专利名称：还原烟道气中氮氧化物的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃烧系统例如锅炉、熔炉、焚烧炉和其它大型燃烧系统(在此统称为“锅炉”)的氮氧化物(NOx)排放控制。更具体而言，本发明涉及通过选择性地将氮氧化物还原为分子氮来减少NOx排放。
背景技术：
采用过燃空气(overfire air)(OFA)技术来消除或至少大大减少来自锅炉的烟气的排放。OFA将燃烧空气分级，使得大部分空气流入锅炉的初级燃烧室，并且一部分燃烧气转入火焰下游的完全燃烧区。OFA空气促进烟尘粒子和烟尘粒子前体的燃烧。
由燃烧产生的其它类型的空气污染物包括氮氧化物，主要是NO和NO2。因为其毒性和其作为酸雨以及光化学成雾过程的前体的作用，氮氧化物(NOx)成为越来越受关注的对象。长期需要节约成本的技术来减少锅炉产生的NOx排放。
一种传统的NOx还原技术是选择性非催化还原法(SNCR)，该技术是在引起非催化反应从而选择性地将NOx还原为分子氮的条件下将氮剂注入烟道气。NOx还原是选择性的，因为烟道气中大量的分子氧并不被还原。在SNCR中，将一种含氮试剂例如HN3、尿素或胺化合物，在能使NH2和NH基团与NO反应将其还原为分子氮的最佳温度下注入烟道气流中。这种反应的最佳温度集中在大约1800°F。在基本上更高的温度下，该试剂能够被氧化为NO。在基本上更低的温度下，该试剂可能在不发生反应的情况下通过烟道气，导致氨逃逸。使用SNCR方法还原NOx的最佳温度范围较窄，一般为大约1600°F至大约2000°F，在此“大约”是指正负25度的温度差异。
烟道气温度达到了2000°F以上，但是当其流过锅炉时会冷却下来。为使烟道气在释放氮剂之前冷却，已经开发了将大的试剂液滴或颗粒分别注入烟道气的方案，例如随着过燃空气一起注入。设定大液滴和颗粒的尺寸以在烟道气冷却之后释放氮剂。参见美国专利No.6280695。大液滴延迟烟道气流中试剂的释放直到烟道气的整体温度冷却至大约1600°F至2000°F的温度段。
发明内容
在一个实施方式里，本发明提供了一种通过将还原剂注入气流之中，同时使氨逃逸最小化的去除氮氧化物的方法。在第一实施方式里，本发明是一种减少燃烧烟道气中氮氧化物浓度的方法，包括以下步骤在燃烧区形成燃烧烟道气；在完全燃烧区内提供过燃空气和选择性还原剂的溶液滴或气体，该液滴具有小的平均尺寸以促进氮氧化物的快速还原；在高于烟道气中氮氧化物还原的最佳温度范围的温度下，将在完全燃烧区中的过燃空气和选择性还原剂与燃烧烟道气混合；当燃烧烟道气将过燃空气和选择性还原剂加热至最佳温度范围时，由还原剂将氮氧化物还原，并且由烟道气继续将过燃空气和选择性还原剂的温度升高至超出最佳温度范围。
本发明也可以作为减少燃烧烟道气中氮氧化物浓度的方法，包括在燃烧区形成燃烧烟道气，该燃烧烟道气包括氮氧化物；在完全燃烧区提供过燃空气和选择性还原剂的水溶液滴或气体，液滴或气体具有小于50微米的初始平均尺寸；以及使燃烧烟道气同完全燃烧区中的过燃空气和选择性还原剂接触以降低那里的氮氧化物的浓度。
本发明可以进一步作为一种用于燃烧的燃烧设备，包括限定了封闭的烟道气通路的锅炉，其具有燃烧区和完全燃烧区，包含氮氧化物的燃烧烟道气形成于燃烧区中；燃料注射器与燃烧区相连并将燃料引入其中，燃烧气注射器与燃烧区相连并将空气引入其中；过燃空气系统与包含过燃空气孔的完全燃烧区相邻，该孔与完全燃烧区相邻并且过燃空气通过该孔流入完全燃烧区；一个氮剂注射器，其具有与过燃空气系统相邻的出口，并且将氮剂气体或小液滴注入所述过燃空气，在此所述的小液滴具有不大于50微米的平均直径。
附图1是一个在过燃空气口内有氮剂注射器的燃烧系统的侧视示意图。
附图2是燃烧烟道气温度相对于时间的图表。
附图3至6是表示以不同化学计量比和不同烟道气温度注入的气态氮剂(NH3)对NOx排放量产生的影响的图表。
