專利名稱：通過支流尿素分解實現(xiàn)的no的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新的NOx的選擇催化還原，能通過從主流中分離出的支氣流或用于使尿素分解成其活性組分包括氨的熱空氣的支流而實現(xiàn)。
背景技術(shù)：
許多管轄范圍內(nèi)已努力減少氮的氧化物(NOx)的排放。所述技術(shù)包括更改燃燒條件和燃料的那些(稱為主要措施)和處理燃燒后廢氣的那些(稱為輔助措施)。采用有效的主要措施時，仍可采用輔助措施進一步降低。看來要最好地減少NOx，主要措施和輔助措施都是必要的。
已知的輔助措施是選擇催化還原(SCR)和選擇性非催化還原(SNCR)。這兩種方法都已用氨和尿素進行。參見例如US3 900 554，其中Lyon公開了燃燒廢氣中一氧化氮(NO)的SNCR，通過向燃燒廢氣中注射氨、特殊的氨前體或其水溶液在1600至2000范圍內(nèi)的溫度下與一氧化氮混合。Lyon還建議使用還原劑如氫或各種烴，從而可在低至1300的廢氣溫度下有效利用氨。但這些溫度通常太高而無法有效處理，難以安全地處理氨，而且SNCR不如SCR有效。Arand，Muzio，and Sotter在US4 208 386中和Arand，Muzio，andTeixeira在US4325924中教導了針對尿素的類似方法。溫度也很高，不能使用較低的溫度。
SCR可在較低溫度(一般在100至900范圍內(nèi))下用氨操作。在此方面，參見US3 032 387和3 599427。SCR(選擇催化還原)在某些范圍內(nèi)用于減少NOx已有多年。但迄今為止，SCR依靠使用氨，它有與儲存、操作和運輸相關(guān)的安全問題。尿素更安全，但對于許多SCR應(yīng)用尚不可行，因為難以使之由固體或水溶液形式轉(zhuǎn)化成可在催化劑床上反應(yīng)用于NOx還原的活性氣態(tài)物質(zhì)。而且，在試劑的經(jīng)濟性方面，無水氨優(yōu)于尿素。在“A SelectiveCatalytic Reduction of NOxfrom Diesel Engines Using Injection of Urea”(Ph.D.thesis，1995年9月)中，Hultermans描述了柴油發(fā)動機方面的許多技術(shù)課題，同時給出了寬闊的技術(shù)背景。
用于利用尿素使NOx還原的催化劑的使用是有效的，但對可能污損催化劑的顆粒和未分解的尿素敏感。在此方面，必須記住所述SCR處理溫度范圍下端的溫度將不足以使尿素完全氣化。此外，SCR要求在與催化劑接觸之前非常均勻地混合活性氣態(tài)物質(zhì)，而使尿素或其分解產(chǎn)物與大量需要處理的廢氣均勻混合很難。近來授予Hug等的幾篇專利包括US5431893中描述了尿素SCR用于固定和移動源如柴油發(fā)動機的有限嘗試。為防止催化劑污損，Hug等提出了能用尿素處理所有廢氣的龐大設(shè)備。不管物理形式如何，尿素需要時間在熱的廢氣中分解，在最益于氣化的溫度下可能導致噴嘴堵塞。突出的問題是必須使尿素溶液保持在低于100℃的溫度下以防止在注射設(shè)備中水解。它們提出在供給尿素時用使用適度的尿素壓力，發(fā)現(xiàn)進料管被堵塞時需要有替換手段向進料管中引入高壓空氣。Hug等所用噴嘴利用輔助空氣輔助分散。而且，它采用稀溶液，需要大量供熱使所述水蒸發(fā)。還參見WO97/01387和EP487 886A1。
EP615 777A1中描述了一種裝置，將固體尿素供入含有廢氣的通道中，據(jù)說在催化劑存在下使之水解。該文獻中指出為成功地操作，必須使用水解催化劑、用于分散細固體的壓縮空氣、將尿素研磨成細固體的裝置和防止尿素顆粒粘連在一起的涂料。該文獻提到如果僅催化器內(nèi)和噴嘴出口端涂有催化劑，將發(fā)生腐蝕和沉積。盡管達到從所述工藝中除去水的目的，但該說明書將固體尿素引入氣流中-可能使尿素沉積在SCR催化劑上。
US6 146 605(Spokoyny)中描述了一種SCR/SNCR聯(lián)合法，在多級法中涉及在SCR步驟之前使尿素水解的獨立步驟。US5 985 224和6 093380(Lagana等)中公開了一種類似的方法，描述了涉及使尿素水解然后使氣相與液體水解產(chǎn)物相分離的方法和設(shè)備。Copper等在US6077491中也公開了一種尿素水解產(chǎn)生氨的方法。所有這些方法中，在水解期間和之后都需要處理大量含有氨的高溫高壓氣相和液相。此額外處理需要購買和維護附加的設(shè)備、發(fā)生工藝故障情況下的應(yīng)急計劃和裝備，需要有更安全、簡單和有效地操作的系統(tǒng)。
