CN103079680A - 用于试剂蒸发和其它加热气体系统的热气体的提取 - Google Patents

Abstract

一种从排放烟道抽取热的排放气体并且使用其热能来蒸发诸如氨水的含水反应活性试剂或提供加热的空气-处理气体混合物的方法。压缩的空气为在喷射器式文丘里装置中诱发真空提供了运动力，该喷射器式文丘里装置将热的排放气体(“热气体”)从排放烟道抽出。在实施例中，热气体被抽入蒸发器单元中。热气体中的热能使注入的含水试剂蒸发。蒸发的混合物被抽入喷射器并且被挟带在运动空气中。稀释的试剂蒸汽混合物被注入回到该排放烟道中以便支持选择性催化还原(SCR)过程并且减少氮氧化物(NOx)。

Description

用于试剂蒸发和其它加热气体系统的热气体的提取

在先申请的交叉引用

本申请基于并且要求在2010年6月9日提交的美国临时申请61/353111的优先权和权益，该临时申请通过引用以适用法律所允许的程度结合于此。

美国政府支持

不适用

技术领域

本发明是关于处理热排放气体的技术，使用排放气体的热并且以一种能量有效的方式控制空气污染，并且大体上涉及减少来自燃烧过程的排放中的氮氧化物(“NOx”)的浓度。具体地说，本发明涉及一种通过使用热气体抽取系统和相关的用于蒸发例如氨水的反应活性试剂的系统来减少排放的NOx浓度的新的并且有用的方法和系统。

背景技术

选择性催化还原(SCR)过程被广泛地用于处理来自燃烧过程的排放物中存在的NOx(即，减少污染物的量)。这些燃烧过程包括但不限于，由汽轮机和锅炉产生能量，化学处理加热器和蒸汽产生。这种SCR过程是一种已经证明有效的技术，在该过程中排放中的NOx分子在存在催化剂的情况下与氨结合而形成无害化合物。

氨水是用于SCR的氨的最普通的形式，并且由于它也是最安全的形式而已经被广泛接受。氨水是纯氨(NH₃，一种气体)溶解在液态水中的一种混合物。在氨水中氨的浓度范围按照氨的重量从小到几个百分点到大约10％至35％。

然而，氨气是有害的并且将它溶于水中的过程并不总是无关紧要的。尿素作为在这种SCR过程中的替代性试剂已经被开发出来。尿素是相对无毒的氨前体并且是易溶于水中的。当尿素溶液被蒸发和加热时，就释放出反应活性的氨。可以用同样的方式使用其它可溶于水的氨前体试剂或其它化学反应物。

为了最大化SCR过程的效果，氨水必须与排放流均匀地混合。为了确保均匀混合，就必须将氨水蒸发、用一种运载气体来稀释、并且均匀地注入排放流中。

这种含水反应活性试剂蒸发过程必须被提供以充足量的热能，这是由于对于所供应的每体积有用量的试剂而言会蒸发很大的相对体积的水。本领域已经开发了若干方法来实现这种蒸发。一种这样的方法通常在行业内被称作“气体再循环”或“热气体再循环”蒸发。在图1中示出了这种现有技术方法的操作。

蒸发的这种气体再循环方法使用来自热的排放气体的热能，这些热的排放气体通常的被驱除到大气中而浪费了它们含有的能量。抽风扇22从燃烧源的排放烟道10通过热源气管20抽出热气体的连续流。排放烟道10包括包含上游的或未处理的烟道气体的区域12和包含处理后的烟道气体的在SCR反应器14下游的区域16。气体抽风扇22将热气体移动通过它自身而进入引至蒸发器单元26的蒸发器管24。计量量的含水反应活性试剂(像氨)借助于试剂导引管32从试剂源30引入至蒸发器单元26中。通过试剂喷洒喷嘴28将这种试剂喷洒进入气体流中，该试剂喷洒喷嘴使用从压缩空气源34通过空气导管36传输到喷嘴28的压缩空气来用于雾化含水试剂和用于冷却喷嘴28。雾化的含水试剂液体被暴露于这种热气体足够的停留时间以便允许它蒸发。热气体和试剂的混合物通过注入器喷枪输入导管38离开蒸发器单元26并且然后引回到排放烟道10中。这种混合物借助于一排注入器喷枪18而均匀地分布在SCR反应器14的上游。本领域的普通技术人员应理解的是，可以使用这种同样的布置来引入含水性尿素或任何其它氨前体试剂的含水溶液或其它化学反应物。

