专利名称：变流向烟气催化还原脱硝反应器及脱硝方法
技术领域：
本发明涉及空气污染治理的环保领域，尤其适用于煤转化和石油炼制等能源领域气相污染物的治理。
背景技术：
氮氧化物(简称NOx)是空气主要污染物之一，与硫氧化物构成酸雨的祸首，不仅危害自然环境，而且严重影响人类的健康。对它们的治理已逐渐纳入各国的环境保护规划中。各种燃煤锅炉、催化裂化装置等产生、并随烟气排放的NOx，每年可达数千万吨。若不加以治理，将给地球带来极大的灾害。
概括而言，烟气脱硝分为湿法和干法两大类，除物理吸附之外，其余皆为化学转化的方法。因此，反应器就显得十分重要。脱硝工艺还可以细分为选择性催化还原法(SCR)，选择性非催化还原法，光、电催化氧化法，炽热碳还原法，湿式络合吸收法，等离子体法和生物法等。其中，选择性催化还原法以其高效、低能耗的技术优势，在商业化市场中占据了重要的位置。SCR技术是以各种还原剂，如氨气、一氧化碳、氢气或烃类化合物，在中低温条件下,将NOx选择性催化还原成氮气。Englehard Corporation公司于上世纪50年代中期，发明了氨法SCR脱硝工艺；约20年后，日本开发出具有高活性的钛基五氧化二钒SCR催化齐U，并获得商业应用；至今，SCR烟气脱硝技术已在发达国家广泛采用。以氨法SCR先脱硝为例，注入的氨气在反应器中与NOx和SOx会发生如图I所示的放热反应。在绝热操作的条件下，催化剂床层将产生10°c以上的温升。具体温升数值视NOx和SOx含量，及转化率而定。对中低温脱硝过程，利用温升加快反应，是减少设备投资和降低运行成本的有效手段。为了提高烟气脱硝的效率，在设计反应器时，应考虑以下因素I、催化剂床层的温度和气体流速分布尽可能均匀；2、还原剂与烟气的混合尽可能充分；3、NOx的转化率尽可能高；4、脱硝装置的压力降尽可能小；5、NH3的逃逸量尽可能少；6、运行周期尽可能长。只有兼顾了上述内容，才能防止氨气在爆炸限内操作，解决粉尘和硫氨附着在催化剂表面引起的催化剂失活和再生的问题。SCR脱硝反应器的主要类型分为固定床和流化床。其中，CN100348301C设计了悬吊式固定床反应器，便于失活催化剂的拆装；W02007040308A1采用了整体式的催化剂型式，它是固定床催化剂的主流类型；US6146605，US7943097B2, CN201772471U提供了脱硝反应器与烟气管道的连接方式；US2011194986A1，CN101219329B,CN202212106U, CN201572607U, CN202212104U在反应器内或外设置了去除烟气中颗粒物的部件；CN100425325C， CN201543395U, CN201244436Y, CN201454414U, CN201543370U,CN202212105U, CN102068904A, CN201807307U, CN201596465U, CN201669060U,CN102309920A设计了反应器的常规结构单元；CN202036922U构造了催化剂的安装结构；CN101574624B提出了蓄热式的反应器，CN102120129A给出了氨气的喷射与混合装置；CN102389838A描述了用于催化剂再生的在线清洗装置。而CN1201852C、CN102233232A，CN102026703A,CN102068906A则设计出了流化床脱硝反应器。相关的专利不胜枚举。Davide Fissore 等人(Experimental investigation of the SCR of NOx in asimulated moving bed reactor. AIChE Journal, 2006，52 (9) : 3146-3154)实验研究了模拟移动床中的SCR脱硝反应。结果表明，模拟移动床可使反应器内的温度分布均匀，脱硝效果明显改善。CN2757903Y设计了可改变流向的蓄热式SCR脱硝反应器，其中蓄热陶瓷部分与催化剂床层分开设置，使催化剂床层维持相对较高的温度。CN201899983U设计了 “C”型回转流的反应器结构，用于实现催化剂清洗和除尘的目的
