CN104039424A - 将试剂喷射在锅炉的sncr/scr排放系统中的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用以引入试剂以还原烟道气中的氮氧化物的设备，包括：安装至用于烟道气的通道的喷嘴，其中，喷嘴安装在SNCR系统下游和SCR系统上游，其中喷嘴安装在通道的一个或更多个壁上并且构造成将加压流体喷射到烟道气中；加压流体源，其与喷嘴流体连通使得加压流体流至喷嘴；NOx还原试剂源以及混合装置，其使试剂与加压流体混合使得流至喷嘴的加压流体包括试剂。

Description

将试剂喷射在锅炉的SNCR/SCR排放系统中的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于锅炉的排放物控制，并且特别地涉及抑制由锅炉生成的烟道气中的氮氧化物的排放物。
背景技术
从诸如油、气和煤的化石燃料的燃烧生成的烟道气典型地包括气载氮氧化物(NOx)。NOx为污染物并且经受愈发严格的政府管控以保护大气环境。存在对用以还原烟道气中的NOx的系统的长期迫切需要。
为了还原烟道气中的氮氧化物，各种系统应用于锅炉的烟道气通道中。这些常规系统包括选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)，二者均使试剂与烟道气反应。诸如氨和脲的试剂与烟道气中的氮氧化物反应以从烟道气移除NOx。
SNCR涉及试剂在热烟道气中的喷射。烟道气中的热促进试剂和NOx之间的化学反应以还原气体中的NOx。SCR也涉及与烟道气反应的试剂，但是在较冷的烟道气上执行。在气体冷却时，烟道气穿过具有用以促进试剂和NOx之间的化学反应的催化剂的SCR系统，并且由此进一步还原气体中的NOx。催化剂典型地在定位在烟道气的路径中的支承结构上。在SNCR/SCR耦合系统中，用于SCR系统的试剂可为由SNCR系统引入的试剂的一部分。该部分为在SNCR系统中不与NOx反应的剩余试剂。剩余试剂与烟道气一起流至SCR系统。剩余试剂通常被称为来自SNCR系统的“氨泄漏”。
在气体在SCR系统中的催化剂上面经过时，保留在烟道气中的试剂的均匀分布是合乎需要的。结构或机械混合装置(诸如板阵列)在SCR系统上游定位在烟道气中以确保试剂均匀地分布在烟道气中。
发明内容
一种用以使试剂在穿过SCR系统的烟道气中均匀地分布的系统和方法被设想和发明。试剂和蒸汽混合物在SCR系统上游和SNCR系统下游注射在烟道气中。蒸汽和试剂混合物以高速并通过喷嘴阵列喷射以确保与烟道气的强力混合。喷嘴阵列可布置在用于烟道气的通道的壁上以确保在烟道气穿过SCR系统时试剂的均匀分布。
一种用以引入试剂来还原烟道气中的氮氧化物的设备被设想，包括：安装至用于烟道气的通道的喷嘴，其中，喷嘴安装在SNCR系统下游和SCR系统上游，其中喷嘴安装在通道的一个或更多个壁上并且构造成将加压流体喷射到烟道气中；加压流体源，其与喷嘴流体连通使得加压流体流至喷嘴；NOx还原试剂源以及混合装置，其使试剂与加压流体混合使得流至喷嘴的加压流体包括试剂。
一种用以还原燃烧气体中的气载氮氧化物(NOx)的方法被设想，包括：生成燃烧气体并且导引燃烧气体流通过通道；通过将NOx还原试剂喷射在流过通道的燃烧气体中而还原燃烧气体中的气载NOx，其中，燃烧气体中的热能促进还原试剂和NOx之间的化学反应；
在NOx还原试剂的喷射下游，将蒸汽或其它高速介质和NOx还原试剂的混合物通过布置在通道的一侧或更多侧上的喷嘴阵列喷射到通道中；通过使用催化剂来进一步还原燃烧气体中的气载NOx，该催化剂用以促进燃烧气体和喷射有蒸汽的NOx还原试剂之间的反应。