本領(lǐng)域期待開發(fā)可簡單、可靠、經(jīng)濟且安全地在SCR法中使用尿素的方法和設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種實現(xiàn)用于用尿素作試劑通過SCR使NOx還原的活性氣態(tài)反應(yīng)物的均勻混合的實用方法，和確保所述氣體處于適合于有效NOx還原的適當溫度下的新工藝布置。
本發(fā)明的新設(shè)計能使尿素氣化并與含NOx的燃燒氣充分混合，可有利地利用所述燃料氣的焓(需要時可補充)使尿素轉(zhuǎn)化成SCR試劑如氨。將尿素(在高于140℃的溫度下分解)注入支流，在其中使之氣化并與其它氣體混合。一種很有效的布置中，所述支流是在主過熱器或節(jié)熱器之后分出的燃料氣流。理想地，所述支流在不需進一步加熱的情況下使所述尿素分解；而需要加熱時，比加熱全部廢氣所需熱量低得多。取決于溫度，此支流(典型地低于所述燃料氣的3％)為尿素的完全氣化和所述含試劑的支流充分混入主流提供所需焓和動量。
混合裝置如旋風分離器、靜態(tài)混合器或鼓風機可在再注入主流之前更充分地混合所述試劑和燃料氣。旋風分離器的優(yōu)點在于它還可除去可能存在的顆粒。然后可用高溫鼓風機使含有氣化尿素的支流射向SCR催化劑之前的注射格柵。渦流混合器或其它類型的靜態(tài)混合器可安裝在注射格柵下游使支流與主流充分混合。由于支流的質(zhì)量比傳統(tǒng)氨-SCR法中通過AIG注射的量高一個數(shù)量級，從而有利于與燃料氣混合。
此新方法和完成此方法的設(shè)備在不需試劑載體空氣或單獨用于加熱和使尿素水解的附加熱源的情況下利用尿素試劑的易處理特征，用支流氣體提供高度的NOx還原所需充分混合。
根據(jù)本發(fā)明一實施方案，從來自燃燒室的主廢氣流中分出支流，在足以使尿素完全分解或以其它方式氣化成活性氣體物質(zhì)的溫度下將尿素注入所述支流中。
根據(jù)本發(fā)明另一實施方案，在最終處理之后從來自燃燒室的主廢氣流中分出支流，在足以使尿素充分氣化成活性氣體物質(zhì)的溫度下將尿素注入所述支流中。
根據(jù)本發(fā)明再另一實施方案，從燃燒室之外的源引入支流，在足以使尿素充分氣化成活性氣體物質(zhì)的溫度下將尿素注入所述支流中。
根據(jù)本發(fā)明另一實施方案，從來自燃燒室的主廢氣流中分出支流并向其中注入尿素，然后兩物流混合通過旋風分離器實現(xiàn)完全混合和顆粒分離。
本發(fā)明另一實施方案中，從來自燃燒室的主廢氣流中分出支流，在加熱和注入尿素之前通過旋風分離器。
本發(fā)明再另一實施方案中，從來自燃燒室的主廢氣流中分出支流，將所述支流加熱，在通過旋風分離器之前注入尿素。
本發(fā)明的一種備選實施方案利用空氣流、通過燃料氣-空氣換熱器預(yù)熱的空氣、或預(yù)熱的燃燒空氣流，將所述氣流進一步加熱并與尿素混合，然后所得氣流通過混合器(需要時)和注射格柵，與來自燃燒室的廢氣流混合通過SCR反應(yīng)器。
這些實施方案中，都可用水蒸汽確保氨的產(chǎn)量最高和作為補充熱源用于氣化或保持催化劑的溫度。而且，在這些實施方案中含有活性SCR試劑的支流都可通過傳統(tǒng)氨-SCR法中適當設(shè)計的注氨格柵(AIG)再引入主燃料氣流中。此外，在所要求的溫度下適用于供應(yīng)空氣或燃燒氣的鼓風機可位于尿素注射之前或之后(無論哪個更適于應(yīng)用)以提供足夠的壓力將所述支流再引入主燃料氣流中。
下面描述本發(fā)明的許多優(yōu)選方面。預(yù)料等效的組合物。
本發(fā)明的目的通過以下實現(xiàn)1.一種降低燃燒氣流中氮的氧化物的濃度的方法，包括提供至少140℃溫度的氣體支流；將尿素水溶液在能使所述尿素水溶液氣化的條件下加入所述支流中；將含有所述尿素氣化所得氣體的所述氣體支流加入體積比所述支流大的含NOx的氣體主流中產(chǎn)生混合氣流；和使所述混合氣流在能降低所述混合氣流中NOx濃度的條件下通過NOx還原催化劑。
2.條目1的方法，其中所述支流包括從燃燒氣流中分出的燃燒氣以產(chǎn)生所述支流和所述主流。
3.條目1的方法，其中所述支流包括外部空氣。
4.條目1的方法，其中所述支流包括在所述混合氣流通過所述NOx還原催化劑之后從所述混合氣流中取出的氣體。
5.條目1-4之任一的方法，其中加入所述尿素水溶液之前將所述氣體支流加熱至至少200℃的溫度。
