專利名稱：選擇性催化還原NO_x的方法和控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及有效利用尿素進(jìn)行NOx的選擇性催化還原(SCR)，更具體地涉及進(jìn) 料尿素的氣化產(chǎn)物以從單一裝置供料到多個渦輪機(jī)動力裝置，該單一裝置將尿素轉(zhuǎn)化為含 氨氣的SCR試劑，而且保持完全控制單獨(dú)的SCR裝置而不過量使用試劑或者損失污染控制 效力的能力。
背景技術(shù)：
在許多不能采用更多常規(guī)發(fā)電廠的情況下使用渦輪機(jī)來產(chǎn)生動力是經(jīng)濟(jì)的。它們 很大的優(yōu)點(diǎn)在于，它們通常在最小化地產(chǎn)生NOx的情況下運(yùn)行并且可以利用燃料，例如沼氣 和垃圾填埋產(chǎn)生的氣體(digester and landfillgases) 0然而，它們的確產(chǎn)生會受到限制 的顯著量的N0X，因此，正在作出努力以將排放減小到甚至更低的水平。沼氣和垃圾填埋產(chǎn)生的氣體是來自污水處理或垃圾填埋的有機(jī)材料厭氧分解的 氣態(tài)副產(chǎn)物，其主要由甲烷和二氧化碳組成。根據(jù)生產(chǎn)生活通?？紤]的標(biāo)準(zhǔn)，這些不是清潔 燃料。在這些氣體中典型地會發(fā)現(xiàn)痕量的有害化合物，并且其通常包括硫化氫、氨氣和形成 酸氣體的化合物。此外，還有某些化合物會存在于所述氣體中并且已知會堵塞NOx還原催 化劑和縮短渦輪機(jī)的壽命。對于使用者來說，最后的結(jié)果就是，由于渦輪機(jī)壽命縮短、被腐 蝕的管道系統(tǒng)和被污染的催化劑，使用這種低成本燃料可以導(dǎo)致額外的成本。除非可以通過利用這些燃料的能量價值的良好優(yōu)點(diǎn)來收回這些成本，否則將影響 環(huán)境并且它們的能量價值很可能被進(jìn)口石油所取代。因此，有利的是，所有的成本由設(shè)備的 使用者通過以下收回，在例如渦輪機(jī)的燃燒設(shè)備中燃燒以發(fā)電或者直接驅(qū)動裝備，以及 通過合適的NOx還原技術(shù)進(jìn)行處理。NOx還原技術(shù)中最好的是SCR，如果其可以在像電力網(wǎng) 對能量需求那樣的靈活的系統(tǒng)中有效地實施而不儲存危險的氨氣。已經(jīng)證實SCR對于NOx還原來說是非常有效的，并且SCR裝置通?？梢苑糯蟮綔u 輪機(jī)所需的尺寸。然而，SCR裝置通常需要使用氨氣作為還原試劑，并且常見的問題是氨氣 的儲存是困難和危險的，特別是在人口密集區(qū)域。因此，例如Sim等的美國專利7，090，810 和Cooper等的美國專利6，077，491中所述，通常需要使用氨氣發(fā)生器，但是并沒有討論它 們對多個渦輪機(jī)裝置的控制，并且在某些設(shè)備中，例如與沼氣和垃圾填埋產(chǎn)生的氣體一起 使用的渦輪機(jī)，與經(jīng)濟(jì)可允許的狀況相比更加昂貴或困難。由于氣體的質(zhì)量低而更通常通過火焰燃燒的沼氣和垃圾填埋產(chǎn)生的氣體可產(chǎn)生 難以收回的成本。對于這些氣體來說，經(jīng)濟(jì)問題特別大。需要超過一個渦輪機(jī)的設(shè)備目前 并不能從單一的基于尿素的氨氣SCR裝置中獲益。不幸的是，已經(jīng)看出每個渦輪機(jī)利用單 一的尿素轉(zhuǎn)化裝置是最實用的方法。
3
