專利名稱：變流向煙氣催化還原脫硝反應器及脫硝方法
技術領域：
本發明涉及空氣污染治理的環保領域，尤其適用于煤轉化和石油煉制等能源領域氣相污染物的治理。
背景技術：
氮氧化物(簡稱NOx)是空氣主要污染物之一，與硫氧化物構成酸雨的禍首，不僅危害自然環境，而且嚴重影響人類的健康。對它們的治理已逐漸納入各國的環境保護規劃中。各種燃煤鍋爐、催化裂化裝置等產生、并隨煙氣排放的NOx，每年可達數千萬噸。若不加以治理，將給地球帶來極大的災害。
概括而言，煙氣脫硝分為濕法和干法兩大類，除物理吸附之外，其余皆為化學轉化的方法。因此，反應器就顯得十分重要。脫硝工藝還可以細分為選擇性催化還原法(SCR)，選擇性非催化還原法，光、電催化氧化法，熾熱碳還原法，濕式絡合吸收法，等離子體法和生物法等。其中，選擇性催化還原法以其高效、低能耗的技術優勢，在商業化市場中占據了重要的位置。SCR技術是以各種還原劑，如氨氣、一氧化碳、氫氣或烴類化合物，在中低溫條件下,將NOx選擇性催化還原成氮氣。Englehard Corporation公司于上世紀50年代中期，發明了氨法SCR脫硝工藝；約20年后，日本開發出具有高活性的鈦基五氧化二釩SCR催化齊U，并獲得商業應用；至今，SCR煙氣脫硝技術已在發達國家廣泛采用。以氨法SCR先脫硝為例，注入的氨氣在反應器中與NOx和SOx會發生如圖I所示的放熱反應。在絕熱操作的條件下，催化劑床層將產生10°c以上的溫升。具體溫升數值視NOx和SOx含量，及轉化率而定。對中低溫脫硝過程，利用溫升加快反應，是減少設備投資和降低運行成本的有效手段。為了提高煙氣脫硝的效率，在設計反應器時，應考慮以下因素I、催化劑床層的溫度和氣體流速分布盡可能均勻；2、還原劑與煙氣的混合盡可能充分；3、NOx的轉化率盡可能高；4、脫硝裝置的壓力降盡可能小；5、NH3的逃逸量盡可能少；6、運行周期盡可能長。只有兼顧了上述內容，才能防止氨氣在爆炸限內操作，解決粉塵和硫氨附著在催化劑表面引起的催化劑失活和再生的問題。SCR脫硝反應器的主要類型分為固定床和流化床。其中，CN100348301C設計了懸吊式固定床反應器，便于失活催化劑的拆裝；W02007040308A1采用了整體式的催化劑型式，它是固定床催化劑的主流類型；US6146605，US7943097B2, CN201772471U提供了脫硝反應器與煙氣管道的連接方式；US2011194986A1，CN101219329B,CN202212106U, CN201572607U, CN202212104U在反應器內或外設置了去除煙氣中顆粒物的部件；CN100425325C， CN201543395U, CN201244436Y, CN201454414U, CN201543370U,CN202212105U, CN102068904A, CN201807307U, CN201596465U, CN201669060U,CN102309920A設計了反應器的常規結構單元；CN202036922U構造了催化劑的安裝結構；CN101574624B提出了蓄熱式的反應器，CN102120129A給出了氨氣的噴射與混合裝置；CN102389838A描述了用于催化劑再生的在線清洗裝置。而CN1201852C、CN102233232A，CN102026703A,CN102068906A則設計出了流化床脫硝反應器。相關的專利不勝枚舉。Davide Fissore 等人(Experimental investigation of the SCR of NOx in asimulated moving bed reactor. AIChE Journal, 2006，52 (9) : 3146-3154)實驗研究了模擬移動床中的SCR脫硝反應。結果表明，模擬移動床可使反應器內的溫度分布均勻，脫硝效果明顯改善。CN2757903Y設計了可改變流向的蓄熱式SCR脫硝反應器，其中蓄熱陶瓷部分與催化劑床層分開設置，使催化劑床層維持相對較高的溫度。CN201899983U設計了 “C”型回轉流的反應器結構，用于實現催化劑清洗和除塵的目的
