氨喷射系统的制作方法

专利名称：氨喷射系统的制作方法
技术领域：
本文公开的主题涉及氨喷射系统。
背景技术：
诸如碳氢化合物燃料的燃料的燃烧产生各种排放产物。例如，压缩点燃式发动 机(例如，柴油发动机)、火花点燃式内燃发动机和燃气涡轮发动机典型地排放二氧化碳 (CO2)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、微粒物质和/或一氧化碳(CO)。此外，特定排放产 物的量和/或浓度可能受规章的限制。因此，特定系统包括构造成将排放产物的排放降至 规定水平的排放处理设施。不幸的是，这些系统为各种构造成降低排放的构件消耗了相当 多的空间。此外，各构件典型地消耗能量。因此，各种构件的空间和能量消耗增加了设施的 成本和复杂性。

发明内容
以下概述了范围与原始主张权利的发明相称的特定实施例。这些实施例并非旨在 限制主张权利的发明的范围，相反，这些实施例仅旨在提供本发明的可能形式的简要概述。 实际上，本发明可包含与以下阐述的实施例相似或不同的各种形式。在第一实施例中，一种系统包括氨喷射系统，该氨喷射系统包括构造成将氨喷射 到来自燃烧过程的排气中的氨喷射格栅(grid)。该氨喷射系统还包括与氨喷射格栅成流体 连通的氨混合罐。该氨喷射系统还包括与氨混合罐成流体连通的压缩机。压缩机构造成输 出空气流，该空气流具有使氨混合罐内的氨蒸发的温度和经由氨喷射格栅将蒸发的氨喷射 到排气中的压力。在第二实施例中，一种系统包括构造成向氨混合罐提供空气流的氨喷射格栅 (AIG)。该空气流的温度配置成使氨混合罐内的氨蒸发，而该空气流的压力配置成将蒸发的 氨喷射到燃烧反应的排气中。在第三实施例中，一种系统包括减排系统，该减排系统包括与催化剂混合罐成流 体连通的压缩机。该压缩机构造成输出空气流，该空气流配置成将催化剂从催化剂混合罐 输送至催化剂喷射格栅。空气流的温度仅由压缩机增加。


当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得 更好理解，全部附图中同样的符号代表同样的零件，其中图1是按照本技术的特定实施例的涡轮机系统的框图，该涡轮机系统包括由在压 缩机中加热和加压的空气驱动的氨喷射系统；图2是按照本技术的特定实施例如图1中所示的氨喷射系统的框图，该氨喷射系 统采用流量控制阀来调节压缩机输出；图3是图2的氨喷射系统的第一备选实施例的框图，该氨喷射系统采用进口压力控制阀来调节压缩机输出；以及 图4是图2的氨喷射系统的第二备选实施例的框图，该氨喷射系统采用马达控制 器来调节压缩机输出。部件列表
10涡轮机系统
12燃气涡轮发动机
14排放处理系统
16吸气区段
18压缩机
20燃烧器
22涡轮
24空气
26排气
28下游方向
30上游方向
32氨喷射格栅
33氨喷射系统
34氨混合罐
35氨储存罐
36压缩机
37泵
38空气
40选择性催化还原系统
42排气管
44流动方向
46已处理的排气流
48连续排放监视系统
50电马达
52流量控制阀
54控制器
56进口压力控制阀
具体实施例方式
下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明描述， 说明书中可能不描述实际实施方案的所有特征。应当理解的是，在任何此类实际实施方案 的开发过程中，与任何工程或设计方案一样，必须做出许多实施方案特定的决定以实现开 发者的既定目标，例如遵循可能因实施方案而异的系统相关和商业相关的约束。此外，应当 理解的是，此类开发努力可能是复杂和耗时的，但对于受益于本公开内容的普通技术人员 来说却是一项日常的设计、制作和制造工作。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，用词“一 ”、“ 一个”、“该，，和“所述，，意指存
在一个或多个该元件。用语“包含”、“包括”和“具有”意图是包括性的并意味着可存在有 别于所列元件的另外的元件。在特定的基于燃烧的系统如燃气涡轮系统中，采用氨喷射系统来将氨蒸气喷射到 排气中，从而降低NOx的排放。不幸的是，操作此类氨喷射系统由于用来将氨输送至排气的 动力而是昂贵的。例如，特定氨喷射系统包括构造成加压和加热空气的鼓风机和热交换器。 空气然后被发送到容纳由氨储存罐提供的氨的氨混合罐。热加压空气使氨蒸发并将它喷射 到排气中。该气流的温度和压力可特别地配置以形成足以将排放减至规定水平的氨流率。 用来操作鼓风机和热交换器以提供此类氨流率的能量显著增加了与操作燃气涡轮机系统 相关的成本。