气体再循环蒸发系统在理论上是简单的但是却依赖离心式抽风扇来输送和加压热气体。这种类型的风扇是包括多个精确部件的高速旋转的装置，而这些精确的部件对于高温和/或腐蚀性或反应活性的试剂和气体是敏感的。这些对于高温和试剂敏感的设计特征包括，但不限于：

●悬臂叶轮驱动轴；

●驱动轴轴承间隙；

●驱动轴壳体的密封件；

●叶轮的毂到轴的安装；

●驱动轴轴承座；

●叶轮到壳体的间隙；和

●叶轮的壳体到座的安装件。

气体抽风扇会由于这些以及其它部件的缺点而失效，这已经成为在行业内限制使用“气体再循环”蒸发系统的驱动力。为了使得气体再循环蒸发再次成为可行的选择，需要一些以成本有效的方式来解决这些问题的方式。

发明内容

本发明通过用喷射器式文丘里装置(“喷射器”—也已知为“引射器(eductor)”，“文丘里”或“喷嘴”)和不与高温过程(烟道)气体接触的压缩空气装置来替代抽风扇而避开了与暴露于热气体的旋转设备相关联的失效模式。

本发明的装置可以有利地用在新的和改装的设施中，其中这种改进的配置可以改进蒸发器性能，并且可以通过将蒸发容器从如在图1中示出的抽风扇排气处移动至紧邻排放烟道的喷射器抽吸管来减少要求用于系统预热的时间。

此外，这种喷射器式文丘里装置还可以有利地使用在多种配置中，在这些配置中它被用来替换易受损的气体抽风扇。这种喷射器式文丘里装置可以有利地使用在多种不同的应用中来与易受损的抽风扇无接触地移动热的排放气体。本发明性技术的另优点是它可以可靠地应用于比现有技术的工艺中有可能的温度更高的烟道气体温度，这使之潜在地更加有效。

附图说明

图1示出现有技术的气体再循环蒸发系统的图示；

图2示出本发明的通常使用在原始设备中的第一“下游的”实施例，其中喷射器位于蒸发器的下游；

图3示出本发明的通常使用在改装设备中的第二“上游的”实施例，其中喷射器位于蒸发器的上游；

图4示出现有技术的热密封空气(heat seal-air)系统；并且

图5示出热密封空气系统，其中喷射器为空气屏障提供热量。

具体实施方式

提供以下说明以使本领域技术人员能够制作并使用本发明，并且以下说明提出了发明人考虑到的、实现他们发明的最佳模式。然而，各种修改对本领域技术人员来说仍将是明显的，因为在此已经将本发明的一般性原则确切定义为提供改进的气体再循环蒸发系统及其它热气体系统。

本发明包括多种不同的配置，这些配置使用喷射器来避免用风扇来处理热气体所导致的问题。抽取的热气体的一种用途是使得试剂蒸发。这些试剂蒸发实施例包括带有在喷射器上游的蒸发器的实施例和带有在喷射器下游的蒸发器的实施例。可以在多种不同的应用中使用由喷射器抽取的热气体来避免风扇与热的反应气体之间的接触并且避免或最小化使用外部加热器来将气体温度增加到例如在加热的密封空气系统中的工作温度上。

上游安装

图2展示以一种在上游的配置安装的本发明，这种配置在初始原备安装中是常见的，但并不是必需的。这种配置提供了使用热气体的反应活性试剂蒸发，而无需将抽风扇直接放置在热气体的流动路径中。在这种装置中，环境条件下的空气被鼓风机46压缩到10psig至30psig(69kPa-207kPa)。本领域的普通技术人员意识到可以在这种系统中使用多种相似的压缩机或鼓风机装置。在压缩过程中，空气温度根据鼓风机进气口处的环境空气温度和鼓风机压缩比而增加。在鼓风机/压缩机的出口47处所期望的空气温度是从大约100℉至350℉(38℃至177℃)。这种“温热的”压缩空气被迫使通过隔热的空气管50而到达文丘里喷射器装置42的“运动空气”输入或进入端口48。温热的压缩空气穿过喷射器式文丘里装置42，由此在喷射器装置42的喷射器“抽吸气体”或真空入口端口44处诱发真空。

