[發明專利]一種船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱工藝及系統

有效

• 申請號: 201410190437.6
• 申請日: 2014-05-08
• 公開（公告）號: CN103962005A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 王德榮;林瑜
• 申請（專利權）人: 南通亞泰船舶工程有限公司
• 主分類號: B01D53/90
• 分類號: B01D53/90;B01D53/56
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

技術領域

本發明屬于煙氣脫硝技術領域，特別涉及一種船用選擇性脫硝SCR催化劑的快速預熱工藝及其系統。

背景技術

隨著船舶上燃燒設備排放標準的日益嚴格，船舶上鍋爐、柴油機主機、輔機等的排煙凈化將成為環保的焦點。不同于陸上燃煤火電廠較為連續、穩定的煙氣排放過程，船舶的排煙凈化有其特點：船舶上的主要燃料為柴油，且運行過程中存在較為頻繁的啟停。由此會造成煙氣量、煙氣溫度和煙氣凈化設備內部溫度環境的波動，從而降低煙氣凈化設備的使用率和凈化效率。因此如何確保船用煙氣凈化設備的高效運行，尤其是消除柴油機等燃燒設備頻繁啟停的不良影響，確保燃燒設備啟動后、煙氣凈化裝備就能馬上正常工作并滿足達標排放的要求，這就對環保裝備的開發提出了新的要求。

選擇性催化還原SCR工藝是最常用的燃燒后脫硝方法。其核心是在SCR反應器中，通過催化劑表面的催化作用，使煙氣中NO/NO₂只與NH₃發生還原反應（而不與煙氣中的O₂發生氧化反應），并將NO/NO₂還原成N₂，從而達到煙氣脫硝凈化的目的。該SCR工藝對煙氣溫度較為敏感（當煙氣和催化劑達到準穩態熱平衡時，二者的溫度近似相等）——即，只有當反應溫度在一個相對狹窄的區間內（即溫度窗口，一般在330-450°C），脫硝反應才能高效進行；反之，如果反應溫度高于或低于該溫度窗口區間，則反應效率低，不僅浪費還原劑，而且給達標排放造成困難。

如上所述，船舶停運的時候，船上的柴油燃燒設備處于關閉狀態，待到重新啟動后，柴油機排煙和脫硝催化劑無法在短時間內達到熱平衡，這就給SCR脫硝裝備快速滿足環保達標排放的要求帶來了困難。現采用如下實驗過程對該問題加以說明。

圖1為一個SCR脫硝反應器內部的溫度巡檢記錄曲線，目的是掌握催化劑層的蓄熱-放熱特性。熱煙氣來自一燃燒柴油的小型鍋爐。SCR實驗裝置見圖2。該SCR反應器沿氣流方向（高度方向）可放置四層蜂窩狀催化劑，其中最下一層、甚至最下兩層通常為備用。熱煙氣由反應器最上層通入，反應后從下層導出，最后進入引風機被抽走。五個Pt100鉑熱電阻分別置于各層催化劑的前后，用來檢測反應器內的溫度均勻性。圖中五根曲線從上至下分別代表沿煙氣流動方向上各溫度測點的實測值。從圖可見：（1）隨著柴油鍋爐從冷態啟動，熱煙氣從催化劑層的最上端進入SCR反應器，經過半小時以上，反應器入口的溫度才達到約340°C，而此時最下層的催化劑入口溫度及反應器出口溫度僅為256°C（該溫度離脫硝溫度窗口的下限還有較大的差距）。（2）由冷態啟動經過2小時后，上述兩個測點的溫差才緩慢地縮小至30°C左右，催化劑層間的溫度均勻性才漸趨一致。可見，圖1中的溫度曲線說明了一個重要問題：SCR脫硝催化劑是熱容很大的蓄熱材料，在反應器的升溫過程要吸收氣流中的大量熱量，直到氣流與催化劑的溫差趨近一致，即達到熱平衡為止。最上層的催化劑由于與煙氣的溫差最大（尤其在燃燒設備啟動的初期），因此升溫速度最快。各層催化劑都是可觀的蓄熱體，熱惰性很大；煙氣每經過一層，煙溫就產生較大幅度的降低，因此最下層催化劑的溫度最低。所述催化劑蓄熱的過程，也就是催化劑溫度逐漸升高的過程。由于SCR脫硝反應有一個最佳的、但區間較窄的反應“溫度窗口”，因此如果各層催化劑的溫度均勻性越好，脫硝反應器在有效溫度窗口內的反應效果就越好，脫硝效率也就越高，同時也能降低殘氨量和氨逃逸率。

不同于陸地上電廠的脫硝裝置，船舶上的SCR煙氣脫硝裝置，由于船舶的經常性啟停，因此催化劑層也會較頻繁地經歷相應的蓄熱—放熱過程，見圖3。圖中后半段曲線表明SCR反應器停運后（也即柴油機或鍋爐停運后）的溫度曲線，可以看到催化劑溫度快速降低，先前的蓄熱狀態已不復存在。每次SCR反應器從冷態啟動直至達到反應所需的溫度窗口條件，就意味著在相當長時間內（甚至以小時計），不僅整體脫硝效率相對較低，凈化效果無法得到保證，而且白白浪費能量。此外，催化劑沿長度方向越長（一般在幾百mm至1000mm以上），整塊催化劑內部溫差就越大，熱膨脹率和伸縮量就越不一致，往往導致材料疲勞損耗、催化劑開裂，最終使用壽命縮短。

歸納上述問題，即：（1）SCR催化劑存在一個顯著的蓄熱問題；（2）須盡可能消除由于船舶頻繁啟停而導致的催化劑蓄熱--放熱的不良影響；（3）盡可能在柴油燃燒設備啟動前，使催化劑的整體溫度處于、或至少提高到接近SCR脫硝反應所需“溫度窗口”的水平；（4）須盡量縮短催化劑的加熱（預熱）時間。

發明內容