发明内容
本发明在综合了上述论文和专利思想的基础之上，只设置催化剂床层，以减少压降，且在反应器内部设计了开关式调节门(简称开关门)，由外部驱动结构操控，通过固定床反应器的变流向周期操作，实现催化剂床层内更加均匀的温度分布。该设计不同于模拟移动床的三段式结构，更适用于高通量的烟气脱硝反应。本发明的变流向烟气催化还原脱硝反应器技术方案如下一种变流向烟气催化还原脱硝反应器1000，分别由进气通道100，流向控制通道200，前置催化反应器300，倒向区400，灰尘捕集与还原剂辅助加入区500，以及后置催化反应器600六部分组成。反应器1000包括三段催化剂床层，分别是第一段催化剂床层7、第二段催化剂床层12和第三段催化剂床层18，其特征是在第一段催化剂床层7和第二段催化剂床层12上设置有流向控制通道200，通过两个开关门3和13的同步调节，控制气体流向；同时，组合了流体倒向区400和灰尘捕集与还原剂辅助加入区500。其中，流向控制通道200由垂直开关门3，水平开关门13，右侧通道4和左侧通道15组成。垂直开关门3控制流向控制通道200顶部的两个通道入口，水平开关门13控制流向控制通道200前部的两个通道出口 5和14。所述的垂直开关门3和水平开关门13是由整板构成或是百叶窗结构。所述的催化反应器300内设置有并排的第一段催化剂床层7和第二段催化剂床层12，在两个催化剂床层上方设置有吹灰器6。所述的倒向区400内设有折流挡板9 ;折流挡板与第一段催化剂床层7和第二段催化剂床层12的分界线在同一平面上。所述的灰尘捕集与还原剂辅助加入区500为梯台形，其内设置有两个集尘挡板10，两个集尘挡板10之间设有还原剂辅助加入口 11，同时还原剂辅助加入口 11设置在梯台形底部的中心位置。所说的后置催化反应器600内设置有末端整流空间16和第三段催化剂床层18，且末端整流空间16与流向控制通道200的出口 5和出口 14相连。利用本发明的反应器进行变流向烟气催化还原脱硝方法为，右侧通道4上面的通道垂直开关门3和左侧通道15前方的水平开关门13的同步调节，实现流向控制；当垂直开关门3关闭右侧通道4的上部时，水平开关门13同步关闭左侧通道15的前部，烟气进入左侧通道15 ;垂直开关门3关闭左侧通道15的上部时，水平开关门13同步关闭右侧通道4的前部，烟气将进入右侧通道4。流体的分布分别在四处整流通道内完成，包括右侧通道4、倒向区400、末端整流空间16和左侧通道15 ;累积在第一段催化剂床层7，第二段催化剂床层12和第三段催化剂床层18的灰尘和反应后形成的无机盐，定期由吹灰器6实现除尘和催化剂再生；还原剂分两部分注入，其一在烟道I内，其二则通过还原剂辅助加入口 11。当垂直开关门3倒向右侧通道4的上部，且水平开关门13同步关闭左侧通道15的前部时，烟气进入左侧通道15;在左侧通道15的导向作用下，完成流向调整，并由上至下直接进入前置催化反应器300中的第二段催化剂床层12 ;经此一段反应后的烟气，流入倒向区400，随后，折返进入前置催化反应器300中的第一段催化剂床层7，再由出口 5流入末端整流空间16 ;此时，流体再次转变主体运动方向，进入后置催化反应器600内的第三段催 化剂床层18，最终由出口通道17流出反应器1000 ；垂直开关门3倒向左侧通道15的上部时，水平开关门13同步关闭右侧通道4的前部，烟气将进入右侧通道4 ;穿过右侧通道4内设置的导向区后，进入第一段催化剂床层7，反应后的烟气流入倒向区400，折返进入第二段催化剂床层12，再由出口 14流入末端整流空间16 ;随后，流体再次转变主体运动方向，进入第三段催化剂床层18，最终由出口通道17流出反应器1000。