附图7是计算机对在各种氮剂液滴尺寸、烟道气温度和其他锅炉操作参数影响下NOx排放减少量的预测表。
附图8是计算机对在各种氮剂液滴尺寸和烟道气温度影响下NOx排放减少量的预测图表。
具体实施例方式
气态的或小液滴的(直径小于50微米)含氮试剂(“氮剂”)随着分级的燃烧空气例如OFA空气，引入初级燃烧区的下游，以还原锅炉烟道气中的NOx。在分级燃烧中，将完全燃烧所需的部分空气(过燃空气)被注入初级燃烧过程的下游，例如初级燃烧过程的烟道气产物已经冷却至大约2400°F至2600°F之处。将气态形式的或溶液中小液滴(小于约50微米)形式的氮剂与分级空气一起引入非常热的烟道气中。分级燃烧空气和氮剂被迅速地加热到2000°F以上的烟道气温度。
已经令人惊奇地发现，通过将气态的或者小液滴的氮剂释放入OFA注射器的区域或其附近区域，能够用SNCR法实现NOx还原，尽管在该区域中烟道气整体温度相对于最优化的SNCR法而言过高。将气态氨或例如平均直径小于50微米的小液滴氮剂在与OFA空气和包含NOx的烟道气的混合物进行混合之前或同时注入OFA系统。氮剂气体或小液滴提供氮剂的快速释放，例如在少于0.1至0.3秒的时间内。在温度相对较低的氮剂和过燃空气混合物被烟道气加热经过对于SNCR法最佳的温度范围并升到更高的温度时，发生氮剂释放。氮可能只有在短暂的一段时间例如0.1至0.3秒内处于最佳温度范围。通过以气体或小液滴引入氮剂，试剂可在处于最佳温度范围的短暂时间内快速释放出来。快速释放保证了氮剂在处于最优温度范围内时与烟道气中的NOx接触。此外，释放发生在过燃空气注射器出口附近，在此处过燃空气喷射流和烟道气流之间发生剧烈的混合。
优选地，调节试剂的液滴尺寸以使烟道气和OFA中的平均液滴寿命约等于其处于最佳温度范围的时间和/或过燃空气与燃烧烟道气相混合的时间。一般而言，注入过燃空气中的液滴的适宜初始平均尺寸为直径约小于50微米。优选的液滴尺寸是液滴注入过燃空气中时的尺寸，例如，液滴在蒸发之前的尺寸。优选地，平均液滴寿命小于约十分之一(0.1)至0.3秒。
附图1是一个燃烧系统10的示意图，该系统例如用于燃煤锅炉并改造以适用于本发明的方法。燃烧系统10包括燃烧区12，再烧区14和完全燃烧区16。燃烧区12装有至少一个，优选多个，主燃烧器18，该主燃烧器经由燃料输入口20供给煤炭之类的主燃料，并经由空气输入口22供给空气。主燃料在燃烧区12燃烧形成燃烧烟道气24，该烟道气以“下游方向”从燃烧区流入完全燃烧区16。
若没有再烧区，那么将所有的热源例如煤炭穿过主燃烧器18注入燃烧区。当一个再烧区14处于该燃烧系统之中时，通常总输入热量的70％～95％通过主燃烧器18提供，而剩余的5％～30％的热量由通过再烧燃料输入口26注射的再烧燃料例如天然气，煤炭或石油提供。在燃烧和再烧区下游，通过一个过燃空气输入口30将过燃空气(OFA)28注入OFA完全燃烧区16。在完全燃烧区下游，燃烧烟道气24通过一系列热交换器32和一个将例如飞尘之类的固体颗粒从烟道气中除去的微粒控制设备(未示出)，例如静电集尘器(ESP)或袋滤除尘器。
燃烧烟道气24是在任何一种常规燃烧系统中通过燃烧例如煤炭之类的常规燃料而形成的。通过将过燃空气28注入燃烧系统下游即以燃烧烟道气从燃烧区流动的方向形成完全燃烧区16。作为一种减少NOx排放的手段，可改造包括用于氧化可燃性燃料的燃烧区以及完全燃烧区的燃烧设备以接收氮还原剂和过燃空气的混合物。例如，燃烧和完全燃烧区可在发电站、锅炉、熔炉、磁流体(MHD)燃烧室、焚化炉、发动机、或其它燃烧设备之内来提供。
在过燃空气28注入完全燃烧区16之前或同时将选择性还原剂(氮剂或N-剂)34注入过燃空气之中。氮剂可通过中心喷嘴36或其它注射系统例如与烟道气流连接的OFA入口端30，注入OFA气流的中心。OFA端口30可以包括位于锅炉角落的端口，这种情形下端口处于锅炉内相同高度上。喷嘴36可以在OFA入口处，或者在入口端足够上游的位置并且正好在OFA同烟道气混合之前将氮剂注入烟道气流。可通过使用通常用于产生小液滴的常规注射系统将选择性还原剂的水溶液注入OFA空气。可用气-液注射器例如各种喷雾器来注射氮剂。合适的喷雾器包括用空气或蒸气流作为雾化介质的双流体喷雾器，以及设计适当的压力喷雾器。
