利用液体流束喷射技术的选择性非催化还原脱硝方法

摘要

本发明涉及控制燃烧生成的氮氧化物（NOx）的低排放技术，旨在提供一种利用液体流束喷射技术的选择性非催化还原脱硝方法。该方法是通过喷嘴连续向锅炉炉膛内喷入尿素或氨的水溶液形成连续射流；液体流束在深入炉膛的过程中发生微爆现象，与烟气实现宏观与微观的混合。本发明由于液滴数量大幅减少，以及较大尺寸的液滴因惯性不易碰撞壁面，锅炉安全性有所提高。通过选择合适大小尺寸的液体流束，不进行雾化，使其实现较大尺寸液滴的宏观混合以及破碎而成的细小液滴、挥发分气体的局部微观混合的两者结合，从而建立了大的混合框架，扩大了混合的范围。该方案对温度窗口不敏感，还原剂很好地被分散在炉内的各个角落，使之能够达到更充分的混合。

权利要求

1.利用液体流束喷射技术的选择性非催化还原脱硝方法，其特征在于，是通过喷嘴连续向锅炉炉膛内喷入尿素或氨的水溶液形成连续射流；液体流束在深入炉膛的过程中发生微爆现象，与烟气实现宏观与微观的混合；该过程中控制液体流束的初速度为1～15m/s，液体流束的初始直径在0.5～10mm之间；尿素或氨的水溶液的质量浓度范围在2％～40％之间；液体流束喷入位置在炉膛上方温度850～1200℃之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷嘴布置在炉膛内，其数量为1～

100个。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述锅炉是电站锅炉或工业锅炉，锅炉类型包括室燃炉、层燃炉和沸腾炉。

说明书

利用液体流束喷射技术的选择性非催化还原脱硝方法

技术领域

[0001] 本发明涉及控制燃烧生成的氮氧化物（NOx）的低排放技术。更具体地说，是一种新的向炉内喷射尿素（或氨气、氨水）的方法，从而通过还原反应来减少NOx的排放。

背景技术

[0002] NOx是严重的大气污染物，选择性还原反应是一种控制燃烧生成NOx的低排放技术。它的原理是利用氨气或尿素与NOx反应的选择性，将富氧烟气中的NOx还原成氮气和水，是一种成熟的氮氧化物脱除（脱硝）技术。其还原反应如下(以一氧化氮为例)：

[0003] NH3作为还原剂：

[0004] 4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

[0005] 尿素作为还原剂：

[0006]

[0007] 选择性催化还原（SCR）技术是通过在催化剂上游的烟气中喷入还原剂，利用还原O剂在催化剂的作用下，选择性的与NOx发生反应，通常在350～400 C的温度下进行。SCR是目前商业技术中脱硝效果最好的成熟技术，其脱硝率可达80%甚至90%以上。在其脱硝过程中，催化剂的选择和使用是最为重要的一部分，大部分的费用也都源于催化剂的老化。因此，价格昂贵的催化剂使得SCR技术投资巨大。

[0008] 而SNCR技术是在870～1205℃下，将氮还原剂喷入烟气中，将NOx还原，生成氮气和水。与SCR技术相比，SNCR技术利用炉内的高温驱动氨与NO的选择性发生还原反应，因此，不需要昂贵的催化剂与体积庞大的催化塔。

[0009] 但是，SNCR技术还原NO的反应对于温度条件非常敏感：当温度过高时，NH3的氧化反应开始起主导作用，又会重新生成NO，反应式如下：

[0010] 4NH3+5O2→4NO+6H2O

[0011] 而当温度过低时，由于停留时间的限制，往往使化学反应进行的程度较低，反应不够彻底，从而造成NO的还原率较低，同时未参与反应的NH3的增加也会造成氨气泄漏。NH3是高挥发性的有毒物质，氨的逃逸会造成新的环境污染。