一种适合于烟气脱硝的变流向选择性催化还原(SCR)反应器1000，其主体结构如图2所示。分别由进气通道100，流向控制通道200，前置催化反应器300，倒向区400，灰尘捕集与还原剂辅助加入区500，以及后置催化反应器600六部分组装而成。图3给出了主体结构图2所示六个部分拆开后各自的结构图。进气通道100包括烟道I和扩大段2 ;流向控制通道200由垂直开关门3，水平开关门13，右侧通道4、左侧通道15，以及由垂直开关门3控制开与关的，置于200顶部的两个通道入口，和由水平开关门13控制开与关的，置于200前部的两个通道出口组成；前置催化反应器300内含有第一段催化剂床层7和第二段催化剂床层12，以及置于其上方的吹灰器6 ;倒向区400内设有折流挡板9 ;灰尘捕集与还原剂辅助加入区500为梯台形，内设集尘挡板10和还原剂辅助加入口 11 ;后置催化反应器600内包括末端整流空间16和第三段催化剂床层18，且与流向控制通道200相连。按功能又可将反应器1000划分为三段催化剂床层用于SCR反应，分别是第一段催化剂床层7、第二段催化剂床层12和第三段催化剂床层18，其中7和12两段催化剂床层的结构和尺寸相同，且由隔板8分开后平行排列；流向控制则由右侧通道4上面的通道垂直开关门3，和左侧通道15前方的水平开关门13，同步调节加以实现；流体的分布分别在四处整流通道内完成，包括右侧通道4、倒向区400、末端整流空间16和左侧通道15 ;累积在催化剂孔道内的灰尘和反应形成的无机盐，定期由吹灰器6实现除尘和催化剂再生；还原剂分两部分注入，其一在烟道I内，其二则通过还原剂辅助加入口 11。其特征在于通过两个通道开关门的同步动作，实现催化剂床层8和17的周期变流向操作。使用说明图3中，催化剂床层分为三段，其中第一段催化剂床层7与第二段催化剂床层12并排，且由隔板挡板8分开。源自进气通道100的包含还原剂的烟气，在流入流向控制通道200前，可以有两个流向选择，并由垂直开关门3和水平开关门13分别操纵。当垂直开关门3倒向右侧通道4的上部，且水平开关门13同步关闭左侧通道15的前部时，烟气只能进入左侧通道15。在左侧通道15的导向作用下，完成流向调整，并按实心箭头所指方向直接进入前置催化反应器300中的第二段催化剂床层12。经此一段反应后的烟气，流入倒向区400，随后，折返进入前置催化反应器300中的第一段催化剂床层7，再由出口 5流入末端整流空间16。此时，流体再次转变主体运动方向，进入后置催化反应器600内的第三段催化剂床层18，最终由出口通道17流出SCR反应器1000。另外一个选择则与前面描述的第一和第二段催化剂床层中的烟气流向相反，即按照图3中空心箭头的指向流动。此时，垂直开关门3倒向左侧通道15的上部，且水平开关门13同步关闭右侧通道4的前部，烟气将进入右侧通道4。穿过右侧通道4内设置的导向区后，进入第一段催化剂床层7。反应后的烟气流入倒向区400，折返进入第二段催化剂床层12，再由出口 14流入末端整流空间16。随后，流体再次转变主体运动方向，进入第三段催化剂床层18，最终由出口通道17流出反应器1000。流向切换的周期可根据反应器出口脱硝结果加以调整。