一种处理硝酸系前驱体脱硝催化剂工业化制备尾气的装置的制作方法

本实用新型涉及一种尾气处理装置，尤其涉及硝酸系前驱体脱硝催化剂工业化制备尾气的处理。

背景技术：

随着能源消费的增长，大量石化燃料被消耗，导致氮氧化物的排放量不断增加，对环境造成极大的破坏，因此富氧条件下NO_x的排放控制已成为目前环境脱硝催化剂和大气污染控制技术领域中的一个研究热点。

氨气法选择性催化还原技术被认为是当前NO_x消除的最有效的方法之一，其核心问题是脱硝催化剂的开发。

目前，工业化应用最为广泛的是钒钛钨脱硝催化剂等钒系催化剂，其优点主要体现为两个方面：一是在钒系催化剂的使用温度区间内，钒系催化剂具有较好的脱硝抗硫性能；二是钒系催化剂的制备过程中，其本身的前驱体在煅烧过程中无废气产生，不需要特地进行废气处理，适合工业化大批量生产；其缺点也非常明显：一是钒系催化剂的使用温度范围在320-420℃，而我国的非电力行业，包括焦化、水泥窑炉、玻璃窑炉以及工业锅炉，其排烟温度一般在150-250℃，如果采用钒系催化剂，需要将较低温度的排烟加热到较高的钒系催化剂使用温度区间内才能进行有效的无害化处理，加热能耗高，加重了排烟无害化处理的负担，因此高使用温度的钒钛类脱硝催化剂并不适合我国特有的烟气状况；二是钒系催化剂的活性组分为V₂O₅，该物质对人体及环境都具有毒害作用，有悖于环境保护的初衷。

因此，开发一种具有较低的使用温度，并且具有高性能抗水耐硫，以及对环境无毒的非钒系脱硝催化剂成为高校、科研及企业研究的重点。

目前，业内也有一些针对上述研究方向的非钒系催化剂的专利申请，如专利200910219534.2公开了一种以硝酸铈为前驱体制备铈基低温脱硝催化剂，在250-450℃下呈现出较高的脱硝性能；专利200910145015.6公开了一种以硝酸锰作为前驱体制备的低温脱硝催化剂，在200-350℃其脱硝高达80％等等。

但是，目前这些硝酸系催化剂专利很多未考察在有硫情况下的脱硝性能，更重要的是，这些专利仅仅提供了实验室的制备方法，尚处于学术研究阶段，并没有实现工业化生产。而事实上，一是硝酸系催化剂的前躯体本身具备一定的腐蚀性，无法直接应用现有的钒系脱硝催化剂工业化生产装置进行大批量的连续性制备；二是由于硝酸系催化剂在工业化生产过程中，必然会产生大量含有NOx气体和硝酸铵物质，而仅凭现有的氨气法选择性催化还原技术，无法对该类复合型尾气进行彻底有效的治理，在长期生产过程中，会因为硝酸铵晶体大量附着在废气处理设备内部造成管路堵塞，而管路清理时必须要对处于整个催化剂制备生产系统上游的煅烧窑等设备停机，设备的启停能耗非常大，并且频繁的启停也会降低工业化生产的效率，并且造成设备故障隐患。上述种种原因，限制了该类硝酸系催化剂的工业化生产和应用。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种处理硝酸系前驱体脱硝催化剂工业化制备尾气的装置，该装置基于硝酸系作为前驱体实现工业化制备脱硝催化剂的开发、应用基础，以氨气作为还原剂高效处理脱硝催化剂生产制备过程中形成的复合型有毒NOx气体和硝酸铵固体，同时克服了低温、高水汽情况下硝酸铵晶体所导致的反应器、烟道等堵塞问题，并且无需频繁的启停上游生产设备。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种处理硝酸系前驱体脱硝催化剂工业化制备尾气的装置，其特征在于：

氨气气源和氨气稀释风机管路连接氨气空气混合器输入端，氨气空气混合器输出端和尾气气源通过烟道顺次连接氨气尾气混合器和SCR反应器，烟道内设有温度传感器，SCR反应器的输入端上设有压力传感器，SCR反应器的输出端管路连接引风机；