附图说明
本发明的结构、操作和特征在下面被进一步描述并且在附图中示出，该附图为：
图1示意性地示出具有SNCR和SCR排放控制系统的锅炉。
图2示意性地示出沿着图1中的线2-2截取的锅炉的横截面图。
图3和图4为将蒸汽和试剂喷射到烟道气的虚拟通道中的计算机生成的模型的透视图。
图5表示在对应于SCR系统的地点的位置处的计算机生成的烟道气(具有和不具有蒸汽和试剂流)的横截面图像。
具体实施方式
图1为示例性锅炉10的示意性表示，示例性锅炉10使用SNCR和SCR技术来将NOx还原试剂喷射在由锅炉生成的烟道气中而减少NOx排放物。
喷燃器14将燃料和空气喷射到燃烧区中。燃料可为从燃料源16供应的煤、油、天然气或其它石化有机材料。加热空气18的源可为将空气导引到喷燃器中的鼓风机或风扇。空气可作为初级燃烧空气(参见管道18)与燃料一起流动并进入喷燃器。空气源18还可提供次级燃烧空气，其流经燃烧空气管22并且通过喷嘴喷射到燃烧区12中。喷燃器和喷嘴布置在锅炉的壁上。空气源还可提供通过二次风管24至二次风喷嘴26的二次风。
由空气和燃料的燃烧形成的燃烧气体流过延伸通过锅炉的通道27(例如管)并且被其包含。通道27起初可竖直向上延伸，如图1所示。
SNCR系统28将NOx还原试剂喷射到烟道气通道12的高气体温度区域(参见箭头30)中。试剂从源32供应，并且经由混合器35与加压输送空气34混合以通过集流管36将N-试剂移动至布置在锅炉的壁40上的试剂喷射喷嘴38。喷嘴38可与二次风喷嘴26一起布置或者布置在通道12中的另一个高度处。
输送空气34帮助使N-试剂移动通过集流管36和喷嘴38。输送空气可被充分加压以实现来自喷嘴38的期望的喷雾图案。输送空气还可在热交换器42中加热，热交换器42传递来自蒸汽(S)的热并且排放冷凝物(C)。此外，试剂可为例如氨(NH3)或脲(CO(NH2)2)。
用于SNCR系统的喷嘴38可定位成喷射试剂，其中烟道气在选定的温度范围内。用以接收试剂的热烟道气(参见箭头30)的温度范围可为1650至2000华氏度的范围(900℃至1100℃)。试剂可以以气相或液相喷射。如果处于液相，则试剂可从喷嘴喷洒为在热烟道气中快速蒸发的小滴。
由SNCR系统喷射的试剂的量可为足够的，使得试剂中的一些不与热烟道气中的NOx反应。试剂的一部分可保持为未反应，并且与烟道气一起在锅炉的通道27中进一步向下游流动。在气体流过SCR系统时，试剂的该未反应部分可进一步与烟道气中的NOx反应。以该方法，用于SCR系统的试剂的一部分将为利用SNCR系统喷射的未反应试剂，并且另一部分将为喷射有蒸汽且在SNCR系统下游的试剂。
可选地，利用SNCR系统喷射的试剂的量可最小化使得基本上所有的试剂均与热烟道气反应，并且在烟道气在没有催化剂的情况下冷却至低于促进反应所需的高温时，相对少的试剂保持为未反应。以该可选方法，SCR系统所需的所有或几乎所有的试剂在SNCR系统的下游喷射在烟道气中。
用语试剂用于指的是能够在氧气存在的情况下选择性地还原烟道气或其它燃烧气体中的NOx的多种化学物种中的任一种。试剂包括脲、氨、氰尿酸、肼、乙醇胺、缩二脲、1，3-二-氨基甲酰尿素、氰尿酰胺、有机酸的铵盐、无机酸的铵盐等。铵盐试剂的特定实例包括硫酸铵、硫酸氢铵、亚硫酸氢铵、甲酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵等。这些试剂的混合物可被使用。试剂可作为气体提供在溶液中。