倒向区400的上部和灰尘捕集与还原剂辅助加入区500的底部分别设有折流挡板 9和集尘挡板10，以满足整流和氨气分散的目的。还原剂氨气分为两部分，分别由烟道I和单独设置的氨气辅助注入口 11进入反应器1000中。其中，氨气辅助注入口 11的氨气注入量与反应器出口 17在线监测NOx含量构成调节回路，以便及时调整脱硝效果，控制氨气的逃逸量。为清扫催化剂表面的覆盖物，特在第一段催化剂床层7和第二段催化剂床层12的上方设置了吹灰器6，用于催化剂的除尘和再生。操纵开关门的传动机构由电机轴21，主动齿轮19和从动齿轮20构成，其放大的构造示意如图4。为了防止金属间的撞击和保证开关门的密封效果，在垂直开关门3和水平开关门13以及与之配合的右侧通道4和左侧通道15的上端和正面均设有非金属密封圈22。本发明的目的是设计一种用于烟气脱硫前先脱硝的变流向选择性催化还原反应器。采用分段固定床的反应器型式，通过改变反应器入口烟气的流向，从而改善反应器内的温度分布，使低浓度的烟气组分在更均匀且更高的还原温度下进行催化反应。不仅能使各段催化剂床层的催化活性得以充分发挥，还能提高烟气脱硝的效率。本发明与现有的单一流向的固定床反应器相比，由于床层温度均匀，反应速率提高，催化剂用量会减少。与此同时，变流向反应器的结构和增加了还原剂辅助注入口的设计，使除尘和吹灰方式简化，且自动调节的响应时间缩短。更好地满足了烟气脱硝的基本要求。
图I :反应及i含变图；图2 :反应器主体结构图；图3 :图2所对应的反应器各部分的结构图；图4 :图3中传动机构I的局部放大图。
具体实施例方式根据附图对本发明做进一步的详细说明一种适合于烟气脱硝的变流向选择性催化还原(SCR)反应器，其主体结构如图2所示，分别由进气通道100，流向控制通道200，前置催化反应器300，倒向区400，灰尘捕集与还原剂辅助加入区500，以及后置催化反应器600六部分组装而成。图3给出了主体结构图2所示六个部分拆开后各自的结构图。进气通道100包括烟道I和扩大段2 ;流向控制通道200由垂直开关门3，水平开关门13，右侧通道4、左侧通道15，以及由垂直开关门3控制开与关的，置于200顶部的两个通道入口，和由水平开关门13控制开与关的，置于200前部的两个通道出口组成；前置催化反应器300内含有第一段催化剂床层7，第二段催化剂床层12和两者间的隔板8，以及置于其上方的吹灰器6 ;倒向区400内设有折流挡板9 ;灰尘捕集与还原剂辅助加入区500为梯台形，内设集尘挡板10和还原剂辅助加入口 11 ;后置催化反应器600内包括末端整流空间16和第三段催化剂床 层18，且与流向控制通道200相连。按功能又可划分为三段催化剂床层用于SCR反应，分别是第一段催化剂床层7、第二段催化剂床层12和第三段催化剂床层18，其中7和12两段催化剂床层的结构和尺寸相同，且由隔板8分开后平行排列；流向控制则由右侧通道4上面的通道垂直开关门3，和左侧通道15前方的水平开关门13，同步调节加以实现；流体的分布分别在四处整流通道内完成，包括右侧通道4、倒向区400、末端整流空间16和左侧通道15 ;累积在催化剂孔道内的灰尘和反应形成的无机盐，定期由吹灰器6进行除尘和催化剂再生；还原剂分两部分注入，其一在烟道I内，其二则通过还原剂辅助加入口 11。通过两个通道开关门的同步动作，实现催化剂床层7和12的周期变流向操作。使用说明图3中，催化剂床层分为三段，其中第一段催化剂床层7与第二段催化剂床层12并排，且由隔板挡板8分开。源自进气通道100的包含还原剂的烟气，在流入流向控制通道200前，可以有两个流向选择，并由垂直开关门3和水平开关门13分别操纵。