有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置及工艺

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2021-11-18 14:49:43

权利要求

1.有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置，其特征在于，包括自烟气进入方向依次布置的换热器(2)，燃气补燃装置(4)，氨气制备及喷射装置，SCR反应器(9)；以及烟气进口管道上设置的烟气检测与反馈器；

所述SCR反应器(9)包括卧式脱硝反应器本体，卧式脱硝反应器本体内自烟气进口方向依次设置有氨烟混合段和催化反应段，所述氨烟混合段包括自烟气进口方向依次布置的多个静态混合器(7)，所述催化反应段包括自烟气进口方向依次布置的多个催化剂床层(8)；

SCR反应器(9)卧式脱硝反应器本体下部外侧设置电加热器(10)。

2.根据权利要求1所述的有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置，其特征在于，SCR反应器(9)的烟气出口方向依次连接换热器(2)、引风机(11)、烟囱(12)。

3.根据权利要求1或2所述的有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置，其特征在于，所述氨气制备及喷射装置包括喷氨装置(5)和喷氨装置(5)上连接的氨水储罐(6)；采用20％浓氨水作为原料，通过蒸发制取氨气，然后经稀释风机将氨气稀释至5％安全浓度，通过喷氨装置(5)喷入烟气管道和烟气混合。

4.根据权利要求1或2所述的有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置，其特征在于，所述烟气检测与反馈器包括NOx检测与信号反馈器(1)和温度检测与信号反馈器(3)；所述电加热器(10)与温度检测装置连接。

5.根据权利要求4所述的有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置，其特征在于，所述温度检测装置为温度检测与信号反馈器(3)。

6.根据权利要求1或2所述的有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置，其特征在于，所述催化反应段设3层催化剂床层(8)，所述催化剂选择低温钒钛基催化剂，催化剂活性反应温度200℃；所述烟气混合段由2-3个静态混合器组成。

7.根据权利要求5所述的有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置，其特征在于，所述SCR反应器(9)内位于每层催化剂床层(8)前端设置有吹灰器。

8.根据权利要求1或2所述的有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置，其特征在于，SCR反应器(9)的烟气进入管道上还设置有伴热装置；所述换热器(2)为板式换热器，板式换热器的换热片采用SS304、SMO254，所述板式换热器由换热芯体模块、自支撑框架、热侧烟气以及冷侧烟气进出口变径部组成；所述烟气补燃装置(4)为燃气预热器装置；SCR反应器(9)的卧式脱硝反应器本体设置检修人孔，卧式脱硝反应器本体下部积灰槽底部设阀板。

9.有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝工艺，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一、低温烟气首先经换热器(2)进行加热，然后通过燃气补燃装置(4)进一步加热升温至SCR反应器(9)中催化剂反应温度区间，SCR反应器(9)为卧式结构，烟气呈水平方向流动；

步骤二、利用储存在氨水储罐(6)区的浓氨水作为原料制取氨气，将氨气喷射入燃气补燃升温后的烟气中，在烟道中流动过程中，烟气与氨气经静态混合器(7)得到充分混合之后进入SCR反应器(9)的催化剂床层(8)；催化剂床层(8)的催化剂选用低温SCR脱硝催化剂，催化剂反应温度180-200℃；

步骤三、在通过催化剂过程中，在催化剂的催化反应作用下，烟气中的氨气与氮氧化物发生氧化还原反应生成无毒无害的N2和H2O，从而去除氮氧化物而使烟气得到净化。

10.根据权利要求9所述的有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝工艺，其特征在于，包含以下步骤：入口60±1℃低温烟气首先进入换热器(2)与净化后的200℃高温烟气进行热量交换，将温度提升至170℃，之后经过燃气补燃装置(4)进一步加热，加热量由温度检测与信号反馈器(3)控制，将170℃原烟气加热至高于SCR催化反应温度至210±1℃，之后通过喷氨装置(5)计量喷入脱硝还原剂；

脱硝还原剂由20％浓度氨水蒸发稀释制取，20％浓度的氨水存储在氨水储罐(6)内，浓氨水经蒸汽蒸发并由稀释风机稀释成为5％的氨气后，通过喷氨装置(5)的氨气喷枪，在NOx检测与信号反馈器(1)的精确计量控制下喷入烟气管道与烟气进行混合，此时由于氨气的混入使得烟气温度降至200±1℃的催化反应温度区间；

喷氨后的烟气进入SCR反应器(9)的卧式脱硝反应器本体，烟气首先流经由2-3个静态混合器(7)组成的混合段充分混合，之后进入催化剂床层(8)，在催化剂内烟气中氮氧化物和氨气进行催化还原反应生成N2和H2O，去除NO和NO2等氮氧化物，主要反应化学方程式如下所示：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