然而，由于對渦輪機(jī)發(fā)電的需求隨著時間波動(日常波動和季節(jié)性波動)，單一的 氨氣發(fā)生器并不是實用的。SCR裝置通常采用氨氣注入柵板(AIG)，其基本上為排布有孔的 分配管陣列，氨氣優(yōu)選與載氣一起通過所述孔射出以在每個位置提供足夠的氣體動量，從 而實現(xiàn)氨氣的均勻分配。當(dāng)需求低時，立即降低用于一個渦輪機(jī)的一個SCR裝置的氨氣，會 產(chǎn)生其它裝置暫時過量的氨氣。為氨氣的安全原因要避免不采用儲存罐，目前沒有很好的 方法來調(diào)節(jié)波動。分配將受到不利的影響，或者將供應(yīng)過量的氨氣和導(dǎo)致氨氣泄漏?，F(xiàn)在需要有效利用尿素的方法、裝置和系統(tǒng)用于NOx的選擇性催化還原(SCR)，更 具體地說用于將尿素的氣化產(chǎn)物從單一尿素氣化裝置進(jìn)料到多個渦輪機(jī)動力裝置。特別需要將尿素轉(zhuǎn)化為氨氣，并且保持完全控制單獨(dú)的SCR裝置而不使用過量的 試劑或者損失污染控制效力的能力的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供減少來自多個渦輪機(jī)或其它燃燒器的燃燒氣體中氮氧化物濃度的方 法，其中各個渦輪機(jī)或其它燃燒器具有有效利用氣化尿素的相關(guān)聯(lián)的選擇性催化還原NOx 催化劑，所述方法包括在溫度和壓力條件下加熱含水尿素有效地氣化尿素和水的時間，所 述加熱通過使所述含水尿素與加熱的氣體流混合進(jìn)行，其中加熱的氣體流的量相對于尿素 和水的量為產(chǎn)生包含預(yù)定質(zhì)量和濃度的氨氣的第一氣化還原劑物流的量；監(jiān)測多個渦輪機(jī) 中每一個處的尿素需求；將所述第一氣化還原劑物流以這樣的速率進(jìn)料到各個渦輪機(jī)，該 速率足以供應(yīng)氣化還原劑以將監(jiān)測到的需求供應(yīng)到與各個渦輪機(jī)相關(guān)聯(lián)的選擇性催化還 原NOx催化劑；確定實現(xiàn)所述氣化試劑與各個渦輪機(jī)處產(chǎn)生的燃燒氣體的預(yù)定混合程度所 需的載氣量；基于所述確定，將預(yù)定量的載氣與所述第一氣化還原劑物流混合以提供與各 個渦輪機(jī)相關(guān)聯(lián)的催化劑進(jìn)料物流；和在各個渦輪機(jī)處，在有效減少來自各個渦輪機(jī)的流 出物中NOx濃度的條件下，通過氨氣注入柵板將相關(guān)聯(lián)的催化劑進(jìn)料物流引入到所述催化 劑上游的燃燒氣體中。本發(fā)明還包括用于實施所述方法進(jìn)行說明和解釋的系統(tǒng)和裝置，以及其合理的變型。


現(xiàn)在，引入說明書中和構(gòu)成其一部分的附圖解釋了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并且 與以上給出的總體說明和以下給出的優(yōu)選實施方式的具體說明一起起到解釋本發(fā)明原理 的作用。如全部附圖所示，相同的附圖標(biāo)記代表相同或相應(yīng)的部分。圖1是本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的優(yōu)選實施方式的示意性流程圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明具有供應(yīng)有氣化的還原劑的SCR裝置的單一渦輪機(jī)的示意圖。圖3是一種形式的氨氣注入柵板的示意圖，其在SCR系統(tǒng)中的操作可以根據(jù)本發(fā) 明進(jìn)行改善。