排放烟道10内的通常的热气体的温度会根据特定燃烧过程和从管道系统10移走热气体的精确位置而在大约500℉(260℃)和1100℉(593℃)之间改变。高于900℉(482℃)的温度通常地位于以简单循环运行的汽轮机排气处的烟道气体的取出位置上、或位于以废热发电运行的汽轮机上的热回收蒸汽产生器(HRSG)的上游处。高于500℉(260℃)的热气体温度通常地位于以废热发电运行的、安装有热回收蒸汽产生器(HRSG)的汽轮机的下游的烟道气体取出位置上。

热气体的连续流是由喷射器装置42引起的真空通过隔热的气体入口管20从排放烟道10的热气体流抽取的。热气体的流动速率通常地是由自动阀21来调节的。自动阀21的设定是喷射器输出端口52处的流动速率和压力以及注入器喷枪输入导管38处的温度的函数。热气体通过隔热的热气体源管20抽入蒸发器单元26。这种蒸发器单元26可以是带有液体喷洒喷嘴的开放腔室类型的、结构化填装(packing)类型的、随机填装类型的、盘塔类型的、静态混合器类型的、或其它配置，它对于本领域的普通技术人员是已知的，本领域的普通技术人员理解的是蒸发器的这些和其它配置是完全可应用于本发明的。应理解的是可以改变蒸发器单元26的放置以便对温度进行“调谐”。在这一点上，计量量的含水反应活性试剂被从试剂源30通过试剂导引管32引入至蒸发器单元26。这种含水试剂由试剂喷洒喷嘴28喷洒进入气体流，该试剂喷洒喷嘴由来自压缩空气源34的大约15psig至30psig(103kPa-207kPa)的压缩空气供能，由此来提供含水试剂的精细雾化。喷洒喷嘴28外部是由外护套(未示出)来与热气体屏蔽的，冷空气在该喷嘴与该护套之间流动。压缩空气通过连接到空气源34的管36提供到喷嘴28。雾化的含水液体试剂溶液与热气体相接触，此处有足够的停留时间以允许试剂蒸发。本领域的普通技术人员应理解的是，以上喷洒喷嘴的说明是出于展示的目的给出的，并且试剂喷洒器的多种其它配置(例如，机械喷嘴和超声波雾化器)是完全可应用于本发明的。

这种蒸发功能是通过将蒸发器邻近于排放烟道定位、由此将含水试剂暴露于尽可能最高的热气体温度来改进的。这种热气体和试剂混合物然后被抽出蒸发器单元26，并且通过隔热的蒸发器到达喷射器管40。

混合物进入喷射器装置42的“抽吸处”或入口端口44并且与来自稀释风扇或鼓风机46的“运动空气”进行混合。这种稀释的混合物在输出或“排气”端口52处离开喷射器装置42。稀释的混合物的温度会根据流动进入该进入端口48的“运动空气”、环境温度加上鼓风机的压缩热(如在空气导引管50中测量的)、流动通过入口端口44的“抽吸气体”、以及试剂混合物温度(如在管40中测量的)而变化。在喷射器输出端口52处的通常的稀释的混合物的温度会根据处理条件和试剂流动速率而变化，但是通常地大约为190℉至600℉(88℃至316℃)。

在管40中要求的最小混合物温度是热气体成分的函数。携带硫的热气体应该通常地保持高于500℉(260℃)。不携带硫的热气体的温度是管40中气体混合物内的蒸发的化学试剂的计算露点的函数。

稀释的混合物通过隔热的注入器喷枪输入导管38被再次引入排放烟道10中。这种混合物借助于一排注入器喷枪18而均匀地分布在SCR反应器14的上游。然后在SCR反应器14内发生NOx与氨或其它反应活性试剂的反应。

