本發明涉及三廢處理領域，具體而言，涉及一種三廢爐燃燒系統以及煙氣脫硝方法。
背景技術：
我國當前以煤為原料的化工企業，生產中會產生大量的造氣爐渣、造氣除塵器細灰、造氣吹風氣、合成氣放空氣和氨貯槽放氣等廢氣和廢渣。這些廢氣和廢渣即為被企業稱之為三廢中的兩廢。近年來，隨著國家資源綜合利用產業政策的實施以及受能源緊缺和環保壓力增大的影響，由于排放的廢氣、飛灰、爐渣中含碳量及可燃成分高，單純排放會造成能源的浪費和環境的二次污染，因此三廢爐處理技術已經成為了企業比較常用的處理廢水、廢氣、廢渣的方式。三廢爐通過回收燃用吹風氣以及摻燒造氣爐的爐渣、煤矸石、劣質煙煤和無煙煤粉產生蒸氣供其它地方使用來達到節能減排的效果，然而由于燃料含氮量過高，三廢爐排出的煙氣中氮氧化物含量一直保持在一個較高的水平。如何降低煙氣中氮氧化物的濃度成為當下需要迫切解決的一個問題。
大多數企業為了滿足環保要求，一般加裝SCR(選擇性催化還原技術)設備，但是由于三廢爐排出的煙氣中氮氧化物含量很高(約2000mg/Nm3-3000mg/Nm3)，直接采用SCR工藝投資較高、實施難度大且運行成本高。因此，大多數三廢爐在采用SCR工藝脫硝時爐膛出口氮氧化物需要維持在相對較低的水平，才可以通過低氮燃燒技術或SNCR(選擇性非催化還原技術)技術實施，其中，低氮燃燒技術可以在爐膛內完成，SNCR可以在爐膛出口處完成，但是從目前的實際處理情況來看，脫硝率并不如預想的高。脫硝效率最高達到50％左右。
技術實現要素：
本發明的主要目的在于提供一種三廢爐燃燒系統以及煙氣脫硝方法，以解決現有技術中的三廢爐脫硝效果不理想的問題。
為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種三廢爐燃燒系統，包括通過煙道相連的三廢爐和煙氣后處理單元，該燃燒系統還包括SNCR裝置，SNCR裝置具有反應器，反應器設置在煙道上，且反應器的沿煙氣流動方向的反應器截面積大于煙道的煙道截面積。
進一步地，上述反應器橫截面積為煙道橫截面積的2倍至5倍。
進一步地，上述反應器為具有保溫功能的反應器。
進一步地，上述反應器為U形反應器、S型反應器或蛇形反應器。
進一步地，上述反應器具有反應物入口和產物出口，SNCR裝置還包括混合器，混合器設置在反應器中且靠近反應物入口設置，優選混合器為靜態混合器。
進一步地，上述SNCR裝置還包括還原劑供應設備，還原劑供應設備與反應器相連，且連接口設置在混合器上游，優選還原劑供應設備包括還原劑噴射器，還原劑噴射器與反應器相連。
進一步地，上述煙道包括：第一煙道段，一端與三廢爐相連，另一端與反應物入口相連；第二煙道段，一端與產物出口相連，另一端與煙氣后處理單元相連，優選反應器與第一煙道段和第二煙道段法蘭連接。
進一步地，上述反應器為U形反應器，U形反應器包括：入口段，反應物入口和連接口設置在入口段上；U形主體，一端與入口段的一端相連，混合器設置在U形主體的靠近反應物入口的一側設置；出口段，產物出口設置在出口段上。
進一步地，上述入口段和出口段均為以與煙道的軸線平行的方式連接的直管段。
進一步地，上述煙氣后處理單元包括煙氣除塵裝置，煙氣除塵裝置與煙道相連。
根據本發明的另一方面，提供了一種煙氣脫硝方法，該脫硝方法包括：將三廢爐燃燒產生的煙氣進行SNCR處理，得到脫硝煙氣，其中，控制進行SNCR處理時煙氣的流動速率低于在進行SNCR處理前的流動速率。
進一步地，控制上述SNCR處理中的還原時間為1.5～2s，煙氣中氮氧化物的濃度為2000～3000mg/Nm3。
進一步地，上述SNCR處理中所用的還原劑為質量濃度為5％～10％尿素溶液或氨水溶液，還原劑參與還原的流速為40～60m/s。
