一种碳酸氢铵直喷脱硝还原系统及方法与流程

1.本发明涉及烟气脱硝治理技术领域，具体为一种碳酸氢铵直喷脱硝还原系统及方法。


背景技术：

2.燃煤电厂中scr脱硝装置采用氨气作为还原剂，在v2o5‑
wo3(moo3)/tio2催化剂作用下，烟气中的no与还原剂nh3发生如下反应：
3.4nh3+4no+o2→
4n2+6h2o
4.氨气的来源一般是液氨或者尿素。液氨由于属于重大危险源，目前已经逐渐开始使用尿素取代液氨的工作。尿素虽然存储安全，但制备氨气过程中需要消耗大量的能源(尿素水解使用蒸汽，尿素热解使用电能)，运行成本较高，且尿素溶液容易堵塞腐蚀管道或者结晶堵塞喷嘴。
5.由于碳酸氢铵受热容易分解成氨气、水和二氧化碳，可以使用碳酸氢铵溶液代替尿素溶液制备氨气作为脱硝还原剂。
6.nh hco
→
nh
↑
+h o+co
↑
7.碳酸氢铵具有热不稳定性，固体在58℃、水溶液在70℃则会发生分解。碳酸氢铵溶液在水中溶解度更大，如表1所示。
8.表1.氨气及碳酸氢铵的溶解度与温度的关系
[0009][0010]
现有的制氨作为脱销还原剂的系统及方法中，用于烟气脱硝的碳酸氢铵湿法制氨工艺及系统(cn101829486a)提供了一种将温度为90℃、质量浓度50％的碳酸氢铵溶液喷入热解炉分解制氨的制氨系统及工艺，但该专利中未考虑碳酸氢铵溶液在90℃下，已经可以大量分解成氨气，当大量氨气集聚在碳酸氢铵溶液罐体时，存在罐体破裂的风险，且未提出分解的氨气的处理方法。此外，热解炉的热源来自于炉膛出口的高温热烟气和空预器出口的热一次风，两者都含有大量烟尘，热解炉分解的氨气混合气将携带大量粉尘，导致脱硝喷氨系统堵塞，影响脱硝运行效果。直喷尿素法scr烟气脱硝工艺及装置(cn102068904a)利用干尿素颗粒直接喷入脱硝入口烟道分解，只能运用在烟气温度高于350℃的运行条件，在烟温低于350℃时，无法进行脱硝反应，但是目前国内火电机组基本在中低负荷运行，烟气温度无法满足350℃的分解条件，限值了此种工艺的利用。此外，干尿素颗粒容易板结，输送困
难，且由于输送尿素颗粒，喷嘴必须设置成多孔结构，增加了结构的复杂性。
[0011]
目前现有技术中进行制备氨气作为脱销还原剂的制备系统及制备工艺，其制备条件要求较高，运行成本较高，且制备系统容易出现堵塞，影响运行效果，此外，现有的制氨系统中只考虑了制氨完成后氨逃逸的回收，没有考虑到碳酸氢铵溶液在正常存放状态下也会直接分解产生大量氨气，破坏存储设备的问题。


技术实现要素：

[0012]
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种碳酸氢铵直喷脱硝还原系统及方法，制氨系统简单，能满足目前火电厂不同负荷下的制备条件，实现入口烟道不同位置处所需氨气量的按需分配，运行维护成本低，解决了系统容易堵塞和储存碳酸氢铵溶液时存在安全风险的问题。
[0013]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0014]
一种碳酸氢铵直喷脱硝还原系统，包括依次连接的碳酸氢铵溶解装置、碳酸氢铵溶液储存装置、计量分配模块、喷射装置和scr脱硝反应器；
[0015]