6.條目1-4之任一的方法，其中所述尿素溶液以使NSR為0.1至2.0的相對于通過所述NOx還原催化劑之前所述混合氣流中NOx濃度的一速率加入。
7.條目1-4之任一的方法，其中所述尿素水溶液的濃度為5至70％。
8.條目1-4之任一的方法，其中用水蒸汽加熱所述支流以促進所述尿素的氣化。
9.條目1-4之任一的方法，其中將含有所述尿素氣化所得氣體的所述氣體支流加入所述含NOx的氣體主流中產(chǎn)生混合氣流之前，使所述支流通過混合裝置。
10.條目1-4之任一的方法，其中在所述支流中的氣體通過減少顆粒裝置之后向所述支流中加入尿素。
11.條目1-4之任一的方法，其中所述尿素為固體試劑。
12.條目1-4之任一的方法，其中以使NSR為0.1至2.0的相對于通過所述NOx還原催化劑之前所述混合氣流中NOx濃度的一速率加入濃度為5至70％的尿素水溶液之前將所述氣體支流加熱至至少200℃的溫度，將含有所述尿素氣化所得氣體的所述氣體支流加入所述含NOx的氣體主流中產(chǎn)生混合氣流之前使所述支流通過混合裝置。
13.條目1-4之任一的方法，其中所述氣體支流占標準條件下所述混合氣流體積的10％以下。
14.一種降低燃燒氣流中氮的氧化物的濃度的方法，包括提供至少200℃溫度的氣體支流，所述支流包括從燃燒氣流中分出的燃燒氣以產(chǎn)生所述支流和主流，其中所述氣體支流占標準條件下所述燃燒氣體體積的10％以下；將尿素水溶液在能使所述尿素水溶液氣化的條件下加入所述支流中，所述尿素的濃度為5至70％，以使NSR為0.1至2.0的相對于通過所述NOx還原催化劑之前所述混合氣流中NOx濃度的一速率加入；將含有所述尿素氣化所得氣體的所述氣體支流加入體積比所述支流大的含NOx的氣體主流中以產(chǎn)生混合氣流；和使所述混合氣流在能降低所述混合氣流中NOx濃度的條件下通過NOx還原催化劑。
15.一種降低燃燒氣流中氮的氧化物的濃度的方法，包括提供至少200℃溫度的氣體支流，所述支流包括從燃燒氣流中分出的燃燒氣以產(chǎn)生所述支流和主流，其中所述氣體支流占標準條件下所述燃燒氣體體積的10％以下；將尿素水溶液在能使所述尿素水溶液氣化的條件下加入所述支流中，所述尿素的濃度為5至70％，以使NSR為0.1至2.0的相對于通過所述NOx還原催化劑之前所述混合氣流中NOx濃度的一速率加入；將含有所述尿素氣化所得氣體的所述氣體支流加入體積比所述支流大的含NOx的氣體主流中以產(chǎn)生混合氣流；和使所述混合氣流在能降低所述混合氣流中NOx濃度的條件下通過NOx還原催化劑；其中包含在所述支流中的所述燃燒氣是從通過所述NOx還原催化劑之后的所述混合氣流中分出的。
16.一種降低燃燒氣流中氮的氧化物的濃度的方法，包括提供至少200℃溫度的氣體支流，其中所述氣體支流占標準條件下所述燃燒氣體體積的10％以下，由所述燃燒氣之外的來源供應(yīng)；將尿素水溶液在能使所述尿素水溶液氣化的條件下加入所述支流中，所述尿素的濃度為15至70％，以使NSR為0.1至2.0的相對于通過所述NOx還原催化劑之前所述混合氣流中NOx濃度的一速率加入；將含有所述尿素氣化所得氣體的所述氣體支流加入體積比所述支流大的含NOx的氣體主流中以產(chǎn)生混合氣流；和使所述混合氣流在能降低所述混合氣流中NOx濃度的條件下通過NOx還原催化劑。
17.一種用于降低燃燒氣流中氮的氧化物的濃度的設(shè)備，包括用于輸送至少140℃溫度的氣體支流的導管；用于將NOx還原劑的水溶液在能使所述NOx還原劑水溶液氣化的條件下加入所述支流中的裝置；用于將含有所述NOx還原劑氣化所得氣體的所述氣體支流加入體積比所述支流大的含NOx的氣體主流中以產(chǎn)生混合氣流的裝置；和用于使所述混合氣流在能降低所述混合氣流中NOx濃度的條件下通過NOx還原催化劑的裝置。
18.條目17的設(shè)備，其中設(shè)有用于從燃燒氣流中分出支流產(chǎn)生所述支流和所述主流的裝置。
19.條目17的設(shè)備，其中設(shè)有用于加入外部空氣作為所述支流的裝置。
20.條目17的設(shè)備，其中設(shè)有用于從通過所述NOx還原催化劑之后的所述混合氣流中取出氣體形成所述支流的裝置。
21.條目17-20之任一的設(shè)備，其中設(shè)有在加入所述尿素水溶液之前將所述氣體支流加熱至至少200℃的溫度的裝置。
22.條目17-20之任一的設(shè)備，其中設(shè)有以使NSR為0.1至2.0的相對于通過所述NOx還原催化劑之前所述混合氣流中NOx濃度的一速率加入尿素溶液的裝置。