本公开内容的实施例可通过采用压缩机来既加热又加压将氨输送至排气的空气 而显著降低氨喷射系统的操作成本。可以理解，压缩机(即，单个单元)代替了鼓风机和热 交换器二者(即，两个独立单元)以降低设施的空间消耗和复杂性，同时还通过提供加压空 气而增加了性能。具体而言，氨喷射系统可包括构造成将氨喷射到来自燃烧过程(例如，燃 气涡轮发动机的操作)的排气中的氨喷射格栅。该氨喷射系统还可包括与氨喷射格栅成流 体连通的氨混合罐。此类构造可包括压缩机，该压缩机与氨混合罐流体连通并且配置成输 出气流，该气流具有配置成使氨混合罐内的氨蒸发的温度和配置成经由氨喷射格栅将蒸发 的氨喷射到排气中的压力。由于压缩机既加热又加压空气，所以可避免使用单独的热交换 器。此类构造可由于构件的减少而降低维护成本，并且充分减少或消除与将热交换器升至 操作温度相关的热滞。此外，该压缩机可提供比采用鼓风机的构造更高的空气压力。压力 更高的空气可有利于氨和排气以低于由鼓风机提供的空气的流率而有效混合。由于较低的 空气流率，可利用较少的能量来加热和加压空气，从而减少操作成本。现在来看附图，图1是包括燃气涡轮发动机12和排放处理系统14的示例性涡轮 机系统10的框图。在特定实施例中，涡轮机系统10可为动力发生系统。涡轮机系统10可 使用液体或气体燃料如天然气和/或富氢合成气体来运行涡轮机系统10。在进一步的实施 例中，排放处理系统14可与另一种发动机构造(例如，往复式柴油发动机)或其它排出排 气的燃烧设备(例如，燃烧器)联接。在本实施例中，燃气涡轮发动机12包括吸气区段16、压缩机18、燃烧器区段20和 涡轮22。涡轮22可经由轴以驱动方式联接到压缩机18上。在操作中，空气通过吸气区段 16 (由箭头24表示)进入涡轮发动机12并在压缩机18中被加压。压缩机18可包括联接 到轴上的多个压缩机叶片。轴的旋转引起压缩机叶片的旋转，从而将空气吸入压缩机18并 且在空气进入燃烧器区段20之前压缩空气。燃烧器区段20可包括一个或多个燃烧器。在一个实施例中，多个燃烧器可围绕轴 周向地定位成大致圆形或环形构造。当压缩空气离开压缩机18并进入燃烧器区段20时， 压缩空气可与燃料混合以便在燃烧器内燃烧。例如，燃烧器可包括一个或多个燃料喷嘴，该 燃料喷嘴可以适合最佳燃烧、排放、燃料消耗、动力输出等的比率将空燃混合物喷射到燃烧 器内。空气和燃料的燃烧可产生热加压排气，该热加压排气随后可被用来驱动涡轮22内的 一个或多个涡轮叶片。在操作中，流入和流经涡轮22的燃烧气体撞击涡轮叶片并在它们之 间流动，从而驱动涡轮叶片，并因此使轴旋转以驱动负载，例如动力装置中的发电机。如上所述，轴的旋转还引起压缩机18内的叶片吸入并加压由吸气区段16接收的空气。流经涡轮22的燃烧气体可作为沿大致下游方向28流动的排气流26离开涡轮22。 由于涡轮发动机12大致定位在排放处理系统14的上游(即，沿着上游方向30)，所以涡轮 发动机12沿下游方向28排出的排气26流入排放处理系统14。例如，涡轮22可流体地联 接到排放处理系统14上，并且特别是联接到催化剂喷射格栅上，比方说氨喷射系统33的氨 喷射格栅(AIG) 32或其它减排系统。如上所述，由于该燃烧过程，排气26可包括特定副产 品，比方说氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)和未燃烧的碳氢化合物。由于 特定规章要求，排放处理系统14可用来在将排气流释放到大气中之前充分降低此类副产 品的浓度。一种用于去除或减小排气流中NOx的量的技术是通过使用选择性催化还原(SCR) 处理。例如，在用于从排气流26去除NOx的SCR处理中，氨(NH3)经由氨喷射系统33喷射 到排气流中并与NOx反应以产生氮(N2)和水(H20)。氨喷射格栅32可构造成将氨(NH3) 喷射到排气流26中。在一个实施例中，氨喷射格栅32可包括具有用于将氨喷射到排气流 26中的孔口的管网。如以下详细论述，氨喷射系统33包括AIG 32、氨或其它催化剂混合罐34、氨或其 它催化剂储存罐35、泵37和压缩机36。来自氨储存罐35的氨通过氨泵37传输至氨混合 罐34。此外，空气如由箭头38所示进入其中它被压缩的压缩机36。如将会理解的，压缩空 气的过程既增加它的温度又增加它的压力。从压缩机36输出的空气流入容纳氨水的氨混 合罐34。来自压缩机36的热加压空气流使氨蒸发或气化，稀释蒸发的氨，并且将氨蒸气传 送至AIG 32。在本实施例中，压缩机36构造成输出空气流，该空气流具有在没有外部热源 的情况下足以使期望量的氨蒸发的温度的空气流。