所述喷射装置包括多个并行的喷射器，每个喷射器的输出端设置有喷嘴，输入端设置碳酸氢铵溶液入口，碳酸氢铵溶液入口的一侧设置连通的雾化压缩空气入口，所述喷射器沿烟气方向设置在scr脱硝反应器的入口烟道内；
[0016]
所述计量分配模块与每个喷射器的碳酸氢铵溶液入口分别连接。
[0017]
优选地，所述喷射装置还包括设置在喷射器外部的冷却壳体，以及设置在冷却壳体上的冷却风入口。
[0018]
优选地，所述碳酸氢铵溶解装置包括碳酸氢铵溶解罐，其内部设有搅拌器和蒸汽加热管。
[0019]
优选地，所述碳酸氢铵溶液储存装置包括碳酸氢铵溶液储罐，其内部设有蒸汽加热管。
[0020]
优选地，还包括挥发氨吸收装置，通过管道分别与碳酸氢铵溶解装置和碳酸氢铵溶液储存装置连接。
[0021]
优选地，所述挥发氨吸收装置内设置有氨水密度计，挥发氨吸收装置通过管路和高流量循环泵与计量分配模块连接。
[0022]
优选地，所述碳酸氢铵溶解装置和所述碳酸氢铵溶液储存装置的连接管路上设置有混合给料泵和碳酸氢铵溶液密度计。
[0023]
优选地，所述碳酸氢铵溶液储存装置和计量分配模块的连接管路以及挥发氨吸收装置和计量分配模块的连接管路上均设置有高流量循环泵和开关阀门。
[0024]
一种碳酸氢铵直喷脱硝还原方法，包括以下步骤：
[0025]
碳酸氢铵颗粒在碳酸氢铵溶解装置进行溶解后，将溶解好的碳酸氢铵溶液输送至碳酸氢铵溶液储存装置中储存备用；
[0026]
储存的碳酸氢铵溶液输送至计量分配模块；
[0027]
计量分配模块根据cfd流场模拟结果确定的scr脱销反应器的入口烟道不同位置处的氨气所需量，对碳酸氢铵溶液进行分配后，通过碳酸氢铵溶液入口端输送至对应位置的喷射器；
[0028]
碳酸氢铵溶液在喷射器内被雾化压缩空气入口端输入的雾化压缩空气进行雾化；
[0029]
雾化后的碳酸氢铵溶液细小颗粒通过喷嘴均匀喷入scr脱硝反应器的入口烟道内，被烟道内的高温烟气蒸发分解，生成氨气、二氧化碳和水蒸气，完成制氨。
[0030]
优选地，所述碳酸氢铵溶解装置和所述碳酸氢铵溶液储存装置内的碳酸氢铵溶液的温度控制在40℃，体积浓度控制在28.4g/l～36.6g/l。
[0031]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0032]
本发明提供一种碳酸氢铵直喷脱硝还原系统，碳酸氢铵颗粒在碳酸氢铵溶解装置中进行溶解制备出所需浓度的碳酸氢铵溶液，并控制溶液浓度保持在所需范围内，后输送至碳酸氢铵溶液储存装置中备用，通过计量分配模块按照scr脱硝入口烟道不同区域的需氨量进行流量分配后，进入喷射装置，并通入雾化压缩空气对碳酸氢铵溶液进行雾化，雾化后的碳酸氢铵溶液细小颗粒通过设置在scr脱硝入口烟道不同位置处的喷嘴均匀喷入，碳酸氢铵溶液在从省煤器出口输出的高温烟气作用下蒸发分解，生成氨气、二氧化碳和水蒸气，氨气脱销还原剂制备完成，流经脱硝装置的导流板、整流格栅和催化剂，分解生产的氨气在脱硝反应器在v2o5‑
wo3(moo3)/tio2催化剂作用下与高温烟气中的一氧化氮发生反应，生产氮气和水，完成脱销。
[0033]
