用于降低由燃烧器产生的燃烧气体中的氮氧化物浓度的设备的制作方法

用于降低由燃烧器产生的燃烧气体中的氮氧化物浓度的设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种用于降低由燃烧器产生的燃烧气体中的氮氧化物浓度的设备，该设备通过向经受明显负荷变化的燃烧器上的SCR单元供应的尿素气化产物的可控制备和进料来增强尿素在NOx的选择性催化还原(SCR)中的利用。确定燃烧气体中的NOx的浓度和向SCR反应器供入NOx还原和载气所需的总气流。尿素在热气化反应器中通过气化气体气化。将所得尿素气化产物与载气混合以提供注射格栅供应料流。减少热并通过控制有效地使用烟道气热焓，其中利用监控供入热气化反应器中的气体和载气流的温度。
【专利说明】用于降低由燃烧器产生的燃烧气体中的氮氧化物浓度的设备

【技术领域】
[0001]本实用新型总体上涉及尿素在NOx的选择性催化还原(SCR)中的有效利用，更特别地涉及控制尿素的气化产物的制备和向SCR单元的供入，从而处理来自经受显著载荷变化的功率装置的流出物。
[0002]

【背景技术】
[0003]在许多情况下需要可提供经济的发电的功率装置，包括具有宽需求波动的那些。并且，必须可得到污染控制措施以有效地操作而不管这些波动。
[0004]因为地域问题或季节变化，功率需求可随着时间而变化。当将功率供给发电机的单独装置的需求波动时，低需求操作通常产生比高负荷操作更低的流出物温度。当空气调节增加工业使用需求时，需求通常在夏季波动。夜间需求通常低于白天；但因为无论是否需要空气调节，NOx通常是一个问题，甚至必须解决夜间相对较低的NOx生产。
[0005]不幸的是，尽管已开发NOx还原技术至不管季节如何都可有效地控制空气污染的程度，但伴随重季节需求的宽负荷波动可增加系统压力。该问题部分是由于产生全体积的NOx，且部分由于SNCR (选择性非催化还原)系统和SCR (选择性催化还原)系统的温度敏感性。二者都限制具体温度窗的效力，且通过调节燃烧器产生的烟道气必须在那些窗内处理。
[0006]SCR被证明非常有效地用于NOx还原，且SCR单元通常可规模化至顶尖发电装置如总装式锅炉柴油机、涡轮机等所需的尺寸。然而，SCR单元通常要求使用氨作为还原剂，且常见的问题是氨的储存是困难且危险的，在居住区尤其如此。有利地，可有效地使用尿素气化单元，例如如授予Sun等人的美国专利N0.7，090，810所述的,但它们在负荷波动期间的控制困难是严重的问题。这些系统可通常从其中气体温度对气化而言是理想经济的单一位置牵引工艺气体作为环境空气或作为来自燃烧器的燃烧气体。流出物应当是足够热的以实现以最小的加热完全气化，但低负荷产生比最佳操作所需更低的温度。
[0007]当气化时，产生的气体通常借助注氨格栅(AIG)供入SCR单元中，所述注氨格栅为具有排列的孔的分配管道的阵列，氨优选通过所述孔喷射。如果需求低，则气化尿素的体积也降低，且本身不足以提供气体的足够动量，由此实现NOx还原的均匀分布。
[0008]特别需要将尿素转化成含氨气体并且仍保持完全控制SCR单元的操作的能力而不管功率需求如何的方法和设备。
实用新型内容
[0009]本实用新型提供了一种用于降低由以负荷变化运行的燃烧器产生的燃烧气体中的氮氧化物浓度的方法和设备。