進一步地，上述SNCR處理中所用的還原劑為氨氣，還原劑參與還原的流速為60～100m/s。
進一步地，上述煙氣在進行SNCR處理前的流動速率為5～15m/s，優選煙氣的溫度為800～1050℃。
進一步地，上述SNCR處理中采用靜態混合器將還原劑和煙氣進行混合。
應用本發明的技術方案，通過對SNCR裝置的反應器進行改進，使其沿煙氣流動方向的反應器截面積大于煙道的煙道截面積，那么將其設置在煙道上時由煙道輸送來的煙氣進入截面積較大的反應器時流速變慢，進而使得煙氣在SNCR裝置的反應器中的反應時間相對于改進前在煙道中的反應時間延長了，即可以改善煙氣和還原劑的混合反應效果以提高脫硝率。上述改造在現有技術中已有結構上進行，因此對設備的改造較小，施工簡單，投資較低，適用于大規模的工業應用。
附圖說明
構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1示出了根據本發明的一種優選實施例提供的三廢爐燃燒系統結構示意圖。
其中，上述附圖包括以下附圖標記：
10、三廢爐；20、煙道；30、SNCR裝置；31、反應器；32、混合器；33、還原劑供應設備；40、煙氣后處理單元。
具體實施方式
需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。
本申請發明人對目前三廢爐中應用的SNCR工藝進行分析后發現，由于在和三廢爐連接使用時，其結構比較緊湊，存在適合反應的溫度區間的區域面積較小的問題，導致還原劑在合適溫度窗口中的煙氣中停留時間過短，進而導致煙氣和還原劑無法充分混合反應致使脫硝率下降。基于上述發現本申請提供了一種三廢爐燃燒系統和煙氣脫硝方法。
在本申請一種典型的實施方式中，提供了一種三廢爐燃燒系統，如圖1所示，該三廢爐燃燒系統包括通過煙道20相連的三廢爐10和煙氣后處理單元40，該燃燒系統還包括SNCR裝置30，SNCR裝置30具有反應器31，反應器31設置在煙道20上，且反應器31的沿煙氣流動方向的反應器31截面積大于煙道20的煙道截面積。
本申請通過對SNCR裝置30的反應器31進行改進，使其沿煙氣流動方向的反應器31截面積大于煙道20的煙道截面積，那么將其設置在煙道20上時由煙道20輸送來的煙氣進入截面積較大的反應器31時流速變慢，進而使得煙氣在SNCR裝置30的反應器31中的反應時間相對于改進前在煙道中的反應時間延長了，即可以改善煙氣和還原劑的混合反應效果以提高脫硝率。上述改造在現有技術中已有結構上進行，因此對設備的改造較小，施工簡單，投資較低，適用于大規模的工業應用。
為了使上述反應時間得以明顯延長并且保證煙氣的處理效率，優選上述反應器31橫截面積為煙道橫截面積的2倍至5倍。超過5倍后煙氣的脫硝率繼續提高不明顯且會導致煙氣的處理效率下降。
此外，為了提高煙氣和還原劑的反應效率，優選上述反應器31為具有保溫功能的反應器31。以使煙氣保溫并利用煙氣的溫度提供還原反應所需的高溫。上述保溫功能可以在普通的反應器31外圍設置保溫材料實現保溫。
此外，為了進一步延長反應時間，優選上述反應器31為U形反應器、S型反應器或蛇形反應器。如圖1所示，利用U形反應器、S型反應器或蛇形反應器可以延長煙氣的流動距離，即延長煙氣在反應器31中的停留距離，進而延長煙氣在反應器31中的反應時間。
在本申請一種優選的實施例中，如圖1所示，上述反應器31具有反應物入口和產物出口，SNCR裝置30還包括混合器32，混合器32設置在反應器31中且靠近反應物入口設置。將混合器32設置在反應器31中可以將混合好的煙氣和還原劑快速進行還原，提高還原效率。當然，該混合器32也可以設置在煙道20上，此時需要對煙道20進行進一步改進以設置混合器32，相對于將混合器32設置在反應器31中設備的復雜程度提高。為了提高混合效果，優選混合器32為靜態混合器，進一步優選為星形混合器。該靜態混合器可以通過焊接的方式牢固固定在反應器31的內壁上。