發明內容
本發明在綜合了上述論文和專利思想的基礎之上，只設置催化劑床層，以減少壓降，且在反應器內部設計了開關式調節門(簡稱開關門)，由外部驅動結構操控，通過固定床反應器的變流向周期操作，實現催化劑床層內更加均勻的溫度分布。該設計不同于模擬移動床的三段式結構，更適用于高通量的煙氣脫硝反應。本發明的變流向煙氣催化還原脫硝反應器技術方案如下一種變流向煙氣催化還原脫硝反應器1000，分別由進氣通道100，流向控制通道200，前置催化反應器300，倒向區400，灰塵捕集與還原劑輔助加入區500，以及后置催化反應器600六部分組成。反應器1000包括三段催化劑床層，分別是第一段催化劑床層7、第二段催化劑床層12和第三段催化劑床層18，其特征是在第一段催化劑床層7和第二段催化劑床層12上設置有流向控制通道200，通過兩個開關門3和13的同步調節，控制氣體流向；同時，組合了流體倒向區400和灰塵捕集與還原劑輔助加入區500。其中，流向控制通道200由垂直開關門3，水平開關門13，右側通道4和左側通道15組成。垂直開關門3控制流向控制通道200頂部的兩個通道入口，水平開關門13控制流向控制通道200前部的兩個通道出口 5和14。所述的垂直開關門3和水平開關門13是由整板構成或是百葉窗結構。所述的催化反應器300內設置有并排的第一段催化劑床層7和第二段催化劑床層12，在兩個催化劑床層上方設置有吹灰器6。所述的倒向區400內設有折流擋板9 ;折流擋板與第一段催化劑床層7和第二段催化劑床層12的分界線在同一平面上。所述的灰塵捕集與還原劑輔助加入區500為梯臺形，其內設置有兩個集塵擋板10，兩個集塵擋板10之間設有還原劑輔助加入口 11，同時還原劑輔助加入口 11設置在梯臺形底部的中心位置。所說的后置催化反應器600內設置有末端整流空間16和第三段催化劑床層18，且末端整流空間16與流向控制通道200的出口 5和出口 14相連。利用本發明的反應器進行變流向煙氣催化還原脫硝方法為，右側通道4上面的通道垂直開關門3和左側通道15前方的水平開關門13的同步調節，實現流向控制；當垂直開關門3關閉右側通道4的上部時，水平開關門13同步關閉左側通道15的前部，煙氣進入左側通道15 ;垂直開關門3關閉左側通道15的上部時，水平開關門13同步關閉右側通道4的前部，煙氣將進入右側通道4。流體的分布分別在四處整流通道內完成，包括右側通道4、倒向區400、末端整流空間16和左側通道15 ;累積在第一段催化劑床層7，第二段催化劑床層12和第三段催化劑床層18的灰塵和反應后形成的無機鹽，定期由吹灰器6實現除塵和催化劑再生；還原劑分兩部分注入，其一在煙道I內，其二則通過還原劑輔助加入口 11。當垂直開關門3倒向右側通道4的上部，且水平開關門13同步關閉左側通道15的前部時，煙氣進入左側通道15;在左側通道15的導向作用下，完成流向調整，并由上至下直接進入前置催化反應器300中的第二段催化劑床層12 ;經此一段反應后的煙氣，流入倒向區400，隨后，折返進入前置催化反應器300中的第一段催化劑床層7，再由出口 5流入末端整流空間16 ;此時，流體再次轉變主體運動方向，進入后置催化反應器600內的第三段催 化劑床層18，最終由出口通道17流出反應器1000 ；垂直開關門3倒向左側通道15的上部時，水平開關門13同步關閉右側通道4的前部，煙氣將進入右側通道4 ;穿過右側通道4內設置的導向區后，進入第一段催化劑床層7，反應后的煙氣流入倒向區400，折返進入第二段催化劑床層12，再由出口 14流入末端整流空間16 ;隨后，流體再次轉變主體運動方向，進入第三段催化劑床層18，最終由出口通道17流出反應器1000。