[0012] 此外，还原剂与烟气的混合程度同样是保证SNCR技术达到理想脱硝率、减少氨逃逸的关键因素之一。为使还原反应发生，还原剂必须被分散并与烟气均匀混合。然而，在大型锅炉上还原剂很难与烟气得到充分混合，主要是由于炉膛尺寸越大，动能相对较小的雾化液滴就越难进入烟气流，液滴的扩散路径受到影响，从而加大了炉膛内部各个区域中还原剂与烟气均匀混合的难度；并且大炉膛中锅炉的温度梯度比较大，因此要保证在最佳温度区域的滞留时间内，还原剂与烟气能较快充分混合并完成还原反应，若混合时间越长就越会影响其脱硝效果；此外，还原剂与烟气的混合是由喷射装置来实现的，而炉内的喷入位置受到限制，当炉膛的尺寸越大，要想取得混合良好的效果，所需的工程量就会加大。

[0013] 因此，为了满足反应时温度在温度窗口的范围内，并使还原剂与烟气能够得到充分混合的条件，所以对喷氨的控制要求很高。现有的SNCR技术是将液体雾化后再喷入到炉膛内部，使还原剂与NOx进行混合，来达到良好的脱硝效果。

[0014] 经过试验，若选择合适的温度窗口，在小试验台上SNCR的脱硝效率可达80%以上。因此，从混合良好的实验室实验结果来看，SNCR是一种脱硝效率很高的技术。然而，在实际大型工业应用中，由于受到锅炉结构形式和运行方式的影响，SNCR脱硝技术的脱硝率在
30%～75%之间，而长期现场应用仅能达到30%～50%的NOx降低。由此看来，SNCR技术有很大的脱硝潜力可以发掘。

[0015] 总的来说，SNCR脱硝技术目前还存在着以下问题：

[0016] 1. 合适的反应温度区间窄：如果炉内降温速度快，适合反应的温度区间内停留时间不足，将引起尾部氨逃逸；在高温喷入氮还原剂又会降低脱硝效果，甚至生成更高的NOx。

[0017] 2. 混合问题：炉膛的尺寸越大，充分混合越困难；锅炉温度梯度大，混合时间长会影响脱硝效果；炉内喷入位置有限制，要取得好的效果，工程量就会增大。

[0018] 3. 工况变化的波动影响大：负荷、煤种、磨煤机的停用、炉内吹灰等工况变化都对炉内的温度、速度、浓度场的分布有一定的影响，进而影响SNCR技术的应用效果。

[0019] 综上所述，SNCR烟气脱硝技术具有经济实用的特点，但是受到反应温度、混合等因素的制约，脱硝效率不高，并存在氨泄漏的问题。

发明内容

[0020] 本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种利用液体流束喷射技术的选择性非催化还原脱硝方法。

[0021] 为了解决技术问题，本发明的解决方案是：

[0022] 本发明提供了一种利用液体流束喷射技术的选择性非催化还原脱硝方法，是通过喷嘴连续向炉膛内喷入尿素或氨的水溶液形成连续射流；液体流束在深入炉膛的过程中发生微爆现象，与烟气实现宏观与微观的混合；该过程中控制液体流束的初速度为1～15m/s，液体流束的初始直径在0.5～10mm之间；尿素或氨的水溶液的质量浓度范围在2%～40%之间。

[0023] 本发明中，所述喷嘴布置在炉膛内，其数量为1～100个。

[0024] 本发明中，液体流束喷入位置在炉膛上方温度850～1200℃之间。

[0025] 本发明中，所述锅炉是电站锅炉或工业锅炉，锅炉类型包括室燃炉（气流床锅炉）、层燃炉（固定床锅炉）和沸腾炉（流化床锅炉）。

[0026] 现有的SNCR技术之所以在大型锅炉里的脱硝率较低，主要是因为还原剂与NOx的混合原因，混合因素是制约大型锅炉SNCR技术脱硝效果的关键因素。本发明提供的SNCR喷射技术是突破原有的混合模型，通过选择合适大小尺寸的液体流束，即对液滴不进行雾化的情况下，让其由喷枪喷入炉膛内部时能够形成直径较大的连续射流，从而与烟气进行宏观与微观的双重混合，以此实现小液量、大混合的过程。通过较大尺寸的尿素或氨的溶液液滴与烟气的宏观混合，以及由于微爆作用破碎而成的细小液滴、释放出的挥发性成分（尿素气化蒸汽、氨气）与烟气的快速微观混合的两者结合，进一步达到还原剂与NOx强化混合结果。更重要的是，此技术方法能够达到很好的SNCR脱硝效果。