氮剂注射系统36能够提供可调节平均尺寸的液滴。液滴的初始平均尺寸分布可能基本上是单分散的，例如低于约10％的液滴其尺寸(即直径)约小于平均液滴尺寸的一半，而低于10％的雾滴其尺寸约大于平均液滴尺寸的1.5倍。通过选择雾滴尺寸，使液滴具有最佳的从氮剂上蒸发的时间，能确定注入OFA中的液滴平均尺寸。
术语氮氧化物和NOx是通用的，均指代化合物种类一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。其它氮氧化物也是已知的，例如N2O，N2O3，N2O4和N2O5，但是这些物类从固定燃烧源的排出并不显著(除了一些燃烧系统中的N2O)。通常用术语氮氧化物(NOx)涵盖所有的二元N-O化合物，然而，NOx也特指NO和NO2。
术语选择性还原剂和氮剂是通用的，均指代在燃烧系统中能够在有氧情况下选择性还原NOx的化学种类中的任何一种。一般而言，合适的选择性还原剂包括尿素、氨、氰尿酸、肼、乙醇胺，缩二脲、二缩三脲、氰尿酰胺、有机酸铵盐、无机酸铵盐及其类似物。具体的铵盐还原剂包括硫酸铵、硫酸氢铵、亚硫酸氢铵、甲酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵及类似物。也可使用这些选择性还原剂的混合物。选择性还原剂可以溶液形式，优选水溶液，或以气体形式提供。一个优选的选择性还原剂是尿素水溶液。
将气态或小液滴SNCR注射系统与过燃空气注射系统定位在一起通常是便利的并且避免在锅炉或熔炉中的初级燃烧区形成狭窄而又高温的空间。用过燃空气来引入氮剂使得氮剂溶液气体和/或液滴被注入包含NOx的烟道气，然后被迅速加热至对SNCR法还原NOx合适的温度，而没有由于在锅炉、熔炉或其它燃烧系统的高温区域安装注射系统带来的开支和停工期。
过燃空气中选择性还原剂的量和被处理的烟道气中NOx的量的化学计量比为约0.4至约10，优选约0.7至约3。化学计量比是选择性还原剂中氮原子的摩尔数与NOx中氮原子的摩尔数之比。
可以将选择性还原剂以水溶液的最佳液滴形式，或以气体形式在过燃空气注射到再烧区之前或其同时注入过燃空气，或者两者均可。也可以将氮剂溶液或气体注射到无再烧过程燃烧系统的OFA中。氮剂水溶液可包括任何合适浓度的选择性还原剂，例如从约5重量％至约90重量％。尿素的优选浓度范围是大约10重量％至约50重量％。
氮剂可与OFA一起注入，而不需要在此之前将再烧燃料注入烟道气。而且，氮剂可与循环烟道气一起注入，该烟道气可起到与OFA相同的作用。例如，富集了氧或空气的循环烟道气可通过相同或单独的注射器与氮剂一起注入。
附图2是一个图表50，表示氮剂在OFA和烟道气中相对于气体温度的停留时间。如小于50微米的氮剂液滴的平均OFA温度曲线52所示，氮剂和OFA空气的混合物在其从OFA端口30进入烟道气大约0.4秒内温度从约600°F上升至2500°F。当过燃空气，氮剂和烟道气混合时，氮剂被加热穿过SNCR法的最佳温度范围54，例如1600°F至2000°F。这一温度范围很短，例如大约0.1或0.2秒。
在这一短暂的SNCR法中最佳温度范围54中，气态的或小直径的氮剂将烟道气中的NOx大量还原。若OFA和烟道气在氮剂被加热穿越该最佳温度范围的同时剧烈混合，则会进一步促进NOx的还原。一般在过燃空气从OFA入口30进入烟道气时发生剧烈混合以及快速的OFA加热。因此，在过燃空气进入并与烟道气混合的地方发生由SNCR引起的NOx还原。而且，通过喷嘴36将氮剂注入到OFA入口处或其附近和/或对准过燃空气流的中央，似乎会促进烟道气中NOx的还原。屏蔽氮剂的OFA空气最开始和所有残留的一氧化碳(CO)发生反应，否则该一氧化碳可能干扰SNCR化学处理。