本发明可以根据cfd流场模拟结果确定的scr脱销入口烟道不同位置处的氨气所需量预先通过计量分配模块进行分配并根据分配结果布置喷射器的数量以及在脱硝入口烟道上的具体布置位置，喷嘴对准测点位置处喷入碳酸氢铵溶液，能够尽可能减少碳酸氢铵溶液浪费和不必要的氨气制备，减少后续挥发氨气的吸收处理负担，避免后续由于氨逃逸造成的问题。
[0034]
进一步地，喷射装置还包括设置在喷射器5外部的冷却壳体，以及设置在冷却壳体上的冷却风入口，用于在制备过程中通入冷却风保护喷射装置和防止碳酸氢铵结晶堵塞喷嘴。
[0035]
本发明在碳酸氢铵溶解罐中设有蒸汽加热管，通过改变通入蒸汽的量将溶液温度维持在40℃，碳酸氢铵溶解罐中设置的搅拌器进行溶解搅拌，可以防止碳酸氢铵的沉积并加速溶解过程，并保持池内温度分布均匀。通过控制碳酸氢铵溶解装置和碳酸氢铵溶液储存装置连接管道上设置的电动开关状态，并启动混合给料泵能加快碳酸氢铵在碳酸氢铵溶解罐中的溶解过程。通过控制投入的碳酸氢铵质量将碳酸氢铵溶液的浓度保持在28.4g/l～36.6g/l。同时通过调节加热蒸汽量控制碳酸氢铵溶解罐内的溶液温度在40℃，避免溶液温度过高导致碳酸氢铵在溶解罐内大量分解成氨气，同时防止温度过低后碳酸氢铵在溶解罐以及管道内的结晶。连接管路上还设置碳酸氢铵溶液密度计用于判断溶解过程是否完全。
[0036]
进一步地，碳酸氢铵溶液储存装置包括碳酸氢铵溶液储罐，其内部设有蒸汽加热管，溶解好的碳酸氢铵溶液通过混合给料泵输送至碳酸氢铵溶液储罐中进行储存，碳酸氢铵溶液储罐内同样安装有蒸汽加热管，用于保持溶液储罐的温度，防止碳酸氢铵溶液在储存装置中发生大量分解，破坏罐体本身，导致氨气泄漏，并防止在储罐内及管道内的结晶问题。
[0037]
本发明中溶解罐和溶液储罐的碳酸氢铵溶液在日常存储过程中分解的少量氨气通过管道连接至挥发氨吸收罐进行吸收，充分考虑到了碳酸氢铵溶液在正常存放状态下会
直接分解产生大量氨气的问题，避免存储设备本身的破坏；当设置在挥发氨吸收装置上的氨水密度计检测到氨水浓度达到20％浓度时，关闭碳酸氢铵溶液储罐与高流量循环泵连接管道上的开关阀门，开启挥发氨吸收罐与高流量循环泵连接管道上的开关阀门，利用高流量循环泵将挥发氨吸收罐中的氨水通过计量分配模块送入喷射器喷入脱硝入口烟道用于脱硝反应，可以实现整个制氨系统之间的循环利用，提高原料利用率的同时，进一步降低运行成本。
[0038]
本发明中采用高温烟气来直接分解体积浓度为36.6g/l，温度为40℃的碳酸氢铵溶液，经过在喷射器内雾化，形成平均粒径为120微米的雾滴后喷入脱硝入口烟道，碳酸氢铵溶液可以在短时间内蒸发分解，分解率可以达到100％，且由于烟气量大，碳酸氢铵溶液量非常小，不会影响烟气温度。
附图说明
[0039]
图1是本发明碳酸氢铵直喷脱硝还原系统工艺流程图；
[0040]
图2是本发明喷射器结构示意图；
[0041]
图3是本发明碳酸氢铵溶解装置和碳酸氢铵溶液储存装置结构示意图；
[0042]
图4是本发明挥发氨吸收装置结构示意图；
[0043]
图5是本发明喷射装置结构示意图。
[0044]
图中，碳酸氢铵溶解装置100，碳酸氢铵溶液储存装置110，计量分配模块120，喷射装置130，挥发氨吸收装置140；
[0045]
