一种相变控温的高效催化脱硝装置的制作方法

本实用新型涉及一种相变控温脱硝装置，具体涉及一种相变控温的高效催化脱硝装置。

背景技术：

现阶段选择性催化还原烟气脱硝技术成为火力发电厂脱硝设备的主流技术，电厂锅炉变负荷运行与电网调峰频繁，导致烟气温度出现较大的波动等问题，无法保证脱硝催化剂在最佳活性温度范围内参与催化反应，使得催化效率显著降低甚至失活。同时由于温度降低也导致铵盐的溶解度降低而结块，阻塞蜂窝状催化剂骨架，使烟气流通阻力增加，减少烟气与催化剂的接触面积，进一步降低了催化效率。目前火电厂主要通过拓宽催化剂的反应活性窗口来适应变负荷运行过程中导致的温度波动，或者通过循环水来调节反应器周围温度的做法，但此举主要是回收余热用来提高给水温度。同时也有加装省煤器旁路，以提高SCR脱硝系统入口的烟气温度，用来提高低负荷状态下的催化温度，但存在的问题是部分烟气不经过省煤器必然会导致锅炉效率下降，省煤器旁路烟气与主烟气混合也会引起烟道和脱硝装置内部流场不均匀，压力损失增加。另外流过反应器内的烟气温度较低时，催化剂活性降低，还原剂氨与烟气中的SO3反应生成硫酸氢氨和硫酸氨会沉积在催化剂上，进一步降低催化剂活性，甚至造成催化剂不可逆转的活性降低。

中国专利CN203829919U提出一种用于燃煤电厂锅炉SCR锅炉脱硝系统的装置，虽然在一定程度上可以调节催化反应的温度，但该方法将固-液相变材料附于蜂窝状催化剂周围，一方面相变材料熔化和凝固需要时间，该布置方式不能充分释放相变潜热，导致烟气温度达不到理想的催化温度，催化效率较低。另一方面相变材料必然会占用烟气流通的空间，使得流过的烟气量减少，增大烟气的流动阻力，极可能改变后续装置的工作环境。再者处于催化剂床层周围的狭小空间填充相变材料，不足以满足大机组低负荷运行时调节脱硝装置内部温度的大热容需求。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，火电厂尾部烟道的SCR脱硝效率受锅炉负荷的变化而引起温度出现较大波动的问题，提出一种采用高温固-固金属相变材料和高温固-液相变材料温度分级调节的烟气控温催化装置，能够避免催化剂失活以及催化剂表面因沉积铵盐而阻塞，明显提高催化效率，维持脱硝反应器内部烟温处于300℃以上。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种相变控温的高效催化脱硝装置，包括催化脱硝反应器，所述催化脱硝反应器的前端通过入口烟道连接省煤器出口，催化脱硝反应器的后端通过出口烟道连接空气预热器进口，催化脱硝反应器的上部设置整流单元，所述整流单元上部设置导流单元，位于整流单元下部的催化脱硝反应器内平行布置若干层蜂窝状催化剂床层，所述入口烟道的前端设置氨水格栅，与氨水格栅处于同一位置的入口烟道外部设置用于完成氨的输送贮存和气化、氨与空气混合稀释的氨存储与处理单元，所述导流单元和整流单元的空腔中分别填充第一类固-液相变储热材料和第二类固-液相变储热材料，所述氨水格栅与催化剂床层之间的催化脱硝反应器的烟气管道外围附上固-固相变蓄热保温层。

进一步地，所述第一类固-液相变储热材料的相变温度范围为300-305℃，所述第二类固-液相变储热材料的相变温度范围为305-310℃。

进一步地，所述固-固相变蓄热保温层的相变温度为290-320℃。

进一步地，所述氨存储与处理单元包括液氨储罐和静态混合器。

进一步地，所述导流单元包括若干片导流隔板，所述导流隔板平行间隔安装在固定架上，所述固定架通过螺栓活动连接在催化脱硝反应器内。

进一步地，所述导流隔板为具有厚度的弧形合金钢片，内部设有第一空心内腔并在第一空心内腔中封装第一类固-液相变储热材料，所述第一空心内腔外设有可打开的密封盖。

进一步地，所述整流单元包括若干块整流隔板，所述整流隔板均匀分布在整流单元内，相邻整流隔板之间形成烟气通道，所述烟气通道与催化剂床层相垂直。

进一步地，所述整流隔板为高导热合金钢，外壁设有防磨涂层，内部设有第二空心内腔，所述第二类固-液相变储热材料封装在第二空心内腔中，所述第二空心内腔外部设有可打开的整流孔板。

本实用新型的有益效果为：

(1)流线型合金钢制成弧形空心导流隔板，空腔内留出充足的容积填充相变材料保证高温烟气与相变储热材料充分换热，保持反应装置内部的温度不低于 300℃，不破坏原有的空间结构和烟气流场，导流隔板和整流隔板均保持与烟气运动垂直方向的横向尺寸保持不变，增大与烟气运动平行的纵向尺寸至合适位置，不影响原来烟气的运动轨迹的前提下，纵向拓展空腔容器的容积，使导流隔板空腔内的相变储热材料大量蓄热或者放热。