在本申請另一種優選的實施例中，如圖1所示，上述SNCR裝置30還包括還原劑供應設備33，還原劑供應設備33與反應器31相連，且連接口設置在混合器32上游。將還原劑供應設置于反應器31相連，同樣可以減少對煙道20的原有結構的改動，使本申請的三廢爐燃燒系統便于制作且結構相對簡單。本申請的還原劑供應裝置參考采用現有技術中常規的SNCR裝置30的還原劑供應裝置來設置，優選還原劑供應設備33包括還原劑噴射器，還原劑噴射器與反應器31相連。
如果還原劑采用尿素溶液或者氨溶液，還原劑供應設備33包括還原劑儲存與產生裝置、稀釋裝置、空壓機、計量混合分配裝置和還原劑噴射器，且相互之間按照現有的SNCR技術通過管道和泵與還原劑噴射器連接(圖1中未示出)。如果還原劑采用無水氨(即氨氣)，還原劑供應設備33包括氨儲存罐、稀釋裝置、空氣吹掃裝置、計量分配裝置和還原劑噴射器，各裝置通過管道和調節閥與還原劑噴射器相連(圖1中未示出)。上述還原劑噴射器可以為噴槍及噴嘴。
為了進一步簡化反應器31和煙道20的連接方式，優選如圖1所示，上述煙道20包括第一煙道段和第二煙道段，第一煙道段的一端與三廢爐10相連，另一端與反應物入口相連；第二煙道段的一端與產物出口相連，另一端與煙氣后處理單元40相連，更優選反應器31與第一煙道段和第二煙道段法蘭連接。
為了保證煙氣在煙道20和反應器31銜接處流動的流暢性進而保證煙氣和還原劑的混合，優選上述反應器31為U形反應器，該U形反應器包括入口段、U形主體和出口段，反應物入口和連接口設置在入口段上；U形主體一端與入口段的一端相連，混合器32設置在U形主體的靠近反應物入口的一側設置；出口段產物出口設置在出口段上。在入口段通過連接口即引入還原劑，使得還原劑和煙氣一起流動；然后在U形主體中設置的混合器32將二者充分混合后即進行還原反應，即保證了二者的利用率以及混合效果又保證了還原效果。
為了便于安裝，優選上述入口段和出口段均為以與煙道20的軸線平行的方式連接的直管段。當然，將入口段和出口段與U形主體連接處設置為具有倒角的結構也是可行的。
上述煙氣后處理單元40可以包括煙氣除塵裝置，煙氣除塵裝置與煙道20相連。當然還可以包括其他常規的裝置，在此不再贅述。
在本申請另一種典型的實施方式中，提供了一種煙氣脫硝方法，該脫硝方法包括將三廢爐燃燒產生的煙氣進行SNCR處理，得到脫硝煙氣，其中，控制進行SNCR處理時煙氣的流動速率低于在進行SNCR處理前的流動速率。
目前現有技術中SNCR處理過程中煙氣的流動速率與SNCR處理前的煙氣流動速率相同，而本申請通過控制進行SNCR處理時煙氣的流動速率低于在進行SNCR處理前的流動速率，使得煙氣在SNCR處理中參與反應時間相對于改進前延長了，即可以改善煙氣和還原劑的混合反應效果以提高脫硝率。
利用對煙氣的流動速率的控制來延長SNCR處理的時間，優選將控制SNCR處理中的還原時間為1.5～2s，相對于現有技術中SNCR處理中的0.3～0.4s的還原時間，本申請的1.5～2s的還原時間有了明顯延長，因此能夠明顯提高脫硝率。其中，上述還原過程中煙氣中氮氧化物的濃度和還原劑的用量可以參考現有技術，為了更好地適應本申請的還原時間，優選上述煙氣中氮氧化物的濃度為2000～3000mg/Nm3，SNCR處理中所用的還原劑的用量可以參考現有技術的規定來選擇，在此不再贅述。
在本申請的SNCR處理中，還原劑的具體使用物質可以參考現有技術，在一種優選的實施例中，上述SNCR處理中所用的還原劑為質量濃度為5％～10％尿素溶液或氨水溶液，還原劑參與還原的流速為40～60m/s。
