专利名称：处理含氨废气的方法
技术领域：
本发明涉及一种使用氧化催化剂减少燃烧废气及其它废气流中氨排放物(emissions)的方法。更具体地说，本发明涉及减少选择性催化还原(“SCR”)系统下游未反应的氨，并同时减少其它气态污染物。本发明使用基于贵金属如Pt、Pd或Ru的催化剂，由此将氨氧化，制造一种或多种具有更高氧化态氮的反应产物，优选元素氮，其次是其它种类如一氧化二氮、一氧化氮或二氧化氮。通过优化催化剂操作条件如温度和空速可以增加该方法降低未反应氨的效率。
背景技术：
SCR系统是已知的用于控制来自固定燃烧源的氮氧化物排放物(NO和NO2，本文中统称为“NOX”)的方法。SCR系统通常包括向在催化剂表面上与氮氧化物反应的废气流中加入化学试剂。反应的主要产物是元素氮(N2)。然而，也会形成少量副产品如一氧化二氮(N2O)。
最常用于SCR系统的化学试剂包括氨NH3和尿素(NH2)2CO。这两种试剂具有相似的将NOX转化为分子氮的机理。使用氨注入的SCR工艺根据以下化学方程式进行和理想地，SCR工艺的产物应该只包括元素氮和水分(H2O)。然而，在实践中，例如，由于排放物没有完全扩散到有效的催化活性部位上，或由于有限的反应时间而没有与催化剂完全反应、在SCR步骤的过程中没有完全混合等，使得工艺效率小于100％。这些不理想的环境总是造成至少一些未反应的氨在SCR系统的出口处被释放。未反应的氨，通常称为“氨逸出物(ammonia slip)”，如果释放到大气中，可能造成各种有害的影响，因为其对人体健康有毒性，并且其易于与其它大气组分反应，导致形成降低大气能见度并造成不利于人体健康作用的颗粒。因此，理想的是在任何SCR系统的出口处减少或消除氨逸出物。
发明内容
本发明提供一种新的减少燃烧废气或其它废气流中氨排放物的方法利用在战略上位于SCR系统催化剂下游的额外催化剂，该催化剂能够将氨逸出物转化为无害物质，理想的是元素氮。通过使用某些为固定燃烧源的大气污染控制而开发的常规工艺组分和硬件也可以降低使用本发明的示范性系统的成本。
在某些方面，本发明包括一种处理由配备有选择性催化还原(“SCR”)系统的固定燃烧源产生之废气的方法使来自SCR系统下游的未反应气态氨经受氧化催化剂以生产具有高于氨的氧化态的反应产物如元素氮、一氧化二氮、一氧化氮或二氧化氮。
在处理非燃烧应用中产生的废气流的应用中可以使用本发明。在燃烧和非燃烧的实施方案中，都可以通过与氧化催化剂直接接触而显著减少氨及其它X-NHi化合物的排放物(其中，X表示含C、H、O或N原子的化合物部分，i＝0、1、2、3、4)。即，废气流中的X-NHi化合物在氧化催化剂上与氧反应，导致具有高于X-NHi化合物的氧化态的氮的反应产物。典型地，氨和其它X-NHi化合物来源于氧化催化剂上游的废气流中存在的含氮试剂，如无水氨、氨水、尿素、三聚氰酸、胺、合成气、工艺气体、生物或含氮燃料。
图1是说明与常规氧化催化剂一起使用氨注入的现有技术SCR方法的示意图；图2是根据本发明的处理含氨废气的示范性方法的第一个实施方案的示意图；和图3是根据本发明的处理合氨废气的示范性方法的第二个实施方案的示意图。
具体实施例方式
本发明使用安装在SCR系统催化剂下游的氧化催化剂显著减少了SCR系统出口处的未反应氨逸出物。对于在废气流中含有至少一些氧的燃烧源，优选的氧化催化剂包括将氨(氨中的氮的氧化态“OS”为-3)氧化为具有更高氧化态的氮类如元素氮N2(OS＝0)、一氧化二氮N2O(OS＝+1)、一氧化氮NO(OS＝+2)和二氧化氮NO2(OS＝+4)的贵金属。如上所述，理想的是使氨逸出物最大转化为元素氮，并使其它含氮类物质的形成最少。描述氨逸出物氧化的化学反应包括以下方程
