[实用新型]一种船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统

说明书

技术领域

本实用新型属于烟气脱硝技术领域，特别涉及一种船用选择性脱硝SCR催化剂的快速预热系统。

背景技术

随着船舶上燃烧设备排放标准的日益严格，船舶上锅炉、柴油机主机、辅机等的排烟净化将成为环保的焦点。不同于陆上燃煤火电厂较为连续、稳定的烟气排放过程，船舶的排烟净化有其特点：船舶上的主要燃料为柴油，且运行过程中存在较为频繁的启停。由此会造成烟气量、烟气温度和烟气净化设备内部温度环境的波动，从而降低烟气净化设备的使用率和净化效率。因此如何确保船用烟气净化设备的高效运行，尤其是消除柴油机等燃烧设备频繁启停的不良影响，确保燃烧设备启动后、烟气净化装备就能马上正常工作并满足达标排放的要求，这就对环保装备的开发提出了新的要求。

选择性催化还原SCR工艺是最常用的燃烧后脱硝方法。其核心是在SCR反应器中，通过催化剂表面的催化作用，使烟气中NO/NO₂只与NH₃发生还原反应（而不与烟气中的O₂发生氧化反应），并将NO/NO₂还原成N₂，从而达到烟气脱硝净化的目的。该SCR工艺对烟气温度较为敏感（当烟气和催化剂达到准稳态热平衡时，二者的温度近似相等）——即，只有当反应温度在一个相对狭窄的区间内（即温度窗口，一般在330-450°C），脱硝反应才能高效进行；反之，如果反应温度高于或低于该温度窗口区间，则反应效率低，不仅浪费还原剂，而且给达标排放造成困难。

如上所述，船舶停运的时候，船上的柴油燃烧设备处于关闭状态，待到重新启动后，柴油机排烟和脱硝催化剂无法在短时间内达到热平衡，这就给SCR脱硝装备快速满足环保达标排放的要求带来了困难。现采用如下实验过程对该问题加以说明。

图1为一个SCR脱硝反应器内部的温度巡检记录曲线，目的是掌握催化剂层的蓄热-放热特性。热烟气来自一燃烧柴油的小型锅炉。SCR实验装置见图2。该SCR反应器沿气流方向（高度方向）可放置四层蜂窝状催化剂，其中最下一层、甚至最下两层通常为备用。热烟气由反应器最上层通入，反应后从下层导出，最后进入引风机被抽走。五个Pt100铂热电阻分别置于各层催化剂的前后，用来检测反应器内的温度均匀性。图中五根曲线从上至下分别代表沿烟气流动方向上各温度测点的实测值。从图可见：（1）随着柴油锅炉从冷态启动，热烟气从催化剂层的最上端进入SCR反应器，经过半小时以上，反应器入口的温度才达到约340°C，而此时最下层的催化剂入口温度及反应器出口温度仅为256°C（该温度离脱硝温度窗口的下限还有较大的差距）。（2）由冷态启动经过2小时后，上述两个测点的温差才缓慢地缩小至30°C左右，催化剂层间的温度均匀性才渐趋一致。可见，图1中的温度曲线说明了一个重要问题：SCR脱硝催化剂是热容很大的蓄热材料，在反应器的升温过程要吸收气流中的大量热量，直到气流与催化剂的温差趋近一致，即达到热平衡为止。最上层的催化剂由于与烟气的温差最大（尤其在燃烧设备启动的初期），因此升温速度最快。各层催化剂都是可观的蓄热体，热惰性很大；烟气每经过一层，烟温就产生较大幅度的降低，因此最下层催化剂的温度最低。所述催化剂蓄热的过程，也就是催化剂温度逐渐升高的过程。由于SCR脱硝反应有一个最佳的、但区间较窄的反应“温度窗口”，因此如果各层催化剂的温度均匀性越好，脱硝反应器在有效温度窗口内的反应效果就越好，脱硝效率也就越高，同时也能降低残氨量和氨逃逸率。

不同于陆地上电厂的脱硝装置，船舶上的SCR烟气脱硝装置，由于船舶的经常性启停，因此催化剂层也会较频繁地经历相应的蓄热—放热过程，见图3。图中后半段曲线表明SCR反应器停运后（也即柴油机或锅炉停运后）的温度曲线，可以看到催化剂温度快速降低，先前的蓄热状态已不复存在。每次SCR反应器从冷态启动直至达到反应所需的温度窗口条件，就意味着在相当长时间内（甚至以小时计），不仅整体脱硝效率相对较低，净化效果无法得到保证，而且白白浪费能量。此外，催化剂沿长度方向越长（一般在几百mm至1000mm以上），整块催化剂内部温差就越大，热膨胀率和伸缩量就越不一致，往往导致材料疲劳损耗、催化剂开裂，最终使用寿命缩短。

归纳上述问题，即：（1）SCR催化剂存在一个显著的蓄热问题；（2）须尽可能消除由于船舶频繁启停而导致的催化剂蓄热--放热的不良影响；（3）尽可能在柴油燃烧设备启动前，使催化剂的整体温度处于、或至少提高到接近SCR脱硝反应所需“温度窗口”的水平；（4）须尽量缩短催化剂的加热（预热）时间。

实用新型内容