當還原劑為尿素溶液時，還原過程中的化學反應如下：
尿素分解：
CO(NH2)2+H2O→2NH3+CO2
NH3和氮氧化物發生反應：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
8NH3+6NO2→7N2+12H2O
在本申請另一種優選的實施例中，上述SNCR處理中所用的還原劑為氨氣，還原劑參與還原的流速為60～100m/s。上述兩種還原劑都能實現較好的還原效果，另外，針對不同的還原劑種類，設定不同的還原劑參與還原的流速，使得還原劑的還原效果更好。
當還原劑為氨時，還原過程中的化學反應如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O
8NH3+6NO2→7N2+12H2O
另外，在保證還原效果的前提下，提高脫硝效率，優選上述煙氣在進行SNCR處理前的流動速率為5～15m/s。另外，為了保證還原時煙氣的溫度，優選在進行SNCR處理前，煙氣的溫度為800～1050℃。
進一步地，為了提高煙氣和還原劑的混合效果，優選上述SNCR處理中采用靜態混合器將還原劑和煙氣進行混合。
在完成脫硝處理后，還可以對脫硝處理后的煙氣進行脫硫或除塵處理。其中，具體條件可以參考現有技術，在此不再贅述。
以下將結合實施例和對比例，進一步說明本申請的有益效果。
實施例1
利用圖1所示的三廢爐10燃燒系統進行煙氣的脫硝處理，煙氣從三廢爐10煙氣出口排出進入三廢爐10后的煙道20，位于u形反應器入口段上的還原劑噴射裝置向煙氣注入還原劑，還原劑與煙氣初步混合后通過星形混合器達到完全混合狀態后進入u形反應器的U形主體。煙氣進入u形反應器后，由于橫截面積變大，使得煙氣的流速降低。此時煙氣溫度也處于適合脫硝還原反應的溫度窗口，氮氧化物和還原劑產生的NH3發生反應產生水和氮氣等無污染產物。隨后脫硝后的煙氣進入組合式除塵器進行隨后的除塵步驟。
上述反應器31橫截面積為煙道20橫截面積的4倍，SNCR處理中的還原時間為1.8s，上述還原劑為氨氣，還原劑噴嘴出口流速要在約80m/s，還原劑的攝入量按照NSCR還原技術規定根據鍋爐的負荷，氮氧化物濃度的波動進行調整。由三廢爐10流出的煙氣流速要保持在10m/s，溫度要保持在800～1050℃之間。
實施例2
與實施例1不同之處在于，上述反應器31橫截面積為煙道20橫截面積的5倍，SNCR處理中的還原時間約為2s，上述還原劑為氨氣，還原劑噴嘴出口流速要在約60m/s，還原劑的攝入量按照NSCR還原技術規定根據鍋爐的負荷，氮氧化物濃度的波動進行調整。由三廢爐10流出的煙氣流速要保持在15m/s，溫度要保持在800～1050℃之間。
實施例3
與實施例1不同之處在于，上述反應器31橫截面積為煙道20橫截面積的2倍，SNCR處理中的還原時間為1.5s，上述還原劑為氨氣，還原劑噴嘴出口流速要在約100m/s，還原劑的攝入量按照NSCR還原技術規定根據鍋爐的負荷，氮氧化物濃度的波動進行調整。由三廢爐10流出的煙氣流速要保持在5m/s，溫度要保持在800～1050℃之間。
實施例4
與實施例1不同之處在于，上述反應器31橫截面積為煙道20橫截面積的4倍，SNCR處理中的還原時間為2s，上述還原劑為濃度為5％的尿素溶液，還原劑噴嘴出口流速要在約60m/s，還原劑的攝入量按照NSCR還原技術規定根據鍋爐的負荷，氮氧化物濃度的波動進行調整。由三廢爐10流出的煙氣流速要保持在10m/s，溫度要保持在800～1050℃之間。
實施例5
