CN102233238A - 用于控制以及减少NOx排放物的系统和方法 - Google Patents

用于控制以及减少NOx排放物的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于控制以及减少NOx排放物的系统和方法。提供了用于减少来自产生源所产生的气流的NOx排放物的方法和系统。该方法可包括通过使气流与氧化催化器(16)接触来使存在于该气流中的NO气体的很大一部分氧化，以产生高阶NxOy分子；以及之后通过溶剂吸收或反应从气流中去除高阶NxOy分子。系统(10)可包括：构造成以便产生包含NOx的气流的气体产生源；定位在气体产生源的下游的氧化催化器(16)，其中，氧化催化器(16)构造成以便使气流中的NO气体分子氧化，以产生高阶NxOy分子；以及定位在氧化催化器(16)的下游的去除装置，其构造成以便通过溶剂吸收或反应从气流中去除高阶NxOy分子。

Description

用于控制以及减少NO<sub>x</sub>排放物的系统和方法
技术领域
本发明大体在NOx排放物减少的领域中。更具体而言，本发明涉及用于减少来自NOx产生源的NOx排放物的系统和方法。
背景技术
NOx排放物是许多行业尤其是动力产生行业所关心的问题。NOx的产生在高温燃烧应用中和/或对于含氮燃料的燃烧是普遍的。在高的燃烧温度下，燃烧空气中的双原子氮可氧化而产生NOx。燃料中的氮也可在燃烧期间作为自由基释放而形成NOx。普遍已知的是NOx排放物会导致酸雨以及有害的健康副作用，因此，NOx排放物是规章审查对象。
NOx减少的一种常见方法包括在催化器上注入还原剂，以将NOx转化成N2。甚至更具体地，一起使用氨与选择性催化还原(“SCR”)催化器目前是NOx减少的最常见的方法。在一些应用中，此方法可有效地从气流中去除NOx中的80％至95％；但是，使用氨反应剂可为非常大的运行成本。
因而，提供用于NOx减少的新系统和方法将是合乎需要的。提供消除对诸如氨的还原反应剂的需要或减少诸如氨的还原反应剂的使用的、用于NOx减少的新系统和方法也将是合乎需要的。
发明内容
一方面，提供了一种用于减少来自产生源所产生的气流的NOx排放物的方法。该方法可包括通过使气流与氧化催化器接触来使存在于气流中的NO气体中的很大一部分氧化，以产生高阶NxOy分子；以及之后通过溶剂吸收或反应从气流中去除高阶NxOy分子。
另一方面，提供了一种用于减少NOx排放物的系统。该系统可包括构造成以便产生包含NOx的气流的气体产生源；定位在气体产生源的下游的氧化催化器，其中，氧化催化器构造成以便使气流中的NO气体分子氧化，以产生高阶NxOy分子；以及定位在氧化催化器的下游的去除装置，其构造成以便通过溶剂吸收或反应从气流中去除高阶NxOy分子。
附图说明
图1是示出了根据本发明的一个或多个实施例的、用于减少NOx排放物的系统的图示。
部件列表：
10系统
12燃气轮机发动机
14热交换器(一个或多个)
16氧化催化器
18热交换器
20容器
22排气
具体实施方式
提供了用于减少来自NOx产生源的NOx排放物的系统和方法。该系统和方法可用于各种NOx产生应用中，包括但不限于，气体燃烧、蒸汽发生和碳氢化合物精炼应用。该系统和方法大体可用于其中产生了包含NOx的气流的任何应用中。在一个示例性实施例中，本发明的系统和方法可用来减少来自燃气轮机发动机的NOx排放物。在另一个实施例中，本发明的系统和方法可用来减少来自锅炉的NOx排放物。在又一个实施例中，本发明的系统和方法可用来减少来自精炼厂的NOx排放物。
本发明的系统和方法可主要通过这样的方式来实现来自气流的NOx的减少：将气流中的NO分子氧化成高阶NxOy分子，并且随后通过溶剂吸收或反应来去除高阶NxOy分子。这种方法可有利地避免或减少对持续注入还原剂的需要。在一些实施例中，该系统可在不对气流添加反应剂的情况下从后燃烧气流中去除NOx中的80％至95％。类似地，这种系统可减少或消除对添加氧化剂或能量源(例如臭氧(O3))以产生具有更高的溶剂吸收或反应的NxOy类(如N2O5)的需要。
如本文所用，用语“高阶NxOy分子”指的是其中x和/或y的值大于1的NxOy分子。这些分子可为NO氧化的产物。例如，用语高阶NxOy分子包含NO2和N2O5。该用语还包含比NO高阶的其它氮氧化物，包括N2O、N2O3和N2O4。
方法
一方面，提供了用于减少来自产生源所产生的气流的NOx排放物的方法。该方法可包括通过使气流与氧化催化器接触来使存在于气流中的NO气体中的很大一部分氧化，以产生高阶NxOy分子(例如NO2和/或N2O5)，以及之后通过水吸收或反应从气流中去除NO2气体。