(2)导流单元的若干片导流隔板安装在烟道变截面位置处，通过螺栓活动连接于脱硝反应器的内壁上，与水平面呈一定夹角摆动，可根据不同负荷调整导流单元控制入口某一截面烟气流速均匀分布，同时保证导流单元的倾斜角度适应高温烟气的流速和飞灰含量，减少烟气的流动阻力。

(3)高温固-液相变材料包括不同相变温度的两种相变材料，在调温区域内采用分段蓄热和放热的方式，使调温过程和范围灵活可控。

(4)烟道蓄热保温层位于氨水格栅与催化剂层之间，在泡沫保温层内侧加装合适的固-固相变储热材料，相变温度范围为290-320℃，强化蓄热和放热作用，从而可以增强储放热能力，增大调温范围。

与现有技术相比，本实用新型可有效解决燃煤电厂脱硝反应器内烟温波动大、催化效率低等问题，调温范围大，控温效果佳，能够提高氮氧化物的脱除效率。

本实用新型提出在烟道变截面处安装导流单元，导流单元内部的若干导流隔板，使烟气较为平缓地过渡至脱硝反应器内，减少与壁面和导流板的磨损和腐蚀，导流隔板空腔填充第一类相变材料。在催化剂层上部水平布置整流单元，整流单元内部的若干整流隔板，使烟气的速度方向与容器壁面平行，内部温度场更加均匀，整流隔板空腔填充第二类固-液相变储热材料。在氨水格栅与催化剂床层之间烟气管道外壁面加装固-固相变储热材料，增强储放热能力。上述装置受到烟气冲刷时，使高温(或低温)烟气与相变储热材料发生热交换，完成大容量蓄热(或放热)过程，可以实现均匀降温(或升温)，能够维持催化脱硝反应器内部温度在300℃以上。

本实用新型将相变材料放置于导流隔板和整流隔板内部空腔以及烟气管道外围，相比相变材料置于催化剂层周围，本实用新型设计的调温时间更充足，内部温度基本趋于均匀，催化效率显著提高。

本实用新型利用导流隔板和整流隔板的纵向空间，横向空间保持不变，相比将相变材料分布于催化剂模块周围，本实用新型能够减少烟气的流通阻力，保证充足的催化剂分布空间，氮氧化物的脱除效果更佳。

本实用新型采用分段蓄热和放热设计，在导流板和整流板内放置相变温度呈一定温度梯度的相变储热材料，能够保证装置在合适温度范围内进行调节，催化脱硝反应器温度更均匀。

此外，为了增大蓄热能力，增大脱硝反应器的温度调节范围，在喷氨装置与催化剂层之间的烟气管道外壁面紧密附着一定厚度的高温固-固相变蓄热保温层，提高脱硝装置对锅炉不同负荷条件下的温度适应性。由于温度保持在300℃以上，液滴状铵盐较难转变为浓稠状，有效减少铵盐携带飞灰而沉积，防止催化剂层表面被块状或者粉末状铵盐覆盖，同时也在一定程度上能够缓解空气预热器发生堵塞的情况。

总体而言，本实用新型可以有效解决烟气温度波动大、脱硝催化效率低、催化剂层和空气预热器易堵塞等难题，并且可以避免省煤器旁路带来的锅炉效率下降、流场和温度场不均、流动阻力增大等问题，催化脱硝装置结构新颖、简单可靠、安全高效，实用性强。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2-4是本实用新型烟气导流单元的结构示意图；

图5-7是本实用新型烟气整流单元的结构示意图；

图中：省煤器出口1、氨水格栅2、入口烟道3、固-固相变蓄热保温层4、导流单元5、导流隔板5a、螺栓5b、固定架5c、第一空心内腔501、密封盖502、整流单元6、整流隔板6a、第二空心内腔601、整流孔板602、催化剂床层7、出口烟道8、液氨储罐9、静态混合器10。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例

一种相变控温的高效催化脱硝装置，如图1所示，包括催化脱硝反应器，催化脱硝反应器的前端通过入口烟道3连接省煤器出口1，催化脱硝反应器的后端通过出口烟道8连接空气预热器进口，催化脱硝反应器的上部设置整流单元6，整流单元6上部设置导流单元5，位于整流单元6下部的催化脱硝反应器内平行布置若干层蜂窝状催化剂床层7，入口烟道3的前端设置氨水格栅2，与氨水格栅2处于同一位置的入口烟道3外部设置用于完成氨的输送贮存和气化、氨与空气混合稀释的氨存储与处理单元，氨存储与处理单元包括液氨储罐9和静态混合器10，导流单元5和整流单元6的空腔中分别填充第一类固-液相变储热材料和第二类固-液相变储热材料，氨水格栅2与催化剂床层7之间的催化脱硝反应器的烟气管道外围附上固-固相变蓄热保温层4。其中，第一类固-液相变储热材料的相变温度范围为 300-305℃，第二类固-液相变储热材料的相变温度范围为305-310℃，可采用硝酸盐类相变材料，固-固相变蓄热保温层4的相变温度为290-320℃。