正如本领域技术人员会理解的，将氨转化为具有不同氧化态的产物包括不同的工艺条件，这部分取决于反应中使用的特定贵金属催化剂。将氨氧化至更高氧化态(例如，OS从+1到+4的氮氧化物)通常需要比将氨氧化为N2所需温度高的温度。因此，应该优化将氨转化为N2的温度，即保持足够高以在选择的催化剂上保持氨转化为N2的高速率，但又足够低以防止将氨转化为不合乎需要的氮氧化物。存在这样的工艺条件，在这些条件下，可以有选择地将大部分氨转化为氮而不形成大量的氮氧化物。
使用本发明的示范性氨至N2氧化系统的一个已知应用包括处理来自燃气轮机的废气，由此SCR系统与氨试剂共同使用。下面的图1描绘了控制NOX排放物的常规方法。因为来自燃气轮机的巨大废气流速，所以重要的是减少排放到大气中的氨量，优选低于百万分之一(1ppm)以使任何不利的环境影响最小。示范性除氨系统的其它潜在应用包括处理来自燃烧天然气、汽油、柴油、油、煤炭、生物燃料、废弃物或其它化石、可更新的或合成燃料的内燃机、工业和电站锅炉或其它固定燃烧废气源的废气。
图1中说明了现有技术燃气轮机系统用排放控制系统，其通常以10来描述。位于氨注入栅(ammonia injection grid)12上游的氧化催化剂11使用置于炉管14与氨注入栅12下游之间的SCR催化剂13除去一氧化碳(CO)及其它有害的空气污染物。
图2说明了本发明的一个示范性实施方案，其通常以20来说明。将氧化催化剂21置于SCR系统23的下游以控制CO排放物和有害的空气污染物，同时将来自SCR系统23的氨逸出物优选氧化为元素氮。氨注入和炉管分别表示为22和24。图2的实施方案假设，CO对SCR性能没有显著的有害作用。
也已发现，用于除去氨，特别是优选转化为元素氮(而不是转化为氮氧化物)的氧化催化剂的性能是随温度而变的。即，高温有利于形成氮氧化物，而较低的温度倾向于降低催化反应的速率。正如本领域技术人员会理解的，对于不同的催化系统，可以确定有利于由氨逸出物形成元素氮的中间最佳温度。即使在中间温度下，也可以形成一些N2O和NO。然而，通过选择合适的工艺条件，即反应温度、空速和特定的催化剂组成可以使该量最小。
通常，氧化催化剂的操作温度应该保持接近于SCR催化剂的操作温度。对于大多数贵金属，已经发现氧化催化剂温度应该为约105-350℃，最高操作温度范围为约100-700℃。也已发现，可接受的催化剂空速为约5,000-150,000hr-1。
图3说明了本发明的另一个示范性实施方案(通常以30来说明)，其中将氧化催化剂31放得离SCR系统33的下游足够远，从而提供有利于将氨低温转化为元素氮的操作温度，同时保持该温度足够高以相对于其它氮类物质有效将氨氧化为元素氮。
如上所述，在本发明中使用的示范性氧化催化剂基于贵金属，优选铂和/或钯，但可以包括其它贵金属(例如铑或钌)。由于它们高的反应性，已经发现这些贵金属对氧化来自固定燃烧源的废气中的CO、H2和有机化合物非常有效。特别是，这些催化剂能够在较宽的温度范围内以接近100％的效率将未燃烧的燃料转化为CO2和H2O。因此，可以将它们在SCR下游的废气流中的位置调节至最佳温度，由此使氨转化为元素氮的反应最大化。
对于特定的氧化催化剂，也已确定各种最佳温度和工艺条件如氧浓度和空速以使反应效率最大。筛分氧化催化剂以使除氨活性最大。另外，这些氧化催化剂可以与不同的添加剂并以不同的组成组合，从而使氨的除去最大。本领域技术人员也将理解可以改变反应条件来提高效率。