一種適合于煙氣脫硝的變流向選擇性催化還原(SCR)反應器1000，其主體結構如圖2所示。分別由進氣通道100，流向控制通道200，前置催化反應器300，倒向區400，灰塵捕集與還原劑輔助加入區500，以及后置催化反應器600六部分組裝而成。圖3給出了主體結構圖2所示六個部分拆開后各自的結構圖。進氣通道100包括煙道I和擴大段2 ;流向控制通道200由垂直開關門3，水平開關門13，右側通道4、左側通道15，以及由垂直開關門3控制開與關的，置于200頂部的兩個通道入口，和由水平開關門13控制開與關的，置于200前部的兩個通道出口組成；前置催化反應器300內含有第一段催化劑床層7和第二段催化劑床層12，以及置于其上方的吹灰器6 ;倒向區400內設有折流擋板9 ;灰塵捕集與還原劑輔助加入區500為梯臺形，內設集塵擋板10和還原劑輔助加入口 11 ;后置催化反應器600內包括末端整流空間16和第三段催化劑床層18，且與流向控制通道200相連。按功能又可將反應器1000劃分為三段催化劑床層用于SCR反應，分別是第一段催化劑床層7、第二段催化劑床層12和第三段催化劑床層18，其中7和12兩段催化劑床層的結構和尺寸相同，且由隔板8分開后平行排列；流向控制則由右側通道4上面的通道垂直開關門3，和左側通道15前方的水平開關門13，同步調節加以實現；流體的分布分別在四處整流通道內完成，包括右側通道4、倒向區400、末端整流空間16和左側通道15 ;累積在催化劑孔道內的灰塵和反應形成的無機鹽，定期由吹灰器6實現除塵和催化劑再生；還原劑分兩部分注入，其一在煙道I內，其二則通過還原劑輔助加入口 11。其特征在于通過兩個通道開關門的同步動作，實現催化劑床層8和17的周期變流向操作。使用說明圖3中，催化劑床層分為三段，其中第一段催化劑床層7與第二段催化劑床層12并排，且由隔板擋板8分開。源自進氣通道100的包含還原劑的煙氣，在流入流向控制通道200前，可以有兩個流向選擇，并由垂直開關門3和水平開關門13分別操縱。當垂直開關門3倒向右側通道4的上部，且水平開關門13同步關閉左側通道15的前部時，煙氣只能進入左側通道15。在左側通道15的導向作用下，完成流向調整，并按實心箭頭所指方向直接進入前置催化反應器300中的第二段催化劑床層12。經此一段反應后的煙氣，流入倒向區400，隨后，折返進入前置催化反應器300中的第一段催化劑床層7，再由出口 5流入末端整流空間16。此時，流體再次轉變主體運動方向，進入后置催化反應器600內的第三段催化劑床層18，最終由出口通道17流出SCR反應器1000。另外一個選擇則與前面描述的第一和第二段催化劑床層中的煙氣流向相反，即按照圖3中空心箭頭的指向流動。此時，垂直開關門3倒向左側通道15的上部，且水平開關門13同步關閉右側通道4的前部，煙氣將進入右側通道4。穿過右側通道4內設置的導向區后，進入第一段催化劑床層7。反應后的煙氣流入倒向區400，折返進入第二段催化劑床層12，再由出口 14流入末端整流空間16。隨后，流體再次轉變主體運動方向，進入第三段催化劑床層18，最終由出口通道17流出反應器1000。流向切換的周期可根據反應器出口脫硝結果加以調整。