处理废气的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及废气处理技术领域，特别是涉及包含氮氧化物的废气的处理。
[0002] 本发明特别涉及以除去和/或分离氮氧化物为目的，和/或以通过化学还原氮氧 化物的方式减少氮氧化物含量为目的，来处理来自工艺过程的含氮氧化物废气（例如，烟 气）的方法。特别地，本发明涉及来自大型技术设备，例如发电厂，特别是热电联产厂或垃 圾焚烧设备的废气的脱硝方法。
[0003] 此外，本发明涉及以除去和/或分离氮氧化物为目的，和/或以通过化学还原氮氧 化物的方式减少氮氧化物含量为目的，处理来自工艺过程的含氮氧化物废气（例如烟气） 的装置。
[0004] 此外，本发明涉及从来自工艺过程的含氮氧化物废气（特别是烟气）中除去和/ 或分离氮氧化物的装置的应用，并涉及选择性冷却来自工艺过程的废气，特别是烟气的装 置的应用。
[0005] 最后，本发明涉及处理来自工艺过程的废气，特别是烟气的方法。优选处理冷却 气体的目的，特别是作为从来自工艺过程的废气中除去和/或分离氮氧化物的方法的一部 分。
【背景技术】
[0006] 在空气存在的燃烧反应中，会形成亚稳态的、通常有毒的和有活性的氧化氮，即所 谓的氮氧化物。正如大型燃烧装置如热电联产厂或废物焚烧装置中所发生的一样，氮氧化 物的形成能够通过有机和无机含氮化合物的燃烧、热解或高温分解而加剧。
[0007] 氮氧化物，特别是已知属于"亚硝气"且简称为NOx的一氧化氮和二氧化氮，不仅 有毒且能够刺激呼吸器官和导致损伤，而且当它们与水分反应时可形成酸，促进了酸雨的 形成。
[0008] 然而，氮氧化物的排放仍是环保问题的原因。首先，其能够促进烟雾和危险的地面 臭氧的形成；其次其可作为温室气体，加剧全球变暖。
[0009] 因为氮氧化物对健康和环境的不利影响，以及由此导致的经济损失，人们长时间 以来已经尝试最小化，或阻止燃烧过程中氮氧化物的释放。例如，在客运汽车中，已通过使 用催化转换器来实现，其能够允许氮氧化物几乎能够完全地从废气中除去。
[0010] 为减少来自大型设备，特别是大型工业燃烧设备的氮氧化物排放，出于对各地法 律状况和商业的考虑，已开发出了多种不同的用于脱氮或脱硝（DeNOx)的方法，脱氮或脱 硝方法的单独使用或结合使用可有效的减少或者消除废气（特别是烟气）中的氮氧化物。
[0011] 在此情况下，减少废气（特别是烟气）中氮氧化物含量的方法和措施可分成主要 措施和次要措施：
[0012] 在主要措施中，通过控制燃烧过程以使废气中氮氧化物的最终含量尽可能低；事 实上，首要目的是使氮氧化物不出现。主要措施包括：例如烟道气体再循环，将烟道气体再 次导入燃烧区域以及空气和燃料平台，其中，控制燃烧以便实现不同的燃烧区域中氧气浓 度不同。此外，也可通过加入添加剂或通过淬火，也就是说通过注射水达到在燃烧过程中降 温的目的，减少烟气中氮氧化物的形成。
[0013] 与旨在阻止氮氧化物形成的主要措施相比，使用次要措施旨在减少废气（特别是 烟气）中氮氧化物的浓度。次要措施包括：例如分离的方法，通过化学反应结合或减少烟道 气流中的氮氧化物。然而，分离方法的缺陷是会产生大量废弃物，如工艺水，其通常进一步 的被烟气成分污染并须用昂贵的代价处理。
[0014] 因此，在现代大型技术设备中，次要措施通常使用基于还原氮氧化物，以形成氮元 素且仅产生少量废弃物的方法，其中通常仅在于催化方法和非催化的方法之间的区别。