23.條目17-20之任一的設(shè)備，其中設(shè)有加入濃度為5至70％的尿素溶液的裝置。
24.條目17-20之任一的設(shè)備，其中設(shè)有用水蒸汽加熱所述支流促使所述NOx還原劑氣化的裝置。
25.條目17-20之任一的設(shè)備，其中所述氣體支流中設(shè)有混合裝置。
26.條目17-20之任一的設(shè)備，還包括顆粒去除裝置，所述支流取自所述顆粒去除裝置下游的廢氣。
27.條目17-20之任一的設(shè)備，其中尿素為固體試劑。


從以下詳細描述特別是結(jié)合附圖理解時將更好地理解本發(fā)明，而且其優(yōu)點將更顯而易見，其中圖1為本發(fā)明一實施方案的示意圖，其中從來自燃燒室的主廢氣流中分出支流，在足以使尿素完全分解成活性氣體物質(zhì)的溫度下將尿素注入所述支流中。鼓風機(可位于尿素注射之前或之后)提供足夠的壓力以將所述支流引入所述主流。用注射格柵或傳統(tǒng)的注氨格柵使所述試劑在SCR反應(yīng)器之前徹底分布在所述主流中。
圖2為本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中從來自燃燒室的主廢氣流中分出支流，設(shè)置燃燒器或加熱燃料氣的其它裝置使所述支流升溫足以使尿素完全分解成活性氣體物質(zhì)，向所述支流中注入尿素，在所述支流中使尿素分解或以其它方式氣化。
圖3為本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中從來自燃燒室的主廢氣流中分出支流，將尿素注入所述支流中并可選地加熱，然后兩物流混合通過旋風分離器實現(xiàn)完全混合和顆粒分離。
圖4為本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中從來自燃燒室的主廢氣流中分出支流，在加熱和注入尿素之前通過旋風分離器，借助鼓風機使所述支流前進通過注射格柵。
圖5為本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中從來自燃燒室的主廢氣流中分出支流，在通過旋風分離器之前加熱并注入尿素。
圖6為本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中將空氣流加熱并向其中注入尿素，然后使所得物流通過混合器(需要時)和注射格柵，與來自燃燒室的廢氣流混合，通過SCR反應(yīng)器。
圖7為與圖6相似的本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中用水蒸汽作為熱源。
圖8為與圖7相似的本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中在引入尿素之前引入水蒸汽。
圖9為本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中所述支流由在所述SCR反應(yīng)器中處理后的燃燒氣形成，所得氣流被加熱并注入尿素。
圖10為本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中所述支流由在SCR反應(yīng)器和顆粒收集裝置如ESP、袋濾器或旋風分離器中處理之后的燃燒氣形成，所得氣流被加熱并注入尿素。
圖11為圖6的尿素注射的改型，其中代替注射尿素水溶液，用風動空氣載氣注射精細地研磨、粉碎或微粉化的固體尿素。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種尿素基SCR法，可有利地利用燃料氣的焓(需要時可補充)使尿素轉(zhuǎn)化成氨。有幾種實施方案，將以其優(yōu)選形式描述。但所述實施方案的各種特征可與除具體詳述的那些特征之外的實施方案組合使用。所有附圖中相同元件和附圖特征將有相同的標記。
此新方法利用尿素試劑易處理的特征，用支流氣體提供完全氣化和良好的混合以提供高度NOx還原所需充分混合。在特別有利的實施方案中，氣化所需熱量來自所述燃燒氣的焓。
該方法可用尿素實施，但也可利用加熱時能產(chǎn)生含氨反應(yīng)物氣體的其它NOx還原劑。如后面所顯示，某些此試劑氣化時，所述反應(yīng)物氣體還含有與水反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氨和二氧化碳的HNCO。本發(fā)明的優(yōu)點在于可在不使有堵塞噴嘴和其它設(shè)備的危險的所述NOx還原劑預(yù)先水解的情況下容易地實現(xiàn)。本文中術(shù)語“氣化”意指基本上所有尿素都轉(zhuǎn)化成氣體，未留下顯著的溶解的或游離的固體或液體與SCR催化劑接觸而使之污損。