烟道气可穿过一个或更多个对流传递吊坠44，例如热交换器。在它们流过传导传递吊坠时，热能的传递冷却气体。这些传导传递吊坠传递来自烟道气的热能以形成蒸汽或过热蒸汽。烟道气的温度可从高于1700华氏度(930℃)冷却至低于1100华氏度(590℃)。
通道27可在包含传导传递吊坠44的区域中从大体垂直转向水平。在其从垂直转向水平时，通道可具有延伸到通道中并形成具有传导传递吊坠44的通道的区域的底部的鼻部46。通道27的横截面形状可为大体矩形。横截面形状可不为一致的，并且可在通道从垂直转向水平并转回至垂直时变化。
传导传递吊坠44在通道27中的存在、通道的横截面形状的变化以及通道的转变可使烟道气的流复杂且不均匀。烟道气中的残留试剂(例如氨泄漏)的分布可为类似地不均匀的。
蒸汽喷射喷嘴62的阵列50定位在通道27的壁上。喷嘴喷射蒸汽52和氮氧化物还原试剂32的混合物。蒸汽和试剂可在诸如静态混合器53的混合装置处混合，该混合装置将试剂喷射到将蒸汽供应至喷嘴62的管中。喷射的蒸汽和试剂的混合物在传导传递吊坠44的下游产生烟道气的湍流和强力混合。此外，试剂与蒸汽一起的喷射确保了试剂在流至SCR系统56的烟道气(参见箭头54)中的均匀分布。
蒸汽和试剂喷射喷嘴62的阵列50在通道27中，并且在SNCR系统28和SCR系统56之间。喷嘴62的阵列可在传导传递吊坠44的下游端和SCR系统56的上游端之间定位在通道27中。
在喷嘴62的阵列60和SCR系统56之间，通道27可基本上没有障碍物并且不需要具有机械混合装置，诸如板或导叶的阵列。由常规机械混合装置提供的烟道气的混合通过将蒸汽和试剂喷射通过喷嘴62而实现。
SCR系统56可为常规的，并且包括涂覆有催化剂的网格或其它基体，该催化剂促进试剂和烟道气中剩余的NOx之间的反应。网格布置在烟道气54的流动路径中并且安装至锅炉的内壁。烟道气以相对低的温度(诸如300华氏度至900华氏度(150℃至485℃))在SCR系统上面流动。试剂应当与烟道气均匀地混合以确保SCR系统中的催化剂有效地促进试剂和NOx之间的反应。
图2为沿着图1中的线2-2截取的横截面。图2为锅炉10的内部和特别是包含传导传递吊坠44的锅炉的上部的俯视图，示出了表示传导传递吊坠的翅片的平行线。热烟道气的向上流动(箭头30)示出为其向上移动经过用于SNCR系统的喷嘴38。这些喷嘴38将试剂和输送气体的混合物作为喷雾58喷射到烟道气中。喷嘴安装至烟道气的通道的壁并且在传导传递吊坠的上游。侧壁60上的喷嘴38在比最上游的传导传递吊坠44低的高度处。
用以喷射蒸汽的喷嘴62的阵列50可布置在相对的侧壁60上。喷嘴还可安装在通道的其它壁上，诸如通道27的向下延伸部分的背传前壁64和后壁66，或者甚至通道的顶壁(顶部)。蒸汽和试剂喷射喷嘴的阵列50可由喷嘴的垂直列形成，诸如在通道27中紧接在最后的传导传递吊坠44下游布置的三个。壁60的相对侧上的喷嘴可相互垂直地偏移，使得喷射的蒸汽和试剂混合物形成横向于烟道气进入的交错蒸汽。
用以喷射蒸汽和试剂的混合物的阵列50喷嘴可以以高速喷射混合物，诸如接近声速。例如，喷射速度可为350至450米每秒(m/s)或375m/s至400m/s。类似地，速度可具有至少0.5或在0.65至0.75的范围内的马赫数。为了实现这些喷射速度，用于输送试剂并在烟道气中导致湍流的蒸汽52可在1.0至1.5兆帕(MPa)的压力，28至35千帕(kPa)的速度头下，并且喷嘴62可具有30至33毫米(mm)的临界截面直径。此外，总喷射(蒸汽和试剂)流速可为通道27中的烟道气的流速的百分之一(1％)或其下。蒸汽的温度可为过热的，诸如在300至350摄氏度的范围内。