倒向區400的上部和灰塵捕集與還原劑輔助加入區500的底部分別設有折流擋板 9和集塵擋板10，以滿足整流和氨氣分散的目的。還原劑氨氣分為兩部分，分別由煙道I和單獨設置的氨氣輔助注入口 11進入反應器1000中。其中，氨氣輔助注入口 11的氨氣注入量與反應器出口 17在線監測NOx含量構成調節回路，以便及時調整脫硝效果，控制氨氣的逃逸量。為清掃催化劑表面的覆蓋物，特在第一段催化劑床層7和第二段催化劑床層12的上方設置了吹灰器6，用于催化劑的除塵和再生。操縱開關門的傳動機構由電機軸21，主動齒輪19和從動齒輪20構成，其放大的構造示意如圖4。為了防止金屬間的撞擊和保證開關門的密封效果，在垂直開關門3和水平開關門13以及與之配合的右側通道4和左側通道15的上端和正面均設有非金屬密封圈22。本發明的目的是設計一種用于煙氣脫硫前先脫硝的變流向選擇性催化還原反應器。采用分段固定床的反應器型式，通過改變反應器入口煙氣的流向，從而改善反應器內的溫度分布，使低濃度的煙氣組分在更均勻且更高的還原溫度下進行催化反應。不僅能使各段催化劑床層的催化活性得以充分發揮，還能提高煙氣脫硝的效率。本發明與現有的單一流向的固定床反應器相比，由于床層溫度均勻，反應速率提高，催化劑用量會減少。與此同時，變流向反應器的結構和增加了還原劑輔助注入口的設計，使除塵和吹灰方式簡化，且自動調節的響應時間縮短。更好地滿足了煙氣脫硝的基本要求。
圖I :反應及i含變圖；圖2 :反應器主體結構圖；圖3 :圖2所對應的反應器各部分的結構圖；圖4 :圖3中傳動機構I的局部放大圖。
具體實施例方式根據附圖對本發明做進一步的詳細說明一種適合于煙氣脫硝的變流向選擇性催化還原(SCR)反應器，其主體結構如圖2所示，分別由進氣通道100，流向控制通道200，前置催化反應器300，倒向區400，灰塵捕集與還原劑輔助加入區500，以及后置催化反應器600六部分組裝而成。圖3給出了主體結構圖2所示六個部分拆開后各自的結構圖。進氣通道100包括煙道I和擴大段2 ;流向控制通道200由垂直開關門3，水平開關門13，右側通道4、左側通道15，以及由垂直開關門3控制開與關的，置于200頂部的兩個通道入口，和由水平開關門13控制開與關的，置于200前部的兩個通道出口組成；前置催化反應器300內含有第一段催化劑床層7，第二段催化劑床層12和兩者間的隔板8，以及置于其上方的吹灰器6 ;倒向區400內設有折流擋板9 ;灰塵捕集與還原劑輔助加入區500為梯臺形，內設集塵擋板10和還原劑輔助加入口 11 ;后置催化反應器600內包括末端整流空間16和第三段催化劑床 層18，且與流向控制通道200相連。按功能又可劃分為三段催化劑床層用于SCR反應，分別是第一段催化劑床層7、第二段催化劑床層12和第三段催化劑床層18，其中7和12兩段催化劑床層的結構和尺寸相同，且由隔板8分開后平行排列；流向控制則由右側通道4上面的通道垂直開關門3，和左側通道15前方的水平開關門13，同步調節加以實現；流體的分布分別在四處整流通道內完成，包括右側通道4、倒向區400、末端整流空間16和左側通道15 ;累積在催化劑孔道內的灰塵和反應形成的無機鹽，定期由吹灰器6進行除塵和催化劑再生；還原劑分兩部分注入，其一在煙道I內，其二則通過還原劑輔助加入口 11。通過兩個通道開關門的同步動作，實現催化劑床層7和12的周期變流向操作。使用說明圖3中，催化劑床層分為三段，其中第一段催化劑床層7與第二段催化劑床層12并排，且由隔板擋板8分開。源自進氣通道100的包含還原劑的煙氣，在流入流向控制通道200前，可以有兩個流向選擇，并由垂直開關門3和水平開關門13分別操縱。