CN101909725B - 选择性催化还原NOx的方法和控制系统 - Google Patents

Abstract

公开了能够通过使尿素气化并且将其进料到配有多个燃气轮机的多个选择性催化还原装置中以有效利用尿素用于NO_x的选择性催化还原(SCR)的系统。本发明能够进料尿素的气化产物，能够完全控制单独的SCR装置而不过量使用试剂或者损耗污染控制效能。控制器确定各个涡轮机所需试剂的量以控制NO_x排放，然后使所述气化尿素与校正量的载气混合，用于有效操作各个单独的SCR装置，尽管在涡轮机之间存在需求变化。可以以这样的方式合适地控制所述气化装置以提供需要的尿素而无需储存大量库存的含氨气气体来校正需求波动。

Description

选择性催化还原NOx的方法和控制系统

相关申请

本申请是2007年11月9日提交的共同未决美国临时申请SN 60986917的连续案，该临时申请的全部公开内容引入本文作为参考。

技术领域

本发明总体涉及有效利用尿素进行NO_x的选择性催化还原(SCR)，更具体地涉及进料尿素的气化产物以从单一装置供料到多个涡轮机动力装置，该单一装置将尿素转化为含氨气的SCR试剂，而且保持完全控制单独的SCR装置而不过量使用试剂或者损失污染控制效力的能力。

背景技术

在许多不能采用更多常规发电厂的情况下使用涡轮机来产生动力是经济的。它们很大的优点在于，它们通常在最小化地产生NO_x的情况下运行并且可以利用燃料，例如沼气和垃圾填埋产生的气体(digester and landfillgases)。然而，它们的确产生会受到限制的显著量的NO_x，因此，正在作出努力以将排放减小到甚至更低的水平。

沼气和垃圾填埋产生的气体是来自污水处理或垃圾填埋的有机材料厌氧分解的气态副产物，其主要由甲烷和二氧化碳组成。根据生产生活通常考虑的标准，这些不是清洁燃料。在这些气体中典型地会发现痕量的有害化合物，并且其通常包括硫化氢、氨气和形成酸气体的化合物。此外，还有某些化合物会存在于所述气体中并且已知会堵塞NO_x还原催化剂和缩短涡轮机的寿命。对于使用者来说，最后的结果就是，由于涡轮机寿命缩短、被腐蚀的管道系统和被污染的催化剂，使用这种低成本燃料可以导致额外的成本。

除非可以通过利用这些燃料的能量价值的良好优点来收回这些成本，否则将影响环境并且它们的能量价值很可能被进口石油所取代。因此，有利的是，所有的成本由设备的使用者通过以下收回：，在例如涡轮机的燃烧设备中燃烧以发电或者直接驱动装备，以及通过合适的NO_x还原技术进行处理。 NO_x还原技术中最好的是SCR，如果其可以在像电力网对能量需求那样的灵活的系统中有效地实施而不储存危险的氨气。

已经证实SCR对于NO_x还原来说是非常有效的，并且SCR装置通常可以放大到涡轮机所需的尺寸。然而，SCR装置通常需要使用氨气作为还原试剂，并且常见的问题是氨气的储存是困难和危险的，特别是在人口密集区域。因此，例如Sun等的美国专利7,090,810和Cooper等的美国专利6,077,491中所述，通常需要使用氨气发生器，但是并没有讨论它们对多个涡轮机装置的控制，并且在某些设备中，例如与沼气和垃圾填埋产生的气体一起使用的涡轮机，与经济可允许的状况相比更加昂贵或困难。

由于气体的质量低而更通常通过火焰燃烧的沼气和垃圾填埋产生的气体可产生难以收回的成本。对于这些气体来说，经济问题特别大。需要超过一个涡轮机的设备目前并不能从单一的基于尿素的氨气SCR装置中获益。不幸的是，已经看出每个涡轮机利用单一的尿素转化装置是最实用的方法。

然而，由于对涡轮机发电的需求随着时间波动(日常波动和季节性波动)，单一的氨气发生器并不是实用的。SCR装置通常采用氨气注入栅板(AIG)，其基本上为排布有孔的分配管阵列，氨气优选与载气一起通过所述孔射出以在每个位置提供足够的气体动量，从而实现氨气的均匀分配。当需求低时，立即降低用于一个涡轮机的一个SCR装置的氨气，会产生其它装置暂时过量的氨气。为氨气的安全原因要避免不采用储存罐，目前没有很好的方法来调节波动。分配将受到不利的影响，或者将供应过量的氨气和导致氨气泄漏。