烟道靠近尾气气源的一端上配置煤气加热器，尾气气源通过带有第一单向阀的紧急排出管路连接二级碱吸收池，第一单向阀处于常闭状态，第一单向阀开启时，尾气能够朝向二级碱吸收池流动；

氨气尾气混合器的输入端和输出端上分别设有第二单向阀和第三单向阀，第二单向阀和第三单向阀处于常开状态，第二单向阀和第三单向阀关闭时，能够截断氨气尾气混合器与烟道之间的烟道气体流通；

在氨气尾气混合器顶部设有进水阀，底部设有排污阀，进水阀和排污阀处于常闭状态，进水阀和排污阀开启时，水源由进水阀进入氨气尾气混合器内，再由排污阀排出；

温度传感器和压力传感器信号连接控制单元，控制单元信号连接煤气加热器、第一单向阀、第二单向阀和第三单向阀。

硝酸系前驱体脱硝催化剂在工业化制备工艺中，在煅烧过程中会形成含有NOx和硝酸铵的有毒尾气，其排放会危及人生安全以及影响大气空气质量。

本尾气处理装置利用硝酸系前驱体脱硝催化剂实现对尾气中NOx的自产自处，即利用产出的硝酸系前驱体脱硝催化剂对该催化剂生产过程中产生的NOx进行无害化处理，由于从煅烧网带窑出来的烟气温度通常在150℃以上，能满足利用硝酸系前驱体脱硝催化剂喷氨脱除NOx气体的反应温度条件，因为如果仅仅是考虑对NOx的处理，是无需在尾气处理装置中额外对尾气进行加热的，并且烟气处理效果良好。

但是，考虑到尾气中还含有硝酸铵，硝酸铵简称硝铵，易溶于水，常温下为无色斜方或单斜晶体，熔点为169℃，在200℃以上开始分解为NOx、水和N₂。因此，如果尾气处理装置中的温度仅保持在150℃，装置运行一段时间后，烟道和氨气尾气混合器中会出现大范围的堵塞，其原因是硝酸铵固体大量附着在装置内部，一旦硝酸铵固体形成，清理困难、制约生产，因此根据该硝酸盐的理化性质，本尾气处理装置另增设煤气燃烧器，用煤气燃烧器将尾气加热至设定温度阀值以上(设定温度阀值应高于硝酸铵晶体的熔点，即高于169℃，以避免硝酸铵结晶、附着，甚至可以达到200℃，使硝酸铵分解为NOx、水和N₂，以便于后续处理)，以避免硝酸铵结晶的形成及附着。

此外，在长期使用过程中，考虑到氨气尾气混合器中为保证气流充分混合，必然会使气体的通过时间增长，流速减缓，同时可能伴随气体温度有所降低，因此最有可能出现硝酸铵结晶的情况，紧急排出管路就是为该种情况专门设计的：需要时，尾气从紧急排出管路排出并进行应急无害化处理，以保证整个催化剂制备生产系统上游的煅烧窑等设备能够进行连续化生产，无需停机生产设备，避免巨大的启停能耗，同时，对氨气尾气混合器内部的硝酸铵结晶进行水溶处理并及时排出硝酸铵溶液后回收利用，通过长期运行，该生产工艺运行良好。

具体的，上述的尾气处理流程可以通过下述自动化控制实现：

所述控制单元接收温度传感器和压力传感器的信号，控制煤气加热器、第一单向阀、第二单向阀和第三单向阀分两个工作状态进行如下动作：

A、尾气正常处理状态

压力传感器监测到的烟道气气压值低于警戒值，第一单向阀关闭，第二单向阀和第三单向阀开启；

当温度传感器监测到烟道内的烟道气温度低于设定温度阀值时，煤气加热器启动对烟道气进行加热，并保持烟道气温度不低于设定温度阀值；

B、尾气紧急处理状态

压力传感器监测到的烟道气气压值达到警戒值，第二单向阀和第三单向阀关闭，煤气加热器关闭；

第一单向阀开启，尾气气源与二级碱吸收池连通，尾气由二级碱吸收池临时性吸收处理；

进水阀开启，水源进入氨气尾气混合器内并充满氨气尾气混合器内部后，进水阀关闭，溶解附着在其内部的硝酸铵，排污阀延时开启，直至氨气尾气混合器内水体排放完毕后排污阀关闭。

