨的回轉(zhuǎn)式空氣預熱器相當，同時脫硝效率可達到90%左右。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明空預脫硝一體反應器的結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖2為圖1的A-A側(cè)剖視圖；[0021 ] 圖3為圖1的B-B側(cè)剖視圖；
[0022]圖4為催化劑層的分區(qū)示意圖。
[0023]其中，1.煙氣進出通道、2.還原劑進出通道、3.空氣進出通道、4.中心軸轉(zhuǎn)子、
5.圓形催化劑層，6.空氣區(qū)、7.煙氣區(qū)、8.還原劑區(qū)、9.過渡區(qū)、10.殼體。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合實施例進一步說明。
[0025]實施例1
[0026]空預脫硝一體反應器，包括回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)和回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)外面的殼體10、殼體10上下面的氣體進出通道，氣體進出通道分隔為煙氣進出通道1、還原劑進出通道2和空氣進出通道3三部分，回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)為圓柱形，包括中心軸轉(zhuǎn)子4、可繞中心軸轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的多層圓形催化劑層5，多層圓形催化劑層由徑向密封板和軸向密封板分割為空氣區(qū)6、煙氣區(qū)7和還原劑區(qū)8，各層圓形催化劑層的空氣區(qū)6上下相通并大小與空氣進出通道3相對應，各層圓形催化劑層的煙氣區(qū)7上下相通并大小與煙氣進出通道I相對應，各層圓形催化劑層的還原劑區(qū)8上下相通并大小與還原劑進出通道2相對應，氣體進出通道固定在殼體10上，殼體不隨中心軸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
[0027]反應器進氣部分分為三股分別進入反應器，分別為煙氣、還原劑和空氣。反應器進氣部分固定，煙氣、還原劑和空氣分別進入反應器的不同扇形區(qū)域。煙氣進入的扇區(qū)為160°，稱為煙氣區(qū)7 ;空氣進入的扇區(qū)為120°，稱為空氣區(qū)6 ;還原劑進入的扇區(qū)為40°，稱為還原劑區(qū)8。所述各扇形區(qū)域的角度可根據(jù)催化劑種類及煙氣溫度等具體設置調(diào)整，調(diào)整幅度為±10°。所述的空氣區(qū)、煙氣區(qū)和還原劑區(qū)之間分別存在過渡區(qū)9，該扇區(qū)為10。?20°。
[0028]回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)的驅(qū)動方式可以采用周邊驅(qū)動或中心軸驅(qū)動。反應器中應加入軸向密封和徑向密封，以減小各區(qū)域之間的漏風?；剞D(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)中心安裝旋轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)，扇形區(qū)裝載的催化劑層隨之旋轉(zhuǎn)。
[0029]圓形催化劑層上豎直裝載著蜂窩狀催化劑。所述蜂窩狀催化劑由兩部分組成，金屬支撐骨架與催化劑涂層。金屬支撐骨架采用鋼板，為蜂窩狀結(jié)構(gòu)。催化劑涂層均勻覆蓋在金屬支撐骨架表面，催化劑采用Fe或Cu等非貴金屬催化劑，該金屬可負載于分子篩、氧化鋁等硅鋁氧化物載體，成本較低。
[0030]反應器中煙氣和還原劑從反應器上部進入，從下方流出；空氣從反應器下方進入，上方流出。還原劑氣體米用燃料型氣體，如氫氣(H2)、一氧化碳(CO)、甲燒(CH4)、乙燒(C2H6)'乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)、丙烯(C3H6)、丁烷(C4H10)'丁烯(C4H8)等一系列還原性氣體之一或幾種的組合，該還原劑可以用氮氣加以稀釋，燃料氣體的濃度范圍為1-20%。還原劑氣體與煙氣的體積流量比范圍為1:20?1:400。
[0031]首先，催化劑層旋轉(zhuǎn)至煙氣區(qū)，入口煙氣溫度為300-350°C，催化劑被煙氣加熱，并將煙氣溫度降低至120-150°C，同時煙氣中的NOx被吸附于催化劑表面。然后，催化劑繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至還原劑區(qū)，入口還原劑氣體溫度為350-600°C，催化劑被還原劑氣體進一步加熱，同時催化劑表面吸附的NOx被還原劑氣體還原并從催化劑表面脫除。最后，催化劑旋轉(zhuǎn)至空氣區(qū)，入口空氣溫度為常溫，10-30°C，催化劑被冷空氣冷卻，同時將冷空氣加熱至120-200°C，催化劑表面殘留的NOx也將被空氣攜帶至爐膛參與燃燒過程。至此，催化劑將隨反應器旋轉(zhuǎn)回空氣區(qū)，進行下一輪催化劑層的加熱-再加熱-冷卻過程。
