专利名称：用于减少排放物的装置及组装方法
用于减少排放物的装置及组装方法技术领域
本文所述的实施例总体涉及排放物处理系统，且更具体地，涉及用来用于减少燃烧系统的排放通路中NO2形成的装置。
背景技术：
在天然气和液体燃料的燃烧期间，诸如但不限于一氧化碳(CO)、未燃烧烃(UHC)、 以及氮氧化物(NOx)排放物等的污染物可形成和/或排放到环境大气中。通常，CO和UHC 可在低温下的燃烧条件期间形成，和/或在没有充足的时间量来完成反应的燃烧条件期间形成。相反，NOx通常在高温下的燃烧条件期间形成。至少一些已知的污染排放物源包括工业锅炉和高炉、往复式发动机、燃气涡轮发动机和/或蒸汽发生器。
现代空气质量规章日益要求对于功率发生设备降低的排放物水平，同时还要求增加的燃料效率标准。为了遵循严格的排放物控制标准，期望的是通过抑制NOx排放物的形成来控制NOx排放物。氮的氧化物包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2),其已知从排放烟囱产生可视黄色羽状烟并且其被断言造成了“酸雨”的形成。然而，已知的燃烧控制仅可提供有限的排放物控制，并且被证明不足以满足增长的标准以及常常相矛盾的目标，使得需要后燃烧排放气体处理系统的改善。
用于用来控制烟囱排放物中的NOx的一种已知技术是选择性催化还原(SCR)。在 SCR系统中，来自功率发生设备的废气由于被提供来确保烃燃料的充分燃烧的高比例氧气而常具有净氧化效应。因此，废气中存在的NOx可在极大的困难下被还原成氮和水。SCR元件可用来将无水氨与废气进行混合，且气体在被释放到大气中之前被引导越过合适温度下的合适的还原催化剂。然而，催化剂上的反应率取决于入口气体温度，由此在废气被加热到合适的温度之前NOx破坏的速度是不足的。因此，在瞬态阶段期间，诸如启动操作期间，SCR 元件通常没有将NOx降低至期望的水平，因为废气温度过低。发明内容
一方面，提供了一种方法，该方法用来提供用于与燃气涡轮发动机一起使用的热回收蒸汽发生器(HRSG)。该方法包括联接HRSG内的至少一个管式燃烧器(duct burner) 以及联接该至少一个管式燃烧器下游的至少一个氮氧化物(NOx)减少元件，其中该至少一个管式燃烧器构造成以NOx催化剂入口处对于期望的NOx减少不足的排放温度来操作燃气涡轮发动机操作，包括启动、关机以及低负载操作，从而增加被导引通过该至少一个NOx减少元件的排放气体的温度，从而使得该至少一个NOx减少元件能够促进燃气涡轮发动机操作期间的NOx还原反应。
另一方面，提供了一种热回收蒸汽发生器(HRSG)，其中该HRSG联接到排放包括氮氧化物(NOx)的排放气体流的燃气涡轮发动机上。该HRSG包括用于加热排放气体的至少一个管式燃烧器和至少一个NOx减少元件，该至少一个NOx减少元件联接到该至少一个管式燃烧器的下游，并构造成促进减少被引导到该至少一个NOx减少元件中的排放气体中的NOx的量。
另一方面，提供了一种联合循环发电设备，其包括燃气涡轮发动机和与该燃气涡轮发动机成流动连通联接的热回收蒸汽发生器。燃气涡轮发动机构造成燃烧空气中的燃料以产生轴功率以及包括氮氧化物(NOx)的排放气体流。该HRSG包括用于加热排放气体的至少一个管式燃烧器和至少一个NOx减少元件，该至少一个NOx减少元件联接到该至少一个管式燃烧器的下游，并构造成促进减少被引导到该至少一个NOx减少元件中的排放气体中的NOx的量。
图1是示例性联合循环发电设备的简化示意图；图2是可与图1中所示的联合循环发电设备一起使用的示例性热回收蒸汽发生器的方框图；图3是对于图2中所示的的简化方框图和排放纵剖图；图4是可与图2和3中所示的HRSG —起使用的示例性第二管式燃烧器的侧视图； 图5是显示来自图1中所示的联合循环发电设备的NOx排放物随时间变化的排放物曲线的图表；以及图6是显示基于SCR入口温度的NOx破坏的量的图表。 零部件列表
100联合循环发电设备
102压缩机
104空气入口
106燃气涡轮发动机
108燃烧室
110第一轴
112第一发电机
114排放导管
116热回收蒸汽发生器
118热交换器
120排放物处理设备
122排放烟囱
124蒸汽涡轮机
126第二轴
128第二发电机
130冷凝器
132管束
202过热器热交换器
204再热器热交换器
206节热器热交换器
208高压蒸发器
210中压蒸发器
212低压蒸发器
214高压鼓
216中压鼓
218低压鼓
220管式燃烧器
302第一管式燃烧器
304高压热交换器
306第二管式燃烧器
308一氧化碳催化剂
310喷射装置
312NOx减少元件
314低压热交换器