再进一步，所述氨气尾气混合器呈横置的长筒形，两端的输入端和输出端分别与烟道气密性转动连接，进水阀和排污阀上的进、排水管路为柔性管路，氨气尾气混合器能够在电机驱动下绕自身轴向往复摆动，电机信号连接控制单元。对氨气尾气混合器内部的硝酸铵结晶进行水溶处理时，当氨气尾气混合器内部注满水并且关闭进水阀和排污阀，通过氨气尾气混合器的往复转动，加速其内部硝酸铵结晶的溶解，确保溶解效果，以减少尾气紧急处理状态的时间。

再进一步，所述氨气尾气混合器内筒顶部和底部分别固设若干块上扰流板和下扰流板，上扰流板和下扰流板一端固定在氨气尾气混合器内筒壁上，另一端朝向氨气尾气混合器的输出端倾斜，上扰流板之间、下扰流板之间分别间隔平行配置，上扰流板和下扰流板之间相互交错，并且下扰流板顶部位于上扰流板底部上方，两者之间的空隙形成气流通道，从而保证氨气尾气的充分混合。

再进一步，所述排污阀数量为多个，在每一块下扰流板两侧的氨气尾气混合器内筒最低处，分别设有一个排污阀，以保证排污彻底。

再进一步，考虑到长期使用中，气流通道附近的扰流板上是最有可能附着硝酸铵结晶的部位，因此可以在所述进水阀上设有多个喷淋式压力出水口，在每一块上扰流板两侧的氨气尾气混合器内筒最高处，至少设有一个喷淋式压力出水口。水源通过压力水喷淋的方式注入氨气尾气混合器内，在大面积喷淋过程中即开始硝酸铵结晶溶解的过程，并且进一步确保了溶解效果，减少尾气紧急处理状态的时间。

再进一步，所述温度传感器配置在烟道靠近氨气尾气混合器的输入端的一端上。以保证氨气尾气混合器上游的烟道内温度都控制在设定温度阀值上，避免烟道内硝酸铵结晶大量淤积堵塞烟道，同时，混合气体进入氨气尾气混合器后，即使气体温度略有下降，考虑到SCR反应器内有反应热的产生，可以在催化反应中进一步加热混合气体，因此在氨气尾气混合器和SCR反应器之间的混合气体温度略低于200℃内，甚至在180℃左右都是可以的，进一步节省了加热能耗。

再进一步，所述第二单向阀和第三单向阀为旋启式止回阀或升降式止回阀。旋启式止回阀和升降式止回阀的密封性良好，能有效防止对氨气尾气混合器内部的硝酸铵结晶进行水溶处理时，水体倒灌入烟道和SCR反应器内。

再进一步，所述进水阀和排污阀均为针阀。针阀调节精度高，便于精密控制水量、流速及水压，配合流量计使用，还可以精确测量氨气尾气混合器内的进排水量，保证每次对氨气尾气混合器内部的硝酸铵结晶进行水溶处理后，水体排出彻底，阀门启闭及时。

再进一步，所述水源为常温水或者加热水。考虑到季节性因素对水温的影响，冬季时，北方区域在进行氨气尾气混合器的硝酸铵结晶水溶处理时，可以使用加热水，或者，为加快硝酸铵结晶的水溶速度，也可以使用加热水。