[0010]该方法使用气化尿素和SCR反应器(具有选择性催化NOx还原催化剂的反应器)，且包括如下步骤:确定燃烧气体中的NOx浓度，确定向SCR反应器提供待通过注射格栅供入以将燃烧气体中的NOx还原至预定水平的NOx还原和载气所需的总气流，将含水尿素和气化气体以足够的量供入尿素气化单元中，以产生足够量的包含尿素气化产物的NOx-还原气流以将燃烧气体中的NOx还原，将包含尿素气化产物的NOx-还原气流与载气流混合以提供格栅供应气流，和将格栅供应气流供入注射格栅中；且进一步包括以下步骤:确定供入尿素气化单元中的气化气体的温度和载气流的温度，根据需要加热供入尿素气化单元中的气化气体以确保格栅供应气流具有足以将SCR反应器中的NOx还原的温度。
[0011]该设备使用用于将尿素气化的装置和包含选择性催化NOx还原催化剂的SCR反应器，且包括以下装置:用于确定燃烧气体中的NOx浓度的装置，用于确定向SCR反应器中供入待通过注射格栅供入以将燃烧气体中的NOx还原至所需水平的NOx还原气体和载气所需的总气流的装置，用于将含水尿素和气化气体以足够的量供入尿素气化单元中以产生足够量的包含尿素气化产物的NOx-还原气流以将燃烧气体中的NOx还原的装置，用于将包含尿素气化产物的NOx-还原气流与载气流混合以提供格栅供应气流的装置，和用于将格栅供应气流供入注射格栅中的装置；且进一步包括用于确定供入尿素气化单元中的气化气体的温度和载气流温度的装置，和用于根据需要加热供入尿素气化单元中的气化气体以确保格栅供应气流具有足以将SCR反应器中的NOx还原的温度的装置。
[0012]在一个实施方案中，将燃烧气体的流从在从低至高的负荷范围下操作的燃烧器上的一个或多个预定位置取出，其中燃烧气体可在低负荷与高负荷之间在至少约200 °F、在一些情况下约400 °F的范围内变化。
[0013]在另一实施方案中，供入包含尿素气化产物的NOx-还原气流通过水解催化剂以将气体中的所有尿素衍生的氮物种转化成氨。
[0014]在又一实施方案中，将供入尿素气化单元中的气化气体和载气流从在从低至高的负荷范围下操作的燃烧器上的一个或多个预定位置取出，其中燃烧气体可在低负荷与高负荷之间在至少约200 °F—在一些情况下为约400 °F—的范围内变化。根据该实施方案，当所取出的燃烧气体为约400 T以下时，在供入尿素气化单元中以前根据需要将供入尿素气化单元中的气化气体加热，并供入包含尿素气化产物的气流通过水解催化剂以将气体中的所有尿素衍生氮物种转化成氨以产生NOx-还原气流。在该实施方案的另一方面中，所取出的燃烧气体在约800 T以上的温度下。在该实施方案的又一方面，所取出的气体为约400 T至约800 °F，并且在供入尿素气化单元中以前根据需要将供入尿素气化单元中的气化气体加热。
[0015]在另一实施方案中，该方法将检测从燃烧器上的预定位置取出的燃烧气体气流的温度，并选择以下选项之一:(a)所取出的气体在约800 T以上的温度下，(b)所取出的燃烧气体为约400 T至约800 °F，并在供入尿素气化单元以前根据需要将供入尿素气化单元中的气化气体加热，(c)所取出的燃烧气体为约400 T以下，在供入尿素气化单元中以前根据需要将供入尿素气化单元中的气化气体加热，并供入包含尿素气化产物的NOx-还原气流通过水解催化剂以将气体中的所有尿素衍生氮物种转化成氨。

【专利附图】

【附图说明】
[0016]结合进本说明书并构成说明书的一部分的附图阐述了目前优选的本实用新型实施方案，所述附图与上文给出的一般描述和下文给出的优选实施方案的详细说明一起用于解释本实用新型的原理。图中类似的标记表示类似或相应的部件。
[0017]图1为本实用新型的方法和设备的一个实施方案的示意性流程图。