術(shù)語“尿素”意指包括在加熱時生成氨和HNCO的意義上與尿素等效的試劑，不論引入燃燒氣的形式中是否含有大量純化學尿素；但與尿素等效的試劑在其商購形式中典型地含有可測量的尿素因而包括尿素?？蓺饣腘Ox還原劑是包括選自以下的那些氰尿酰胺；氰尿二酰胺；碳酸銨；碳酸氫銨；氨基甲酸銨；氰酸銨；無機酸包括硫酸和磷酸的銨鹽；有機酸包括甲酸和乙酸的銨鹽；縮二脲；三脲，氰尿酸；異氰酸；脲甲醛；蜜胺；三氰基脲及其混合物。不生成HNCO但分解成包括烴的氣體混合物的其它NOx還原劑也可使用。此組中是各種胺及其鹽(特別是其碳酸鹽)，包括胍、碳酸胍、碳酸甲胺、碳酸乙胺、碳酸二甲胺、六甲胺；碳酸六甲胺；和來自化學過程的含有尿素的副產(chǎn)廢物。在釋放的烴組分不干擾所述NOx還原反應(yīng)的情況下可使用有較高烷基的胺。
因此術(shù)語“尿素”意指包括所有商購和等效形式的尿素。典型地，商購形式的尿素主要由尿素組成，含有95％(重)或更多尿素。此較純形式的尿素是優(yōu)選的，有本發(fā)明中的幾個優(yōu)點。
本發(fā)明另一優(yōu)點在于在根本不需使用氨的情況下，本文所述設(shè)備改善了SCR試劑包括氨的引入，從而即使其儲存問題還未完全解決也使其使用更可行。
所述尿素溶液以相對于通過所述NOx還原催化劑之前所述混合氣流中NOx濃度的一速率引入使NSR為約0.1至約2(取決于許多因素)，但更典型地在0.5至1.1的范圍內(nèi)。術(shù)語“NSR”意指尿素或其它NOx還原劑中氮當量與待處理燃燒氣中NOx中氮當量之比。
術(shù)語“燃燒室”意指廣義地包括燃燒碳質(zhì)燃料提供熱量例如直接或間接轉(zhuǎn)化成機械或電能的所有燃燒室。這些碳質(zhì)燃料可包括常用作燃料的烴以及可燃燒廢物如城市固體廢物、工業(yè)廢物等。燃燒器和鍋爐以及奧圖、狄塞爾和渦輪型內(nèi)燃發(fā)動機都包括在術(shù)語燃燒室的定義中，都可得益于本發(fā)明。但由于用氨作還原劑在燃燒室上成功實現(xiàn)可靠的NOx還原的問題和優(yōu)點如此顯著，此描述中以大規(guī)模燃燒室為例。但包括所有類型的靜止和移動燃燒室。但本發(fā)明不限于燃燒燃料氣?？傻靡嬗谕ㄟ^用于NOx還原的SCR反應(yīng)器的任何熱燃料氣都可得益于本發(fā)明。
圖1為本發(fā)明一實施方案的示意圖，其中從來自燃燒室的主廢氣流中分出支流，在足以使尿素完全分解或以其它方式氣化成活性氣體物質(zhì)的溫度下將尿素注入所述支流中。大規(guī)模燃燒室20燃燒燃料，導致產(chǎn)生氮的氧化物(NOx)必須至少部分地除去。在燃燒氣通過通道23及下游設(shè)備排放至大氣之前用所述燃燒氣加熱換熱器列22中的水。將尿素試劑加入支流中和使所述支流與主燃燒氣流(如后面所解釋)混合之后，混合裝置24是可選的。本文中術(shù)語“支流”用于意指相對于要用氣化的尿素和NOx還原催化劑26、26’和26”處理的燃燒氣的總體積而言體積較小的氣流。所述支流可通過從通道23中的全部燃燒氣流中分出支流部分28留下燃燒氣的主流29獲得。各實施方案中所述分離將在處理之前或之后進行。此外，所述支流可通過從燃燒室外部的來源中吸入空氣流形成。
催化劑26、26’和26”用在構(gòu)成反應(yīng)器的排列中，是本領(lǐng)域已知用于利用各種水解、氣化、熱解等形式的氨或尿素使NOx還原的SCR催化劑。適用的SCR催化劑是能在氨存在下使降低廢氣的氮氧化物濃度的那些。這些包括例如活性炭、沸石、氧化釩、氧化鎢、氧化鈦、氧化鐵、氧化銅、氧化錳、氧化鉻、貴金屬如鉑族金屬如鉑、鈀、銠和銥、或其混合物。本領(lǐng)域常用和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它SCR催化劑材料也可使用。這些SCR催化劑材料典型地安裝在載體如金屬、陶瓷、沸石或均質(zhì)整體結(jié)構(gòu)，但其它已知載體也可使用。