氮剂和OFA被由烟道气(见曲线55)迅速加热至超出最佳SNCR范围54的温度。当OFA和所有剩余氮剂被加热至对最佳SNCR而言过高的2500°F烟道气温度时(见OFA曲线52与烟道气曲线55的结合处)，烟道气中大量的NOx已经被还原。当烟道气55冷却至2000°F及以下时，其已经流出例如锅炉的燃烧系统的前端部(nose plane)56，并且到达过饱和汽(SSH)单元58和接收流出锅炉的烟道气的流体再热(RH)单元60。
在1.0MMBTU/hr锅炉模拟器(BSF)中进行气态氨注入过燃空气对NOx的性能的测试，该模拟器对于全尺度锅炉中的烟道气温度和组成提供了一个准确的小规模模拟。该BSF记载在美国专利No.6280695中。在这些试验中，BSF燃烧天然气。一个特殊结构的过燃空气注射器在一特定烟道气温度处安置。该注射器包括一个ID为1.875英寸的轴向输氮管，其被一个内径(ID)为0.25英寸的环形过燃空气管围绕。将氨加至氮载体或过燃空气流，用于减少NOx排放。该注射器对准BSF中心线并且指向下方(即与烟道气流同向)。
测试中初级燃烧化学计量比(SR1)为1.0和1.05。注入足够的OFA以维持最终SR(SR3)恒定在1.20，该比值对应于烟道气中有约3％的过量氧。将这些条件定义为基线。处于分别等于1.0和1.05的SR1与0％的O2的基线条件下，该BSF锅炉系统产生出185ppm和205ppm的初始NOx含量，SR1是初级燃烧区12中化学计量的空气与燃料的比率；SR2是再烧区14中的相同比率；SR3是完全燃烧区16中的化学计量比率。OFA在2450°F和2350°F的烟道气温度处注入。气态氨以浓度比(NSR)为1.5注入。浓度比(NSR)是氨和NOx中氮原子的摩尔比。
示于图表3至6中的载体NH3和OFANH3NOx的排放量基线涉及在相似条件下在BSF中所进行的试验，不同之处在于基线条涉及没有氮剂情况下所进行的试验；载体NH3条涉及氮剂气体(NH3)伴随着作为载体的氮气沿着中心管注射器的注入，该注射器在氮剂和过燃空气氮气都进入烟道气时将试剂排入过燃空气的中央，而OFANH3条涉及在氮剂气体和过燃空气同烟道气混合之前将氮剂随过燃空气注入。
附图3-6表示气态氨通过OFA端口注射对NOx排放产生的影响。SR1等于1.0时的基线NOx浓度低于SR1等于1.05时的，如对比附图3所示的在SR1＝1.0时所得的试验数据条形图表与附图4所示的在SR1＝1.05时所得的试验数据条形图表的对比所示。附图5和6也给出了相似的比较。试验结果表明将气态氨(NH3)注入OFA引起20％至45％的NOx减少，取决于在过燃空气注射点的烟道气温度和主燃烧器的化学计量比(SR1)。当过燃空气在较低烟道气温度时注入，可获得更好的结果。用氮气作为载体通过OFA端口中心注射NH3，相对于在OFA气流同烟道气混合之前将氨(NH3)注入过燃空气而言，可得到略好一些的NOx减少(reduction)。
进行计算机流体力学(CFD)分析来预测SNCR效果。CFD模型对连续性，动量，能量以及物料的传递方程进行求解。采用恰当的模型对湍流，辐射，分散相轨迹和燃烧进行求解。对于该CFD研究，在不同操作条件下将氮剂注入过燃空气注射器，从而对一个160MW的切向燃烧锅炉进行估算。在模拟氮剂注射过程之前，用基线值的现场试验数据和来自用于全负荷工况的内部热量模型的平均温度分布对CFD模型进行验证。进入模型注射区域的烟道气流分布图是基于物理流动模拟试验结果而得的分布图。
CFD模型在各种操作条件下运行以研究试剂液滴尺寸、OFA注射器正下方的气体温度所反映的燃烧速率、OFA注射器下方的CO浓度、和试剂氮原子与基线NOx氮原子(NSR)的化学计量比对SNCR法中NOx消减效果的影响。在此，NOx消减是指超过单纯的过燃空气工况下的NOx减少量。