当垂直开关门3倒向右侧通道4的上部，且水平开关门13同步关闭左侧通道15的前部时，烟气只能进入左侧通道15。在左侧通道15的导向作用下，完成流向调整，并按实心箭头所指从上到下的方向直接进入前置催化反应器300中的第二段催化剂床层12。经此一段反应后的烟气，流入倒向区400，随后，折返进入前置催化反应器300中的第一段催化剂床层7，再由出口 5流入最后整流空间16。此时，流体再次转变主体运动方向，进入后置催化反应器600内的第三段催化剂床层18，最终由出口通道17流出SCR反应器1000。另外一个选择则与前面描述的第一和第二段催化剂床层中的烟气流向相反，即按照图3中空心箭头的指向流动。此时，垂直开关门3倒向左侧通道15的上部，且水平开关门13同步关闭右侧通道4的前部，烟气将进入右侧通道4。穿过右侧通道4内设置的导向区后，进入第一段催化剂床层7。反应后的烟气流入倒向区400，折返进入第二段催化剂床层12，再由出口 14流入末端整流空间16。随后，流体再次转变主体运动方向，进入第三段催化剂床层18，最终由出口通道17流出反应器1000。流向切换的周期可根据反应器出口脱硝结果加以调整。倒向区400的上部和灰尘捕集与还原剂辅助加入区500的底部分别设有折流挡板9和集尘挡板10，以满足整流和氨气分散的目的。
还原剂氨气分为两部分，分别由烟道I和单独设置的还原剂辅助注入口 11进入反应器1000中。其中，还原剂辅助注入口 11的氨气注入量与反应器出口 17在线监测NOx含量构成调节回路，以便及时调整脱硝效果，控制氨气的逃逸量。为清扫催化剂表面的覆盖物，特在第一段催化剂床层7和第二段催化剂床层12的上方设置了吹灰器6，用于催化剂的除尘和再生。操纵开关门的传动机构由电机轴21，主动齿轮19和从动齿轮20构成，其放大的构造示意见图4。为了防止金属间的撞击和保证开关门的密封效果，在垂直开关门3和水平开关门13以及与之配合的右侧通道4和左侧通道15的上端和正面均设有非金属密封圈22。本发明采用变流向的周期操作，与单一流向的固定床反应器 相比，催化剂床层的温度分布更加均匀；由于设置了四处整流通道，还原剂与烟气的混合更加充分；从而实现了相同催化剂用量下，NOx转化率更高的目标；还原剂的分段加入，不仅提高了自控的灵敏度，而且减少了 NH3的逃逸量；吹灰器的设置有利于反应器的长周期运行。因此，本发明设计出的反应器达到了烟气选择性催化还原脱硝的要求。
权利要求
1.一种变流向烟气催化还原脱硝反应器，反应器分别由进气通道100，流向控制通道200，前置催化反应器300，倒向区400，灰尘捕集与还原剂辅助加入区500，以及后置催化反应器600六部分组成；反应器包括三段催化剂床层，分别是第一段催化剂床层(7)、第二段催化剂床层(12)和第三段催化剂床层(18)，其特征是在第一段催化剂床层和第二段催化剂床层上设置有流向控制通道200，控制通道200是通过两个开关门同步调节，控制气体流向；同时，组合了流体倒向区400和灰尘捕集与还原剂辅助加入区500。
2.如权利要求I所述的反应器，其特征是流向控制通道200由垂直开关门(3)，水平开关门(13)，右侧通道(4)和左侧通道(15)组成，由垂直开关门选择流向控制通道200顶部的两个通道入口，由水平开关门选择流向控制通道200前部的两个通道出口，从而限定流体的运动方向。
3.如权利要求2所述的反应器，其特征是所述的垂直开关门(3)和水平开关门(13)是由整板构成或是百叶窗结构。
4.如权利要求I所述的反应器，其特征是前置催化反应器300内设置有并排的第一段催化剂床层(7)和第二段催化剂床层(12)，以及两段催化剂床层间的隔板(8);在两段催化剂床层上方设置有吹灰器(6)。