適用的SCR催化劑是下面所述那些典型的現(xiàn)有技術(shù)方法。用于使NOx還原的選擇催化還原法是公知的，利用各種催化劑。例如，在EP210 392中，Eichholtz和Weiler論述了在加氨的情況下用活性炭作催化劑除去氮的氧化物。Kato等在US4 138 469中和Henke在US4 393 031中公開了NOx的催化還原，用鉑族金屬和/或其它金屬如鈦、銅、鉬、釩、鎢或其混合物在加氨的情況下實現(xiàn)要求的催化還原。還參見EP487 886，其中指定V2O5/WO3/TiO2催化劑，工作范圍為220至280℃。其它鉑基催化劑可有甚至更低例如低至約180℃的操作溫度。
CA1 100 292(Knight)公開了另一種催化還原法，涉及使用沉積在耐火氧化物上的鉑族金屬、金、和/或銀催化劑。Mori等在US4 107 272中論述了NOx的催化還原，在加入氨氣的情況下使用釩、鉻、錳、鐵、銅和鎳的氧硫、硫酸鹽、或亞硫酸鹽化合物。
在多相催化體系中，Ginger在US4 268 488中公開使含有氮氧化物的廢氣在氨存在下接觸包含銅化合物如硫酸銅的第一催化劑和包含擔載在載體之上的金屬組合物如釩和鐵或鎢和鐵的硫酸鹽的第二催化劑。
最優(yōu)選在包括氣化尿素或其它試劑的燃燒氣處于至少約100℃、典型地在約180和約650℃之間、優(yōu)選至少約250℃以上的溫度的同時使含反應(yīng)物氣體的廢氣經(jīng)過SCR催化劑。這樣因所述試劑溶液氣化而存在于廢氣中的活性物質(zhì)最有效地促進氮的氧化物的催化還原和控制水的冷凝。所述廢氣典型地含有過量的氧，例如高達使碳質(zhì)燃料充分氧化所需氧的約15％。在上述任何SCR催化劑(引入本文供參考)的情況下利用本發(fā)明減少或消除運輸、儲存和處理大量氨或氨水的需要。
圖1中，使導管23中的全部燃燒氣流分流形成支流28和體積大于所述支流的主流29。在高于140℃的溫度下分解的尿素從存儲器30通過有適合閥34和控制器(未示出)的噴嘴32注入在主過熱器或節(jié)熱器(一般地表示為換熱器22)之后分出的燃料氣流28中。為達到使尿素或與尿素有關(guān)的NOx還原劑氣化的目的，典型地用高于約300℃的溫度實現(xiàn)氣化。
要求使尿素溶液保持在適合于儲存和處理而沒有沉淀或其它問題的濃度下。在有一定實用性的情況下可采用約5至70％的濃度，但更典型的是約15至約50％的濃度。本發(fā)明的優(yōu)點在于尿素溶液中的水量可單獨改變或隨著為適當控制支流中氣體溫度所加入的蒸汽改變。
此組中通過試劑氣化產(chǎn)生的氣體的溫度應(yīng)保持在防止其冷凝的水平。典型地所述溫度應(yīng)保持在至少約150℃、優(yōu)選至少200℃的溫度下。用于所述氣化和所述試劑產(chǎn)生氣體的傳遞的優(yōu)選溫度范圍是約300至約650℃。理想地，所述支流28在不需進一步加熱的情況下使尿素分解成活性物質(zhì)。此支流(例如所述燃料氣的0.1至25％)，典型地低于總?cè)紵龤?燃料氣)體積的10％、通常低于3％、例如0.1至2％，提供尿素完全分解所需焓和足以使支流28與主流29混合的動量，同時所述主流29可用于進一步換熱。
運送支流28的容器提供尿素分解所需時間和氣速。注射后，典型地提供1至10秒的停留時間使尿素完全分解并促進HNCO與水蒸汽之間的反應(yīng)形成氨。整個容器中保持至20ft/s的支流氣速以優(yōu)化容器尺寸，實現(xiàn)活塞流，增強支流中尿素滴的分散、蒸發(fā)和分解，減少液滴對容器壁的撞擊。內(nèi)通道和多壁是優(yōu)選的以達到最佳氣速并減小至外部環(huán)境的熱損失。所述優(yōu)化容器設(shè)計尤其可用公認的設(shè)計工具如計算的流體-動態(tài)模型導出。
尿素注射噴嘴32引入界限分明的液滴。可使用空氣輔助的霧化器或機械霧化器。為使尿素液滴迅速蒸發(fā)和分解要求液滴大小小于500微米但典型地小于100微米并優(yōu)選小于50微米?？紤]到容器大小，由例如超聲噴嘴產(chǎn)生的小而慢的液滴可能比大而快的液滴更理想。需要時，可加入蒸汽(此方面參見圖7-9)。然后使支流通向含有催化劑例如26、26’和26”的SCR反應(yīng)前面的注射格柵37(或其它適合的進料裝置如傳統(tǒng)的注氨格柵)。此實施方案中，用高溫鼓風機36為注氨格柵37提供適合的注射壓力例如約1psig或更低，此外也導致混合?；蛘撸嫠疚恢?，高溫鼓風機36可位于尿素噴嘴32上游。
有密布噴嘴的傳統(tǒng)注氨格柵37要求低達全部燃燒室燃料氣的0.1％作為所述支流。需要時可使用靜態(tài)混合器24?；蛘?，注射格柵37可包括較少的稀疏地放置的噴嘴或孔，利用位于下游的靜態(tài)混合器24獲得均勻分布。此備選設(shè)計可降低與注射格柵關(guān)聯(lián)的費用和維護。由于支流(例如所述燃料氣的1至2％)的質(zhì)量比傳統(tǒng)氨SCR法中通過注氨格柵(AIG)注射的高一個數(shù)量級，因而有益于與燃料氣的混合。因此，此實施方案提供了根據(jù)應(yīng)用需要選擇注射格柵類型的靈活性。