碳酸氢铵溶解罐1，搅拌器101，混合给料泵2，碳酸氢铵溶液储罐3，高流量循环泵4，喷射器5，碳酸氢铵溶液入口51，雾化压缩空气入口52，喷嘴53，冷却风入口54，挥发氨吸收罐6，入口烟道7，脱硝反应器8，温度传感器9，压力变送器10，液位计11，氨水密度计12，开关阀门13，蒸汽加热管14。
具体实施方式
[0046]
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0047]
一种碳酸氢铵直喷脱硝还原系统，如图1所示，包括依次连接的碳酸氢铵溶解装置100、碳酸氢铵溶液储存装置110、计量分配模块120、喷射装置130和scr脱硝反应器8；包括多个并行的喷射器5，如图2所示，每个喷射器5的输出端设置有喷嘴53，输入端设置碳酸氢铵溶液入口51，碳酸氢铵溶液入口51的一侧设置连通的雾化压缩空气入口52，喷射器5沿烟气方向设置在scr脱硝反应器8的入口烟道7内，计量分配模块120与每个喷射器5的碳酸氢铵溶液入口51分别连接。。
[0048]
如图5所示，多个并行的喷射器5构成喷射装置130，计量分配模块120设置在喷射装置130与雾化压缩空气通入装置和碳酸氢铵溶液通入装置连接的管路上，计量分配模块120用于根据cfd流场模拟结果确定的scr脱销入口烟道7不同位置处的氨气所需量控制管路上设置的开关阀门，进而对对应入口烟道位置处需要通入的雾化压缩空气和碳酸氢铵溶液进行分配。具体的，根据烟气流量、脱硝效率等参数计算得出脱硝反应所需的总氨气耗量，通过建立cfd流场模型模拟在不同大小烟道截面尺寸、烟道形状下，确定喷射器5的布置
方案，包括布置的数量和喷射器5的分布，以满足烟道内nh3/nox摩尔比要求为约束条件，得到最优的喷射器5设置数量和布置方式，进而通过计量分配模块120分配喷射器5的碳酸氢铵溶液，根据最优的喷射器5设置数量和布置方式对应的喷射量，将碳酸氢铵溶液通过碳酸氢铵溶液入口51端输送至对应位置的喷射器5。
[0049]
本发明提供一种碳酸氢铵直喷脱硝还原系统，碳酸氢铵颗粒在碳酸氢铵溶解装置100中进行溶解制备出所需浓度的碳酸氢铵溶液，并控制溶液浓度保持在所需范围内，后输送至碳酸氢铵溶液储存装置110中备用，通过计量分配模块120按照scr脱硝入口烟道7不同区域的需氨量进行流量分配后，进入喷射装置130，并通入雾化压缩空气对碳酸氢铵溶液进行雾化，雾化后的碳酸氢铵溶液细小颗粒通过设置在scr脱硝入口烟道7不同位置处的喷嘴53均匀喷入，碳酸氢铵溶液在从省煤器出口输出的高温烟气作用下蒸发分解，生成氨气、二氧化碳和水蒸气，氨气脱销还原剂制备完成，流经脱硝装置的导流板、整流格栅和催化剂，分解生产的氨气在脱硝反应器8在v2o5‑
wo3(moo3)/tio2催化剂作用下与高温烟气中的一氧化氮发生反应，生产氮气和水，完成脱销。
[0050]
本发明可以根据cfd流场模拟结果确定的scr脱销入口烟道7不同位置处的氨气所需量预先通过计量分配模块120进行分配并根据分配结果布置喷射器5的数量以及在脱硝入口烟道7上的具体布置位置，喷嘴53对准测点位置处喷入碳酸氢铵溶液，能够尽可能减少碳酸氢铵溶液浪费和不必要的氨气制备，减少后续挥发氨气的吸收处理负担，避免后续由于氨逃逸造成的问题。