经过脱硝反应净化后的烟气温度200℃，为充分利用烟气余热，节约能源，将200℃净烟气引入换热器(2)，将热量交换原烟气用于提升其温度，从换热器(2)排出的净烟气温度降至90±1℃，最后在引风机(11)的作用下，通过烟囱(12)排放。

说明书

技术领域

本发明属于烟气脱硝净化技术领域，具体涉及有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置及工艺。

背景技术

在我国氮氧化物是大气污染主要的污染物之一，氮氧化物排放不仅会形成酸雨，而且是形成光化学烟雾和PM2.5的主要因素。为控制氮氧化物和酸雨污染，国家加大了对烟气中氮氧化物的治理力度，要求对烟气进行脱硝处理，最大程度上减弱氮氧化物对生态环境的影响。

SCR脱硝技术是目前广泛应用的氮氧化物污染控制技术之一，根据所使用催化剂活性温度的不同，SCR脱硝技术衍生出了针对不同烟气工况下的脱硝处理工艺，主要有中高温、中低温、低温SCR脱硝。

有色金属冶炼工艺中，卡尔多炉排放烟气烟气量较小(一般不大于10万m3/h)，其污染特征主要表现为含酸量高、氮氧化物含量高，因此一般卡尔多炉烟气排出后，首先要进行湿法脱硫脱酸处理，去除其中的酸雾成分，此过程将使烟气温度进一步降至50-60℃，该温度区间远低于传统的中高温(280-320℃)脱硝温度，要将50-60℃低温烟气加热至中高温催化剂活性温度区间，将大大增加能耗，投资和运行成本也相应较高。

为节约能源降低成本，开发一种节能型低温SCR脱硝反应装置具有较大的现实意义。随着低温催化剂的生产工艺技术日臻成熟完善，廉价高效性能良好的低温催化剂相继出现，使得开发复杂工况条件下的低温SCR脱硝工艺及装置成为可能。

发明内容

本发明为了解决卡尔多炉烟气净化脱硝处理问题。公开了一种低温SCR脱硝装置及工艺，是一种有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置及工艺。该工艺主要针对卡尔多炉烟气经湿法脱硫后低温、烟气量小NOx浓度高的特征，设计的一种低温脱硝净化装置及工艺。

本发明的技术方案：一种有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置，包括自烟气进入方向依次布置的换热器，燃气补燃装置，氨气制备及喷射装置，SCR反应器；以及烟气进口管道上设置的烟气检测与反馈器；

所述SCR反应器包括卧式脱硝反应器本体，卧式脱硝反应器本体内自烟气进口方向依次设置有氨烟混合段和催化反应段，所述氨烟混合段包括自烟气进口方向依次布置的多个静态混合器，所述催化反应段包括自烟气进口方向依次布置的多个催化剂床层；

SCR反应器卧式脱硝反应器本体下部外侧设置电加热器。

进一步的，SCR反应器的烟气出口方向依次连接换热器、引风机、烟囱。

再进一步的，所述氨气制备及喷射装置包括喷氨装置和喷氨装置上连接的氨水储罐；采用20％浓氨水作为原料，通过蒸发制取氨气，然后经稀释风机将氨气稀释至5％安全浓度，通过喷氨装置喷入烟气管道和烟气混合。

再进一步的，所述烟气检测与反馈器包括NOx检测与信号反馈器和温度检测与信号反馈器；所述电加热器与温度检测装置连接。

再进一步的，所述温度检测装置为温度检测与信号反馈器。

再进一步的，所述催化反应段设3层催化剂床层，所述催化剂选择低温钒钛基催化剂，催化剂活性反应温度200℃；所述烟气混合段由2-3个静态混合器组成。

再进一步的，所述SCR反应器内位于每层催化剂床层前端设置有吹灰器。

再进一步的，SCR反应器的烟气进入管道上还设置有伴热装置；所述换热器为板式换热器，板式换热器的换热片采用SS304、SMO254，所述板式换热器由换热芯体模块、自支撑框架、热侧烟气以及冷侧烟气进出口变径部组成；所述烟气补燃装置为燃气预热器装置；SCR反应器的卧式脱硝反应器本体设置检修人孔，卧式脱硝反应器本体下部积灰槽底部设阀板。

一种有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝工艺，包含以下步骤：

步骤一、低温烟气首先经换热器进行加热，然后通过燃气补燃装置进一步加热升温至SCR反应器中催化剂反应温度区间，SCR反应器为卧式结构，烟气呈水平方向流动；

步骤二、利用储存在氨水储罐区的浓氨水作为原料制取氨气，将氨气喷射入燃气补燃升温后的烟气中，在烟道中流动过程中，烟气与氨气经静态混合器得到充分混合之后进入SCR反应器的催化剂床层；催化剂床层的催化剂选用低温SCR脱硝催化剂，催化剂反应温度180-200℃；