[0027] 所述的宏观混合是指较大尺寸的尿素或氨的溶液液滴与烟气的相对速度较大，使该溶液液滴在炉内的分布范围更广，与烟气的混合更加均匀，从而建立了大的混合框架。所述的微观混合是指液滴在高温下发生微爆现象，从而破碎而出的细小液滴与释放出的挥发分气体与周围烟气发生细微的局部混合，进一步实现了小液量、大混合的过程。

[0028] 作为一种新的技术，较大尺寸的尿素或氨的溶液液滴与烟气的相对速度较大，并且较易深入炉膛高温区。较大尺寸的液滴在深入炉膛高温区时不断发生强烈的微爆现象，从而使该液滴逐步破碎成多个细小液滴，扩大整个液滴在炉内的分部空间。温度窗口的拓宽得以实现：由于液滴微爆现象的作用，被困于液滴内部的挥发分气体得以释放产生氨气，加上破碎后的细小液滴迅速蒸发并热解成氨气，氨气再被高温烟气加热后逐步升温；在氨气温度被烟气加热达到温度窗口上限之前，氨气在此过程中与NOx发生还原反应并反应完全。

[0029] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0030] 1.初始液滴直径增大，使得尿素或氨的溶液液滴数量大量减少。由于液滴数量大幅减少，以及较大尺寸的液滴因惯性不易碰撞壁面，使得锅炉安全性有所提高。

[0031] 2.选择合适大小尺寸的液体流束，对其不进行雾化，使其实现较大尺寸液滴的宏观混合以及破碎而成的细小液滴、挥发分气体的局部微观混合的两者结合，从而建立了大的混合框架，扩大了混合的范围。

[0032] 3.该方案对温度窗口不敏感。现有的SNCR技术之中，还原剂被雾化后喷入到炉膛内部，在炉膛的某一反应区域之中，该区域内的氨气浓度远远大于NOx的浓度，当NOx被反应完全之后，剩下的氨气或被氧化或被烟气带出炉膛；而在炉膛的另一些区域之中，该区域内却没有氨气或存在极少量的氨气与NOx进行混合，则这部分NOx就会在未参与还原反应的情况下被烟气带出炉膛。作为一种新的SNCR技术，因为还原剂溶液液滴在高温下会发生微爆现象，则液滴在炉内逐步下落的过程之中，会在不同区域内不断发生微爆，破碎而成的细小液滴与挣脱而出的挥发分气体所产生的氨气则会在自身温度被加热到温度窗口上限之前与周围的NOx混合并反应完全。此时，从整个炉膛的角度来看，还原剂并不只是密集的集中在一小段区域内，而是很好地被分散在炉内的各个角落，使之能够与NOx达到更加充分的混合。

具体实施方式

[0033] 本发明适用的锅炉包括电站锅炉和工业锅炉，锅炉类型包括室燃炉（气流床锅炉），层燃炉（固定床锅炉）和沸腾炉（流化床锅炉）。在炉膛中设置1～100个喷嘴，喷嘴的数量可根据需要任意选择。而且每个喷嘴可分成若干个喷口，喷口的方向根据数量进行任意选择（如仰角、平角、俯角等）。液体流束喷入位置在炉膛上方温度850～1200℃之间。

[0034] 利用液体流束喷射技术的选择性非催化还原脱硝方法，是通过布置在炉膛内的喷嘴，连续向锅炉炉膛内喷入尿素或氨的水溶液形成连续射流；液体流束在深入炉膛的过程中发生微爆现象，与烟气实现宏观与微观的混合；该过程中控制液体流束的初速度为1～15m/s，液体流束的初始直径在0.5～10mm之间；尿素或氨的水溶液的质量浓度范围在
2%～40%之间。取浓度的上限可减少喷水量，减少锅炉损失。可以通过选取不同的喷口方向、液体流量及喷口截面积来决定液体流束的喷入方向及喷入的初速度大小。