如本文所用，用语“氧化催化器”大体指的是使NO分子氧化以产生高阶NxOy分子(例如NO2和/或N2O5)的装置。氧化催化器可为具有涂有化学催化剂的内部蜂窝结构的流过装置。在一个实施例中，氧化催化器可为CO催化器。在一些实施例中，氧化催化器构造成以便使气流中的足够量的NO分子氧化，从而使得离开该氧化催化器的气流中的大多数NxOy分子是NO2分子。在一些实施例中，在气流与氧化催化器接触之前，气流中的大多数NOx分子是NO分子。优选地，可将氧化催化器放置在沿着气流流径的位置处，此处氧化催化器将暴露于在约350°F到约700°F的范围中的气流温度。已经发现，由于更低的工作温度的原因，氧化催化器在这种温度范围下工作可有利地允许催化器在热力学上有利于产生NxOy，同时提供足够的温度以在催化器表面上实现期望的速率动力学。还已经发现，在排气流中出现SOx可使最佳温度转移到更高的值。
在一个示例性实施例中，传统的燃气轮机发动机可产生其中NOx分子中的大约90％是NO的气流。氧化催化器可构造成以便产生这样的气流：在该气流中，NOx分子中的大约50％或更多是高阶NxOy分子(例如NO2和或N2O5)，或者更优选地，NOx分子中的大约70％或更多是高阶NxOy分子，或者甚至更优选地，NOx分子中的大约80％或更多是高阶NxOy分子。对于未经NOx抗氧化剂处理的CO催化器来说，可在约700°F或以下的温度下实现在NOx中大于80％是高阶NxOy。使用铂基氧化催化器可在约350°F至约700°F的范围中实现约85％的氧化效率。范围可取决于催化器组分、催化器表面处理和催化器表面积而改变。
在一些实施例中，该方法可进一步包括燃烧燃料以产生气流，其中，气流包含燃料燃烧的反应产物。例如，燃料可包括碳氢化合物燃料、非碳氢化合物燃料或它们的组合。在示例性实施例中，燃料可包括天然气、油或煤。气流可由多种产生源产生，包括但不限于，燃气轮机、锅炉、炉子、精炼厂或化学处理装置。
可通过溶剂吸收(例如通过水吸收)或反应在氧化催化器的下游去除气流中的高阶NxOy分子。高阶NxOy分子，尤其是NO2和N2O5分子，在水中是可溶解的，并且可通过对气流应用水来从气流中去除高阶NxOy分子。例如，可把水喷射到气流中，以吸收气流中的高阶NxOy分子。水和高阶NxOy分子之后可从气流中分离出来。在某些实施例中，适于使气流中的水蒸汽冷凝的水收集器可放置在氧化催化器的下游。在另一个实施例中，水薄膜或其它溶剂薄膜支承在高表面积结构(例如去雾器垫)上，而且NxOy转移到薄膜上。冷凝水可吸收气流中的高阶NxOy分子，并且水和高阶NxOy分子之后可从气流中分离出来。在其它实施例中，高阶NxOy分子可通过高阶NxOy分子与反应剂的反应而分离出来。例如，NO2分子可与例如石灰基水溶液中的碱石灰接触和反应。
在某些实施例中，以对从气流中去除NOx分子中的至少40％有效的方式执行将NO分子氧化成高阶NxOy分子以及高阶NxOy分子的水吸收和/或反应。在一个优选实施例中，以对从气流中去除NOx分子中的至少75％有效的方式执行将NO分子氧化成高阶NxOy分子以及高阶NxOy分子的水吸收和/或反应。可在不添加氨的情况下有利地实现这种水平的NOx减少。
系统
另一方面，提供了用于减少NOx排放物的系统。该系统可包括构造成以便产生包含NOx的气流的气体产生源；定位在气体产生源的下游的氧化催化器，该氧化催化器构造成以便使气流中的NO气体分子氧化，以产生高阶NxOy分子；以及定位在氧化催化器的下游的去除装置，其构造成以便通过水吸收或反应从气流中去除NxOy分子。
在一些实施例中，系统可包括构造成以便燃烧燃料以产生包含燃料燃烧的反应产物的气流的气体产生源。燃料可包括碳氢化合物燃料，例如天然气、油或煤。气流可由多种产生源产生，包括但不限于，燃气轮机、锅炉、炉子或化学处理装置(例如精炼厂)。
可通过水吸收或反应在氧化催化器的下游去除气流中的高阶NxOy分子。高阶NxOy分子在水中是可溶解的，并且可通过对气流应用水来从气流中去除高阶NxOy分子。例如，可通过水注入装置，例如通过一个或多个喷嘴，把水喷射到气流中，以吸收气流中的高阶NxOy分子。水和高阶NxOy分子之后可从气流中分离出来。在某些实施例中，适于使气流中的水蒸汽冷凝的水收集器可放置在氧化催化器的下游。冷凝水可吸收气流中的高阶NxOy分子，而且水和高阶NxOy分子之后可从气流中分离出来。在其它实施例中，高阶NxOy分子可通过高阶NxOy分子与反应剂的反应而分离出来。例如，高阶NxOy分子可与碱石灰溶液接触和反应。
在某些实施例中，以对从气流中去除NOx分子中的至少40％有效的方式执行将NO分子氧化成高阶NxOy分子以及高阶NxOy分子的水吸收和/或反应。在一个优选实施例中，以对从气流中去除NOx分子中的至少75％有效的方式执行将NO分子氧化成高阶NxOy分子以及高阶NxOy分子的水吸收和/或反应。可在不添加氨的情况下有利地实现这种水平的NOx减少。