[0015] 氮氧化物的选择性催化还原（SCR)是在金属催化剂的催化作用下，转换氮氧化物 以形成氮元素的催化方法。尽管使用催化剂使得该方法费用更高、经济可行性降低，但通过 使用SCR方法，通常可得到最佳的脱硝效果。此外，因为敏感催化转换器在短时间间隔内就 必须需要维护或替换，执行SCR方法的设备不仅在购买方面，而且在维护方面都极其昂贵。 特别是在大型燃烧设备，例如垃圾焚烧设备中，燃料组合物通常不会充分精确地加以确定， 烟气中的污染物总会使催化转换器面临中毒的风险。而该风险仅可通过实施额外昂贵的措 施来降低。
[0016] 与之相比，选择性非催化还原（SNCR)是基于含氮化合物，特别是氨或尿素的热 解，其与氮氧化物发生归中反应形成氮元素。
[0017] 选择性非催化还原比选择性催化还原实施的费用低很多：SNCR设备购买和维护 的费用仅仅是相应的SCR设备费用的10%到20%。
[0018] 然而，SNCR方法的问题是其有效性无法与催化方法相匹配，导致，例如对废气（特 别是烟气）中氮氧化物在法律许可的极限值进一步减少情况下，大部分SNCR设备将不允许 再继续运行。
[0019] 基于氮氧化物选择性非催化还原的方法，其进一步的缺点是其必须使用过量的还 原剂，而还原剂与氮氧化物不能完全反应，导致废气中包含一定量的氨，且一些情形下其含 量并不是微不足道的。废气中过量的氨必须分离，或者通过工艺措施处理减少其含量，以使 废气能够释放到环境中。
[0020] 此外，还有基于同时使用催化作用和还原剂的方法，然而在这些方法中，各方法 (使用催化方法费用高和使用还原剂情形下的有效性低）的主要缺点仍然无法克服。
[0021] 尽管最近新的SNCR设备已有所发展，其基于结合使用多种还原剂，表现出与催化 方法等同的有效性，但是该设备并不是在所有运行条件下均能提供最佳结果。
[0022] 特别在燃烧锅炉改装有SNCR设备且燃烧锅炉满负荷运行的情况下，通常的情况 是由于锅炉的设计或有利于还原的温度在加热表面或热交换器区域，不可能在有利于SNCR 方法的温度范围内注射还原剂。在这些情形下，占到烟气体积50%的烟气的主要部分不能 接触到还原剂，或者还原剂必须在不宜的温度范围内引入废气流。此外，在热交换器区域 中，使用尿素作为还原剂有氨或铵盐沉积，从而导致腐蚀的风险。
[0023] 然而，在最佳温度范围内将还原剂引入或注射到废气流中对于氮氧化物还原以至 脱硝的有效性均是至关重要的。
[0024] 在iioo°c之上注射还原剂，还原剂逐渐被氧化形成氮氧化物，从而，首先氮氧化物 分离率下降，其次还原剂的消耗上升。相比之下，如果还原剂在过低温度下注入，反应速率 下降，由此在废气（特别是烟气）路径上会出现所谓的氨滑移，导致氨或铵盐的形成。由此 导致的继发问题诸如，带有氨或铵盐的飞尘的量大大增加，且飞尘沉积变得更严重，导致成 本更高。
[0025] 已经尝试通过例如在燃烧锅炉上布置可移动的加热表面或热交换器或通过相对 长的冷却水喷枪注射还原剂解决该问题。然而，这些改进不能预防操作引发的温度梯度的 发生，也就是说，大的温差和在垂直于废气主要流动方向平面上的不同的流体速度，其结果 是还原剂不能在整个锅炉横截面上均匀分布。因此，仍然是在烟气区域处于有效温度窗口 或范围之外注入还原剂。这反过来导致氮氧化物分离不足，还原剂消耗高和氨滑移水平高。
[0026] 要解决这些问题，已经实施将水额外地混合到还原剂中以将烟气冷却到还原所需 温度的试验。通过该方法，可能在个别的情况中实现从烟气中分离或除去氮氧化物的改进， 然而，其中整体方法的施行仍然不能令人满意。
