CN102105208A - 提供改善的脲气化以形成含氨气体的选择性催化还原NOx的方法和装置 - Google Patents

提供改善的脲气化以形成含氨气体的选择性催化还原NOx的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了能够为各种目的(例如NOx的选择性催化还原(SCR))而有效地利用脲的方法和装置，其能够将脲进料到设计成使脲有效且完全地气化的室中以能够获得氨进料。优选地，将水性脲进料到气化室中，所述气化室还进料有经加热的气体。能够使水性脲作为细小液滴分配的注射器装置定位于所述室中的气体分配板的中心。气体分配板上隔开的孔的排列使注射器装置附近的气体速度高于所述室壁附近的气体速度。获得了均匀的气体分配且设备不结垢。

Description

提供改善的脲气化以形成含氨气体的选择性催化还原NO<sub>x</sub>的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年5月27日提交的美国临时专利申请61056121的优先权，且本申请是该美国临时专利申请的部分继续申请，该美国临时专利申请的全部公开内容通过引用纳入本申请。
技术领域
本发明总体涉及为各种目的例如NOx选择性催化还原(SCR)而有效利用脲，且更具体地说，本发明涉及将脲进料到设计用于使所述脲有效且完全地气化(通过热解和/或水解)的室中，从而向SCR单元进料。
背景技术
存在许多其中可在经加热的气体流中使用氨的方法。在空气污染控制的情况中，实例有，其中注入有少量氨的烟道气调节，和依赖相对大量的氨的SCR系统。无论在热气体流中需要怎样的氨，都希望避免氨本身处理的危险和费用。
已经证明，SCR在NOx还原中是高度有效的，且SCR单元可通常缩放到所需尺寸。但是，SCR单元典型地需要使用氨作为还原试剂，且通常的问题是，储存氨是困难以和危险的，尤其是在居民区。因而，经常有效地使用脲和氨产生器(例如Sun等人的美国专利7090810和Cooper等人的美国专利6077491中所述的)，但如果未正确使用的话，以根据需要的形式使脲进行充分气化的能力可引起问题。
当引入用于这样的气化室的脲或者用于其它工业单元的其它类似化学品时，设备的有效运行及不结垢要求均匀分配和快速地进行热解和/或水解。对于这样的气化室的运行来说，在脲的引入之前和之后的热空气的适当速度的分配是关键的。虽然已经提出多孔板的概念以提供在注入脲之前的均匀流动，从而给脲分配提供所需的气体模式，但实际上这些装置可导致不适当的试剂回流或再循环，这可产生结壳于多孔板、室壁上或喷嘴附近的固态脲，导致结垢以及相关的问题。期望避免结垢，尤其是在喷嘴上的结垢。
目前，需要为了各种目的例如NOx的选择性催化还原(SCR)而有效利用脲的方法、装置和系统，更具体地说，需要能够将脲进料到设计用于使所述脲有效且完全地气化(通过热解和/或水解)的室中从而向SCR单元进料的气化装置、方法和系统。
尤其需要这样的系统，该系统将脲转化为氨，并仍保持充分控制氨产生且无设备结垢或不使用过多的试剂或不降低污染控制有效性的能力。
发明内容
本发明提供了用于在实际上没有以大量的形式储存或处理氨的情况下将氨引入到经加热的气体流中的方法。
本发明提供了使脲气化以降低燃烧气体中的氮氧化物浓度的方法、装置和系统。
在一方面中，提供了包括下列步骤的方法：将脲进料到气化室中；在通过能够使所述脲作为细小颗粒或液滴分配的注射器装置引入所述脲的位置的上游，将经加热的气体进料到所述气化室中；在所述室中靠近所述注射器装置提供气体分配板；在所述气体分配板上提供孔的排列和间隔以使所述注射器装置附近的气体速度高于所述室壁附近的气体速度；和有效地调节所述脲和所述经加热的气体的进料速度以使所述脲在离开所述室之前气化。优选地，所述脲作为水溶液使用。