下游安装

本发明如在图3中展示地提供了使用热气体的反应活性试剂蒸发，而无需将抽风扇直接放置在热气体的流动路径中。这种实施例具有在下游放置的蒸发器单元，并且可以是对于在现有设施中的抽风扇进行替换的方便的配置(即，“改装”的装置)。然而，根据过程参数，这种配置在新的设施中也是有用的。在这种实施例中，位于环境条件下的空气被鼓风机46压缩到10psig至30psig(69kPa-207kPa)。本领域的普通技术人员意识到存在可以用在这样系统中的诸如例如，多级离心式的、正排量式的、以及高速涡轮鼓风机式的多种类似的压缩机或鼓风机装置。

在压缩过程中，空气温度根据鼓风机进气口处的环境空气温度和鼓风机压缩比而增加。在鼓风机/压缩机的出口47处所期望的空气温度是从大约100℉至350℉(38℃至177℃)。这种“温热的”压缩空气被迫使通过隔热的空气管50而到达文丘里喷射器装置42的“运动空气”输入或进入端口48。温热的压缩空气穿过喷射器式文丘里装置42，由此在喷射器装置42的喷射器“抽吸气体”或真空入口端口44处诱发真空。

可以使用辅助电子或气体点燃式(gas-fired)空气加热器、使得鼓风机/压缩机的排气流动的一部分转向回到该鼓风机/压缩机入口管线中的旁通阀、使得从该蒸发器单元入口管线抽取的烟道气体的一部分转向回到该鼓风机/压缩机入口管线中的旁通阀、这些方法的组合、或其它相似的方法，来提高低于给定过程的理想温度的温度。

热气体的连续流是由喷射器装置42引起的真空通过隔热的热的气体入口管20从排放烟道10的热气体流抽取的。排放烟道10内的通常的热气体的温度会根据特定燃烧过程和从管道系统10移走热气体的精确位置而在大约500℉(260℃)和1100℉(593℃)之间改变。高于900℉(482℃)的温度通常地用于处在以简单循环运行的汽轮机排气处的烟道气体的取出位置上、或位于以废热发电运行的汽轮机上的热回收蒸汽产生器(HRSG)的上游处。高于500℉(260℃)的热气体温度通常地位于以废热发电运行的、安装有热回收蒸汽产生器(HRSG)的汽轮机的下游的烟道气体取出位置上。

热气体被抽入喷射器装置42的“抽吸”端口44。热气体的流动速率通常地是由自动阀21来调节的。自动阀21的设定是喷射器排气端口52处的流动速率和压力以及喷射器管54处的温度的函数。热气体与来自稀释鼓风机46的“运动空气”进行混合。稀释的气体在输出或“排气”端口52处离开喷射器装置42。这种稀释的气体温度会根据流动进入进入端口48的“运动空气”、环境温度加上鼓风机的压缩热(如在空气管50中测量的)、流动通过入口端口44的“抽吸气体”、以及热的烟道气体温度(如在管20中测量的)而变化。通常的稀释的混合物的温度在出口端口52处可以为大约300℉至750℉(149℃至399℃)。

混合物通过隔热的气管54离开喷射器装置42进入蒸发器单元26。在这一点上，计量量的含水反应活性试剂被从试剂源30通过试剂导管32引入至蒸发器单元26。这种含水试剂由试剂喷洒喷嘴28喷洒进入气体流，该试剂喷洒喷嘴由来自空气源34的大约15psig至30psig(103kPa-207kPa)的、由空气管36引导的压缩空气来供能，由此提供含水试剂的精细雾化。喷洒喷嘴28的外部是由外护套(未示出)来与热气体屏蔽的，冷空气在该喷嘴28与该护套之间流动。雾化的含水试剂溶液与热气体相接触，此处有足够的停留时间以允许试剂蒸发。本领域的普通技术人员应理解的是这种喷嘴系统仅是出于说明的目的而示出的。任何其它雾化液体试剂的方法都可应用于本发明。

热气体和试剂混合物流出蒸发器单元26进入隔热的管38。在管38中要求的最小混合物温度是热气体成分的函数。携带硫的热气体应该通常地保持高于500℉(260℃)。不携带硫的热气体的温度是管38中气体混合物内的蒸发的化学试剂的计算露点的函数。稀释的混合物被再次引入排放烟道10中。这种混合物用一排注入器喷枪18而均匀地分布在SCR反应器14的上游。然后在SCR反应器14内发生NOx与氨或其它反应活性试剂的反应。