例如，从压缩机36输出的空气的温度可 大约介于300至600，350至550，400至500华氏度之间或约450华氏度。又例如，输出空 气流的温度可大于约300，350，400，450，500，550或600华氏度。高温空气与氨之间的相互 作用使氨气化并与空气流混合，从而形成氨蒸气和空气的稀释混合物。如将会理解的，由于 氨水蒸发的潜热，氨/空气混合物的温度将随着氨气化而降低。例如，离开氨混合罐34的 氨/空气混合物可大约介于200至300，225至275华氏度之间或约250华氏度。此类氨温 度范围可增强氨与排气之间的反应。相反，鼓风机仅可在大约150至250，175至225华氏 度之间或约200华氏度排出空气。因此，可采用单独的热交换器来使空气温度升高至足以 使氨蒸发并在理想温度范围向AIG 32提供氨/空气混合物的水平。在本实施例中，由于压 缩机能够单独形成期望的氨/空气混合物温度，所以可消除在采用鼓风机的构造中存在的 热交换器。因此，涡轮机系统维护成本可由于构件的减少而降低，并且可充分减少或消除与 使热交换器升温至理想温度相关的热滞。另外，压缩机36( S卩，单个构件)可利用比鼓风机 和热交换器(即，两个构件)更小的空间。另外，来自压缩机36的空气流的压力可高于从采用鼓风机的构造输出的压力。例 如，鼓风机可在大约介于15至25，16至22，17至19psi之间或约17psi的绝对压力提供空 气。相反，压缩机36配置成提供大约介于30至80，35至70，40至60psi或约45psi的输 出绝对空气压力。又例如，输出绝对空气压力可大于大约30，40，50，60，70或80psi。因此， 压缩机36提供至少比鼓风机大大约1. 5，2，2. 5，3，3. 5，4倍或更多倍的输出压力。如以下 详细论述，额外的压力可在AIG 32内形成良好混合的排气和氨的流，同时流动比采用鼓风
6机的实施方式更少的空气。例如，为了在AIG 32内形成良好混合的排气和氨的流，鼓风机 可提供大约介于每小时30，000至50，000，35，000至45，000，35，000至40，000磅之间或约 38，000磅的空气质量流率。相反，压缩机36可实现良好混合的流同时仅提供大约介于每 小时 15，000 至 25，000，17，000 至 23，000，19，000 至 21，000 磅之间或约 20，000 磅的空气 质量流率。因此，压缩机36可流动比鼓风机至少少大约1. 5,2,2. 5,3,3. 5，4或更多倍的空 气。压缩机36可利用由于通过压缩机36提供的增加的压力而更低的流率在AIG 32 内形成良好混合的氨和排气的流。如将会理解的，向排气提供压力更高的氨/空气混合物 与通过鼓风机提供的空气相关的更低的压力相比增加了混合效率。具体而言，对于特定的 AIG孔口尺寸而言，压力更高的流将以更大的速度离开孔口，从而增加排气与氨/空气混合 物之间的速度差。速度的差异可形成增强氨与排气之间的质量扩散的湍流。由于压缩机 36提供降低的空气质量流率，所以可利用较少的能量来压缩和加热空气(即，驱动压缩机 36)，从而降低氨喷射系统33的操作成本。另外，较高压力可提供氨和排气的增强的混合，从而降低足以将排放减至规定水 平的氨的量。例如，在特定构造中并且假设完全混合，可将每小时大约300磅的氨喷射到排 气中以符合与NOx的输出有关的规定。但是，采用鼓风机的实施方式由于氨与NOx之间低效 的质量扩散而不能实现完全混合。因此，可将额外的氨喷射到排气中以进行补偿。例如，可 将超过期望的每小时300磅的另外的5%，10%，15%，20%，25%或更多的氨与排气混合。 相反，由于与来自压缩机36的较高压力相关的增强的混合，本实施例可利用较少的氨(例 如，更接近理想量)来实现可接受的规定排气的输出。氨消耗的减少既可降低成本，又可减 少未反应的氨的排放。此外，来自压缩机36的压力较高的空气可避免使用采用低压鼓风机的实施方式 中存在的调节阀。具体而言，由于鼓风机所提供的低压空气，氨/空气混合物可能不会被均 勻地分配至AIG 32的每个孔口。因此，采用鼓风机的实施方式可利用调节阀来对AIG 32的 特定区域限制流量并且对其它区域增加流量。在此类实施方式中，操作员可通过这些调节 阀中的每一个来定期调节流量以保持贯穿AIG 32的均勻的氨/空气混合物分配。在本实施 例中，来自压缩机36的压力更高的空气流可用来在不使用调节阀的情况下均勻地向各AIG 孔口分配氨/空气混合物，从而降低制造和操作成本。