與實施例1不同之處在于，上述反應器31橫截面積為煙道20橫截面積的5倍，SNCR處理中的還原時間為2s，上述還原劑為濃度為10％的氨水，還原劑噴嘴出口流速要在約60m/s，還原劑的攝入量按照NSCR還原技術規定根據鍋爐的負荷，氮氧化物濃度的波動進行調整。由三廢爐10流出的煙氣流速要保持在15m/s，溫度要保持在800～1050℃之間。
實施例6
與實施例1不同之處在于，上述反應器31橫截面積為煙道20橫截面積的1.5倍，SNCR處理中的還原時間為1.2s，上述還原劑為濃度為10％的氨水，還原劑噴嘴出口流速要在約50m/s，還原劑的攝入量按照NSCR還原技術規定根據鍋爐的負荷，氮氧化物濃度的波動進行調整。由三廢爐10流出的煙氣流速要保持在10m/s，溫度要保持在800～1100℃之間。
對比例1
將圖1所示的三廢爐燃燒系統中的反應器替換為與和其相連的煙道直徑相同的圓柱形反應器(即本申請改進之前的結構)，進行煙氣的脫硝處理，煙氣從三廢爐煙氣出口排出進入三廢爐后的煙道，反應器入口段上的還原劑噴射裝置向煙氣注入還原劑，還原劑與煙氣初步混合后通過星形混合器達到完全混合狀態后進入u形反應器的U形主體。煙氣進入u形反應器后，氮氧化物和還原劑產生的NH3發生反應產生水和氮氣等無污染產物。隨后脫硝后的煙氣進入組合式除塵器進行隨后的除塵步驟。
SNCR處理中的還原時間為0.4s，上述還原劑為氨氣，還原劑噴嘴出口流速要在約60m/s，還原劑的攝入量按照NSCR還原技術規定根據鍋爐的負荷，氮氧化物濃度的波動進行調整。由三廢爐流出的煙氣流速要保持在10m/s，溫度要保持在800～1050℃之間。
對比例2
三廢爐燃燒系統的結構與對比例1相同，SNCR處理中的還原時間為0.3s，上述還原劑為濃度為5％的尿素溶液，還原劑噴嘴出口流速要在約60m/s，還原劑的攝入量按照NSCR還原技術規定根據鍋爐的負荷，氮氧化物濃度的波動進行調整。由三廢爐流出的煙氣流速要保持在10m/s，溫度要保持在800～1050℃之間。
對比例3
三廢爐燃燒系統的結構與對比例1相同，SNCR處理中的還原時間為0.5s，上述還原劑為濃度為10％的氨水，還原劑噴嘴出口流速要在約60m/s，還原劑的攝入量按照NSCR還原技術規定根據鍋爐的負荷，氮氧化物濃度的波動進行調整。由三廢爐流出的煙氣流速要保持在15m/s，溫度要保持在800～1050℃之間。
對實施例1至6和對比例1至3的脫硝后的煙氣進行檢測，檢測方法為紅外法或定電位電解法，檢測結果見表1。
表1
經過表1中實施例1和對比例1，實施例4和對比例2以及實施例5和對比例3的對比可以發現，采用本發明相對于以前設施可以提升脫硝率至75％以上。同時，本申請是針對原有的三廢爐燃燒系統進行的改進，因此可以達到投資小，改造方便的目的。
從以上的描述中，可以看出，本發明上述的實施例實現了如下技術效果：
本申請通過對SNCR裝置的反應器進行改進，使其沿煙氣流動方向的反應器截面積大于煙道的煙道截面積，那么將其設置在煙道上時由煙道輸送來的煙氣進入截面積較大的反應器時流速變慢，進而使得煙氣在SNCR裝置的反應器中的反應時間相對于改進前在煙道中的反應時間延長了，即可以改善煙氣和還原劑的混合反應效果以提高脫硝率。
上述改造在現有技術中已有結構上進行，因此對設備的改造較小，施工簡單，投資較低，適用于大規模的工業應用。
目前現有技術中SNCR處理過程中煙氣的流動速率與SNCR處理前的煙氣流動速率相同，而本申請通過控制進行SNCR處理時煙氣的流動速率低于在進行SNCR處理前的流動速率，使得煙氣在SNCR處理中參與反應時間相對于改進前延長了，即可以改善煙氣和還原劑的混合反應效果以提高脫硝率。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。