能有效还原颗粒、一氧化碳和NOx的设备的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种能有效还原颗粒、一氧化碳和NOx的设备，它同时为热回收蒸汽发生提供快速再循环能力。在HRSG单元中的催化剂的布置允许以更低的PM2.5排放进行更快的起动。补充的加热器优选燃烧低硫天然气，SCR和催化剂沿流动方向以下列顺序布置：尿素注射、SCR催化剂、氨解构催化剂以及CO氧化催化剂，以允许在它们以各自的最优温度起作用。直接的液体尿素注射和最优催化温度与作为加热器燃料的天然气一起提供了设备成本和起动时间的节约。
【专利说明】能有效还原颗粒、一氧化碳和NOx的设备
【技术领域】
[0001]本实用新型总体上涉及采用热回收蒸汽发生器(HRSG)设备来还原NOx且同时限制来自发电装置、特别是联合循环发电装置的颗粒和其他污染物排放。HRSG设备设计成以具有串联布置的N0X、NH3和CO还原催化剂的天然气来运行，以便没有预先气化地利用尿素还原N0X，同时使颗粒排放最小化。
【背景技术】
[0002]颗粒是一种特别麻烦的污染物，因为它们可通过它们污染的空气减小能见度并且在吸入时它们可引起对健康不利的影响。细小的颗粒(例如，PM2.5)进入肺部并且可引起不受化学组成影响的健康问题。
[0003]颗粒可由许多来源产生，特别大量的颗粒是由提供热和电的发电装置产生的。尽管通常认为它们是燃煤机组的产物一所述燃煤机组确实产生大量颗粒，但颗粒还可通过燃烧含硫燃料产生并且甚至可通过加入至还原空气污染物的材料、例如利用氨的选择性催化NOx还原系统所引起。
[0004]在燃烧过程中燃料中的硫被氧化而主要形成二氧化硫(SO2),然而有一些被进一步氧化成三氧化硫(SO3)。SO3倾向于以独立地或作为颗粒一部分的硫酸液滴的形式排放。这两种硫酸化气体还可与从NOx还原单元中泄漏的氨反应。选择性催化还原(SCR)单元从其可将SO2转化成SO3和加剧污染的角度来看是特别麻烦的。
[0005]HRSG单元提供一种用以回收来自发电的热量一否则该热量可能会损失一的装置，并且经常用于与用于产生电力的碳氢化合物动力式涡轮机结合使用。燃气涡轮机是非常有效的，然而热的排气可被用在HRSG设备中以产生更多电力并且提高总效率。HRSG单元经常包括补充加热器以使功率输出最大化。本实用新型涉及并且解决一些已知的HRSG问题，同时提供一种高效率、低污染的设备。
[0006]采用HRSG设备的联合循环燃气涡轮机和简单循环单元产生了需要处理的污染物，并且表现出具有用于第二 NOx控制的SCR的大的且成长的单元基部。这些SCR系统较大地限制于经由密集的注氨格栅(AIG)所传送的仅气态试剂注射(例如，无水氨或外部气化的氨水或尿素水溶液)。HRSG单元中沿气流方向的设备布置首先是CO催化剂，然后是注氨格栅(AIG)，接着是SCR催化剂。这种布置通常相同的用于联合和简单循环燃气SCR系统两者，并且在历经频繁的循环变化时不是最优的。然而，在起动效率方面这并不理想。
[0007]许多燃气涡轮机单元的任务需要频繁的循环、常常每年经历几百次完整的起动和关闭。希望用于燃气涡轮机循环和倾斜上升以满足额定负荷的时间是迅速的。简单循环燃气涡轮机快速起动通常可仅耗时约十分钟，而联合循环单元耗时约三十分钟。然而，当前构造的SCR单元不能实现这么快的操作状态，并且可耽搁完全排放标准半个小时至一个小时或更多。此外，当前的构造可使得这变得可能:常见的SCR副产品氨(来自于未反应试剂的“泄漏”)和硫酸(来自SO2到SO3的催化转化)可显著地导致PM2.5的排放。
[0008]需要一种高效率、污染较少并且能够快速起动的HRSG设备。实用新型内容