附图7和8表示由CFD模型在不同锅炉工况下预测出的NOx消减(排放减少)效果。对于OFA注射端口的烟道气温度低于约2500°F以及CO浓度为零的情况，NOx还原过程最为有效。对于烟道气温度(在OFA端口)低于2500°F以及CO浓度为200ppmv及其以下，随着氮剂液滴尺寸降低，NOx消减量增加(其中发生NOx排放减少)，意味着氮剂在烟道气/OFA混合区(例如完全燃烧区16)的OFA注射器附近的释放在还原NOx中是有效的。
小规模的试验结果和CFD结果都表明相对于尺寸大于约50微米的液滴，将小液滴(具有小于约50到60微米的平均直径)注入过燃空气使得试剂可以在改进NOx消减的烟道气/过燃空气混合前沿释放出来，从而提高了NOx消减量。
尽管本发明是结合目前认为最实际和最优选的实施例来描述的，但是应该理解本发明并不局限于所公开的实施方式，相反，本发明试图涵盖包括在所附的权利要求的思想和范围内的各种变更和等效组合。
对附图标记的说明
权利要求
1.一种降低燃烧烟道气(24)中氮氧化物浓度的方法，包括a在燃烧区(12)形成燃烧烟道气，该燃烧烟道气包含氮氧化物；b在完全燃烧区(16)中提供过燃空气(28)和一种选择性还原剂(34)的溶液液滴、颗粒或气体，该液滴或颗粒具有小的平均尺寸以促进氮氧化物的快速还原；c在高于对氮氧化物还原最佳的温度范围下，在完全燃烧区中将过燃空气和选择性还原剂与燃烧烟道气混合(34)；d当燃烧烟道气将过燃空气和选择性还原剂加热至最佳温度范围(54)时，用还原剂将氮氧化物还原，并且e继续用烟道气使过燃空气和选择性还原剂的温度上升至超出该最佳温度范围。
2.如权利要求1所述的方法，其中在步骤(d)中的最佳温度范围(54)出现在少于0.3秒的短暂时间内，并且氮氧化物的还原反应在这一短暂的时间内发生。
3.如权利要求1所述的方法，其中小液滴和颗粒(34)的小平均尺寸不超过60微米。
4.如权利要求1所述的方法，其中小液滴和颗粒(34)的小平均尺寸不超过50微米。
5.如权利要求1所述的方法，其中过燃空气和选择性还原剂与燃烧烟道气混合的步骤在烟道气处于约2500°F至约2000°F的温度范围时发生，并且最佳温度范围是约1600°F至约2000°F。
6.如权利要求1所述的方法，其中提供过燃空气(28)和选择性还原剂(34)的步骤包括在将过燃空气注入完全燃烧区的燃烧烟道气的同时，将选择性还原剂加入过燃空气。
7.如权利要求1所述的方法，其中提供过燃空气(28)和选择性还原剂(34)的步骤包括在将过燃空气注入完全燃烧区之前，将选择性还原剂加入过燃空气。
8.如权利要求1所述的方法，其中将选择性还原剂注入(36)过燃空气流(30)的中心部位。
9.如权利要求1所述的方法，其中将选择性还原剂(34)注入(36)过燃空气流的上部。
10.如权利要求1所述的方法，其中当烟道气的平均温度高于2000°F并且烟道气、过燃空气和还原剂的混合物处于约1600°F至约2000°F的平均温度时，选择性还原剂(34)将氮氧化物还原。
全文摘要
公开了一种减少燃烧烟道气(24)中氮氧化物浓度的方法，其中将气态形式的、小颗粒的或者水溶液小液滴形式的氮还原剂(34)与过燃空气(28)一起以同初级燃烧产物及过燃空气混合的方式引入。在穿过温度范围(54)时氮剂将NOx还原，当过燃空气和烟道气的混合时该温度范围对NOx还原最佳。这种从低至高的温度转变有效地消除了氨逃逸。此外，氮剂可和过燃空气流以能最优化的屏蔽氮剂使其避免与初级燃烧产物过早混合的方式混合，在此一部分过燃空气同所有残留的一氧化碳(CO)发生初始反应，否则该CO可能会干扰NOx还原化学处理过程。
文档编号F23L9/04GK1651127SQ20041010230
公开日2005年8月10日 申请日期2004年11月12日 优先权日2003年11月13日
发明者R·佩恩, W·周, V·V·利西安斯基, V·M·扎曼斯基, L·W·斯万森 申请人:通用电气公司