在另一方面中，提供一种装置，其包括：具有顶部、底部和侧壁的气化室；注射器装置，其用于将脲进料到所述气化室中并能够使所述脲作为细小颗粒或液滴分配在所述室内；输送管装置，其用于将经加热的气体在所述注射器装置的上游进料到所述气化室中；气体分配板，其位于所述室中且靠近所述注射器装置，所述板具有有效地使所述注射器装置附近的气体速度高于所述室侧壁附近的气体速度的孔的排列和间隔；以及气体排出装置，其用于引导来自所述室的含有经气化的脲的经加热的气体。
优选地，所述方法和装置与用于NOx选择性催化还原的催化剂组合使用。
还提供了采用所公开的方法和装置的系统。
在下面描述了本发明的其它方面和优选方面。
附图说明
结合到本说明书中并构成本说明书一部分的附图说明了目前优选的本发明实施方案，而且，所述附图与前面给出的总体描述以及下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。如所有附图所显示的，相同的附图标号表示相同或相应的部件。
图1为本发明方法和系统的优选实施方案的示意性侧视图。
图2为图1中所示的系统的示意性俯视图。
图3为用于图1中所示系统的优选分配板设计的俯视图。
具体实施方式
在本发明的描述中，参考了附图，其中在图1中示意性地示出了优选实施方案。在下文中，将对附图以及这些附图所表示的方法作简要描述，且不对美国专利7090810中所述的各种组件进行过度的列举，该美国专利在此全文引入。
术语“脲”意指包括这样的试剂，该试剂因在其被加热时形成氨和HNCO而等同于于脲，不论该试剂是否在被引入的形式下含有大量的纯化学品脲；但是，该等同于脲的试剂在其市售形式下典型地含有可测量的脲，因而包含脲。可气化的NOx-还原试剂有，包含选自下列成员的那些：三聚氰酸一酰胺、三聚氰酸二酰胺、碳酸铵、碳酸氢铵、氨基甲酸铵、氰酸铵、无机酸(包括硫酸和磷酸)的铵盐、有机酸(包括甲酸和乙酸)的铵盐、缩二脲、二缩三脲、氰尿酸、异氰酸、脲甲醛、三聚氰胺、三氰基脲、以及这些物质中的任意种的混合物。不形成HNCO但分解为包括烃的气体的混合物的其它NOx-还原试剂也是可用的。这类其它NOx-还原试剂有各种胺以及它们的盐(尤其是它们的碳酸盐)，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、以及得自化学过程的含有脲的副产物废料。可以以所释放出的烃组分不妨碍NOx-还原反应的程度使用具有高级烷基的胺。
因此，术语“脲”意指涵盖其所有市售和等同形式的脲。典型地，脲的市售形式基本上由脲组成，含有95重量％或更多的脲。该相对纯的形式的脲是优选的且在本发明方法中具有若干优势。其优选作为浓度约5％～约70％、最典型约30％～约60％的水溶液供给到所述过程中。脲也可作为细碎固体或作为熔体使用。当这些试剂中的一些气化时，反应物气体也含有可与水反应以转化为氨和二氧化碳的HNCO。本发明的优点在于，这可在无需进行有堵塞喷嘴及其它设备的附带风险的NOx-还原试剂预先水解的情况下容易地实现。对于术语“气化”，其是指基本上所有脲转化为气体，不使显著量的溶解或游离的固体或液体与SCR催化剂接触。
参考图1，其显示了具有气体入口12、气体出口14、气体分配板16和注射器18的气化室10，其中，所述注射器18用于将通过管线20进料的脲水溶液作为细颗粒(在固体脲的情况中)或液滴(在液体脲的情况中)的喷雾19引入。通过将图1和图2结合，可知晓气体入口12和气体出口14相对于室10的优选布置。室10显示为包括顶板102、底板104和侧壁106。