[0009]本实用新型提供一种了设备，该设备能有效还原颗粒(微粒)、一氧化碳和N0X，同时为热回收蒸汽发生(产生)提供快速再循环能力，该设备包括:管道件，该管道件从燃气涡轮机的燃烧气体源延伸；燃气加热器(燃烧燃气的加热器)，它处于所述管道件内以用于提供额外的热量至管道件中的气体；液体注射喷嘴，它用于向所述管道件中以喷雾形式引入尿素水溶液，以使尿素能完全气化成包括氨和异氰酸的气体；回收蒸汽发生器设备，它包括在所述管道件中的热交换器，该热交换器用于将来自管道件中气体的热量转移至所述管道件外的蒸汽涡轮机；处于所述管道件中的一系列催化剂，它按顺序包括选择性催化还原催化剂、氨解构催化剂以及一氧化碳催化剂，所述选择性催化还原催化剂利用由于将尿素注射至所述管道件的气体中而产生的尿素气化产品来还原NOx，所述氨解构催化剂用于还原所述管道件中的所述气体中的氨；以及排气烟囱，它用于将来自所述管道件的气体排放至大气。
[0010]在一个方面中，所述设备可包括控制器，该控制器基于感测到的对加热所述管道件中的气体的需求、选择性还原催化剂的温度以及所述管道件中的所述气体中的N0X、CO或NH3的浓度来控制由所述燃气加热器产生的热量和向所述管道件中注射尿素水溶液的速率。
[0011]下面将描述本实用新型的其他和优选的方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]包含在说明书中并组成说明书的一部分的附图示出本实用新型的当前优选的实施例，该附图与下文所给出的优选实施例的详细说明一起用于解释本实用新型的原理。如所有附图所示出的，相同的附图标记指代相同的或相应的部件。
[0013]图1为一个设备构型的示意图，所述设备构型示出了采用根据本实用新型的HRSG设备的联合循环燃气涡轮机单元，所述HRSG设备具有包括SCR能力的特别构造的催化单
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【具体实施方式】
[0014]对本实用新型的描述参照附图进行，其中可见图1示意性地示出的简化的优选实施例。下面将简略地描述附图和所示出的设备。图1示出了采用根据本实用新型的HRSG设备的联合循环燃气涡轮机单元，所述HRSG设备具有包括SCR能力的特殊构造的催化剂单元。尽管是高度简化的，这些示意图代表了根据本实用新型的设备，并且还具有可利用本实用新型的其他构型和修改。
[0015]总体由标号10示出的燃气涡轮机在燃烧器12中燃烧适当的碳氢化合物和来自压缩机14的压缩空气，以将热的燃烧气体供应至输出涡轮机16。离开该涡轮机16的燃烧气体通常包含过剩热，该热量不能被涡轮机利用，但可由合适的热回收蒸汽发生(HRSG)设备回收，该设备总体由标号20示出，该设备可根据本实用新型操作以便在变化的负荷之间为快速循环提供高效率。本实用新型的设备使得有效地还原颗粒、一氧化碳和NOx成为可能，同时为热回收蒸汽发生提供快速的再循环能力。
[0016]管道件一通常包括多个部段(在此以18、21和41示出)一从燃气涡轮机燃烧气体源延伸直至排气烟? 40。在管道件部段21中示出有燃气加热器22，以根据需要向气体提供附加的热。液体注射喷嘴设置在23和/或23a处，以便将尿素水溶液作为喷雾引入所述管道件中，使得尿素能完全气化成包含氨和异氰酸的气体。如有需要，可设置混合器24。
[0017]HRSG设备20包括在所述管道件中的热交换器25，其用于将来自管道件中气体的热传送至所述管道件外侧的蒸汽涡轮机30。与涡轮机30相关联的是发电机31，该发动机以从涡轮机30、冷凝器32、泵33和通向热交换器25的导管34以及从该热交换器延伸至涡轮机30的导管35提供的能量产生电能。
[0018]在所述管道件中设有一系列催化剂26、27、28，所述催化剂按顺序包括:选择性催化还原剂26，其用于利用通过将尿素注射至所述管道件中的气体而产生的尿素气化产品来还原NOx ;氨解构催化剂27，其用于还原所述管道件中的气体中的氨；以及一氧化碳氧化催化剂28。在穿过所有所述催化剂后，气体经由管线41通向用于将来自所述管道件的气体排向大气的排气烟囱40。
[0019]提供由催化剂26、27以及28所提供的每种催化功能是必要的，以使得气态的和颗粒的排放物降低至标准内。使SCR单元26处于序列第一位的布置确保了尽可能快地开始完全污染控制。