當垂直開關門3倒向右側通道4的上部，且水平開關門13同步關閉左側通道15的前部時，煙氣只能進入左側通道15。在左側通道15的導向作用下，完成流向調整，并按實心箭頭所指從上到下的方向直接進入前置催化反應器300中的第二段催化劑床層12。經此一段反應后的煙氣，流入倒向區400，隨后，折返進入前置催化反應器300中的第一段催化劑床層7，再由出口 5流入最后整流空間16。此時，流體再次轉變主體運動方向，進入后置催化反應器600內的第三段催化劑床層18，最終由出口通道17流出SCR反應器1000。另外一個選擇則與前面描述的第一和第二段催化劑床層中的煙氣流向相反，即按照圖3中空心箭頭的指向流動。此時，垂直開關門3倒向左側通道15的上部，且水平開關門13同步關閉右側通道4的前部，煙氣將進入右側通道4。穿過右側通道4內設置的導向區后，進入第一段催化劑床層7。反應后的煙氣流入倒向區400，折返進入第二段催化劑床層12，再由出口 14流入末端整流空間16。隨后，流體再次轉變主體運動方向，進入第三段催化劑床層18，最終由出口通道17流出反應器1000。流向切換的周期可根據反應器出口脫硝結果加以調整。倒向區400的上部和灰塵捕集與還原劑輔助加入區500的底部分別設有折流擋板9和集塵擋板10，以滿足整流和氨氣分散的目的。
還原劑氨氣分為兩部分，分別由煙道I和單獨設置的還原劑輔助注入口 11進入反應器1000中。其中，還原劑輔助注入口 11的氨氣注入量與反應器出口 17在線監測NOx含量構成調節回路，以便及時調整脫硝效果，控制氨氣的逃逸量。為清掃催化劑表面的覆蓋物，特在第一段催化劑床層7和第二段催化劑床層12的上方設置了吹灰器6，用于催化劑的除塵和再生。操縱開關門的傳動機構由電機軸21，主動齒輪19和從動齒輪20構成，其放大的構造示意見圖4。為了防止金屬間的撞擊和保證開關門的密封效果，在垂直開關門3和水平開關門13以及與之配合的右側通道4和左側通道15的上端和正面均設有非金屬密封圈22。本發明采用變流向的周期操作，與單一流向的固定床反應器 相比，催化劑床層的溫度分布更加均勻；由于設置了四處整流通道，還原劑與煙氣的混合更加充分；從而實現了相同催化劑用量下，NOx轉化率更高的目標；還原劑的分段加入，不僅提高了自控的靈敏度，而且減少了 NH3的逃逸量；吹灰器的設置有利于反應器的長周期運行。因此，本發明設計出的反應器達到了煙氣選擇性催化還原脫硝的要求。
權利要求
1.一種變流向煙氣催化還原脫硝反應器，反應器分別由進氣通道100，流向控制通道200，前置催化反應器300，倒向區400，灰塵捕集與還原劑輔助加入區500，以及后置催化反應器600六部分組成；反應器包括三段催化劑床層，分別是第一段催化劑床層(7)、第二段催化劑床層(12)和第三段催化劑床層(18)，其特征是在第一段催化劑床層和第二段催化劑床層上設置有流向控制通道200，控制通道200是通過兩個開關門同步調節，控制氣體流向；同時，組合了流體倒向區400和灰塵捕集與還原劑輔助加入區500。
2.如權利要求I所述的反應器，其特征是流向控制通道200由垂直開關門(3)，水平開關門(13)，右側通道(4)和左側通道(15)組成，由垂直開關門選擇流向控制通道200頂部的兩個通道入口，由水平開關門選擇流向控制通道200前部的兩個通道出口，從而限定流體的運動方向。
3.如權利要求2所述的反應器，其特征是所述的垂直開關門(3)和水平開關門(13)是由整板構成或是百葉窗結構。
4.如權利要求I所述的反應器，其特征是前置催化反應器300內設置有并排的第一段催化劑床層(7)和第二段催化劑床層(12)，以及兩段催化劑床層間的隔板(8);在兩段催化劑床層上方設置有吹灰器(6)。