在图3中示出了分配板的一种实施方式的详情。在该图中，图示出了中心孔160以及较小的孔162和164的八个环形阵列。中心孔160的尺寸足以允许注射器通过该孔引入脲并且使脲以防止气体回流的速度在室10中与经加热的气体相遇。注射器优选与分配板并列布置。根据喷嘴设计和流速，注射器开口可在该板之上、之下或与该板同一高度。优选地，喷嘴与该板隔开以允许流过孔160，并在注射器18和板16之间流动。在图中示出了一组优选尺寸。对于该示例性类型和尺寸的孔，脲溶液(35％的溶液)的流速可为约0.1升/分钟～约10升/分钟，且气体流速可为约50立方英尺/分钟～约1000立方英尺/分钟。
脲注射器18引入细分散的颗粒或液滴。喷雾模式19优选设计为圆锥形或其它提供均匀分布的形式。可采用任何适宜的注射器或喷嘴，例如，可利用空气辅助的、无空气的和机械的雾化器。期望小于500微米、但典型地小于100微米、和优选低于50微米的液滴或颗粒尺寸以快速蒸发任何水并使脲分解。此外，考虑到容器尺寸，由例如超声喷嘴产生的小且慢的液滴可以是比大且快的液滴更合乎期望的。如果期望，可将蒸汽用作雾化流体。脲进料管线20可为脲提供中心通道，并为雾化流体提供围绕的环形通道，所述雾化流体可防止脲在离开注射器18之前在管线20内分解。
经由入口12进入室10的经加热的气体将通过热解和/或水解使脲气化，含有气化的脲的气体经由出口14离开室10。所述气体优选地在至少400°F、优选超过500°F、且更优选约600°F～约1300°F(例如约700°F～约1200°F)的温度下引入到室10中。所述气体的温度以及在离开室10之前的停留时间将有效地实现充分气化。进入温度也应足够高以保持至少约350°F且优选至少450°F的离开温度。来自进入的气体或脲溶液的水分的存在将促进水解，这是期望的但不是必要的。本发明通过使用具有有效地防止脲或副产物向喷嘴倒流和喷嘴的固体结壳的不同尺寸的开口的多孔板进行气体速度限定(shaping)，提供了改进的脲分解室设计。
作为对离开所述室的固体或液体对下游SCR单元产生损害的可能性的预防，可采用元件15。元件15可为筛网、系列挡板或叶片、过滤器等，其设计成捕集来自任意来源的固体或液体。所述元件可任选地含有用于将HNCO或脲或副产物水解为氨的催化剂。
在引入脲之前和之后的热空气的适当速度分布对于分解室10的运行是关键的，并且通过本发明实现。本发明提供了使脲注入期望的热空气流动模式，以实现有效气化且不导致喷嘴结垢及相关问题的脲的分配。通过使用特别设计的多孔板16以及注射器18出口的适当定位，获得了有效的气体速度限定，产生了使气体与注射器附近的脲颗粒或液滴的速度几乎相匹配且在壁106附近提供降低的气体速度的气体速度分布。板16上的孔设计以及脲和热气体的流动参数可通过计算流体动力学或冷流建模、或者难度更高的试错法(trial and error)获得。
有利的是，本发明提供了气体和液体速度限定，其避免了注射器18附近的回流区。过去出现的注射器附近的回流是不期望的，因为其可导致液滴沉积在注射器本体上。一旦有沉积，则试剂固化并随着时间的推移而积聚。该固体物质往往朝着注射器喷雾处生长并最终干扰喷雾模式，导致可碰撞在室壁上的大颗粒或液滴。在壁上的碰撞在壁上产生固体沉积物。通过使气体速度与喷雾速度几乎相匹配，避免了所述回流区及其不利影响。
本发明的另一优点在于，速度限定降低了通过室10的气体流速的大小。均匀的高气体速度可降低注射器附近的回流；但是，这将要求更大量的热气体，从而提高对加热和鼓风机的需求。本发明优选提供壁附近接近零的气体速度以及在中心的注射器处的高气体速度，其中净减少了所需的气流量。因此，本发明的优点在于可在不增加室的高度的情况下获得有效的流速。
本发明的另一优点在于，速度限定使室10中的流动模式稳定化。如果气体仅在注射器附近进料，则注射器附近的回流区将消失，但下游流动模式将变得不稳定。稳定的高速核心不在中央位置，而是移动到更接近于壁，从而提高脲碰撞的可能性。