在图1中示出了用于减少NOx排放物的系统的一个实施例。系统10可具有NOx产生源，例如燃气轮机发动机12。燃气轮机发动机12可产生具有约800°F至约1200°F的排气温度和9ppm的NOx浓度的气流。NOx排放物中的大约10％可包含NO2，其余主要是NO。气流可穿过一个或多个热交换器14，使得气流可被冷却到约350°F至约800°F。气流然后可穿过氧化催化器16，在氧化催化器16中，NO分子中的很大一部分被氧化成高阶NxOy分子。在图1的实施例中，离开氧化催化器16的气流可具有9ppm的NOx浓度，NOx排放物中的大约80％包含NO2或其它高阶氮氧化物，例如N2O5。气流然后可在热交换器18中被进一步冷却到约120°F。
经冷却的气流然后可穿过容器20，在容器20中，NxOy在溶剂(例如水溶剂)中洗涤，并且被吸收或反应，然后被从气流中去除。例如，容器20可包括将水或用于NxOy的其它溶剂注入气流中的水注入装置。在一些实施例中，容器20可包括使气流中的水蒸汽冷凝的水收集装置。液体水和吸收的高阶NxOy分子然后可从气流中分离出来，且该气流然后可穿过排气装置22而到达大气。排气气流可包含2.5ppmvd的NOx。在另一个实施例中，容器20可包括碱石灰或用于NO2的另一种反应剂。
高阶NxOy分子的水吸收和/或反应可按多种方式实现。例如，对于具有高的硫含量的燃料来说，高阶NxOy分子的水吸收和/或反应可作为烟道气脱硫(“FGD”)过程的一部分在FGD单元内执行。可使用多种类型的洗涤器来使高阶NxOy分子从气流中分离出来，包括喷射塔、填充床洗涤器和/或文丘里洗涤器。
在一个实施例中，提供了一种用于减少NOx排放物的系统，其包括构造成以便产生包含NOx的气流的气体产生源和定位在该气体产生源的下游的氧化催化器。氧化催化器可构造成以便使气流中的NO气体分子氧化，以产生高阶NxOy分子。系统可进一步包括定位在氧化催化器的下游的去除系统，其构造成以便通过水吸收或反应从气流中去除高阶NxOy分子。
在一些实施例中，在气流与氧化催化器接触之前，存在于气流中的NOx分子中的大多数是NO分子。例如，在燃气轮机发动机系统中，涡轮排气中的NOx分子中的大约90％可为NO。在一些实施例中，氧化催化器可使产生源产生的NO分子中的约50％或更多氧化。在某些实施例中，氧化催化器可使产生源产生的NO分子中的约75％或更多氧化。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种减少来自产生源所产生的气流的NOx排放物的方法，包括：
(a)通过使所述气流与氧化催化器(16)接触来使存在于所述气流中的NO分子的一部分氧化，以产生高阶NxOy分子；以及之后
(b)通过溶剂吸收或反应从所述气流中去除高阶NxOy分子。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括燃烧燃料以产生气流，其中，所述气流包含燃料燃烧的反应产物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述气流与所述氧化催化器(16)接触之前，所述气流中的NOx分子中的大多数是NO分子。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以从所述气流中去除NOx分子中的至少40％的方式执行步骤(a)和(b)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以在不添加氨的情况下从所述气流中去除NOx分子中的至少40％的方式执行步骤(a)和(b)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产生源包括燃气轮机(12)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产生源包括锅炉、炉子、精炼厂处理装置或化学处理装置。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述气流中去除高阶NxOy分子的步骤包括对所述气流应用水或含水溶液。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述气流中去除高阶NxOy分子的步骤包括使所述气流与适于收集所述气流中的水的水收集器接触。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述气流中去除高阶NxOy分子的步骤包括使所述气流与石灰基水溶液接触。
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