316控制器
318第一管式燃烧器上游的排放流/
320高压热交换器下游的排放流点
322高压蒸发器下游的排放流点
324CO催化剂下游的排放流点
326喷射装置下游的排放流点
328NOx减少元件下游的排放流点
330低压热交换器下游的排放流点
402壳体
404燃料入口
406主体
408上部
410下部
412上凸缘
414燃料回路
416下凸缘
418压缩气体出口
500图表
502排放物曲线
504减少的排放物曲线
506启动NOx减少元件充足的温度
508增加的排放物遵守操作的部分
510第二管式燃烧器启动的时间
600图表
602NOx破坏
604曲线的第一部分
606曲线的第二部分
608曲线的第三部分具体实施方式
图1是示例性联合循环发电设备100的简化示意图。在该示例性实施例中，发电设备100包括压缩机102，压缩机102包括接收空气的空气进口 104。压缩机120联接到包括一个或更多燃烧室108的燃气涡轮发动机106上。压缩机102压缩经由空气进口 104接收的空气，并将压缩空气引导到燃烧室108中，其中压缩空气与燃料混合并被点燃以给燃气涡轮发动机106供应热燃烧气体以驱动第一轴110。第一轴110联接到第一发电机112 上，并使得第一发电机产生电力。此外，燃气涡轮发动机106将排放气体排入排气管114，排放气体包括例如但不限于氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)以及未燃烧的烃。
在该示例性实施例中，发电设备100还包括与燃气涡轮发动机106成流动连通联接的热回收蒸汽发生器(HRSG) 116。具体而言，HRSG 116经由排放导管114联接到燃气涡轮发动106上，使得HRSG116接收从燃气涡轮发动机106排放的排放气体。在该示例性实施例中，HRSG 16包括一个或更多热交换器118以及排放物处理设备120。热交换器118从排放气体提取热量，且该热量被用来产生蒸汽。排放物处理设备120处理排放气体，且处理后的排放气体随后经由排放烟 122释放至大气。
蒸汽涡轮机IM联接到HRSG 116上，使得由热交换器118生成的蒸汽被引导到蒸汽涡轮机124中，用于用来驱动第二轴126的旋转。第二轴1 也联接到第二发电机1 上，并使得第二发电机1 产生电力。用过的蒸汽然后被引导到包括多个管束132的冷凝器130中。被引导通过管束132的冷却水冷却蒸汽，使得蒸汽冷凝成水。水然后被引导回热交换器118。
图2是HRSG 116的方块图。在该示例性实施例中，116经由排放导管114(图1中所示)接收从燃气涡轮发动机106(图1中所示)排放的排放气体流。此外，在该示例性实施例中，热交换器118包括多个过热热交换器202，多个再热器热交换器204，以及多个节热器热交换器206。HRSG 116还包括高压蒸发器208，中压蒸发器210以及低压蒸发器212，它们各使用排放气体中包含的热量产生蒸汽。各蒸发器208、210和212均联接到相应的压力鼓上。在该示例性实施例中，高压蒸发器208联接到高压鼓214上，中压蒸发器210联接到中压鼓216上，而低压蒸发器212联接到低压鼓218上。HRSG 116还包括将热量提供到排放气体流中以增强蒸汽产生输出的至少一个管式燃烧器220。因此，在该示例性实施例中， HRSG 116在多种不同的压力下使用高压鼓214、中压鼓216以及低压鼓218产生蒸汽。此外，在该示例性实施例中，各压力鼓214、216和218将加压蒸汽向不同的蒸汽涡轮机(未示出)导引。在备选实施例中，各压力鼓214、216和218将加压蒸汽向单个蒸汽涡轮机如蒸汽涡轮机124(图1中所示)引导。在该示例性实施例中，排放物处理设备120(图1中所示)联接在热交换器202、204和206，蒸发器208、210和212以及管式燃烧器220之间，以利于减少排放气体流内夹带的污染物的量。在一个备选实施例中，排放物处理设备120定位在位于热交换器118下游的排放气体流中。
图3是对于HRSG 116的简化方框图和示例性排放纵剖图。如图3中所示，HRSG 116包括第一管式燃烧器302，其在排放气体已经从燃气涡轮发动机106经由排放管道114排出(图1中所示)后升高排放气体的温度。高温蒸发器208在第一管式燃烧器302的下游成流动连通联接，并且也升高排放气体的温度。例如，在一个实施例中，第一管式燃烧器 302和高压蒸发器208接收处于大约700华氏度(° F)温度下的排放气体。在该示例中， 排放气体包括大约90百万分之一(ppm)的NOx，其包括大约10%的二氧化氮(N02)，而第一管式燃烧器302和高压蒸发器208将排放气体加热至高于大约700° F的温度。此外，在该示例性实施例中，高压热交换器304在高压蒸发器208下游成流动连通联接，以利于将排放气体冷却至大约400° F。