[0027] 因此，在燃烧锅炉内存在低负荷和低温烟气时，有必要减少水的量来阻止烟气的 过度冷却。在注射过程中，因为液滴范围，因此相应的废气流中还原剂的渗透深度和分布取 决于各自的流动率，过低的水量导致还原剂在烟气中分布不均，从而导致氮氧化物分离程 度降低并增加了还原剂的消耗。
[0028] 与之相比，在降低烟气温度的情况中，如果液体的量保持不变，由于液滴分布或液 滴范围，因此烟气中还原剂的渗透深度和分布维持不变，烟道气体会冷却到不利的还原条 件且氨滑移结果增加的程度。
[0029] 最后，所述方法也不能完全解决问题，在许多锅炉，特别是装备有脱硝设备的锅炉 中，特别是满负荷的锅炉设备中，还原包含在烟气中的氮氧化物的有效和最佳温度窗口通 常在热交换器和加热表面区域中间的很难接触到的狭窄的空间中获得。在所述区域，实际 上首先很难实现整个烟气体积中都带有还原剂，其次，特别是使用尿素时，不能排除尿素颗 粒对锅炉管道和热交换器或加热表面发生作用并导致腐蚀损伤。然而，因为烟气较大的渗 透深度，不可避免使用尿素溶液作为还原剂。
[0030] 因此，整体而言，明显直到现在仍然没有开发出廉价且灵活的方法用于工艺工程 中废气（例如用于烟气）的脱硝工艺，能够实现即使燃烧锅炉具有不良或不利的结构设计， 仍能够取得来自工艺过程中废气中氮氧化物良好的分离率。
[0031] 因此，本发明的目的是提供用于处理来自工艺过程的包含氮氧化物的废气（诸如 烟气）方法和装置或设备，其目的是除去或分离氮氧化物和/或减少氮氧化物含量，优选采 用化学还原氮氧化物，其中提到现有的技术的问题和缺点的意图是，使其至少基本上消除 或减轻。
[0032] 特别地，本发明的目的是提供适合于施行所述方法的装置或设备，通过该装置或 设备使大型技术设备的废气脱硝，其中该方法和该设备或装置可以灵活使用，特别地还适 合于改造现有的燃烧锅炉，且其方法和装置或设备能达到选择性催化还原的效用且与传统 的选择性非催化还原的费用相近。
[0033] 本发明的进一步的目标是提供选择性冷却烟气的方法。特别地，本发明的目标是 提供将烟气冷却至特定温度并从而为进一步处理作准备的方法。
[0034] 根据本发明，上述目标通过如权利要求1中所要求的方法实现；引用权利要求1的 从属权利要求涉及根据本发明的方法的进一步有利的改进和配置。
[0035] 本发明进一步的主题是如权利要求42中所述的装置或设备；引用权利要求42的 从属权利要求涉及本发明这方面的有利改进和配置。
[0036] 本发明进一步的主题是根据权利要求67中所述的发明装置的应用。
[0037] 本发明另一进一步的主题是根据权利要求68所述装置的应用。
[0038]最后，本发明进一步的主题是如权利要求69所述的方法；引用权利要求69的从属 权利要求涉及本发明这方面进一步有利的配置。
[0039] 不言自明的是，如无特殊提及，为避免不必要的重复，本发明仅就某一方面讨论的 特殊方面、特点、配置和实施方案和优点等诸如此类也不言自明相应地适用于本发明的其 他方面。
[0040] 此外，不言自明的是，下文指定树值、数字和范围的地方的这些数值、数字和范围 不应被视为限制；对于本领域技术人员来说，不言自明的是，在个别情况下或根据应用，指 定范围或规格可以偏离而不脱离本发明保护范围。
[0041] 此外，下文提到的所有值或参数规格等可以基本上可使用标准化或明确指定的确 定方法测定，否则使用本领域专家熟悉的测定方法测定。
[0042] 在此基础上，本发明将在下文更详细地描述。
[0043] 依据本发明的第一方面，本发明的主题是处理工艺过程中包含氮氧化物的废气， 诸如烟气的方法，其目的是除去和/或分离氮氧化物和/或减少氮氧化物含量，特别是用于 大型技术设备废气的脱硝方法，其中：