现在需要有效利用尿素的方法、装置和系统用于NO_x的选择性催化还原(SCR)，更具体地说用于将尿素的气化产物从单一尿素气化装置进料到多个涡轮机动力装置。

特别需要将尿素转化为氨气，并且保持完全控制单独的SCR装置而不使用过量的试剂或者损失污染控制效力的能力的系统。

发明内容

本发明提供减少来自多个涡轮机或其它燃烧器的燃烧气体中氮氧化物浓度的方法，其中各个涡轮机或其它燃烧器具有有效利用气化尿素的相关联的选择性催化还原NO_x催化剂，所述方法包括：在温度和压力条件下加热含水尿素有效地气化尿素和水的时间，所述加热通过使所述含水尿素与加热的 气体流混合进行，其中加热的气体流的量相对于尿素和水的量为产生包含预定质量和浓度的氨气的第一气化还原剂物流的量；监测多个涡轮机中每一个处的尿素需求；将所述第一气化还原剂物流以这样的速率进料到各个涡轮机，该速率足以供应气化还原剂以将监测到的需求供应到与各个涡轮机相关联的选择性催化还原NO_x催化剂；确定实现所述气化试剂与各个涡轮机处产生的燃烧气体的预定混合程度所需的载气量；基于所述确定，将预定量的载气与所述第一气化还原剂物流混合以提供与各个涡轮机相关联的催化剂进料物流；和在各个涡轮机处，在有效减少来自各个涡轮机的流出物中NO_x浓度的条件下，通过氨气注入栅板将相关联的催化剂进料物流引入到所述催化剂上游的燃烧气体中。

本发明还包括用于实施所述方法进行说明和解释的系统和装置，以及其合理的变型。

附图说明

现在，引入说明书中和构成其一部分的附图解释了本发明的优选实施方式，并且与以上给出的总体说明和以下给出的优选实施方式的具体说明一起起到解释本发明原理的作用。如全部附图所示，相同的附图标记代表相同或相应的部分。

图1是本发明的方法和系统的优选实施方式的示意性流程图。

图2是根据本发明具有供应有气化的还原剂的SCR装置的单一涡轮机的示意图。

图3是一种形式的氨气注入栅板的示意图，其在SCR系统中的操作可以根据本发明进行改善。

具体实施方式

在描述本发明时参考附图，其中在图1中示例性地显示优选的实施方式。以下将简要描述附图和其代表的方法，其中对本工程系统领域中技术人员熟知的传感器、泵、指示器、传送器、阀门、泵等将不再赘述。附图中使用的各种标记具有如下含义：TE＝温度元件/传感器，LT＝液面传送器/传感器，VFD＝可变化的频率驱动，SC＝速度控制，PI＝压力指示器/传感器，TI＝温度指示器/传感器，FT＝流动传送器，I/P＝电流与压力的转换器，FIT＝流动指示 传送器，M＝流量计，PLC＝可编程的逻辑控制器。

参考图1，进料线路12连接到尿素罐14，以维持尿素等化学品的水溶液的充足供应，如美国专利7,090,810所述，该专利的公开内容引入本文作为参考。所述方法对于尿素来说是有效的，但是可以利用在加热时能够产生含氨气的反应物气体的其它NO_x还原试剂。从如下内容中清楚地得出，当这些试剂中的某些气化时，反应物气体也含有与水反应转化为氨气和二氧化碳的HNCO。本发明的优点是，可以容易地实现这样的情况，而不用进行伴随有堵塞喷嘴和其它设备危险的NO_x还原试剂的预水解。术语“气化”是指基本上所有的尿素转化为气体，使得没有显著量的溶解的或者游离的固体或液体与SCR催化剂接触和污染SCR催化剂。

术语“尿素”是指包括在如下意义上等同于尿素的试剂，它们在加热时形成氨气和HNCO，不论它们在引入到燃烧气体的形式中是否含有大量的纯化学品尿素；然而，等同于尿素的试剂通常在它们的商品化形式中含有可测量的尿素并且因此包含尿素。在可以气化的NO_x还原试剂中，有包括选自如下成员的那些：三聚氰胺一酰胺；三聚氰胺二酰胺；碳酸铵；碳酸氢铵；氨基甲酸铵；氰酸铵；无机酸的铵盐，所述无机酸包括硫酸和磷酸；有机酸的铵盐，所述有机酸包括甲酸和醋酸；双缩脲；三缩脲；氰尿酸；异氰酸；尿素甲醛；三聚氰胺；三氰基尿素以及任意这些的混合物。而且还可用不形成HNCO但分解为包含烃的气体混合物的其它NO_x还原试剂。在这类中有各种胺和它们的盐(特别是它们的碳酸盐)，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；和来自化学过程的含有尿素的副产物废物。具有较高级烷基的胺可以以使释放的烃组分不干扰NO_x还原反应的程度使用。因此，术语“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组成，含有95重量％或更高的尿素。这种相对纯形式的尿素是优选的并且在本发明的方法中具有许多优点。其优选以约10％～约50％的浓度、约30％～约35％的浓度提供至罐14。