具體實施例方式在描述本發(fā)明時參考附圖，其中在圖1中示例性地顯示優(yōu)選的實施方式。以下將 簡要描述附圖和其代表的方法，其中對本工程系統(tǒng)領(lǐng)域中技術(shù)人員熟知的傳感器、泵、指示器、傳送器、閥門、泵等將不再贅述。附圖中使用的各種標(biāo)記具有如下含義TE=溫度元件/ 傳感器，LT =液面?zhèn)魉推?傳感器，VFD =可變化的頻率驅(qū)動，SC =速度控制，PI =壓力指 示器/傳感器，TI =溫度指示器/傳感器，F(xiàn)T =流動傳送器，I/P =電流與壓力的轉(zhuǎn)換器， FIT =流動指示傳送器，M =流量計，PLC =可編程的邏輯控制器。參考圖1，進(jìn)料線路12連接到尿素罐14，以維持尿素等化學(xué)品的水溶液的充足供 應(yīng)，如美國專利7，090，810所述，該專利的公開內(nèi)容引入本文作為參考。所述方法對于尿素 來說是有效的，但是可以利用在加熱時能夠產(chǎn)生含氨氣的反應(yīng)物氣體的其它NOx還原試劑。 從如下內(nèi)容中清楚地得出，當(dāng)這些試劑中的某些氣化時，反應(yīng)物氣體也含有與水反應(yīng)轉(zhuǎn)化 為氨氣和二氧化碳的HNC0。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，可以容易地實現(xiàn)這樣的情況，而不用進(jìn)行伴 隨有堵塞噴嘴和其它設(shè)備危險的NOx還原試劑的預(yù)水解。術(shù)語“氣化”是指基本上所有的尿 素轉(zhuǎn)化為氣體，使得沒有顯著量的溶解的或者游離的固體或液體與SCR催化劑接觸和污染 SCR催化劑。術(shù)語“尿素”是指包括在如下意義上等同于尿素的試劑，它們在加熱時形成氨氣和 HNC0，不論它們在引入到燃燒氣體的形式中是否含有大量的純化學(xué)品尿素；然而，等同于尿 素的試劑通常在它們的商品化形式中含有可測量的尿素并且因此包含尿素。在可以氣化的 NOx還原試劑中，有包括選自如下成員的那些三聚氰胺一酰胺；三聚氰胺二酰胺；碳酸銨； 碳酸氫銨；氨基甲酸銨；氰酸銨；無機(jī)酸的銨鹽，所述無機(jī)酸包括硫酸和磷酸；有機(jī)酸的銨 鹽，所述有機(jī)酸包括甲酸和醋酸；雙縮脲；三縮脲；氰尿酸；異氰酸；尿素甲醛；三聚氰胺； 三氰基尿素以及任意這些的混合物。而且還可用不形成HNCO但分解為包含烴的氣體混合 物的其它NOx還原試劑。在這類中有各種胺和它們的鹽(特別是它們的碳酸鹽)，包括胍、 碳酸胍、碳酸甲基胺、碳酸乙基胺、碳酸二甲基胺、六甲基胺；碳酸六甲基胺；和來自化學(xué)過 程的含有尿素的副產(chǎn)物廢物。具有較高級烷基的胺可以以使釋放的烴組分不干擾NOx還原 反應(yīng)的程度使用。因此，術(shù)語“尿素”是指包括所有的商品化和等同形式的尿素。通常，尿 素的商品化形式主要由尿素組成，含有95重量％或更高的尿素。這種相對純形式的尿素是 優(yōu)選的并且在本發(fā)明的方法中具有許多優(yōu)點(diǎn)。其優(yōu)選以約10% 約50%的濃度、約30% 約35%的濃度提供至罐14。液面?zhèn)鞲衅骱瓦M(jìn)料泵的配置確保在所述罐14中總是存在充足的尿素溶液以滿足 程序化的需求。所述尿素溶液從可以進(jìn)行加熱以便于低溫操作的罐14經(jīng)由計量泵18和流 動監(jiān)測器20輔助的線路16流到線路22以引入通過注射器噴嘴24，所述注射器噴嘴24利 用來自線路26的空氣在氣化室28中噴霧所述含水尿素溶液使其氣化。