一種船用選擇性脫硝scr催化劑的快速預熱系統的制作方法
【專利摘要】一種船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統，包括至少一個蓄熱器，以及與其連接的煙氣管路、預熱空氣管路，所述煙氣管路通入原煙氣，依次連接SCR反應器、蓄熱器，其尾部設置有引風機；所述預熱空氣管路通入室外空氣，其端部設有鼓風機，連接蓄熱器后分為兩路，分別接入SCR反應器的頂部和底部，該兩路預熱空氣管路從SCR反應器出來后合為一路，然后與煙氣管路尾部連接。本實用新型克服了因船舶頻繁啟停、怠速等導致的催化劑溫度低于SCR反應溫度區間的問題。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于煙氣脫硝【技術領域】，特別涉及一種船用選擇性脫硝SCR催化劑的 快速預熱系統。 -種船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統
【背景技術】
[0002] 隨著船舶上燃燒設備排放標準的日益嚴格，船舶上鍋爐、柴油機主機、輔機等的排 煙凈化將成為環保的焦點。不同于陸上燃煤火電廠較為連續、穩定的煙氣排放過程，船舶的 排煙凈化有其特點：船舶上的主要燃料為柴油，且運行過程中存在較為頻繁的啟停。由此會 造成煙氣量、煙氣溫度和煙氣凈化設備內部溫度環境的波動，從而降低煙氣凈化設備的使 用率和凈化效率。因此如何確保船用煙氣凈化設備的高效運行，尤其是消除柴油機等燃燒 設備頻繁啟停的不良影響，確保燃燒設備啟動后、煙氣凈化裝備就能馬上正常工作并滿足 達標排放的要求，這就對環保裝備的開發提出了新的要求。
[0003] 選擇性催化還原SCR工藝是最常用的燃燒后脫硝方法。其核心是在SCR反應器中， 通過催化劑表面的催化作用，使煙氣中Ν0/Ν0 2只與NH3發生還原反應(而不與煙氣中的02發 生氧化反應)，并將Ν0/Ν0 2還原成N2，從而達到煙氣脫硝凈化的目的。該SCR工藝對煙氣溫 度較為敏感（當煙氣和催化劑達到準穩態熱平衡時，二者的溫度近似相等）--即，只有當 反應溫度在一個相對狹窄的區間內（即溫度窗口，一般在330-450° C)，脫硝反應才能高效 進行；反之，如果反應溫度高于或低于該溫度窗口區間，則反應效率低，不僅浪費還原劑，而 且給達標排放造成困難。
[0004] 如上所述，船舶停運的時候，船上的柴油燃燒設備處于關閉狀態，待到重新啟動 后，柴油機排煙和脫硝催化劑無法在短時間內達到熱平衡，這就給SCR脫硝裝備快速滿足 環保達標排放的要求帶來了困難。現采用如下實驗過程對該問題加以說明。
[0005] 圖1為一個SCR脫硝反應器內部的溫度巡檢記錄曲線，目的是掌握催化劑層的蓄 熱-放熱特性。熱煙氣來自一燃燒柴油的小型鍋爐。SCR實驗裝置見圖2。該SCR反應器沿 氣流方向（高度方向）可放置四層蜂窩狀催化劑，其中最下一層、甚至最下兩層通常為備用。 熱煙氣由反應器最上層通入，反應后從下層導出，最后進入引風機被抽走。五個PtlOO鉬熱 電阻分別置于各層催化劑的前后，用來檢測反應器內的溫度均勻性。圖中五根曲線從上至 下分別代表沿煙氣流動方向上各溫度測點的實測值。從圖可見：（1)隨著柴油鍋爐從冷態 啟動，熱煙氣從催化劑層的最上端進入SCR反應器，經過半小時以上，反應器入口的溫度才 達到約340° C，而此時最下層的催化劑入口溫度及反應器出口溫度僅為256° C(該溫度 離脫硝溫度窗口的下限還有較大的差距)。（2)由冷態啟動經過2小時后，上述兩個測點的 溫差才緩慢地縮小至30° C左右，催化劑層間的溫度均勻性才漸趨一致。可見，圖1中的溫 度曲線說明了一個重要問題：SCR脫硝催化劑是熱容很大的蓄熱材料，在反應器的升溫過 程要吸收氣流中的大量熱量，直到氣流與催化劑的溫差趨近一致，即達到熱平衡為止。最上 層的催化劑由于與煙氣的溫差最大(尤其在燃燒設備啟動的初期)，因此升溫速度最快。各 層催化劑都是可觀的蓄熱體，熱惰性很大；煙氣每經過一層，煙溫就產生較大幅度的降低， 因此最下層催化劑的溫度最低。所述催化劑蓄熱的過程，也就是催化劑溫度逐漸升高的過 程。由于SCR脫硝反應有一個最佳的、但區間較窄的反應"溫度窗口"，因此如果各層催化劑 的溫度均勻性越好，脫硝反應器在有效溫度窗口內的反應效果就越好，脫硝效率也就越高， 同時也能降低殘氨量和氨逃逸率。