[0051]
进一步地，如图2所示，喷射装置130还包括设置在喷射器5外部的冷却壳体，以及设置在冷却壳体上的冷却风入口54，用于在制备过程中通入冷却风保护喷射装置130和防止碳酸氢铵结晶堵塞喷嘴53。
[0052]
进一步地，如图3所示，碳酸氢铵溶解装置100包括碳酸氢铵溶解罐1，其内部设有搅拌器101和蒸汽加热管14，碳酸氢铵溶解罐1上还设置有温度传感器9，压力变送器10和液位计11用于监测其内部的碳酸氢铵溶液状态，碳酸氢铵溶解装置100和碳酸氢铵溶液储存装置110的连接管路上设置有混合给料泵2、氨水密度计12、开关阀门13和压力变送器10。
[0053]
本发明在碳酸氢铵溶解罐1中设有蒸汽加热管14，通过改变通入蒸汽的量将溶液温度维持在40℃，碳酸氢铵溶解罐1中设置的搅拌器101进行溶解搅拌，可以防止碳酸氢铵的沉积并加速溶解过程，并保持池内温度分布均匀。通过控制碳酸氢铵溶解装置100和碳酸氢铵溶液储存装置110连接管道上设置的电动开关状态，并启动混合给料泵2能加快碳酸氢铵在碳酸氢铵溶解罐1中的溶解过程。通过控制投入的碳酸氢铵质量将碳酸氢铵溶液的体积浓度保持在28.4g/l～36.6g/l。同时通过调节加热蒸汽量控制碳酸氢铵溶解罐1内的溶液温度在40℃，避免溶液温度过高导致碳酸氢铵在溶解罐内大量分解成氨气，同时防止温度过低后碳酸氢铵在溶解罐以及管道内的结晶。连接管路上还设置碳酸氢铵溶液密度计用于判断溶解过程是否完全。
[0054]
进一步地，如图3所示，碳酸氢铵溶液储存装置110包括碳酸氢铵溶液储罐3，其内部设有蒸汽加热管14，溶解好的碳酸氢铵溶液通过混合给料泵2输送至碳酸氢铵溶液储罐3中进行储存，碳酸氢铵溶液储罐3内同样安装有蒸汽加热管14，用于保持溶液储罐的温度，防止碳酸氢铵溶液在储存装置中发生大量分解，破坏罐体本身，导致氨气泄漏，并防止在储罐内及管道内的结晶问题，碳酸氢铵溶液储罐3上还设置有温度传感器9，压力变送器10，液
位计11用于监测其内部的碳酸氢铵溶液状态，碳酸氢铵溶液储罐3通过高流量循环泵4与与每个喷射器5的碳酸氢铵溶液入口51连接，作为碳酸氢铵溶液通入装置。
[0055]
进一步地，如图4所示，还包括挥发氨吸收装置140，通过管道分别与碳酸氢铵溶解装置100和碳酸氢铵溶液储存装置110连接，挥发氨吸收装置140内设置有氨水密度计12，挥发氨吸收装置140上还设置有温度传感器9，压力变送器10，液位计11用于监测其内部的挥发氨吸收情况，挥发氨吸收装置140通过管路与高流量循环泵4连接。
[0056]
进一步地，碳酸氢铵溶液储存装置110和计量分配模块120的连接管路以及挥发氨吸收装置140和计量分配模块120的连接管路上均设置有高流量循环泵4和开关阀门13。
[0057]
本发明中溶解罐和溶液储罐的碳酸氢铵溶液在日常存储过程中分解的少量氨气通过管道连接至挥发氨吸收罐6进行吸收，充分考虑到了碳酸氢铵溶液在正常存放状态下会直接分解产生大量氨气的问题，避免存储设备本身的破坏；当设置在挥发氨吸收装置140上的氨水密度计12检测到氨水浓度达到20％浓度时，关闭碳酸氢铵溶液储罐3与高流量循环泵4连接管道上的开关阀门13，开启挥发氨吸收罐6与高流量循环泵4连接管道上的开关阀门13，利用高流量循环泵4将挥发氨吸收罐6中的氨水通过计量分配模块120送入喷射器5喷入脱硝入口烟道7用于脱硝反应，可以实现整个制氨系统之间的循环利用，提高原料利用率的同时，进一步降低运行成本。