【權(quán)利要求】
1.空預脫硝一體反應器，其特征是，包括回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)和回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)外面的殼體、殼體上下面的氣體進出通道，氣體進出通道分隔為煙氣進出通道、還原劑進出通道和空氣進出通道三部分，回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)為圓柱形，包括中心軸轉(zhuǎn)子、可繞中心軸轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的多層圓形催化劑層，多層圓形催化劑層由徑向密封板和軸向密封板分割為空氣區(qū)、煙氣區(qū)和還原劑區(qū)，各層圓形催化劑層的空氣區(qū)上下相通并大小與空氣進出通道相對應，各層圓形催化劑層的煙氣區(qū)上下相通并大小與煙氣進出通道相對應，各層圓形催化劑層的還原劑區(qū)上下相通并大小與還原劑進出通道相對應，氣體進出通道固定在殼體上，殼體不隨中心軸轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空預脫硝一體反應器，其特征是，所述的圓形催化劑層上豎直裝載著蜂窩狀催化劑，所述蜂窩狀催化劑由兩部分組成:金屬支撐骨架與催化劑涂層，金屬支撐骨架采用鋼板，為蜂窩狀結(jié)構(gòu)，催化劑涂層均勻覆蓋在金屬支撐骨架表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空預脫硝一體反應器，其特征是，所述的空氣區(qū)、煙氣區(qū)和還原劑區(qū)的兩兩相接處有過渡區(qū)過渡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空預脫硝一體反應器，其特征是，所述過渡區(qū)的扇區(qū)為10。?20°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空預脫硝一體反應器，其特征是，所述的煙氣區(qū)的扇區(qū)為160° ±10°，空氣區(qū)的扇區(qū)為120° ±10°，還原劑區(qū)的扇區(qū)為40° ±10°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空預脫硝一體反應器，其特征是，殼體與回轉(zhuǎn)式催化劑本體結(jié)構(gòu)間應加入軸向密封和徑向密封。
7.利用權(quán)利要求1所述的反應器進行空預脫硝一體反應的方法，其特征是，催化劑隨轉(zhuǎn)動在煙氣區(qū)、還原劑區(qū)和空氣區(qū)交替循環(huán)，催化劑層旋轉(zhuǎn)至煙氣區(qū)，入口煙氣溫度為300-350°C，催化劑被煙氣加熱，并將煙氣溫度降低至120-150°C，同時煙氣中的NOx被吸附于催化劑表面；然后催化劑繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至還原劑區(qū)，入口還原劑氣體溫度為350-600°C，催化劑被還原劑氣體進一步加熱，同時催化劑表面吸附的NOx被還原劑氣體還原并從催化劑表面脫除；最后催化劑旋轉(zhuǎn)至空氣區(qū)，入口空氣溫度為常溫，催化劑被冷空氣冷卻，同時將冷空氣加熱至120-200°C，催化劑表面殘留的NOx也將被空氣攜帶至爐膛參與燃燒過程；催化劑將隨反應器旋轉(zhuǎn)回空氣區(qū)，進行下一輪催化劑層的加熱-再加熱-冷卻過程，也即NOx的吸附-還原脫附-再脫附過程。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空預脫硝一體反應的方法，其特征是，所述煙氣和還原劑從反應器上部進入，從下方流出；空氣從反應器下方進入，上方流出。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空預脫硝一體反應的方法，其特征是，所述的還原劑氣體與煙氣的體積流量比范圍為1:20?1:400。
【文檔編號】B01D53/90GK103994462SQ201410246772
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】馬春元, 程星星, 王志強, 王濤 申請人:山東大學