在该示例性实施例中，第二管式燃烧器306在高压热交换器304的下游成流动连通而联接，以选择性地升高排放气体的温度，从而利于降低引导至烟囱122的排放物中例如NOx的浓度。更具体地，在一个实施例中，第二管式燃烧器306将排放气体加热到大约 500° F和大约800° F之间的温度。在该示例性实施例中，一氧化碳(CO)催化剂308在第二管式燃烧器306的下游成流动连通而联接，以利于在排放气体流中在CO催化剂308的位置在局部排放温度下将一氧化氮(NO)氧化至NO2的平衡浓度。具体而言，CO催化剂308 氧化N0，使得排放气体包括大约90ppm的NOx，其包括少于大约50 %的NO2，但取决于SCR催化剂。
在该示例性实施例中，喷射装置310在CO催化剂308下游成流动连通而联接。喷射装置310将还原剂喷射到排放气体流中，以利于降低排放气体内NOx的浓度。此外，在该示例性实施例中，NOx减少元件312在喷射装置310的下游成流动连通而联接。NOx减少元件312引导排放气体(包括还原剂)通过合适的还原催化剂以利于减少NOx的浓度。例如，还原催化剂通过120ppm的NH3提供了适合于NOx的减少的环境，减少至主要为NO2，例如大约80%的N02。例如，在该示例性实施例中，NOx减少元件312引导排放气体经过处于大约500° F到800° F之间温度下的还原催化剂，其中NOx减少元件312将NOx减少至大约9ppm的浓度，其包括如而2的大约80%的NOx以及5ppm的NH3。
在一个实施例中，喷射装置310是氨(NH3)喷射格栅，其在CO催化剂308的下游成流动连通而联接。NH3喷射装置310将氨喷射到排放气体流中，以利于降低排放气体内NOx 的浓度。具体地，NH3喷射格栅310将气态氨混合物喷射到排放气体流中，使得氨的浓度减少到大约120ppm。在一个备选实施例中，喷射装置310将诸如氢气的还原剂或诸如烃材料的有机还原剂喷射到排放气体流中。
此外，在该示例性实施例中，诸如选择性催化还原(SCR)元件的NOx减少元件312 在NH3喷射格栅310的下游成流动连通而联接。NOx减少元件312引导排放气体经过大约 500° F和800° F之间的温度下的合适的还原催化剂，以利于降低NOx的浓度。在一个实施例中，NOx减少元件312使用有机还原剂，诸如烃材料，以降低NOx的浓度。例如，在一个实施例中，NOx减少元件312包括设于一个或更多催化剂区中的一个或更多催化剂。包括有机还原剂的排放气体被导引通过各催化剂区以与对应的催化剂相互反应。示例性的催化剂包括但不限于仅包括沸石材料、诸如钼族金属的催化性金属、镓和/或诸如银、金、钒、锌、 钛、锡、铋、钴、钼、钨、铟的催化金属及其混合物。在一个备选实施例中，NOx减少元件312使用氢基还原剂，诸如H2。典型地，用于具有H2或烃作为还原剂的NOx减少元件312中的稀有金属催化剂对于与具有氨作为还原剂的NOx减少元件312相同的NOx去除效率要求较低的温度。然而，使用吐或烃还原剂使得在将NOx降解或氧化或两者之前能够有较低的最大温度。因此，在一些实施例中，稀有金属催化剂定位成在较低温度操作环境中更靠近HRSG116 的排放。
另外，在该示例性实施例中，HRSG 116包括在NOx减少元件312的下游成流动连通而联接的低压热交换器314。此外，在该示例性实施例中，低压热交换器314将包括大约 9ppm NOx和5ppm NH3的排放气体冷却到大约150° F的温度。
在该示例性实施例中，控制器316例如联接到HRSG 116上。控制器316控制第二管式燃烧器306的启动和/或性能。例如，在联合循环发电设备100(图1中所示)的启动期间，控制器316启动第二管式燃烧器306以加热排放气体流，从而利于在排放气体被经由烟囱122释放到大气中之前将NOx还原成例如NO和N02。设备100的启动可为热启动、半热态启动或冷启动的任何一种。管式燃烧器306可在燃气涡轮机启动的吹扫阶段操作。在一些实施例中，控制器316导致第二管式燃烧器306在任何瞬态操作阶段或负载或低速期间加热排放空气流，以利于通过将排放气体加热到足以将NOx降低到期望排放水平的温度而增加NOx的减少。
在一些实施例中，用语“控制器”通常指任何可编程系统，包括计算机、系统、微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路以及能够执行如本文所述功能的任何其他电路或处理器。上述示例仅为示例性的，并且因而不意图以任何方式限制用语控制器的定义和/或含义。