本發(fā)明此實施方案和其它實施方案的優(yōu)點在于因較大量的支流氣體在所述氣體引入SCR催化劑之前與尿素溶液混合，不需要明顯的混合步驟。許多情況下，特別是氣體體積波動較大的情況下，利于設(shè)置分一或多級混合氣體的裝置。適用的混合裝置是靜態(tài)混合器、旋風分離器、鼓風機和其它設(shè)計或?qū)崿F(xiàn)氣體混合的工藝設(shè)備。
本發(fā)明此實施方案的另一優(yōu)點在于通過使用由充分熱交換之前的燃燒氣組成的支流，利用所述氣體的焓通過與尿素水溶液直接換熱實現(xiàn)氣化。意外地，計算顯示僅在低載荷條件下(NOx還原的需要也低)需要用補充熱量以此方式直接換熱比冷氣流中用補充熱量使尿素氣化的效率高得多。有利地，向所述支流中加入補充熱量可能是控制用于尿素分解和SCR催化劑的所述支流的溫度和使兩溫度都保持在其有效溫度范圍內(nèi)的有效手段。
圖2示出與圖1類似的一種實施方案，但設(shè)有加熱器38能根據(jù)需要使所述支流28的溫度升高足以確保尿素分解。鍋爐的輸出量低時這特別適用。此布置的優(yōu)點在于需要加熱時，所需熱量比加熱全部廢氣或僅加熱尿素所需熱量低得多。位于尿素噴嘴32下游的高溫鼓風機36可代替所示位置位于加熱器38上游?？捎谜羝P管加熱器、換熱器或向支流28傳熱的其它裝置代替以燃燒器形式示出的加熱器38。
圖3是本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中支流28從來自燃燒室的主廢氣流中分出，在向其中注射尿素之前根據(jù)需要加熱。兩物流(23和28)混合，通過旋風分離器40實現(xiàn)顆粒分離和完全混合。位于尿素噴嘴32下游的高溫鼓風機36可位于加熱器38上游?？捎谜羝P管加熱器、換熱器或向支流28傳熱的其它裝置代替加熱器38。
圖4是本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中支流28從來自燃燒室20的主廢氣流23中分出，通過旋風分離器40(或其它顆粒分離裝置)，然后根據(jù)需要由加熱器38加熱，通過注射器32注入尿素。位于尿素噴嘴32下游的高溫鼓風機36可位于加熱器38或旋風分離器40上游?？捎谜羝P管加熱器、換熱器或向支流28傳熱的其它裝置代替加熱器38。
圖5是與圖4類似的本發(fā)明一實施方案的示意圖，其中支流28從來自燃燒室22的主廢氣流23中分出，緊鄰旋風分離器40(或其它顆粒分離裝置)之前或在之中注入尿素。所得處理物流經(jīng)過鼓風機36通過SCR反應(yīng)器之前的注射格柵37(或其它適用的進料裝置)。還示出可選的靜態(tài)混合器39。位于旋風分離器40下游的高溫鼓風機36可位于加熱器38上游。可用蒸汽盤管加熱器、換熱器或向支流28傳熱的其它裝置代替加熱器38。
圖6為本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中空氣流被迫進入導管128并被加熱，通過注射器32注入尿素。所得物流通過混合器和注射格柵，與來自燃燒室的廢氣流混合，通過SCR反應(yīng)器。此實施方案示出換熱器45和燃燒器38，但其任一或兩者可根據(jù)需要使用。其它向支流28傳熱的裝置可代替所述換熱器45或燃燒器38。
此實施方案適用于燃燒室20的構(gòu)型不易構(gòu)造燃燒氣的支流因而需要附加熱量的情況?？捎霉缅仩t中常用的預(yù)熱燃燒空氣減少此附加熱量。
圖7是與圖6類似的本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中通過作為熱源的裝置50引入蒸汽。
圖8是與圖7類似的本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中所述蒸汽源50位于引入尿素之后。
圖9是與圖6類似的本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中支流228由在所述SCR催化劑反應(yīng)器中處理之后的燃燒氣組成。此實施方案的優(yōu)點在于所述氣體有相當大的熱值，特別是用其預(yù)熱燃燒空氣之前取出時。