[0006] 不同于陸地上電廠的脫硝裝置，船舶上的SCR煙氣脫硝裝置，由于船舶的經常性 啟停，因此催化劑層也會較頻繁地經歷相應的蓄熱一放熱過程，見圖3。圖中后半段曲線表 明SCR反應器停運后（也即柴油機或鍋爐停運后）的溫度曲線，可以看到催化劑溫度快速降 低，先前的蓄熱狀態已不復存在。每次SCR反應器從冷態啟動直至達到反應所需的溫度窗 口條件，就意味著在相當長時間內（甚至以小時計)，不僅整體脫硝效率相對較低，凈化效果 無法得到保證，而且白白浪費能量。此外，催化劑沿長度方向越長(一般在幾百mm至1000mm 以上)，整塊催化劑內部溫差就越大，熱膨脹率和伸縮量就越不一致，往往導致材料疲勞損 耗、催化劑開裂，最終使用壽命縮短。
[0007] 歸納上述問題，即：（1) SCR催化劑存在一個顯著的蓄熱問題；（2)須盡可能消除 由于船舶頻繁啟停而導致的催化劑蓄熱一放熱的不良影響；（3)盡可能在柴油燃燒設備啟 動前，使催化劑的整體溫度處于、或至少提高到接近SCR脫硝反應所需"溫度窗口"的水平； (4)須盡量縮短催化劑的加熱(預熱）時間。 實用新型內容
[0008] 本實用新型的目的是提供一種船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統，以解 決因船舶頻繁啟停、怠速等導致的催化劑溫度低于SCR反應溫度區間的問題。
[0009] 為實現上述目的，本實用新型采用以下技術方案：
[0010] 一種船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統，包括至少一個蓄熱器，以及與 其連接的煙氣管路、預熱空氣管路，所述煙氣管路通入原煙氣，依次連接SCR反應器、蓄熱 器，其尾部設置有引風機；所述預熱空氣管路通入室外空氣，其端部設有鼓風機，連接蓄熱 器后分為兩路，分別接入SCR反應器的頂部和底部，該兩路預熱空氣管路從SCR反應器出來 后合為一路，然后與煙氣管路尾部連接。
[0011] 作為進一步改進，還包括蒸汽管路，所述蒸汽管路內通入蒸汽，連接蓄熱器。
[0012] 優選的，所述蓄熱器由高比熱容的材料組成，蓄熱器外包裹有保溫層。
[0013] 優選的，所述高比熱容的材料為蓄熱小球。
[0014] 優選的，所述蓄熱小球為氧化鋁小球、陶瓷材料。
[0015] 所述蓄熱器內部安裝有若干個溫度測點，用來對蓄熱器進行整體溫度監控。
[0016] 所述蓄熱器為多個時，多個蓄熱器并聯。
[0017] 進一步改進，所述煙氣管路在進SCR反應器和出SCR反應器的位置、進蓄熱器和出 蓄熱器的位置均設有閥門；預熱空氣管路在進蓄熱器和出蓄熱器的位置、進SCR反應器和 出SCR反應器的位置、以及連接煙氣管路的位置均設有閥門；蒸汽管路在進入蓄熱器的位 置設有閥門。
[0018] 進一步改進，煙氣管路和預熱空氣管路上的位于SCR反應器進、出口位置的閥門 均為快開蝶閥，并且聯鎖；煙氣管路和預熱空氣管路上的位于蓄熱器進、出口位置的閥門均 為快開蝶閥，并且聯鎖。
[0019] 本實用新型的有益效果是：
[0020] 1)該催化劑預熱系統，能有效克服因船舶頻繁啟停、怠速等導致的催化劑溫度低 于SCR反應溫度區間的問題。從而保證船舶上柴油燃燒設備開啟時，SCR反應器在溫度窗口 內、或快速達到溫度窗口的要求，確保脫硝效率，并有效利用還原劑，同時降低殘氨逃逸率。
[0021] 2)特別對于催化劑長度較長的情況，本實用新型可使得催化劑的上部和下部溫度 不至于相差過大，避免了催化劑內部因溫度不均而引起開裂和壽命縮短。
[0022] 3)如預熱空氣僅從一個方向流入催化劑層，則往往隨著時間的推移，預熱空氣和 催化劑的溫差越來越小，致使加熱速度漸趨緩慢。而采用本實用新型所述的方法后，預熱空 氣和其后最先接觸的催化劑之間的溫差最大，溫差大有利于快速加熱--即利用預熱空氣 介質和低溫部分催化劑的大溫差，來加快催化劑的預熱速度。經過若干次的從上往下或從 下往上加熱，催化劑兩端溫度快速趨近一致，從而縮短預熱時間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1為一個SCR脫硝反應器內部的溫度巡檢記錄曲線圖；