由來自線路34的 加熱空氣促進(jìn)尿素的氣化，線路34將空氣送至加熱器36以及線路38和輔助加熱器39以 供應(yīng)到室28中。在室28中，在溫度(例如約175°C 約650°C )和壓力(例如，接近大氣 壓，即約0. 5 約1. 5atm)的條件下加熱所述含水尿素溶液有效地氣化尿素和水的時間，所 述加熱通過使所述含水尿素與來自線路38的加熱氣體流混合而進(jìn)行，其中加熱氣流的量 相對于尿素和水的量為產(chǎn)生包含預(yù)定濃度氨氣的第一氣化還原劑物流的量。典型的氣體流 含有約0. 5重量％ 約5重量％的氨氣。在某些實施方式中，可采用空氣線路30在清潔期 間給噴嘴24送氣。從室28中經(jīng)由線路40引出所述氣化尿素溶液(也稱作氣化還原劑)， 以作為第一氣化的還原劑物流分配至為與各個渦輪機(jī)相關(guān)聯(lián)的SCR裝置服務(wù)的供應(yīng)線路 42 (以下將具體描述)。
由多個渦輪機(jī)中每一個上的傳感器，通過感知來自渦輪機(jī)的燃燒氣體的至少一個 指示該燃燒氣體中NOx的控制參數(shù)和由控制可編程序邏輯控制器43或者其它類似設(shè)備確 定需求來監(jiān)控尿素的需求。所述控制器可以在有反饋或者沒有反饋的情況下前饋。所述第 一氣化還原劑物流經(jīng)由分別利用通常顯示為44和44'的控制閥和流動監(jiān)控器的單獨(dú)線路 42進(jìn)料到各個渦輪機(jī)，所述進(jìn)料以足以提供氣化還原劑以向與各個渦輪機(jī)相關(guān)聯(lián)的選擇性 催化還原NOx催化劑提供監(jiān)控需求量的速率進(jìn)行。由于渦輪機(jī)因它們的負(fù)載、供應(yīng)的燃料 或其它因素而具有不同的NOx還原需求，并且由于氣化的還原劑必須均勻地分散在燃燒氣 體內(nèi)，一般的氨氣注入柵板(AIG)不會以有效的試劑利用提供期望的分配。圖2是根據(jù)本發(fā)明帶有供應(yīng)有氣化還原劑的SCR裝置的單一渦輪機(jī)的示意圖。渦 輪機(jī)70從線路72進(jìn)料燃料和從線路74進(jìn)料空氣，并且產(chǎn)生燃燒氣體76，該燃燒氣體76通 過其中根據(jù)本發(fā)明處理它們的SCR裝置78，然后排到排氣管80。圖3顯示一種形式的氨氣注入柵板(AIG)62，其在SCR系統(tǒng)中的操作可根據(jù)本發(fā)明 進(jìn)行改善。這種柵板通常具有帶有孔64陣列的管63陣列，所述氣化試劑通過所述孔64陣 列從相關(guān)聯(lián)的渦輪機(jī)分配至燃燒氣體。所述SCR裝置包括AIG氨氣注入柵板62，其經(jīng)由線 路60進(jìn)料氣化試劑。通常提供在線混合設(shè)備65以確保氣化試劑與燃燒氣體的良好混合。然后，在該點(diǎn) 在設(shè)定的系統(tǒng)溫度下使氣體通過一系列有效用于NOx的選擇性催化還原的催化劑。再次參考圖1，可以看出所述氣化試劑經(jīng)由線路40到單獨(dú)的線路42以與足量的載 氣混合，從而在通過注入柵板62的方式引入到SCR裝置78中時可以利用正確計量的氣化 試劑并且使其與充足的載氣混合以實現(xiàn)還原氣體正確的質(zhì)量流速和速度分布。提供單獨(dú)的供應(yīng)系統(tǒng)向各個單獨(dú)的渦輪機(jī)提供載氣。圖1顯示空氣經(jīng)由線路45、 鼓風(fēng)機(jī)46引入到加熱器48和線路50?？梢酝ㄟ^合適的傳感器經(jīng)由使用儀表空氣43’或等 同物的控制器43控制供應(yīng)速率和加熱程度。