圖10是與圖9類似的本發(fā)明另一實施方案的示意圖，其中支流328由在SCR催化劑反應(yīng)器和下游顆粒收集裝置60如靜電沉淀器、袋濾器或旋風分離器中處理之后的燃燒氣組成。雖然氣體有比前一實施方案更低的熱值，但此方案具有用于燒固體或液體的燃燒室時基本上不含顆粒的優(yōu)點。低顆粒含量減少維護需要。
圖11中，示出圖6中尿素注射的的改型。代替注射尿素水溶液，通過管線31和來自管線234的噴嘴232用風動空氣載氣注射精細地研磨、粉碎或微粉化的固體尿素。此固體尿素注射可適用于上述所有實施方案。沒有水，固體尿素有降低加熱需求的優(yōu)點。
以上描述是要使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。不是要詳述閱讀說明書時對技術(shù)人員來說是顯而易見的所有可能的修改和改變。但所有這些修改和改變都要包括在以上描述和由以下權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。除非上下文明確指出相反，這些權(quán)利要求意欲覆蓋能滿足本發(fā)明目的的任何排列或順序的所述元件和步驟。
權(quán)利要求
1.一種用于降低燃燒氣流中氮的氧化物的濃度的設(shè)備，包括用于輸送至少140℃溫度的氣體支流的導管；用于將NOx還原劑的水溶液在有效使所述NOx還原劑水溶液氣化的條件下加入所述支流中的裝置；用于將含有所述NOx還原劑氣化所得氣體的所述氣體支流加入體積比所述支流大的含NOx的氣體主流中以產(chǎn)生混合氣流的裝置；和用于使所述混合氣流在有效降低所述混合氣流中NOx濃度的條件下通過NOx還原催化劑的裝置。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中設(shè)有用于從燃燒氣流中分出支流產(chǎn)生所述支流和所述主流的裝置。
3.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中設(shè)有用于加入外部空氣作為所述支流的裝置。
4.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中設(shè)有用于從通過所述NOx還原催化劑之后的所述混合氣流中取出氣體形成所述支流的裝置。
5.權(quán)利要求1-4中任一項的設(shè)備，其中設(shè)有在加入所述尿素水溶液之前將所述氣體支流加熱至至少200℃的溫度的裝置。
6.權(quán)利要求1-4中任一項的設(shè)備，其中設(shè)有以使NSR為0.1至2.0的相對于通過所述NOx還原催化劑之前所述混合氣流中NOx濃度的一速率加入尿素溶液的裝置。
7.權(quán)利要求1-4中任一項的設(shè)備，其中設(shè)有加入濃度為5至70％的尿素溶液的裝置。
8.權(quán)利要求1-4中任一項的設(shè)備，其中設(shè)有用水蒸汽加熱所述支流促使所述NOx還原劑氣化的裝置。
9.權(quán)利要求1-4中任一項的設(shè)備，其中所述氣體支流中設(shè)有混合裝置
10.權(quán)利要求1-4中任一項的設(shè)備，還包括顆粒去除裝置，所述支流取自所述顆粒去除裝置下游的廢氣。
11.權(quán)利要求1-4中任一項的設(shè)備，其中尿素為固體試劑。
全文摘要
一種優(yōu)選的工藝布置利用燃料氣的焓(需要時可補充)使尿素(30)轉(zhuǎn)化成氨用于SCR。將在高于140℃的溫度下分解的尿素(30)注射(32)至在換熱器(22)如主過熱器或節(jié)熱器之后分出的燃料氣流(28)中。理想地，所述支流在不需進一步加熱的情況下使所述尿素氣化；而需要加熱時，比加熱全部廢氣(23)或所述尿素(30)所需熱量低得多。此支流(典型地低于所述燃料氣的3％)提供使尿素(30)的完全分解所需溫度和時間?？捎眯L分離器除去顆粒并使試劑與燃料氣充分混合。然后用鼓風機(36)使此氣流通向SCR之前的注射格柵(37)。由于支流的質(zhì)量比傳統(tǒng)氨－SCR法中通過AIG注射的量高一個數(shù)量級，從而有利于與燃料氣混合。
文檔編號B01D53/90GK101066520SQ200710085890
公開日2007年11月7日 申請日期2001年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月1日
發(fā)明者威廉·H·森, 小威廉·E·卡明斯, 皮爾斯·德哈維蘭, 保羅·G·卡米格納尼, 約翰·M·博伊爾 申請人:燃料技術(shù)公司