[0058]
进一步地，为便于挥发氨吸收罐6充分吸收氨气，需要将管道深入到挥发氨吸收罐6的底部，并设置成多喷嘴53式。
[0059]
一种碳酸氢铵直喷脱硝还原方法，包括以下步骤：
[0060]
碳酸氢铵颗粒在碳酸氢铵溶解装置100进行溶解后，将溶解好的碳酸氢铵溶液输送至碳酸氢铵溶液储存装置110中储存备用；
[0061]
储存的碳酸氢铵溶液输送至计量分配模块120；
[0062]
具体的，根据烟气流量、脱硝效率等参数计算得出脱硝反应所需的总氨气耗量，通过建立cfd流场模型模拟在不同大小烟道截面尺寸、烟道形状下，确定喷射器5的布置方案，包括布置的数量和喷射器5的分布，以满足烟道内nh3/nox摩尔比要求为约束条件，得到最优的喷射器5设置数量和布置方式，保证氨气的均匀分布；进而通过计量分配模块120分配喷射器5的碳酸氢铵溶液，根据最优的喷射器5设置数量和布置方式对应的喷射量，将碳酸氢铵溶液通过碳酸氢铵溶液入口51端输送至对应位置的喷射器5。
[0063]
碳酸氢铵溶液在喷射器5内被雾化压缩空气入口52端输入的雾化压缩空气进行雾化；
[0064]
雾化后的碳酸氢铵溶液细小颗粒通过喷嘴53均匀喷入scr脱硝反应器8的入口烟道7内，被烟道内的高温烟气蒸发分解，生成氨气、二氧化碳和水蒸气，完成制氨。
[0065]
进一步地，碳酸氢铵溶解装置100和碳酸氢铵溶液储存装置110内的碳酸氢铵溶液的温度控制在40℃。
[0066]
进一步地，碳酸氢铵溶解装置100和碳酸氢铵溶液储存装置110内的碳酸氢铵溶液的体积浓度控制在28.4g/l～36.6g/l。
[0067]
碳酸氢铵溶液实际分解温度为35℃
‑
60℃，本发明中采用高温烟气来直接分解体积浓度为36.6g/l，温度为40℃的碳酸氢铵溶液，经过在喷射器5内雾化，形成平均粒径为120微米的雾滴后喷入脱硝入口烟道7，碳酸氢铵溶液可以在短时间内蒸发分解，分解率可
以达到100％，且由于烟气量大，碳酸氢铵溶液量非常小，不会影响烟气温度。
[0068]
进一步地，高流量循环泵4采用变频方式控制，便于调节溶液供应量。
[0069]
进一步地，本发明直接利用高温烟气加热碳酸氢铵雾化液滴，使其分解成氨气，取消了电厂尿素制氨工艺里的电加热系统或者水解制氨系统，工艺流程简单，可以节约电厂的运行成本。
[0070]
进一步地，本发明所用的碳酸氢铵溶液在常压下，70℃就能够完全分解成氨气，且无中间产品，避免了尿素制氨工艺中中间产物对管道等的腐蚀、堵塞等问题，提高了原料利用率。
[0071]
进一步地，本发明采用碳酸氢铵作为还原剂，按scr反应所需的氨气量折算，还原剂采用碳酸氢铵比采用尿素便宜，经济性好。碳酸氢铵含氨量为21.5％，尿素含氨量为56.7％。国内碳酸氢铵的平均价格约在800元/吨左右，尿素的平均销售价格在2800元/吨左右。每生成1公斤氨气，采用碳酸氢铵作为还原剂，需要花费3.72元；而采用尿素作为还原剂，则需要花费4.94元。显而易见地，碳酸氢铵作为还原剂比尿素更为经济。