液面传感器和进料泵的配置确保在所述罐14中总是存在充足的尿素溶液以满足程序化的需求。所述尿素溶液从可以进行加热以便于低温操作的罐14经由计量泵18和流动监测器20辅助的线路16流到线路22以引入通过注射器喷嘴24，所述注射器喷嘴24利用来自线路26的空气在气化室28中喷雾所述含水尿素溶液使其气化。由来自线路34的加热空气促进尿素的气化， 线路34将空气送至加热器36以及线路38和辅助加热器39以供应到室28中。在室28中，在温度(例如约175℃～约650℃)和压力(例如，接近大气压，即约0.5～约1.5atm)的条件下加热所述含水尿素溶液有效地气化尿素和水的时间，所述加热通过使所述含水尿素与来自线路38的加热气体流混合而进行，其中加热气流的量相对于尿素和水的量为产生包含预定浓度氨气的第一气化还原剂物流的量。典型的气体流含有约0.5重量％～约5重量％的氨气。在某些实施方式中，可采用空气线路30在清洁期间给喷嘴24送气。从室28中经由线路40引出所述气化尿素溶液(也称作气化还原剂)，以作为第一气化的还原剂物流分配至为与各个涡轮机相关联的SCR装置服务的供应线路42(以下将具体描述)。

由多个涡轮机中每一个上的传感器，通过感知来自涡轮机的燃烧气体的至少一个指示该燃烧气体中NO_x的控制参数和由控制可编程序逻辑控制器43或者其它类似设备确定需求来监控尿素的需求。所述控制器可以在有反馈或者没有反馈的情况下前馈。所述第一气化还原剂物流经由分别利用通常显示为44和44′的控制阀和流动监控器的单独线路42进料到各个涡轮机，所述进料以足以提供气化还原剂以向与各个涡轮机相关联的选择性催化还原NO_x催化剂提供监控需求量的速率进行。由于涡轮机因它们的负载、供应的燃料或其它因素而具有不同的NO_x还原需求，并且由于气化的还原剂必须均匀地分散在燃烧气体内，一般的氨气注入栅板(AIG)不会以有效的试剂利用提供期望的分配。

图2是根据本发明带有供应有气化还原剂的SCR装置的单一涡轮机的示意图。涡轮机70从线路72进料燃料和从线路74进料空气，并且产生燃烧气体76，该燃烧气体76通过其中根据本发明处理它们的SCR装置78，然后排到排气管80。

图3显示一种形式的氨气注入栅板(AIG)62，其在SCR系统中的操作可根据本发明进行改善。这种栅板通常具有带有孔64阵列的管63阵列，所述气化试剂通过所述孔64阵列从相关联的涡轮机分配至燃烧气体。所述SCR装置包括AIG氨气注入栅板62，其经由线路60进料气化试剂。

通常提供在线混合设备65以确保气化试剂与燃烧气体的良好混合。然后，在该点在设定的系统温度下使气体通过一系列有效用于NO_x的选择性催化还原的催化剂。

再次参考图1，可以看出所述气化试剂经由线路40到单独的线路42以与足量的载气混合，从而在通过注入栅板62的方式引入到SCR装置78中时可以利用正确计量的气化试剂并且使其与充足的载气混合以实现还原气体正确的质量流速和速度分布。

提供单独的供应系统向各个单独的涡轮机提供载气。图1显示空气经由线路45、鼓风机46引入到加热器48和线路50。可以通过合适的传感器经由使用仪表空气43’或等同物的控制器43控制供应速率和加热程度。因为一个或多个涡轮机的负载可能不会高到足以要求通过流动进料线路42的足够的氨气保持为合适的温度，所以重要的是采用加热器48来维持线路60中气化试剂的温度。

为了实现本发明的优点，控制器43或其它逻辑设备将确定实现气化试剂与各个涡轮机所产生的燃烧气体的预定混合程度所需载气的量。然后，基于这样的确定，将来自供应线路50和单独线路52的预定量载气与来自线路40、42的第一气化还原剂物流混合以提供与各个涡轮机相关联的并且可以通过线路60进料到所述涡轮机的催化剂进料物流。然后，在各个涡轮机70中，在有效降低各个涡轮机流出物中NO_x浓度的条件下通过氨气注入栅板62将相关联的催化剂进料物流60引入到催化剂66上游的燃烧气体。类似地，与经由单独线路42的第一气化还原剂物流的供应一样，线路52可分别利用通常显示为54和54’的控制阀和流动监控器来控制足以供应具有各个涡轮机所需的质量和流速的催化剂进料物流的速率。