[0044] (a)在第一步骤中，废气选择性冷却；且
[0045] (b)在同时和/或随后的第二步骤中，将氮氧化物从废气中除去和/或分离出去。
[0046] 因此本发明提供了一种方法，其中来自工艺过程的废气，特别是烟气首先被冷却， 随后进行脱硝，也就是说将废气中包含的氮氧化物从废气中除去或分离出去。因为废气的 选择性冷却，这为特别是除去或分离氮氧化物的进一步废气处理做了最佳准备。尤其是，确 保从废气中除去或分离出氮氧化物的进一步处理在最佳的温度范围内进行。
[0047] 根据本发明的方法可按SCR的方法或SNCR方法实施，按照SCR方法为了达到高 效，同样需要特定的温度窗口。
[0048] 在本发明的上下文中，然而优选按SNCR方法实施本发明的方法。SNCR方法实施起 来比SCR方法更加容易和便宜；特别地，通常用SNCR设备改进燃烧锅炉是相对可行的。此 外，本发明的方法提供了消除通常在SNCR设备或方法的情形下碰到的问题和缺点的可能 性，例如在废气的脱硝或喷射还原剂到设备难以接触的区域方面是效率低下的，这是由于 事实上仅在那里才普遍存在对还原而言适宜的温度范围。
[0049] 通过选择性冷却废气，可得到烟气气流具体的温度分布。这可允许配置以获得还 原剂的最佳添加量；特别地，通过本发明，能够选定或构成还原剂，以使其在废气流的分布、 渗透深度和反应动力学方面最佳的适应先前冷却设定的温度、烟气的流速和烟气流比率。
[0050] 因此，使用本发明的方法，所得的从废气分离氮氧化物的效率与使用催化还原方 法得到的相似，但是与SNCR设备在购买和维护方面的成本优点持平。
[0051] 特别地，通过本发明的方法，可确保大约全部的废气流都用还原剂处理，即使在不 利的结构设计的情况下。例如，如果燃烧锅炉满负荷下还原剂注射的最佳温度区域位于因 结构设计不能接触或难以接触的区域，以致于注射还原剂不可能或仅可能达到不充分的程 度，通过选择性地冷却，将对于还原而言最佳的温度范围，转移到设备更容易接触的区域。 这样，也能处理甚至使用SNCR方法也不能接触的烟气流区域。
[0052] 通过包括选择性冷却废气的本发明的方法，即使较大的温度梯度，也就是说烟气 较大的温度差异，也可能被补偿，以使氮氧化物能以有效的方式从烟气中除去或分离。
[0053] 因此，根据本发明的方法能够意外地实现，相当高效地从废气中，特别是烟气中除 去氮氧化物，其中所述方法的效率和效果与催化还原方法相同。
[0054] 特别地，当使用还原剂混合物：例如氨溶液和尿素溶液的混合物时，可实现设定的 各温度分步的最佳混合物。首先，使得氮氧化物的分离率大大增加；其次，氨滑移和还原剂 的消耗大大减少。
[0055] 与基于使用多种还原剂的已知方法相比，根据本发明的方法可相当容易和廉价地 实施并提供更恒定的分离率，这是因为，由于选择性冷却和所得的烟气具体温度分布的设 置，总能获得还原氮氧化物形成氮元素的最佳条件。
[0056] 此外，使用本发明的方法，还可避免在现有技术特别是使用尿素作为还原剂的 SNCR方法的情况下发生的设备零件的腐蚀。
[0057] 在本发明的上下文中，通常的情况是，根据方法步骤（a)中的废气的选择性冷却， 是通过将至少一种冷却剂引入和/或与来自工艺过程的废气，特别是烟气的流体接触来进 行的。
[0058] 冷却剂通常是冷却液，特别是非易燃性的和/或惰性冷却液，优选水。因为廉价易 得并能大量使用，水通常优选作为冷却液或冷却剂。此外，大部分的SNCR方法使用水来溶 解还原剂和/或来配制还原剂在还原剂溶液中的具体含量。在水作为冷却剂的情况