在更下游处，SCR系统40可采用任何合适的几何形状实施，比方说蜂巢构造或板 构造。在SCR系统40内，氨实质上起到催化剂的作用并与排气流26中的NOx反应以产生 氮(N2)和水(H2O)，从而在经排气管42排放到大气中之前从排气26除去NOx，如由流动箭 头44所示。在一些实施例中，排气管42可包括消音器或消声器。借助于例子并且取决于 目前的规定标准，排放处理系统14可利用SCR系统40来将由参考标号46表示的已处理的 排气流中NOx的组分减至大约3ppm或更少。虽然本实施例大致集中在从排气流26处理和除去NOx上，但其它实施例可提供其 它燃烧副产品的去除，比方说一氧化碳或未燃烧的碳氢化合物。由此，所供应的催化剂可根 据从排气流26除去的组分而变化。另外，应当理解的是，本文公开的实施例并不局限于使 用一个SCR系统40，而是还可包括多个SCR系统40。更进一步地，系统10还可包括连续监 视离开排气管42的已处理的排气流46的成分的连续排放监视(CEM)系统48。如果CEM系统48检测到已处理的排气流46的组分不符合一个或多个规章要求，则CEM系统48可向适 当的监管机构(例如，环境保护局)提供通知，该监管机构可负责采用进一步行动，比方说 通知系统10的操作人员调节操作参数、进行维修或否则停止操作系统10直到可确定系统 10所产生的已处理的排气流46符合规章要求为止。在一些实施例中，CEM系统48还可执 行校正动作，比方说调节压缩机容量(即，空气压缩程度)、温度、流率等。图2是氨喷射系统33的框图，如图1中所示，该氨喷射系统33采用流量控制阀来 调节压缩机输出。如前文所述，压缩机36向氨混合罐34提供空气流，该空气流具有足以使 罐34内的氨蒸发的温度以及足以使蒸发的氨流至氨喷射格栅32的压力。本实施例可采用 任何合适的压缩机构造。例如，特定实施例可包括离心式压缩机、往复式压缩机、旋转式螺 杆压缩机、轴流式压缩机、涡卷式压缩机或其它压缩机构造。在本实施例中，压缩机35由电 马达50驱动而旋转。备选实施例可采用其它驱动单元，比方说气动马达、液压马达或燃烧 发动机。在本实施例中，压缩机36被驱动而以基本上恒定的速度旋转。可选择特定的速度 使得压缩机36产生用于氨蒸发的处于期望温度下的空气流。然而，压缩空气以实现期望温 度可导致大于期望压力的压力。因此，所示实施例包括设置在压缩机36与氨混合罐34之 间的流量控制阀52。流量控制阀52配置成将进入氨混合罐34的空气流量限制成足以使从 氨储存罐35传送的氨蒸发，使得适当的氨量被传输至AIG 32。适当的氨量取决于检测到的 排放量或设备负荷。例如，在涡轮排放较高(例如，较高的负荷、较高的感测到的排放、较高 的温度等)的时段，流量控制阀52可在更多的氨被供应至AIG 32时促进更大的流率。相 反，在涡轮排放较低(例如，较低的负荷、较低的感测到的排放、较低的温度等)的时段，流 量控制阀52可将流量限制成足够蒸发并适当加热向AIG 32提供的氨。如所图示的，流量控制阀52与配置成基于期望氨流率调节通过阀52的流率的控 制器54通信联接。由于压缩机36配置成提供比采用鼓风机的构造更高的压力，可在AIG 32中实现氨与排气之间增强的混合。增强的混合可减小喷射到AIG 32中的氨和/或空气 的量(即，质量流率)以将排放减至规定水平。氨的减少可降低操作成本并减少未反应的 氨的排放。同样，减少的空气流量与采用鼓风机和热交换器的实施方式中所利用的较高空 气流量相比可消耗更少的能量来进行加热和加压，从而进一步降低操作成本。图3是氨喷射系统33的第一备选实施例的框图，该氨喷射系统采用进口压力控制 阀56来调节压缩机输出。在本构造中，进口压力控制阀56设置在压缩机36的上游。在此 位置，外部空气流38在进入压缩机36之前经过阀56。通过调节经过进口压力控制阀56的 流量，压缩机36可在期望压力下将空气流排出至氨混合罐34。与前述实施例相似，控制器 54与阀56通信联接。控制器54配置成指示阀56在其中期望来自压缩机36的压力较高的 时段期间促进更高的流率进入压缩机36，而在其中期望压力较低的时段期间限制进入压缩 机36的流量。如前文所述，在涡轮排放较高的时段期间可采用较高的压力，而在涡轮排放 较低的时段期间可采用较低的压力。通过调节进入压缩机36的空气的流量，可实现用于将 氨供入AIG 32内的加热的空气的期望流率。图4是氨喷射系统33的第二备选实施例的框图，该氨喷射系统采用马达控制器54 来调节压缩机输出。在所示实施例中，通过调节压缩机36的转速来调节来自压缩机36的 压力。