【具体实施方式】
[0018]本实用新型提供通过对使用气化尿素而言有效的选择性催化NOx还原催化剂降低通过以负荷变化操作的燃烧器产生的燃烧气体中的氮氧化物浓度的方法和设备。
[0019]该方法和设备具有数个优点和益处。首先，在使用尿素代替氨作为试剂的SCR方法中，总热添加降低。沿着这一路线，但独特且明显地，非常有效地使用烟道气热焓。重要的是可降低尿素气化设备的尺寸。并且，由于系统控制总体上改进，更好地保护设备组件以防损坏。由计算机控制，优选以前馈和反馈措施辅助的方法逻辑会控制热输入和烟道气热焓的利用以实现方法可靠性和经济性的主要进步。
[0020]图1示意性地示出发电所用类型的燃烧器10。它示出为具有SCR单元20，该SCR单元被通过尿素气化单元30供应NOx还原气流和稍后更详细描述的载气。控制系统40用于控制在将废气经由烟囱50排到大气中以前的NOx还原操作。
[0021]所述燃烧器10为可使用的许多类型的代表，且不意欲为限定性的。事实上，本实用新型适用于总装式锅炉、焚化炉、工业方法、柴油机和涡轮机以及用于辅助峰值功率供应的全尺寸锅炉。在所述情况下，换热管12、12’和14和14’描述为有效利用通过燃料和空气在火焰带16中燃烧而产生的热的装置。燃烧气体从火焰带经由导管18进入SCR反应器20中。大的块箭头表示气体流动方向。
[0022]对SCR单元的操作，同时避免氨的使用而言，重要的是将尿素或前体气化，并保持气化直至成功地用于SCR单元中。
[0023]术语“尿素”意指包括在它们在加热时形成氨和HNCO方面相当于尿素的试剂，无论它们在引入燃烧气体中的形式中是否包含大量纯化学尿素；然而，相当于尿素的试剂通常包含可测量量的商购形式的尿素，因此包含尿素。术语“尿素”意指包括其所有商购和等价形式的尿素。就这点而言，参考美国专利N0.7，090，810。
[0024]典型地,尿素的商购形式基本由尿素组成,包含95重量％或更多尿素。该较纯形式的尿素是优选的并且在本实用新型方法中具有几个优点。尿素优选作为尿素浓度为约10重量％至约60重量％，例如约30重量％至约50重量％的水溶液提供。
[0025]当将含水尿素加热时，通过温度相关速率常数控制的大量化学反应决定尿素如何分解:
[0026]
NH2-CO2-NH2^ NH；,+ HNCO(尿素) (氨)(异氰酸)
[0027]该反应可在275 T的温度下进行；但除非水解或保持非常热，HNCO可形成固体副产物，所述副产物可沉积于设备上并污损催化剂。HNCO可如下转化:
[0028]