本领域的普通技术人员显而易见的是，在这种实施例与在上游的实施例之间的配置不同点主要是由于现有技术布置的这种配置(图1)造成的。在现有技术布置中，风扇22将热气体从排放烟道10抽出并且迫使这种气体流入蒸发器单元26，在该蒸发器单元处试剂被喷洒进入气体流(蒸发器是在风扇的下游)。然后，这种烟道气体与蒸发的试剂的混合物被再次引入SCR单元14的上游。在图2的实施例中，风扇22被喷射器42和鼓风机46替换，该喷射器和鼓风机将热气体从排放烟道10直接抽入蒸发器单元26(蒸发器是在喷射器的上游)。热气体与蒸发的试剂的混合物被抽入喷射器42，并且被驱使离开该喷射器以便被再次引入在SCR单元14上游的该排放烟道10中。由于气体是直接抽自该排放烟道的，因此这种布置可以在蒸发器单元中产生更高的气体温度。可以通过设定自动阀21对热的烟道气体的流动进行调节来控制被驱使离开该喷射器的并且回到该排放烟道中的气体的温度。

当希望用喷射器42来替换现有技术(图1)的正在失效的热气体风扇，以便避免未来由热气体导致的失效时，该系统已经配置有在移动热气体的装置下游的蒸发器单元26。用鼓风机喷射器组合来直接替换热气体风扇22是更为简单的，因为这避免了移动蒸发器和替换所有附带的铅管。如以上所解释的，蒸发器在喷射器上游的这种位置可能是有利的，因为直接从排放烟道进入蒸发器的热气体以及由喷射器产生的部分真空促进试剂蒸发。当在替换情形中采用蒸发器的下游位置时，将热气体入口管20的穿过重新定位到排放烟道10的较热的区域中可被用来确保对于最佳的试剂蒸发而言足够高的温度。对进来的鼓风机空气和/或抽取的热气体进行辅助加热是确保对于最佳试剂蒸发而言有足够高的温度的另外有用的替代方案。

基于喷射器的加热的密封空气系统

由喷射器抽取的热气体还可以用作加热环境空气的能量节省系统。图4示出现有技术的加热的密封空气系统。这样的系统是与一排气闸(dampers)56、58一起使用的，这些气闸控制着例如输送管10中的热排放气体。现有技术的解决方案利用双层的多个气闸来最大化第一气闸组56的上游侧12与第二气闸组58的下游侧16的气体隔离。为了进一步改进隔离，这些上游气闸56与这些下游气闸58之间的空间64是用环境空气来吹扫的。鼓风机46将空气压缩到高于管道系统中存在的压力的压力。对于被这些气闸隔离的输送气体常见的是在低于露点的温度下含有形成酸性的或其它腐蚀性液体的化学物质。为了最小化这种情况，通过电子加热器60将环境空气加热以便确保与这些上游气闸56接触的气体不变冷到低于露点。不幸的是，这种空气加热器60在加热空气的过程中耗费相当大量的能量。

图5示出本发明的布置，其中环境空气被抽入鼓风机46。压缩的空气通过管50被驱使进入文丘里喷射器42的入口端口48中。空气流动通过喷射器42在管20中诱发真空，该管将热气体从输送管10抽入文丘里喷射器的抽吸入口端口44中。热气体的流动速率可以用自动阀21来调节。自动阀21的设定是喷射器出口端口52处的流动速率和压力以及喷射器出口管62处的温度的函数。这种热气体与压缩的空气混合出于密封空气的目的而提供加热的空气。这种加热的混合物通过排气端口52离开文丘里喷射器42并且借助于管62最终输送到上游气闸56与下游气闸58之间的空间64。因此，免除了空气加热器60，而带来相当大的能量节省。应该意识到的是这种喷射器允许加热屏障气体而不要求辅助加热器，因此节省了能量。这种喷射器系统可应用于需要加热气体的其它配置。