[0024] 圖2為SCR實驗裝置示意圖；
[0025] 圖3為催化劑層的蓄熱一放熱過程的曲線圖；
[0026] 圖4為本實用新型的系統示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0028] 圖4為本實用新型的船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統的示意圖，圖中 實線表示煙氣管路，虛線表示預熱空氣管路，波浪線表示蒸汽管路。
[0029] 本實用新型的船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統包括一個或多個蓄熱 器，當蓄熱器為多個時，多個并聯的蓄熱器則組成一個蓄熱器陣列或蓄熱器組，如第一蓄熱 器11、第二蓄熱器12……第η蓄熱器ln，以及與其連接的煙氣管路、預熱空氣管路。煙氣管 路通入原煙氣，依次連接SCR反應器、蓄熱器，其尾部設置有引風機；所述預熱空氣管路通 入室外空氣，其端部設有鼓風機，連接蓄熱器后分為兩路，分別接入SCR反應器的頂部和底 部，該兩路預熱空氣管路從SCR反應器出來后合為一路，然后與煙氣管路尾部連接。還包括 蒸汽管路，蒸汽管路內通入蒸汽，連接蓄熱器。
[0030] 蓄熱器外包裹有保溫層，以防熱量散失。
[0031] 蓄熱器由高比熱容的材料組成，高比熱容的材料優選為為蓄熱小球，比如氧化鋁 小球、陶瓷材料等。
[0032] 煙氣管路在進SCR反應器和出SCR反應器的位置、進蓄熱器和出蓄熱器的位置均 設有閥門；預熱空氣管路在進蓄熱器和出蓄熱器的位置、進SCR反應器和出SCR反應器的位 置、以及連接煙氣管路的位置均設有閥門；蒸汽管路在進入蓄熱器的位置設有閥門。
[0033] 煙氣管路和預熱空氣管路上的位于SCR反應器進、出口位置的閥門均為快開蝶 閥，并且聯鎖；煙氣管路和預熱空氣管路上的位于蓄熱器進、出口位置的閥門均為快開蝶 閥，并且聯鎖。
[0034] 蓄熱器的熱量來自前一次燃燒設備工作時的脫硝后排煙，即：上一次燃燒設備工 作時段內，煙氣首先進行脫硝，脫硝后三、四百攝氏度的煙氣逐次、或并聯進入蓄熱器陣列 11、12……In。蓄熱時，蓄熱器上的煙氣管路閥門（例如閥門a和b)處于開啟狀態，而蓄熱 器上的預熱空氣管路閥門（例如閥門c和d)則處于關閉狀態。流經蓄熱器后的煙氣可直接 進入脫硝后煙道（即閥門i所在管路)，并經引風機2外排。當脫硝后煙氣溫度大幅度降低 導致蓄熱器溫度水平亦降低時，可關閉SCR反應器與蓄熱器(組)之間的閥門，煙氣通過原有 煙道（即閥門i所在管路）繞過蓄熱器直接排放。蓄熱器內部安裝多個溫度測點，用來對蓄 熱器進行整體溫度監控。當蓄熱器的整體溫度水平達到或高于預定值后，切斷蓄熱器上的 煙氣和空氣管路，蓄熱完成。
[0035] 在柴油機或燃油鍋爐啟動前一段時間，開啟預熱空氣系統對選擇性催化SCR反應 器4內的催化劑層5進行預熱。即開啟連接預熱空氣管路上的的鼓風機3,連同蓄熱器11 進、出口上的預熱空氣管路閥門（閥門c和d)-并打開，但蓄熱器11上的煙氣管路閥門（閥 門a和b)則處于關閉狀態。將經過蓄熱器11升溫后的熱空氣通過閥門h所在的預熱空氣 管路從下部通入SCR反應器4 (此時閥門g所在管路關閉），從下往上（與SCR反應器4內 煙氣流動方向相反）對催化劑層5進行加熱，即最下一層催化劑先被加熱，逐次往上。預熱 催化劑層5后的空氣從SCR反應器4上部出來，經閥門j排入脫硝后煙道（即閥門i所在管 路。可見該管路在蓄熱器蓄熱時用來排煙，在催化劑層預熱時則用來排放預熱后的空氣)。 當最下一層催化劑溫度不再上升或上升速度很慢時，表明蓄熱器11已不再具有向SCR反應 器4放熱的能力，因此馬上關閉蓄熱器11上所有的閥門（閥門a、b、c、d)，使蓄熱器11停止 工作。其后開啟新的蓄熱器12上的預熱空氣管路，將蓄熱器12投入運行，從而繼續獲得高 溫的熱空氣。