0


B、z人 zH

N N
3HNC0.今..人d


<.r M





1



H

(氰尿酸)
[0029]如果形成(很容易形成)氰尿酸，则如果不适当控制温度的话可能形成聚合物，或者氰尿酸不完全水解。
[0030]尿素至氨的完全转化可涉及如下反应，但不是所有均为理想的，并应努力缓和或消除它们的负作用:
[0031]
HNCO + H2O NH3 + CO2
(异氰酸)(水)(氨)(二氧化碳)
[0032]HNC0+NH2-C02-NH2 —缩二脲
[0033]HNCO+缩二脲一二缩三脲
[0034]二缩三脲一氰尿酸+NH3
[0035]3HNC0 —氰尿酸
[0036]2NH2-C02_NH2+H2C0 —亚甲基二脲
[0037]这些反应为速率有关的，以及取决于反应物的物理形式、优势温度、在反应器中的时间和水和/或催化剂的存在或不存在。
[0038]当尿素仅通过热处理例如在热反应器32中气化时，所得气体会包含氨，并且它还可包含异氰酸(HNC0)，这可能需要高温以避免副产物形成或气体副反应。因此，该阶段的气化产物对较高温度而言有用，但对于低温方法而言本身可能不合适。本实用新型的优点是该产物可有效地用于其中高温在高负荷下占优势的一些工艺情况，以及通常会导致问题的低温操作。
[0039]来自热气化方法的气流包括空气或燃烧后气体、在空气中、气体或尿素溶液中的任何水，以及HNCO和NH3的尿素分解产物。如果该热分解气流温度太低，例如接近290 0F，则HNCO和NH3可结合形成可冷凝固体(尿素)，所述可冷凝固体会作为气溶胶或沉积物存在于冷却器表面上。本实用新型监控热分解气流材料中的温度和组分的相对量以确定是否需要第二级催化水解反应器。如果需要的话，该第二级转化可降低低温下重组或副产物形成的风险，容许应用中要求低温的气化系统的操作。
[0040]尿素气化系统上增加第二级催化剂反应器容许需要时在相对低温(小于约380 T)下输送已在第一级中分解的试剂而不具有重组和冷凝成烟或冷却表面上的沉积物的风险。
[0041]尿素气化单元30被示意性示出，并参考美国专利N0.7，090, 810和美国专利申请N0.13/455，459，通过引用将其全部，包括其中引用的所有参考文献的全部文章并入本文中。简言之，向尿素气化单元30中供入来自罐31的含水尿素。尿素作为水溶液使用并通过作为具有阀(1)的单深线表示的未编号管线流入热尿素气化反应器32中，在那里它与气化气体接触以产生尿素气化产物，所述尿素气化产物可通过水解催化剂33以将气体中的所有尿素衍生氮物种转化成氨或者借助混合器35直接与载气混合。如美国专利申请N0.13/455，459中所述，水解催化剂的加入变得有用，其中气化产物需要约400 °?至600 0F以下，平均约500 T的温度。应当指出，此处所有温度总之为基于预测平均值的近似值并可变化最多100T。控制器40测量温度以及各管线或装置中的流速，如实现尿素的完全气化和将所得气流输送至SCR反应器20中所需的而不管燃烧器10上的负荷。
[0042]气化单元30内的工艺气体导管显示为双线线并根据需要通常绝缘以保护其中的气体以及它们附近的工作人员。这些双线图元件表示流出物和/或外部空气(管线37)的工艺气流导管，如控制器所要求用于将尿素在热反应器32和水解催化剂33中加工成尿素气化产物的。当控制参数在加工中该阶段要求热时，基于控制器40的要求可用加热器34。管线36和36’响应于由控制器40处理的信号从燃烧器10或燃烧器导管18提取工艺气体。以类似方式可经由管线37提取环境气体以节约工艺热，其中控制器40计算是有效的。本实用新型的优点是烟道气优选在多个位置由燃烧器得到且控制器40选择该位置以提供合适的温度。当导管18中的烟道气温度为约1100 以上时，在许多情况下，如果不专门设计用于该高温操作的话，可选择烟道气的冷却剂来源并可经由管线37提取环境气体以避免对设备的潜在损害。鼓风机39 (也可使用其它)能够保持所需流速。