5.如权利要求I所述的反应器，其特征是倒向区400内设有折流挡板9;折流挡板与第一 段催化剂床层(7)和第二段催化剂床层(12)的分界线在同一平面上。
6.如权利要求I所述的反应器，其特征是灰尘捕集与还原剂辅助加入区500为梯台形，内设置有两个集尘挡板(10)，两个集尘挡板之间设置有还原剂辅助加入口(11)。
7.如权利要求I所述的反应器，其特征是后置催化反应器600内设置有末端整流空间(16 )和第三段催化剂床层(18 )，且末端整流空间与流向控制通道200的出口( 5 )和出口(14)相连。
8.权利要求I 7任意一项变流向烟气催化还原脱硝方法，其特征是流体的分布分别在四处整流通道内完成，包括右侧通道(4)、倒向区400、末端整流空间(16)和左侧通道(15);累积在第一段催化剂床层(7)，第二段催化剂床层(12)和第三段催化剂床层(18)的灰尘和反应后形成的无机盐，定期由吹灰器(6)实现除尘和催化剂再生；还原剂分两部分注入，其一在烟道(I)内，其二则通过还原剂辅助加入口( 11)。
9.如权利要求8所述的方法，其特征是右侧通道(4)上面的通道垂直开关门(3)和左侧通道(15)前方的水平开关门13的同步调节，实现流向控制；当垂直开关门(3)关闭右侧通道(4)的上部时，水平开关门(13)同步关闭左侧通道(15)的前部，烟气进入左侧通道(15);垂直开关门(3)关闭左侧通道(15)的上部时，水平开关门(13)同步关闭右侧通道(4)的前部，烟气将进入右侧通道(4)。
10.如权利要求8所述的方法，其特征是当垂直开关门(3)倒向右侧通道(4)的上部，且水平开关门(13)同步关闭左侧通道(15)的前部，烟气进入左侧通道(15);在左侧通道的导向作用下，完成流向调整，并由上至下直接进入前置催化反应器300中的第二段催化剂床层(12 );经此一段反应后的烟气，流入倒向区400，随后，折返进入前置催化反应器300中的第一段催化剂床层7，再由出口(5)流入末端整流空间(16);此时，流体再次转变主体运动方向，进入后置催化反应器600内的第三段催化剂床层(18)，最终由出口通道(17)流出反应器1000 ;垂直开关门(3)倒向左侧通道(15)的上部时，且水平开关门(13)同步关闭右侧通道(4)的前部，烟气将进入右侧通道(4);穿过右侧通道内设置的导向区后，进入第一段催化剂床层7，反应后的烟气流入倒向区400，折返进入第二段催化剂床层(12)，再由出口( 14)流入末端整流空间(16);随后，流体再次转变主体运动方向，进入第三段催化剂床层(18)，最终由出口通道17流出反应器1000。
全文摘要
本发明涉及变流向烟气催化还原脱硝反应器及脱硝方法。反应器分别由进气通道，流向控制通道，前置催化反应器，倒向区，灰尘捕集与还原剂辅助加入区以及后置催化反应器六部分组成。反应器包括第一段催化剂床层、第二段催化剂床层和第三段催化剂床层，在第一段催化剂床层和第二段催化剂床层上设置有流向控制通道，通过两个开关门和的同步调节，控制气体流向；同时，组合了流体倒向区和灰尘捕集与还原剂辅助加入区。采用分段固定床的反应器型式，通过改变反应器入口烟气的流向，从而改善反应期内的温度分布，使低浓度的烟气组分在更均匀且更高的还原温度下进行催化反应。不仅能使各段催化剂床层的催化活性得以充分发挥，还能提高烟气脱硝的效率。
文档编号B01D53/90GK102806010SQ20121028167
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月8日 优先权日2012年8月8日
发明者辛峰, 陈超, 彭东岳 申请人:天津大学, 深圳市诚达科技股份有限公司