本实用新型的有益效果在于：

1、该装置基于硝酸系作为前驱体实现工业化制备脱硝催化剂的开发、应用基础，实现了工业化生产过程中尾气的自产自处；

2、以氨气作为还原剂高效处理脱硝催化剂生产制备过程中形成的NOx和硝酸铵的有毒复合型废气，同时克服了低温、高水汽情况下硝酸铵晶体所导致的反应器、烟道等堵塞问题；

3、尾气处理过程中无需频繁的启停上游生产设备，节能环保；

4、装置的处理工艺操作简单，运行稳定，易于实施。

附图说明

图1为本装置一种优选结构的连接示意图

图2为氨气尾气混合器一种优选方案的内部结构示意图

图1～2中：1为氨气气源，2为尾气气源，3为氨气稀释风机，4为氨气空气混合器，5为氨气尾气混合器，501为上扰流板，502为下扰流板，503为排污阀，504为进水阀，6为SCR反应器，7为引风机，8为煤气加热器，9为温度传感器，10为第二单向阀，11为二级碱吸收池，12为紧急排出管路，13为烟道，14为压力传感器，15为第一单向阀，16为第三单向阀。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，氨气气源1和氨气稀释风机3管路连接氨气空气混合器4输入端，氨气空气混合器4输出端和尾气气源2通过烟道13顺次连接氨气尾气混合器5和SCR反应器6，烟道13靠近氨气尾气混合器5输入端的一端上设有温度传感器9，SCR反应器6的输入端上设有压力传感器14，SCR反应器6的输出端管路连接引风机7。

烟道13靠近尾气气源2的一端上配置煤气加热器8，尾气气源2通过带有第一单向阀15的紧急排出管路12连接二级碱吸收池11，第一单向阀15处于常闭状态，第一单向阀15开启时，尾气能够朝向二级碱吸收池11流动。

氨气尾气混合器5的输入端和输出端上分别设有第二单向阀10和第三单向阀16，第二单向阀10和第三单向阀16处于常开状态，第二单向阀10和第三单向阀16关闭时，能够截断氨气尾气混合器5与烟道13之间的烟道气体流通。

如图2所示，氨气尾气混合器5呈横置的长筒形，两端的输入端和输出端分别与烟道13气密性转动连接，氨气尾气混合器5内筒顶部和底部分别固设若干块上扰流板501和下扰流板502，上扰流板501和下扰流板502一端固定在氨气尾气混合器5内筒壁上，另一端朝向氨气尾气混合器5的输出端倾斜，上扰流板501之间、下扰流板502之间分别间隔平行配置，上扰流板501和下扰流板502之间相互交错，并且下扰流板502顶部位于上扰流板501底部上方，两者之间的空隙形成气流通道。

在氨气尾气混合器5顶部设有进水阀504，进水阀504设有多个喷淋式压力出水口，在每一块上扰流板501两侧的氨气尾气混合器5内筒最高处，至少设有一个喷淋式压力出水口；氨气尾气混合器5底部设有排污阀503，排污阀503数量为多个，在每一块下扰流板502两侧的氨气尾气混合器5内筒最低处，分别设有一个排污阀503。

进水阀504和排污阀503处于常闭状态，进水阀504和排污阀503开启时，水源由进水阀504进入氨气尾气混合器5内，再由排污阀503排出；进水阀504和排污阀503上的进、排水管路为柔性管路，氨气尾气混合器5能够在电机驱动下绕自身轴向往复转动一定角度。

温度传感器9和压力传感器14信号连接控制单元，控制单元信号连接煤气加热器8、第一单向阀15、第二单向阀10、第三单向阀16和氨气尾气混合器5的驱动电机。

控制单元接收温度传感器9和压力传感器14的信号，控制煤气加热器8、第一单向阀15、第二单向阀10和第三单向阀16分两个工作状态进行如下动作：

A、尾气正常处理状态

压力传感器14监测到的烟道气气压值低于警戒值，第一单向阀15关闭，第二单向阀10和第三单向阀16开启；

当温度传感器9监测到烟道13内的烟道气温度低于200℃时，煤气加热器8启动对烟道气进行加热，并保持烟道气温度不低于200℃；

B、尾气紧急处理状态

压力传感器14监测到的烟道气气压值达到警戒值，表明氨气尾气混合器5内的硝酸铵晶体堵塞情况严重，此时第二单向阀10和第三单向阀16关闭，煤气加热器8关闭；

第一单向阀15开启，尾气气源2与二级碱吸收池11连通，尾气由二级碱吸收池11临时性吸收处理；

进水阀504开启，水源进入氨气尾气混合器5内并充满氨气尾气混合器5内部后，进水阀504关闭，电机启动，氨气尾气混合器5往复摆动设定时间，以加速溶解附着在其内部的硝酸铵，排污阀503延时开启，直至氨气尾气混合器5内水体排放完毕后排污阀503关闭。