因為一個或多個渦輪機(jī)的負(fù)載可能不會高到 足以要求通過流動進(jìn)料線路42的足夠的氨氣保持為合適的溫度，所以重要的是采用加熱 器48來維持線路60中氣化試劑的溫度。為了實現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，控制器43或其它邏輯設(shè)備將確定實現(xiàn)氣化試劑與各個 渦輪機(jī)所產(chǎn)生的燃燒氣體的預(yù)定混合程度所需載氣的量。然后，基于這樣的確定，將來自供 應(yīng)線路50和單獨(dú)線路52的預(yù)定量載氣與來自線路40、42的第一氣化還原劑物流混合以提 供與各個渦輪機(jī)相關(guān)聯(lián)的并且可以通過線路60進(jìn)料到所述渦輪機(jī)的催化劑進(jìn)料物流。然 后，在各個渦輪機(jī)70中，在有效降低各個渦輪機(jī)流出物中NOx濃度的條件下通過氨氣注入 柵板62將相關(guān)聯(lián)的催化劑進(jìn)料物流60引入到催化劑66上游的燃燒氣體。類似地，與經(jīng)由 單獨(dú)線路42的第一氣化還原劑物流的供應(yīng)一樣，線路52可分別利用通常顯示為54和54’ 的控制閥和流動監(jiān)控器來控制足以供應(yīng)具有各個渦輪機(jī)所需的質(zhì)量和流速的催化劑進(jìn)料 物流的速率。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，可以進(jìn)料尿素的氣化產(chǎn)物，并且具有能夠完全控制單獨(dú)的SCR 裝置而不過量使用試劑或損失污染控制效力的能力。控制器43可確定各個渦輪機(jī)所需的 試劑量以控制NOx排放，然后直接將氣化尿素與正確量的載氣混合，盡管渦輪機(jī)之間的需求 存在變化也能有效地操作各個單獨(dú)的SCR裝置。以這樣的方式可以合適地控制所述氣化裝 置以提供所需尿素而無需儲存大量庫存的含氨氣氣體來校正需求波動。雖然說明書由于特
6殊效能和本發(fā)明在上下文中重要性的原因而以渦輪機(jī)為例，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說 明晰的是，其優(yōu)點(diǎn)可以延伸至其它類型的燃燒器，包括爐子、蒸煮器、發(fā)動機(jī)、焚燒爐等。本 發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于，即使當(dāng)一個或多個渦輪機(jī)的負(fù)載可能沒有高到足以通過進(jìn)料線路42 進(jìn)行充分質(zhì)量流動時，線路60中氣化試劑的溫度也可以維持在足夠的溫度下以避免冷凝 或化學(xué)反應(yīng)。 以上說明書是為了教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實施本發(fā)明的目的。其意圖不在于具 體描述所有的那些明顯修改和變化，這些在本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本說明書之后都會變明 晰。然而，其意圖在于所有這樣的明顯修改和變化包括在所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范 圍內(nèi)。權(quán)利要求旨在覆蓋以任意次序有效滿足的要求保護(hù)的組成和步驟，除非上下文中明 確指出是相反的。
權(quán)利要求