5.如權利要求I所述的反應器，其特征是倒向區400內設有折流擋板9;折流擋板與第一 段催化劑床層(7)和第二段催化劑床層(12)的分界線在同一平面上。
6.如權利要求I所述的反應器，其特征是灰塵捕集與還原劑輔助加入區500為梯臺形，內設置有兩個集塵擋板(10)，兩個集塵擋板之間設置有還原劑輔助加入口(11)。
7.如權利要求I所述的反應器，其特征是后置催化反應器600內設置有末端整流空間(16 )和第三段催化劑床層(18 )，且末端整流空間與流向控制通道200的出口( 5 )和出口(14)相連。
8.權利要求I 7任意一項變流向煙氣催化還原脫硝方法，其特征是流體的分布分別在四處整流通道內完成，包括右側通道(4)、倒向區400、末端整流空間(16)和左側通道(15);累積在第一段催化劑床層(7)，第二段催化劑床層(12)和第三段催化劑床層(18)的灰塵和反應后形成的無機鹽，定期由吹灰器(6)實現除塵和催化劑再生；還原劑分兩部分注入，其一在煙道(I)內，其二則通過還原劑輔助加入口( 11)。
9.如權利要求8所述的方法，其特征是右側通道(4)上面的通道垂直開關門(3)和左側通道(15)前方的水平開關門13的同步調節，實現流向控制；當垂直開關門(3)關閉右側通道(4)的上部時，水平開關門(13)同步關閉左側通道(15)的前部，煙氣進入左側通道(15);垂直開關門(3)關閉左側通道(15)的上部時，水平開關門(13)同步關閉右側通道(4)的前部，煙氣將進入右側通道(4)。
10.如權利要求8所述的方法，其特征是當垂直開關門(3)倒向右側通道(4)的上部，且水平開關門(13)同步關閉左側通道(15)的前部，煙氣進入左側通道(15);在左側通道的導向作用下，完成流向調整，并由上至下直接進入前置催化反應器300中的第二段催化劑床層(12 );經此一段反應后的煙氣，流入倒向區400，隨后，折返進入前置催化反應器300中的第一段催化劑床層7，再由出口(5)流入末端整流空間(16);此時，流體再次轉變主體運動方向，進入后置催化反應器600內的第三段催化劑床層(18)，最終由出口通道(17)流出反應器1000 ;垂直開關門(3)倒向左側通道(15)的上部時，且水平開關門(13)同步關閉右側通道(4)的前部，煙氣將進入右側通道(4);穿過右側通道內設置的導向區后，進入第一段催化劑床層7，反應后的煙氣流入倒向區400，折返進入第二段催化劑床層(12)，再由出口( 14)流入末端整流空間(16);隨后，流體再次轉變主體運動方向，進入第三段催化劑床層(18)，最終由出口通道17流出反應器1000。
全文摘要
本發明涉及變流向煙氣催化還原脫硝反應器及脫硝方法。反應器分別由進氣通道，流向控制通道，前置催化反應器，倒向區，灰塵捕集與還原劑輔助加入區以及后置催化反應器六部分組成。反應器包括第一段催化劑床層、第二段催化劑床層和第三段催化劑床層，在第一段催化劑床層和第二段催化劑床層上設置有流向控制通道，通過兩個開關門和的同步調節，控制氣體流向；同時，組合了流體倒向區和灰塵捕集與還原劑輔助加入區。采用分段固定床的反應器型式，通過改變反應器入口煙氣的流向，從而改善反應期內的溫度分布，使低濃度的煙氣組分在更均勻且更高的還原溫度下進行催化反應。不僅能使各段催化劑床層的催化活性得以充分發揮，還能提高煙氣脫硝的效率。
文檔編號B01D53/90GK102806010SQ20121028167
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者辛峰, 陳超, 彭東岳 申請人:天津大學, 深圳市誠達科技股份有限公司