尽管图2和3中描绘的除氨工艺通常用于具有在废或废弃工艺气流中产生氨的燃烧工艺的SCR系统，但该工艺可以调整以在非燃烧、非SCR系统应用中使用，即用于具有废或废弃的、含氨和未燃烧燃料如CO、H2和有机化合物的工艺气流的其它工艺。
虽然已经结合目前考虑是最实用且优选的实施方案描述了本发明，但应该理解，本发明不限于公开的实施方案，而相反地，其覆盖附加的权利要求书的精神和范围内包含的各种改进和等同配置。
燃汽轮机系统 10氧化催化剂 21、31氨注入栅 12炉管 14SCR系统 23、33氨注入 22炉管 2权利要求
1.一种方法，用于处理由配备有选择性催化还原(“SCR”)系统(23、33)的固定燃烧源产生的度气，并用于减少所述SCR系统(23、33)下游的氨的排放物，所述方法包括使氨排放物经受所述SCR系统(23、33)下游的氧化催化剂(21、31)，由此未反应的气态氨在所述氧化催化剂(21、31)上与氧反应，以生产具有更高氧化态氮的反应产物。
2.根据权利要求1的方法，其中所述反应产物包括元素氮、一氧化二氮、一氧化氮或二氧化氮中的至少一种。
3.根据权利要求1的方法，其中所述氧化催化剂(21、31)减少一氧化碳、氢、烃或醛中的至少一种排放物，同时减少所述氨的排放物，或者在氧的存在下，所述氧化催化剂(21、31)将氨基本转化为元素氮。
4.根据权利要求1的方法，其中所述氧化催化剂(21、31)的操作温度基本上与所述SCR催化剂系统(23、33)的操作温度相同，并且其中所述氧化催化剂(21、31)在约100-700℃的温度下操作。
5.根据权利要求1的方法，其中所述固定燃烧源包括燃气轮机、气体发动机、工业锅炉或电站锅炉中的至少一种，所述固定燃烧源使用包括天然气、汽油、柴油、油、煤炭、生物燃料、废弃物、化石、可更新或合成燃料的燃料。
6.根据权利要求1的方法，其中所述氧化催化剂(21、31)包括一种或多种贵金属，包括但不限于铂、钯、钌或铑和它们的合金中的至少一种。
7.根据权利要求1的方法，其中所述催化剂空速为约5,000-150,000hr-1。
8.一种方法，用于处理在配备有选择性催化还原(“SCR”)系统(23、33)的非燃烧应用中产生的度气流，所述方法包括通过将氧化催化剂(21、31)放在所述SCR系统(23、33)的下游来减少所述SCR系统(23、33)下游的氨排放物，由此未反应的气态氨与氧在所述氧化催化剂(21、31)上反应，从而生产具有其氧化态比氨高的氮的反应产物。
9.一种方法，用于处理在燃烧或非燃烧应用中产生的废气流，包括减少氨及其它X-NHi化合物的排放物，其中X＝含C、H、O或N原子的化合物部分，i＝0、1、2、3、4，通过使所述X-NHi化合物与氧在所述氧化催化剂(21、31)上反应，由此所述反应的产物具有其氧化态高于所述X-NHi化合物的氮。
10.根据权利要求9的方法，其中所述氨及其它X-NHi化合物来源于一种或多种含氮试剂，包括存在于所述氧化催化剂(21、31)上游的所述度气流之中的无水氨、氨水、脲、三聚氰酸、胺、合成气、工艺气体、生物燃料或含氮燃料。
全文摘要
一种使用氧化催化剂(21、31)减少在燃烧废气及其它废气流中氨排放物的方法，由此在选择性催化还原(“SCR”)系统(23、33)下游减少未反应氨(氨“逸出”物)，同时减少其它气态污染物。本发明应用基于贵金属如Pt、Pd或Ru的催化剂，因此在有氧的存在下将氨氧化为具有更高氧化态氮的物质，优选元素氮N
文档编号B01D53/86GK1743052SQ20051008856
公开日2006年3月8日 申请日期2005年8月4日 优先权日2004年8月4日
发明者B·N·埃特尼尔, V·扎曼斯基, W·R·西克尔, G·C·恩格兰德 申请人:通用电气公司