进一步的，一种有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝工艺，包含以下步骤：入口60±1℃低温烟气首先进入换热器与净化后的200℃高温烟气进行热量交换，将温度提升至170℃，之后经过燃气补燃装置进一步加热，加热量由温度检测与信号反馈器(3)控制，将170℃原烟气加热至高于SCR催化反应温度至210±1℃，之后通过喷氨装置计量喷入脱硝还原剂；

脱硝还原剂由20％浓度氨水蒸发稀释制取，20％浓度的氨水存储在氨水储罐内，浓氨水经蒸汽蒸发并由稀释风机稀释成为5％的氨气后，通过喷氨装置的氨气喷枪，在NOx检测与信号反馈器的精确计量控制下喷入烟气管道与烟气进行混合，此时由于氨气的混入使得烟气温度降至200±1℃的催化反应温度区间；

喷氨后的烟气进入SCR反应器的卧式脱硝反应器本体，烟气首先流经由2-3个静态混合器组成的混合段充分混合，之后进入催化剂床层，在催化剂内烟气中氮氧化物和氨气进行催化还原反应生成N2和H2O，去除NO和NO2等氮氧化物，主要反应化学方程式如下所示：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

经过脱硝反应净化后的烟气温度200℃，为充分利用烟气余热，节约能源，将200℃净烟气引入换热器，将热量交换原烟气用于提升其温度，从换热器排出的净烟气温度降至90±1℃，最后在引风机的作用下，通过烟囱排放。

本发明的技术效果：本发明装置及工艺通过过程反应温度控制，提升脱硝效率，增加了脱硝还原剂利用率，实用性强、可应用范围广。

附图说明

图1为本发明装置的结构图；

图2为本发明流程的说明图；

图中：烟气管路上实心箭头表示烟气流动方向，虚线及虚线上的空心箭头表示信号方向，1-NOx检测与信号反馈器，2-(GGH)换热器，3-温度检测与信号反馈器，4-燃气补燃装置，5-喷氨装置，6-氨水储罐，7-静态混合器，8-催化剂床层，9-SCR反应器，10-电加热器，11-引风机，12-烟囱。

具体实施方式

本发明的一种低温SCR脱硝装置，烟气先经(GGH)换热器2换热提温，再进行SCR反应器9脱硝净化，经烟囱12出烟。本发明装置的氨气制备及喷射装置包括脱硝还原剂贮存装置即氨水储罐6、还原剂制备输送及喷射装置即喷氨装置5、烟气检测与(信息)反馈器(NOx检测与信号反馈器1和温度检测与信号反馈器3)、烟气补燃装置4。

所述GGH换热器2为板式换热器，(板式换热器)换热片采用SS304、SMO254，整个设备由换热芯体模块、自支撑框架、热侧烟气以及冷侧烟气进出口变径(部)等主要部件组成。

所述还原剂采用20％浓氨水作为原料，通过蒸发制取氨气，然后经稀释风机将氨气稀释至5％安全浓度，通过喷氨装置5喷入烟气管道和烟气混合。

所述烟气补燃装置4采用燃气预热器装置，利用天然气或焦炉煤气等作为燃料，将烟气加热升温至脱硝反应温度。烟气预热器(即燃气预热器装置)的运行由GGH换热器2出口烟气温度检测与反馈控制，使加热后烟气在低温脱硝反应温度区间内，本装置控制温度(约200℃)。

所述SCR反应器9基本构成由催化剂床层(3层)，静态混合器7、吹灰器等装置组成，静态混合器7设置于催化剂床层的前端。

优选的，设置的温度检测与信号反馈器3和SCR反应器9底部的电加热器10连连接，这样无需再设置温度检测装置，即可对SCR反应器9体及时补热，用于防止SCR反应器9内烟气温度过低影响脱硝效率及系统运行。

低温烟气首先经换热器2(即板式换热器)进行加热，然后通过燃气补燃装置4进一步加热升温至SCR反应器9中催化剂反应温度区间，利用储存在氨水储罐6区的浓氨水作为原料制取氨气，(通过喷氨装置5)将氨气喷射入燃气(加热)补燃升温后的烟气中，在烟道中流动过程中，烟气与氨气经静态混合器7得到充分混合之后进入催化剂(床)层8，在通过催化剂过程中，在催化剂的催化反应作用下，烟气中的氨气与氮氧化物发生氧化还原反应生成无毒无害的N2和H2O，从而去除氮氧化物而使烟气得到净化。