本发明的进一步优点在于，速度限定允许大的注射横截面积。用于使流动稳定的另一种方法是将室成型为倒置的漏斗状，以迫使所述核心在中央。但是，这将显著减小化学品注射的面积，从而提高液滴在壁上碰撞的可能性。本发明避免了该问题并同时提供了大的注射横截面积。
优选地，所述方法和装置与以下催化剂组合使用：用于NOx选择性催化还原的催化剂、用于NOx选择性非催化还原的催化剂、以及用于其它目的如烟道气调节的催化剂等。
采用所述方法和装置的系统结合有所公开的特征，并纳入各种工业应用所需的详细特征。
以上说明的目的在于教导本领域普通技术人员如何实践本发明。不旨在详述所有那些通过阅读本说明对于本领域技术人员明晰的各种明显的调整和变形。但是，所有这些明显的调整和变形旨在包括在由所附权利要求书限定的本发明的范围内。所述权利要求书旨在涵盖有效满足在此所预期的各种目的的任意顺序的所要求保护的组件和步骤，除非上下文有相反的具体说明。

Claims (17)

1.对脲进行气化以降低燃烧气体中氮氧化物浓度的方法，包括：
a.将脲进料到气化室中，
b.在通过能够使所述脲作为细小颗粒或液滴分配的注射器装置引入所述脲的位置的上游，将经加热的气体进料到所述气化室中，
c.在所述室中靠近所述注射器装置提供气体分配板，
d.在所述气体分配板上提供孔的排列和间隔，以使所述注射器装置附近的气体速度高于所述室壁附近的气体速度，和
e.有效地调节所述脲和所述经加热的气体的进料速率以使所述脲在离开所述室之前气化。
2.权利要求1的方法，其中，所述孔的排列和间隔由计算流体动力学或冷流建模确定。
3.权利要求1的方法，其中，所述脲作为水溶液引入。
4.权利要求3的方法，其中，所述水溶液以约5％～约70％的浓度引入。
5.权利要求1的方法，其中，所述脲作为细碎固体引入。
6.权利要求1的方法，其中，在引入所述脲的位置的上游的所述经加热的气体的温度为至少约400°F。
7.权利要求6的方法，其中，在引入所述脲的位置的上游的所述经加热的气体的温度为约600°F～约1300°F。
8.权利要求1的方法，该方法进一步包括使含有气化的脲的所述气体通过设计用于捕集来自任意来源的固体或液体的元件，所述元件如筛网，系列挡板或叶片，过滤器等。
9.权利要求7的方法，其中，所述元件含有用于将HNCO或脲或副产物转化为氨的催化剂。
10.权利要求1的方法，该方法包括使来自所述气化室的气体通过有效地用于NOx的选择性催化还原的催化剂的步骤。
11.一种装置，其包括：
a.具有顶部、底部和侧壁的气化室，
b.注射器装置，其用于将脲进料到所述气化室中并能够使所述脲作为细小颗粒或液滴分配在所述室内，
c.输送管装置，其用于在所述注射器装置的上游将经加热的气体进料到所述气化室中，
d.在所述室中靠近所述注射器装置的气体分配板，其具有有效地使所述注射器装置附近的气体速度高于所述室侧壁附近的气体速度的孔的排列和间隔，和
e.气体排出装置，其用于引导来自所述室的含有经气化的脲的经加热的气体。
12.采用所公开的方法和装置的系统。
13.用于使脲气化的方法，包括：
a.将脲进料到气化室中，
b.在通过能够使所述脲作为细小颗粒或液滴分配的注射器装置引入所述脲的位置的上游，将加热到至少400°F的气体进料到所述气化室中，
c.在所述室中靠近所述注射器装置提供气体分配板，
d.在所述气体分配板上提供孔的排列和间隔，以使所述注射器装置附近的气体速度高于所述室壁附近的气体速度，和
e.有效地调节所述脲和所述经加热的气体的进料速度以使所述脲在离开所述室之前气化。
14.权利要求11的方法，其中，所述孔的排列和间隔由计算流体动力学或冷流建模确定。
15.权利要求11的方法，其中，所述脲作为水溶液引入。
16.权利要求13的方法，其中，所述水溶液以约5％～约70％的浓度引入。
17.权利要求11的方法，其中，所述脲作为细碎固体引入。
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