如前文所述，压缩机36联接到驱动单元上，比方说所示的电马达50。通过改变电马达50的速度，控制器54可控制压缩机36的容量(S卩，空气压缩程度)。例如，在特定构造 中，控制器54可为变频驱动器(VFD)并且马达50可为感应马达。在此类构造中，VFD有利 于马达转速的连续可变调节。例如，如果马达50为8极三相A/C感应马达并且供电的频率 为60Hz，则马达50可以900RPM( S卩，马达50的同步速度)旋转。VFD可改变供应至马达50 的电力的频率，使得马达50可以以不同的速度操作。改变马达50的速度改变了压缩机36 的转速，从而调节流入氨混合罐34的空气流的压力和温度。 此书面描述使用了包括最佳模式在内的实例来公开本发明，并且还使本领域的任 何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方 法。本发明可取得专利的范围通过权利要求来限定，并且可包括本领域技术人员所想到的 其它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它 们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它实例包含在 权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种系统(10)，包括氨喷射系统(33)，包括构造成将氨喷射到来自燃烧过程的排气(26)中的氨喷射格栅(32)；与所述氨喷射格栅(32)成流体连通的氨混合罐(34)；以及与所述氨混合罐(34)成流体连通的压缩机(36)，其中所述压缩机(36)构造成输出 空气流，所述空气流具有使所述氨混合罐(34)内的氨蒸发的温度和经由所述氨喷射格栅 (32)将蒸发的氨喷射到所述排气(26)中的压力。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，从所述压缩机(36)输出的所述空气 流的温度为至少大约300华氏度。
3.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，从所述压缩机(36)输出的所述空气 流的压力为至少大约30psi。
4.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括设置在所述压缩 机(36)与所述氨混合罐(34)之间并且配置成调节所述空气流的压力的流量控制阀(52)。
5.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括设置在所述压缩 机(36)的上游并且配置成调节所述空气流的压力的进口压力控制阀(56)。
6.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括配置成通过改变 所述压缩机(36)的速度调节所述空气流的压力的控制器(54)。
7.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括设置在所述氨喷 射系统(33)的下游的选择性催化还原系统(40)。
8.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括构造成将所述排 气(26)输出到所述氨喷射格栅(32)中的涡轮发动机(12)。
9.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述压缩机(36)包括离心式压缩 机、往复式压缩机、旋转式螺杆压缩机、轴流式压缩机或涡卷式压缩机。
10.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述空气流的温度仅由所述压缩机 (36)增加。
全文摘要
本发明涉及氨喷射系统，具体而言，在一个实施例中，一种系统(10)包括减排系统(33)，该减排系统包括与催化剂混合罐(34)成流体连通的压缩机(36)。该压缩机(36)构造成输出空气流，该空气流配置成将催化剂从催化剂混合罐(34)传送至催化剂喷射格栅(32)。空气流的温度仅由压缩机(36)增加。
文档编号B01D53/94GK101994552SQ201010254938
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月6日 优先权日2009年8月7日
发明者D·兰克吕尔, L·Y-M·童, 张华 申请人:通用电气公司