[0043]在任何位置从导管18中取出的工艺气体的温度可取决于燃烧器的负荷要求随着时间而宽泛地变化，例如变化超过200 0F，有时达400 0F。管线36和36’中来自导管18的工艺气体可通过合适的阀选择送入支管36〃中以引入热反应器32中，或者送入旁路支管36"’中作为载气供入混合器35中以与来自管线38的尿素气化产物结合。
[0044]根据本实用新型的基本操作，该方法将包括确定燃烧气体中的NOx浓度的步骤，该设备将包括实现该步骤的装置。来自烟囱50的最终流出物中NOx的谨慎控制要求获得良好的关于待处理以及烟囱中的燃烧气体中的NOx浓度的数据。这可以以位于SCR单元20之前以及它下游的具有传感器的已知类型的仪表实施，其中将所得信号数据送入控制器40以处理。控制器40可以为可编程数字控制器，它接收表征所需工艺温度、流速等的信号，然后将它们与储存的值对比并确定最适于该方法的选择，并将操作信号输送至需要方法效力的各个阀、加热器和泵。附图以虚线示出一些控制传输线。不是所有控制传输线被示出。提供测量的NOx浓度以作为控制参数会帮助保护以防过度处理或不足处理。在一些情况下，在初始处理给予预编程值以后，NOx测量可用于反馈控制。
[0045]本实用新型的方法将包括确定由注射格栅22向SCR反应器20提供例如经由管线38的NOx还原气体和例如经由管线36〃’的载气以将燃烧气体中的NOx还原至预定水平所需的总气流的量。控制器40还确定来自罐31的含水尿素和必须供入热尿素气化反应器32中的例如来自管线36’的气化气体的量。各进料的量必须是足够的以借助SCR反应器20产生足以将导管18中的燃烧气体中的NOx还原的量的包含尿素气化产物的气流。如所解释的，来自热反应器32的气化产物可经由管线38’和38直接进入混合装置35中以将包含尿素气化产物的气流与载气流混合以提供格栅供应气流。作为选择，控制器40可要求将来自热反应器32的尿素气化产物接着供入催化水解反应器33中。
[0046]将例如通过混合装置35混合的为NOx还原气流与载气流之和的格栅供应气流供入注射格栅22中。为实现燃烧器以宽温度波动有效操作的优点，本实用新型的方法还包括确定供入尿素气化单元30中的气化气体的温度和管线36"中的载气流的温度的步骤，以及实施该步骤的装置。另外，本实用新型的方法要求监控所有输入气流例如管线36、36’和37处的气流的体积和温度，并确定是否需要借助加热器34加热供入尿素气化单元中的气化气体。如果需要加热以确保格栅供应气流具有足以将SCR反应器中的NOx还原的温度而不会导致导管中或催化剂上的沉积物，则控制器40会启动加热器。并且当需要减少热时关闭它。
[0047]在一个优选实施方案中，将燃烧气体料流如管线36从在低至高负荷范围下操作的燃烧器上的一个或多个预定位置取出，其中燃烧气体可在低负荷与高负荷之间在至少约200 °卩的范围内变化。
[0048]在另一实施方案中，供入来自热反应器32的包含尿素气化产物的气流通过水解催化剂以将气体中的所有尿素衍生氮物种转化成氨。
[0049]在又一实施方案中，将经由管线36〃供入尿素气化单元32中的气化气体和载气流从在低至高负荷范围下操作的燃烧器上的一个或多个预定位置取出，其中燃烧气体可在低负荷与高负荷之间在至少约200 °F的范围内变化。根据该实施方案，当所取出的气体处于约400 T以下的温度，则在供入热尿素气化反应器中之前根据需要通过加热器34将供入尿素气化单元中的气化气体加热，并供应来自热反应器32的包含尿素气化产物的NOx-还原气流通过水解催化剂33以将气体中的所有尿素衍生氮物种转化成氨。在该实施方案的另一方面，所取出的气体为约800 T以上且不需要加热或水解。在该实施方案的又一方面，所取出的气体为约400 T至约800 °F，且供入尿素气化单元中的气化气体在供入尿素气化单元中之前可能需要加热。在每种情况下，控制器40会确定加热器34何时被起动以及起动程度。