減少來自多個渦輪機(jī)的燃燒氣體中氮氧化物濃度的方法，其中各個渦輪機(jī)具有有效利用氣化尿素的相關(guān)聯(lián)的選擇性催化還原NOx催化劑，所述方法包括a.在溫度和壓力條件下加熱含水尿素有效地氣化尿素和水的時間，所述加熱通過使所述含水尿素與加熱的氣體流混合進(jìn)行，其中加熱的氣體流的量相對于尿素和水的量為產(chǎn)生包含預(yù)定質(zhì)量和濃度的氨氣的第一氣化還原劑物流的量；b.監(jiān)測多個渦輪機(jī)中每一個處的尿素需求；c.將所述第一氣化還原劑物流以這樣的速率進(jìn)料到各個渦輪機(jī)，該速率足以供應(yīng)氣化的還原劑以監(jiān)測到的需求供應(yīng)到與各個渦輪機(jī)相關(guān)聯(lián)的選擇性催化還原NOx催化劑；d.確定實現(xiàn)所述氣化試劑與各個渦輪機(jī)產(chǎn)生的燃燒氣體的預(yù)定混合程度所需的載氣量；e.基于所述確定，將預(yù)定量的載氣與所述第一氣化還原劑物流混合以提供與各個渦輪機(jī)相關(guān)聯(lián)的催化劑進(jìn)料物流；和f.在各個渦輪機(jī)處，在有效減少來自各個渦輪機(jī)的燃燒氣體中NOx濃度的條件下，通過氨氣注入柵板將相關(guān)聯(lián)的催化劑進(jìn)料物流引入所述催化劑上游的流出物。
2.減少來自多個燃燒器的燃燒氣體中氮氧化物濃度的方法，其中各個燃燒器具有有效 利用氣化尿素的相關(guān)聯(lián)的選擇性催化還原NOx的催化劑，所述方法包括a.在溫度和壓力條件下加熱含水尿素有效地氣化尿素和水的時間，所述加熱通過使所 述含水尿素與加熱的氣體流混合進(jìn)行，其中加熱的氣體流的量相對于尿素和水的量為產(chǎn)生 包含預(yù)定質(zhì)量和濃度的氨氣的第一氣化還原劑物流的量；b.監(jiān)測多個燃燒器中每一個處的尿素需求；c.將所述第一氣化還原劑物流以這樣的速率進(jìn)料到各個燃燒器，該速率足以供應(yīng)氣化 的還原劑以監(jiān)測到的需求供應(yīng)到與各個燃燒器相關(guān)聯(lián)的選擇性催化還原NOx催化劑；d.確定實現(xiàn)所述氣化試劑與各個燃燒器產(chǎn)生的燃燒氣體的預(yù)定混合程度所需的載氣量；e.基于所述確定，將預(yù)定量的載氣與所述第一氣化還原劑物流混合以提供與各個燃燒 器相關(guān)聯(lián)的催化劑進(jìn)料物流；和f.在各個燃燒器處，在有效減少來自各個燃燒器的燃燒氣體中NOx濃度的條件下，通過 氨氣注入柵板將相關(guān)聯(lián)的催化劑進(jìn)料物流引入所述催化劑上游的流出物。
全文摘要
公開了能夠通過使尿素氣化并且將其進(jìn)料到配有多個燃?xì)廨啓C(jī)的多個選擇性催化還原裝置中以有效利用尿素用于NOx的選擇性催化還原(SCR)的系統(tǒng)。本發(fā)明能夠進(jìn)料尿素的氣化產(chǎn)物，能夠完全控制單獨(dú)的SCR裝置而不過量使用試劑或者損耗污染控制效能?？刂破鞔_定各個渦輪機(jī)所需試劑的量以控制NOx排放，然后使所述氣化尿素與校正量的載氣混合，用于有效操作各個單獨(dú)的SCR裝置，盡管在渦輪機(jī)之間存在需求變化?？梢砸赃@樣的方式合適地控制所述氣化裝置以提供需要的尿素而無需儲存大量庫存的含氨氣氣體來校正需求波動。
文檔編號B01D53/86GK101909725SQ200880124493
公開日2010年12月8日 申請日期2008年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月9日
發(fā)明者保羅·G·卡米格納尼, 威廉·H·桑, 約翰·M·博伊爾 申請人:環(huán)技公司