本发明装置及工艺通过过程反应温度控制，提升脱硝效率，增加了脱硝还原剂利用率，实用性强、可应用范围广。

此脱硝装置有两个工艺要点：

(1)选用低温SCR脱硝催化剂，催化剂反应温度180-200℃，采用生产技术上比较成熟的钒钛基低温催化剂；

(2)SCR(脱硝)反应器卧式结构设计，烟气呈水平方向流动，SCR(脱硝)反应器内设置氨烟混合段和催化(剂)反应段。

本发明的一种有色金属卡尔多炉冶炼废气的低温SCR脱硝装置组成主要有：(GGH)换热器、燃气(加热)补燃装置、氨气制备及喷射装置、SCR反应器、烟气检测与反馈器。

工艺过程是将低温烟气通过换热器升温至一定温度后，再通过燃气补热装置加热到催化剂反应活性温度区间(180-200℃)，根据进口烟气氮氧化物浓度检测反馈信号，控制还原剂(氨气)喷射量进行制氨及喷氨，喷氨后的烟气经过静态混合器充分均匀混合后，进入SCR反应器催化剂层进行脱硝反应。SCR反应器主要由烟气混合段(即氨烟混合段，其含若干静态混合器)、催化剂(床)层、(耙式)吹灰器等部分组成。催化剂选择低温钒钛基催化剂，催化剂活性反应温度200℃。

换热器位于系统前端，目的是充分利用SCR脱硝反应后的净烟气余热，将原烟气温度提升至170℃。

燃气(加热)补燃装置利用天然气作为燃料，通过热风炉或者直接将燃气喷入烟气管道补燃加热，将烟气温度进一步升至200℃，达到低温催化剂反应活性温度区间范围。

喷氨装置位于烟气补燃装置后，利用20％浓度氨水或尿素制取氨气，利用稀释风机抽取空气将氨气稀释至5％安全浓度范围，通过氨气喷嘴喷入烟道。喷氨量的控制主要通过入口烟气的NOx检测与反馈信号进行精确控制。

作为本发明的一种优选技术方案，SCR反应器采用一种特殊的结构设计，其特点是采用卧式脱硝反应器本体，SCR反应器由烟气混合段和催化反应段组成，不设间隔。催化反应段设3层催化剂(床)层；烟气混合段由2-3个静态混合器组成烟气通过混合段均匀混合后进入催化剂(床)层进行脱硝反应。烟气在(SCR)反应器中流速1-2m/s，停留时间4-5s。催化剂共3层(2+1布置，设置一层预留层)，催化剂运行温度200℃。

作为本发明的一种优选技术方案，每层催化剂(床层)前端设置耙式除灰器，并定期启动吹灰，清除散落在催化剂孔内的烟气积尘。

作为本发明的一种优选技术方案，在(SCR)反应器卧式脱硝反应器本体下部外侧设置电加热器，用于系统补热，根据(SCR)反应器的舱体内温度检测信号反馈，当SCR反应器内烟气温度较低时，也可以开启伴热装置进行烟气补热。

具体的，本发明的工艺，包括如下步骤：

入口低温烟气(约60℃)首先进入换热器2与净化后的高温烟气(200℃)进行热量交换，将温度提升至170℃，之后经过燃气补燃装置4进一步加热，加热量由温度检测与信号反馈器3控制，将170℃原烟气加热至略高于SCR催化反应温度(200℃)至约210℃，之后通过喷氨装置5计量喷入脱硝还原剂；

脱硝还原剂由20％浓度氨水蒸发稀释制取，20％浓度的氨水存储在氨水储罐6内，浓氨水经蒸汽蒸发并由稀释风机稀释成为5％的氨气后，通过喷氨装置5的氨气喷枪，在NOx检测与信号反馈器1的精确计量控制下喷入烟气管道与烟气进行混合，此时由于氨气的混入使得烟气温度降至约200℃的催化反应温度区间。

喷氨后的烟气进入SCR反应器9的卧式脱硝反应器本体，烟气首先流经由2-3个静态混合器7组成的混合段充分混合，之后进入催化剂(床)层8，在催化剂内烟气中氮氧化物和氨气进行催化还原反应生成N2和H2O，去除NO和NO2等氮氧化物，主要反应化学方程式如下所示：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

设置在催化剂前端的(耙式)除灰器定期开启，清除催化剂表面积尘。为防止SCR反应器9仓底积灰部位温度下降，在器体下部的电加热器10，在烟气温度降低至脱硝反应区间范围外时及时开启补热升温；

SCR反应器9的卧式脱硝反应器本体设置检修人孔，用于器体内部设备检修或更换催化剂时，作为人员及物资通道。器体下部积灰槽底部设阀板，可人工进入检修或清灰。

经过脱硝反应净化后的烟气温度200℃，为充分利用烟气余热，节约能源，将200℃净烟气引入换热器2，将热量交换原烟气用于提升其温度，从(GGH)换热器2排出的净烟气温度降至约90℃，最后在引风机11的作用下，通过烟囱12排放。

由于气流均布对脱硝有着至关重要的作用，本装置采用计算流体力学(CFD)方法对其进行数值模拟优化设计。