[0050]在优选形式中，该方法会检测从燃烧器上的预定位置取出的燃烧气体料流的温度，并从以下选项中选择一种:(a)所取出的气体在约800 T以上，(b)所取出的气体为约400 T至约800 T，并在供入尿素气化单元之前根据控制器40的要求加热供入尿素气化单元中的气化气体，(c)所取出的气体为约400 T以下，在供入尿素气化单元中之前根据控制器40的要求加热供入尿素气化单元中的气化气体，供应包含尿素气化产物的NOx-还原气流通过水解催化剂以将气体中的所有尿素衍生氮物种转化成氨。
[0051]上面的说明用于教导本领域技术人员如何实践本实用新型。不再详细说明本领域技术人员阅读本说明书可获悉的所有明显改变和变型。然而，所有这些明显改变和变型包括在下面的权利要求所限定的本实用新型范围内。除非明确给出相反的指示，权利要求书意欲涵盖有效地满足意欲目的的要求保护的组件和任何顺序的步骤。
【权利要求】
1.一种用于降低由燃烧器产生的燃烧气体中的氮氧化物浓度的设备，该燃烧器以负荷变化运行，该降低通过有效利用气化尿素的SCR反应器进行，其特征在于，该设备包括: 用于确定燃烧气体中的NOx浓度的装置， 用于确定由注射格栅向SCR反应器提供用以将燃烧气体中的NOx还原至所需水平的NOx还原气体和载气所需的总气流的装置， 用于将含水尿素和气化气体以足够的量供入热尿素气化反应器中以产生NOx-还原气流的装置，该NOx-还原气流包括足够量的尿素气化产物以将燃烧气体中的NOx还原， 用于将包含尿素气化产物的气流与载气流混合以提供格栅供应气流的装置，和 用于将格栅供应气流供入注射格栅中的装置， 该设备还包括用于确定供入热尿素气化反应器中的气化气体的温度和载气气流温度的装置。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，它包括根据需要加热供入尿素气化单元中的气化气体以确保格栅供应气流具有足以将SCR反应器中的NOx还原的温度。
3.根据权利要求2的设备，其特征在于，在多个位置从燃烧器中获得烟道气，控制器选择所述位置以提供合适的温度。
4.根据权利要求1的设备，其特征在于，燃烧气体的流从在从低至高的负荷范围下运行的燃烧器上的一个或多个预定位置取出，该燃烧气体能在低负荷与高负荷之间在至少200 °F的范围内变化。
5.根据权利要求1的设备，其特征在于，供应包含尿素气化产物的气流使之通过水解催化剂以将气体中的所有尿素衍生的氮物种转化成氨。
6.根据权利要求1的设备，其特征在于，将供入尿素气化单元中的气化气体和载气流从在从低至高的负荷范围下运行的燃烧器上的一个或多个预定位置取出，该燃烧气体能在低负荷与高负荷之间在至少200 °F的范围内变化。
7.根据权利要求6的设备，其特征在于，所取出的燃烧气体低于400T，在供入尿素气化单元中之前根据需要将供入尿素气化反应器中的气化气体加热，并供应包含尿素气化产物的气流使之通过水解催化剂以将气体中的所有尿素衍生氮物种转化成氨。
8.根据权利要求6的设备，其特征在于，所取出的燃烧气体高于800T。
9.根据权利要求6的设备，其特征在于，所取出的燃烧气体为400T至800 °F，并且在供入尿素气化单元中之前根据需要将供入尿素气化单元中的气化气体加热。
10.根据权利要求6的设备，其特征在于，检测从燃烧器上的预定位置取出的燃烧气体的气流的温度，并基于该温度选择以下选项之一:(a)所取出的燃烧气体高于800 T，(b)所取出的燃烧气体为400 T至800 °F，并在供入尿素气化反应器中之前根据需要将供入热尿素气化反应器中的气化气体加热，(c)所取出的燃烧气体低于400 T，在供入热尿素气化反应器中之前根据需要将供入热尿素气化反应器中的气化气体加热，并且供应包含尿素气化产物的NOx-还原气流使之通过水解催化剂以将气体中的所有尿素衍生氮物种转化成氨。
【文档编号】B01D53/60GK203990273SQ201290000864
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2012年8月7日 优先权日:2011年8月10日
【发明者】W·H·孙, P·G·卡尔米纳尼 申请人:燃料技术公司