此時需關閉反應器4進、出口預熱空氣管路上的閥門h和閥門j，同時快速打 開(或給以一定的時間提前量）反應器4進、出口預熱空氣管路上的閥門g和閥門m從而開 始自上往下(與煙氣流動方向相同）對催化劑層5進行加熱。即最上層催化劑先被加熱，逐 次往下。當最上一層催化劑溫度不再上升時(或上升速度很慢時)，關閉反應器進、出口預熱 空氣管路上的閥門g和閥門m，同時快速打開(或給以一定的時間提前量)反應器進、出口預 熱空氣管路上的閥門h和閥門j。重復上述過程，經過若干次正、反向交替預熱，直至再開啟 任何蓄熱器各層催化劑5的加權平均溫度也不再上升(或上升速度很慢)時為止。關閉整套 預熱空氣系統，完成對催化劑層5的預熱，就此為熱煙氣的SCR脫硝提供了良好的反應溫度 條件。
[0036] 當無煙氣或煙溫低于蓄熱器溫度時，蓄熱器的蓄熱可通過船用蒸汽的輔助加熱來 完成。即關閉蓄熱器11上的閥門b、c、d，繼而打開蒸汽閥門k，對蓄熱器內部的蓄熱材料進 行加熱，直至蓄熱材料的整體溫度接近蒸汽溫度。蓄熱后的低溫乏蒸汽通過閥門a最終進 入引風機2排放。
【權利要求】
1. 一種船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統，其特征在于：包括至少一個蓄熱 器，以及與其連接的煙氣管路、預熱空氣管路，所述煙氣管路通入原煙氣，依次連接SCR反 應器、蓄熱器，其尾部設置有引風機；所述預熱空氣管路通入室外空氣，其端部設有鼓風機， 連接蓄熱器后分為兩路，分別接入SCR反應器的頂部和底部，該兩路預熱空氣管路從SCR反 應器出來后合為一路，然后與煙氣管路尾部連接。
2. 如權利要求1所述的船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統，其特征在于：還 包括蒸汽管路，所述蒸汽管路內通入蒸汽，連接蓄熱器。
3. 如權利要求1所述的船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統，其特征在于：所 述蓄熱器由高比熱容的材料組成，蓄熱器外包裹有保溫層。
4. 如權利要求3所述的船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統，其特征在于：所 述高比熱容的材料為蓄熱小球。
5. 如權利要求4所述的船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統，其特征在于：所 述蓄熱小球為氧化錯小球、陶瓷材料。
6. 如權利要求1所述的船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統，其特征在于：所 述蓄熱器內部安裝有若干個溫度測點，用來對蓄熱器進行整體溫度監控。
7. 如權利要求1所述的船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統，其特征在于：所 述蓄熱器為多個時，多個蓄熱器并聯。
8. 如權利要求2所述的船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統，其特征在于：所 述煙氣管路在進SCR反應器和出SCR反應器的位置、進蓄熱器和出蓄熱器的位置均設有閥 門；預熱空氣管路在進蓄熱器和出蓄熱器的位置、進SCR反應器和出SCR反應器的位置、以 及連接煙氣管路的位置均設有閥門；蒸汽管路在進入蓄熱器的位置設有閥門。
9. 如權利要求8所述的船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱系統，其特征在于：煙 氣管路和預熱空氣管路上的位于SCR反應器進、出口位置的閥門均為快開蝶閥，并且聯鎖； 煙氣管路和預熱空氣管路上的位于蓄熱器進、出口位置的閥門均為快開蝶閥，并且聯鎖。
【文檔編號】B01D53/56GK203899456SQ201420231256
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年5月8日 優先權日:2014年5月8日
【發明者】王德榮, 林瑜 申請人:南通亞泰工程技術有限公司