尽管本发明联系示例性发电系统环境进行了描述，但本发明的实施例可与多种其他通用或专用发电系统或构造一起操作。发电系统环境并非旨在暗示关于本发明的任何方面的使用范围或功能性的任何限制。此外，发电系统环境不应解释为具有与示例性操作环境中图示的部件的任何其中一个或组合相关的任何依赖性或要求。
以下的表格1提供了来自燃气涡轮发动机106的排放气体流在第一管式燃烧器 302上游318、高压热交换器304下游320、高压蒸发器208下游322、⑶催化剂308下游 324、喷射装置310下游326、N0x减少元件312下游328以及低压热交换器314下游330处的示例性、典型、非限制性温度和排放物浓度。
HRSG中排放气体的温度和排放物含量
权利要求
1.一种热回收蒸汽发生器(HRSG) (116)，其联接到排出排放气体流的燃气涡轮发动机 (106)上，排放气体包括氮氧化物(而。，所述!11 6(116)包括用于加热所述排放气体的至少一个管式燃烧器(306)；以及至少一个NOx减少元件(312)，其在所述至少一个管式燃烧器(306)的下游联接，并构造成利于减少被引导到所述至少一个NOx减少元件(312)中的排放气体中的NOx的量。
2.根据权利要求1所述的HRSG(116)，其特征在于，所述至少一个管式燃烧器(306)构造成基于所述至少一个管式燃烧器(306)的上游的所述排放气体的温度而选择性地起动。
3.根据权利要求1所述的HRSG(116)，其特征在于，所述至少一个管式燃烧器(306)构造成将所述排放气体加热至高于大约500华氏度的温度。
4.根据权利要求1所述的HRSG(116)，其特征在于，所述至少一个管式燃烧器(306)构造成在启动阶段、关机阶段以及在NOx催化剂入口处具有对于期望NOx减少不足排放温度的负载条件中的任何一个期间加热所述排放气体。
5.根据权利要求1所述的HRSG(116)，其特征在于，所述管式燃烧器(306)包括多个燃料回路(414)。
6.根据权利要求1所述的HRSG(116)，其特征在于，所述HRSG(116)还包括在所述至少一个管式燃烧器(306)的下游并在所述至少一个NOx减少元件(312)的上游联接的喷射装置(310)，其中所述喷射装置(310)构造成将还原剂喷入所述排放气体以利于NOx还原反应。
7.根据权利要求1所述的HRSG(116)，其特征在于，所述排放气体流还包括一氧化碳 (CO)，所述HRSG (116)还包括在所述至少一个管式燃烧器(306)的下游并在所述喷射装置 (310)的上游联接的CO氧化催化剂元件(308)。
8.根据权利要求1所述的HRSG(116)，其特征在于，所述HRSG(116)还包括在所述至少一个管式燃烧器(306)的上游联接的第一热交换器(304)；以及在所述第一热交换器(304)的上游联接的至少一个第二管式燃烧器(302)。
9.根据权利要求8所述的HRSG(116)，其特征在于，所述HRSG(116)还包括在所述至少一个NOx减少元件(312)的下游联接的第二热交换器(314)。
10.一种联合循环发电设备，包括燃气涡轮发动机(106)，其构造成燃烧空气中的燃料以产生轴功率以及包括氮氧化物 (NOx)的排放气体流；以及与所述燃气涡轮发动机(106)成流动连通而联接的热回收蒸汽发生器(HRSG) (116)， 所述HRSG (116)包括用于加热所述排放气体的至少一个管式燃烧器(306)；以及至少一个NOx减少元件(312)，其在所述至少一个管式燃烧器(306)的下游联接，并构造成利于减少被引导到所述至少一个NOx减少元件(312)中的排放气体中的NOx的量。
全文摘要
本发明涉及用于减少排放物的装置及组装方法，具体而言，一种热回收蒸汽发生器(HRSG)(116)联接到构造成燃烧空气中的燃料以产生轴功率以及包括氮氧化物(NOx)的排放气体流的燃气涡轮发动机(106)上。该HRSG(116)包括用于加热排放气体的至少一个管式燃烧器(306)和至少一个NOx减少元件(312)，该至少一个NOx减少元件(312)联接到该至少一个管式燃烧器(306)的下游，并构造成促进减少被引导到该至少一个NOx减少元件(312)中的排放气体中的NOx的量。
文档编号F22B1/18GK102537915SQ20111034491
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月28日 优先权日2010年10月29日
发明者G·O·克雷默, P·T·马克斯, R·F·霍斯金 申请人:通用电气公司