如图2-4，导流单元5包括若干片导流隔板5a，导流隔板5a平行间隔安装在固定架5c上，固定架5c通过螺栓5b活动连接在催化脱硝反应器内，通过螺栓活动连接于脱硝反应器的内壁上，与水平面呈一定夹角摆动，可根据不同负荷调整导流单元控制入口烟气流速均匀分布，同时保证导流单元的初始倾斜角度与原来的布置位置基本一致，不改变原有烟气的流场，使流经导流单元的高温烟气与导流隔板空腔内的相变储热材料充分进行热交换。导流隔板5a为具有厚度的弧形合金钢片，内部设有第一空心内腔501并在第一空心内腔501中封装第一类固-液相变储热材料，第一空心内腔501外设有可打开的密封盖502。

如图5-7，整流单元6包括若干块整流隔板6a，整流隔板6a均匀分布在整流单元6内，相邻整流隔板6a之间形成烟气通道，烟气通道与催化剂床层7相垂直。整流隔板6a为高导热合金钢，外壁设有防磨涂层，减少飞灰对隔板冲刷而磨损。内部设有第二空心内腔601，第二类固-液相变储热材料封装在第二空心内腔601中，第二空心内腔601外部设有可打开的整流孔板602。

本实用新型入口烟道3和通向空气预热器的出口烟道8的形状设计与尺寸布置均取决于应用现场的实际需要；导流单元5与整流单元6的形状尺寸和布置位置均根据优化模拟计算进行设计，主要是为了调节烟气流场达到均匀，减少压力损失；第一类固-液相变储热材料、第二类固-液相变储热材料和管道蓄热的高温固-固相变材料的相变温度均根据催化剂脱出氮氧化物的最佳效果而定，且相变材料的填充的数量以及更换和补充的频率也取决于实际运行情况；导流隔板内腔与整流隔板内腔的容积均视不同电厂机组调峰程度与次数各异。

具体工作原理为：在催化脱硝反应器内，氮氧化物在催化剂作用下，并处于一定温度条件时被NH3等还原剂还原为环保的氮气和水，基本不产生二次污染。NH3与空气经静态混合器处理后，经喷氨装置喷入烟道中，氨水格栅将进入的混合氨水与烟气雾化均匀后进入催化脱硝反应器内，在反应器上部流经导流单元，高温烟气首先与蓄热保温层进行温度预调节，然后倾斜冲刷导流隔板，同时烟气与导流隔板空腔内的第一类固-液相变储热材料发生热交换，从而改变烟气的流动方向和温度。之后高温烟气进入整流单元，与整流隔板发生相互作用，并与整流隔板空腔内的第二类固-液相变储热材料进行热交换，使烟气均匀流向催化剂床层，并调节烟气至合适的催化反应温度。最后烟气中的氮氧化物与氮气在催化剂作用下发生化学反应，从而脱除氮氧化物，稳定反应器温度，减少液滴状铵盐转变为浓稠状，铵盐较难携带飞灰，催化剂床层表面沉积物减少，同时也可以降低空气预热器发生堵塞的频率。

当高温烟气从省煤器出口流出，经喷氨装置混合的氨水与烟气在氨水格栅作用下均匀混合，然后流经附着有一定厚度的固-固相变蓄热保温层4，首先烟气与蓄热保温层进行温度预调节，在可调导流单元作用下，烟气平稳过渡到导流隔板入口，通过与导流隔板产生冲刺作用，并与导流隔板内腔的第一类固-液相变储热材料再次发生热交换，从而实现烟气变向和调温的功能。之后烟气进入整流单元，通过与整流隔板发生相互作用，并与整流隔板内腔的第二类固-液相变储热材料再次发生热交换，从而实现烟气流量均匀分布和再次调温的功能。最后将均匀混合至合适温度的烟气中的氮氧化物与氮气在催化剂作用下发生化学反应，从而脱除氮氧化物。

当省煤器出口的高温烟气温度超过320℃时，固-固相变蓄热保温层4首先完成第一阶段的蓄热，使进入导流单元的烟气温度处于320℃以下，然后将流经导流单元的烟气与第一类固-液相变储热材料进行换热而储热，再次将烟气降温至310℃左右，之后烟气流过整流单元时，整流隔板内腔的相变材料与烟气再次发生热交换而储热，最后使烟气温度稳定在300℃附近，可防止催化剂失活，提高催化效率。

当省煤器出口烟气温度低于290℃时，固-固相变蓄热保温层4首先完成第一阶段的放热，使进入导流单元的烟气温度得以提高至290℃，然后将流经导流单元的烟气与第一类固-液相变储热材料进行换热而放热，逐步将烟气调节至更高温度，之后烟气流过整流单元时，整流隔板内腔的相变材料与烟气再次发生热交换而放热，最后使烟气温度稳定在300℃附近，达到高效催化脱硝的目的。