以下这些权利要求因此应理解为包括以上具体展示并且说明的内容、概念上等效的内容、能够明显地替代的内容、还以及实质上涵盖了本发明的基本思想的内容。本领域的技术人员应当意识到，在不背离本发明的范围的情况下，可以对刚刚说明的优选实施例进行各种变型和修改。所示出的实施例已经仅仅出于举例的目的进行了说明，并且不应作为对本发明的限制。因此，应理解的是，在所附权利要求的范围内，本发明可以按除在此具体描述的以外的方式来实施。

Claims (7)

1.一种用于在没有任何暴露于热的排放烟道气体和/或反应活性试剂蒸汽的移动式机械部件的选择性催化还原系统中使用的、用于蒸发反应活性试剂的系统，包括：

第一压缩气体源；

文丘里喷射器，所述文丘里喷射器具有输入端口、抽吸端口和输出端口，所述第一压缩气体源将压缩气体提供至所述输入端口；

热气体入口管，所述热气体入口管用于提供来自排放烟道的热气体；

热气体出口管，所述热气体出口管用于将气体混合物再次引入所述热气体入口管下游的排放烟道中，由此在所述抽吸端口处的真空将热气体从所述排放烟道抽出并且通过所述热气体入口管，并且离开所述出口端口的压缩气体与热气体的混合物被驱使通过所述热气体出口管并且回到所述排放烟道中；以及

具有气体入口和气体出口的反应容器，所述反应容器布置在所述热气体入口管与所述热气体出口管之间与它们流体连通，所述反应容器包括：

在所述反应容器内的反应活性试剂雾化装置；以及

反应活性试剂源，所述反应活性试剂源可操作地连接至所述反应活性试剂雾化装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述雾化装置进一步包括用于喷洒来自所述反应活性试剂源的反应活性试剂的反应活性试剂喷洒喷嘴，和可操作地连接至所述反应活性试剂喷洒喷嘴的第二压缩气体源。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述反应容器被布置成以所述气体入口连接至所述热气体入口管并且以所述气体出口连接至所述抽吸端口，由此在所述文丘里喷射器中产生的真空将热气体从所述排放烟道抽入所述反应容器中，在所述反应容器处所述热气体与从所述反应活性试剂雾化装置喷洒的反应活性试剂混合，从而导致所述反应活性试剂蒸发以便形成热气体-反应活性试剂混合物，所述混合物被抽入所述文丘里喷射器中并且通过连接至所述输出端口的所述热气体出口管被推回到所述排放烟道中。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述反应容器被布置成以所述气体入口连接至所述文丘里喷射器的输出端口并且以所述气体出口连接至所述热气体出口管，由此在所述文丘里喷射器中产生的真空将热气体从所述排放烟道抽入所述文丘里喷射器中，在所述文丘里喷射器处所述热气体与来自所述第一压缩气体源的气体混合并且离开所述文丘里喷射器进入所述反应容器以便与从所述反应活性试剂雾化装置喷洒的反应活性试剂混合，从而导致所述反应活性试剂蒸发以便形成热气体-反应活性试剂混合物，所述混合物被推动通过所述热气体出口管而回到所述排放烟道中。

5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于加热来自所述第一源的压缩气体的装置。

6.一种用于提供加热的空气与处理气体的混合物的系统：

压缩空气源；

文丘里喷射器，所述文丘里喷射器具有输入端口、抽吸端口和输出端口，所述压缩空气源将压缩的空气提供至所述输入端口；

热气体入口管，所述热气体入口管连接在热气体源与所述抽吸端口之间；

加热的处理气体的混合物出口管，所述混合物出口管在所述文丘里喷射器的输出端口与要求加热的空气与处理气体的混合物的处理之间产生流体连接，由此在所述文丘里喷射器中产生的真空将热气体抽入所述文丘里喷射器中，在所述文丘里喷射器处所述热气体与所述压缩的空气混合并且加热所述压缩的空气以便提供所要求的加热的空气与处理气体的混合物。

7.根据权利要求6所述的系统，还包括在排放烟道内的两组间隔开的气闸，在所述排放烟道处来自所述加热的处理气体混合物出口端口的所述加热的空气与处理气体的混合物在所述两组气闸之间提供加热的密封空气。

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