本发明的优点在于，可以进料尿素的气化产物，并且具有能够完全控制单独的SCR装置而不过量使用试剂或损失污染控制效力的能力。控制器43可确定各个涡轮机所需的试剂量以控制NO_x排放，然后直接将气化尿素与正确量的载气混合，尽管涡轮机之间的需求存在变化也能有效地操作各个单独的SCR装置。以这样的方式可以合适地控制所述气化装置以提供所需尿素而无需储存大量库存的含氨气气体来校正需求波动。虽然说明书由于特殊效能和本发明在上下文中重要性的原因而以涡轮机为例，但是对于本领域技术人员来说明晰的是，其优点可以延伸至其它类型的燃烧器，包括炉子、蒸煮器、发动机、焚烧炉等。本发明的另一优点在于，即使当一个或多个涡轮机的负载可能没有高到足以通过进料线路42进行充分质量流动时，线路60中气化试剂的温度也可以维持在足够的温度下以避免冷凝或化学反应。

以上说明书是为了教导本领域技术人员如何实施本发明的目的。其意图不在于具体描述所有的那些明显修改和变化，这些在本领域技术人员在阅读本说明书之后都会变明晰。然而，其意图在于所有这样的明显修改和变化包括在所附权利要求限定的本发明的范围内。权利要求旨在覆盖以任意次序有效满足的要求保护的组成和步骤，除非上下文中明确指出是相反的。

Claims (4)

1.减少来自多个燃烧器的燃烧气体中氮氧化物浓度的方法，其中各个燃烧器具有有效利用气化尿素的相关联的选择性催化还原NO_x催化剂，且所述方法能够进行控制以根据需要提供尿素，不需要储存大量库存的含氨的气体来适应季节性的和日常的以及各燃烧器之间的需求波动，所述方法包括：

a.将含水尿素在有效地气化尿素和水的时间、温度和压力条件下加热，所述加热通过使所述含水尿素与加热的气体流混合进行，其中加热的气体流的量相对于尿素和水的量为产生包含预定质量和浓度的氨气的第一气化还原剂物流的量；

b.监测多个燃烧器中每一个处的气化尿素需求；

c.将所述第一气化还原剂物流以这样的速率进料到各个燃烧器，该速率足以供应气化的尿素以监测到的需求供应到与各个燃烧器相关联的选择性催化还原NO_x催化剂；

d.确定实现所述气化尿素与各个燃烧器产生的燃烧气体的预定混合程度所需的载气量；

e.基于所述确定，将预定量的载气与所述第一气化还原剂物流混合以提供与各个燃烧器相关联的催化剂进料物流；和

f.在各个燃烧器处，在有效减少来自各个燃烧器的燃烧气体中NO_x浓度的条件下，通过氨气注入栅板将相关联的催化剂进料物流引入所述催化剂上游的流出物，由此适应季节性的和日常的以及各燃烧器之间的需求波动而不需要储存大量库存的含氨的气体。

2.减少来自多个涡轮机的燃烧气体中氮氧化物浓度的方法，其中各个涡轮机具有有效利用气化尿素的相关联的选择性催化还原NO_x的催化剂，且所述方法能够进行控制以根据需要提供尿素，不需要储存大量库存的含氨的气体来适应季节性的和日常的以及各涡轮机之间的需求波动，所述方法包括：

a.将含水尿素在有效地气化尿素和水的时间、温度和压力条件下加热，所述加热通过使所述含水尿素与加热的气体流混合进行，其中加热的气体流的量相对于尿素和水的量为产生包含预定质量和浓度的氨气的第一气化还原剂物流的量；

b.监测多个涡轮机中每一个处的气化尿素需求；

c.将所述第一气化还原剂物流以这样的速率进料到各个涡轮机，该速率足以供应气化的尿素以监测到的需求供应到与各个涡轮机相关联的选择性催化还原NO_x催化剂；

d.确定实现所述气化尿素与各个涡轮机产生的燃烧气体的预定混合程度所需的载气量；

e.基于所述确定，将预定量的载气与所述第一气化还原剂物流混合以提供与各个涡轮机相关联的催化剂进料物流；和

f.在各个涡轮机处，在有效减少来自各个涡轮机的燃烧气体中NO_x浓度的条件下，通过氨气注入栅板将相关联的催化剂进料物流引入所述催化剂上游的流出物，由此适应季节性的和日常的以及各涡轮机之间的需求波动而不需要储存大量库存的含氨的气体。

3.根据权利要求2的方法，其中将尿素与加热的空气以相对于尿素和水的量的、产生包含0.5重量％至5重量％氨气的第一气化还原剂流的量混合。

4.根据权利要求1的方法，其中将尿素与加热的空气以相对于尿素和水的量的、产生包含0.5重量％至5重量％氨气的第一气化还原剂流的量混合。