[0020]采用本实用新型可以实现发电装置的高效率，还能满足非常严格的PM2.5限制，这是当前SCR技术不容易实现的。本实用新型使得以SCR催化剂还原CO和NOx的较低温度操作成为可能，并因此使得SO2转变成SO3过程中的还原成为可能。
[0021]在优选的形式中，控制器50设置成基于感测到的对加热所述管道件中的气体的需求、选择性还原催化剂的温度以及所述管道件中的所述气体中N0x、C0或NH3的浓度，通过控制由所述燃气加热器产生的热和注入所述管道件中的尿素水溶液的速率来操作该设备。所述控制器50可以响应于感测到的对包含氨的NOx还原气体的需求来提供尿素。
[0022]控制器50可具有与各种阀(未示出)和用于感测流量、压力、气体组分(例如，NOx, SO3> NH3等)浓度等的传感器之间的有线的或无线的连接。用于任何这些参数的传感器会发送表征感测到的状态的信号至控制器50，该控制器会将它们与预定值比较、计算差值并且发送一控制信号至用于所述阀中的一个或多个的致动器。
[0023]本实用新型的设备提供了一种在HRSG单元中的催化剂的布置，以允许更快的起动和更低的PM2.5排放。补充的加热器优选燃烧低硫天然气(主要为甲烷)，SCR和催化剂沿流动方向按以下顺序布置:尿素注射、SCR催化剂、氨解构催化剂以及CO氧化催化剂。这些改进提供了以下优点:直接的液体试剂注射(尿素)通过消除氨储存设备或消除对单独的尿素气化单元的需求节省了设备成本和起动时间。氨泄漏(逸出未用的氨)被极大地降低，这减少了颗粒和设备污染，这两种污染均源自硫酸氢铵的产生。此外，由于所有三种催化剂类型均能以它们的最优温度起作用，催化剂体积(和成本)较低。
[0024]起动时间变得更快是因为两个原因。第一，没有要加热的试剂蒸发系统，因为尿素试剂是立即可用的。第二，SCR催化剂处于操作温度下的第一催化剂。在常规布置中，在SCR催化剂经历任何温度之前加热CO催化剂。
[0025]上文的描述的目的是示教本领域技术人员如何实施本实用新型。它并不意在详尽所有那些明显的修改和变型，通过阅读所述描述，这些修改和变型对于本领域技术人员而言是明显的。然而，其意图在于，所有的这样明显的修改和变型都包括在由下面的权利要求书限定的本实用新型的范围中。所述权利要求书意在涵盖所要求的部件和任意顺序的步骤，除非文中特别地给出不同的指示，所述部件和所述任意顺序的步骤可有效的满足预期的目的。
【权利要求】
1.一种能有效还原颗粒、一氧化碳和N0X的设备，它同时为热回收蒸汽发生提供快速再循环能力，其特征在于，所述设备包括: a.从燃气涡轮机的燃烧气体源延伸的管道件； b.处于所述管道件内的燃气加热器，它向该管道件中的气体提供额外的热量； c.将尿素水溶液以喷雾形式引入所述管道件中的液体注射喷嘴，用以使尿素能完全气化成包括氨和异氰酸的气体； d.回收蒸汽发生器设备，它包括在所述管道件中的热交换器，以用于将来自所述管道件中的气体的热量转移至所述管道件外的蒸汽涡轮机； e.处于所述管道件中的一系列催化剂，该系列催化剂按顺序包括选择性催化还原催化齐IJ、氨解构催化剂以及一氧化碳氧化催化剂，所述选择性催化还原催化剂利用通过将尿素注射至所述管道件内的气体中产生的尿素气化产品来还原N0X，所述氨解构催化剂用于还原所述管道件内的所述气体中的氨；以及 f.将来自所述管道件的气体排放至大气的排气烟囱。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备还包括控制器，该控制器基于感测到的对加热所述管道件中的气体的需求、所述选择性还原催化剂的温度以及所述管道件的所述气体中N0X、CO或NH3的浓度，来控制由所述燃气加热器产生的热量以及向所述管道件中注入尿素水溶液的速率。
【文档编号】F01K23/10GK204140170SQ201420463202
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】S·A·拜布尔, V·鲁门赫勒 申请人:燃料技术公司