作为蒸汽喷射的可选方案，试剂可利用输送空气来喷射。在该可选方案中，喷射喷嘴62的阵列50为空气喷射喷嘴，并且输送介质为空气而非输送蒸汽52。空气输送介质可以以相对低的速度喷射，诸如300英尺每秒(100米每秒)。如果利用空气输送介质喷射，则试剂可呈气体形式。输送空气和试剂的总流速可为烟道气的流速的大约百分之五(5％)或者在3％至7％的范围内。
图3和图4为将蒸汽和试剂喷射到烟道气的虚拟通道70中的计算机生成的模型的透视图。虚拟模型使用常规流建模技术来生成，诸如计算流体动力学(CFD)软件。
CFD软件模拟喷射到虚拟通道70中的蒸汽和试剂混合物的流。通道可由模型限定以具有侧壁72、前壁74、后壁76和上顶78，其具有与被模拟的锅炉的物理通道27类似的尺寸和形状。
虚拟喷嘴80模拟为至通道70的流入口。CFD软件接收关于在壁72、74、76和78上的喷嘴80的位置和数量以及每个喷嘴的入口流方向的输入数据。CFD软件还接收输入数据或者计算通过每个喷嘴的流的速度和量以及流的组成。CFD软件还可任选地模拟或接收流过通道70的烟道气的输入和通道中的剩余试剂的分布。
图2和图3中示出的流动模型示出从喷嘴80喷射的流中的每一个的流动路径。模拟的流84可被着阴影或者着色以指示流动速度。流动模型提供了在流移动通过通道70时，呈蒸汽和试剂、以及烟道气的模拟流84的视觉格式的信息。
流动通道70的模型的上游端81可对应于物理锅炉中紧接在传导传递吊坠下游的位置。模型的下游端82可对应于物理通道中SCR系统的位置。流84在SCR系统的位置82处的分布可用于评价试剂在SCR系统处的分布。评价可确定试剂在通道70中均匀地分布的程度。
虚拟模型可操纵成实现在SCR系统的位置82处的期望的试剂流分布。操纵可通过设计工程师手动地执行或者通过优化模型的软件自动地执行。例如，喷嘴80的数量和相对可在模型中变化以优化在模型的下游位置82处的流分布。类似地，喷嘴在壁上的放置(例如高度和水平位置)、壁的选定(例如相对侧壁72、侧壁以及前壁和后壁中的一个或两者、仅前壁和后壁，以及在顶盖78上)为喷嘴的可能地点。模型的其它操纵可包括调节喷嘴的临界截面直径、来自每个喷嘴的流入口角度，以及每个喷嘴处的流压力。
图5示出烟道气(具有和不具有蒸汽和试剂流)在通道中对应于物理通道中的SCR系统的地点的位置82处的计算机生成的横截面图像。图5左侧的图像为以全负载操作的锅炉的烟道气的模拟流，并且右侧的图像用于以全负载的百分之七十(70％)操作的锅炉。虚拟壁72、74和76限定了通道的边缘。
图像的阴影示出指示在SCR系统的通道中的位置处的流84的均匀性。图5中上排的两个图像示出不喷射蒸汽和试剂的混合物的烟道气的模拟流。上排的图像示出极大的阴影对比，其指示穿过SCR系统的烟道气和特别是试剂的高度不均匀的流。上排的图像，尤其是70％负载的图像指示烟道气在通道中的狭窄通路中已变得浓缩，并且通道的部分具有烟道气的近乎停滞流。下排的图像示出烟道气的模拟流，其中，在图4和图3中所示的位置处喷射蒸汽和试剂。下排图像与上排图像相比具有全方位较小的阴影变化。下排图像的更加均匀的阴影指示烟道气的大体均匀流移动通过SCR系统。
图5中上排和下排图像的对比提供了视觉指示：在SNCR系统下游和可能地在传导传递吊坠下游喷射蒸汽和试剂可用于实现烟道气和试剂在SCR系统处的均匀流。在烟道气穿过SCR系统时，均匀流的实现应当提供NOx水平的更加有效且完全的还原。
虽然已经关于目前被认为是最实用且优选的实施例描述了本发明，但是将理解的是，本发明不限于公开的实施例，而是相反地，意图涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (22)

1.一种用以引入试剂来还原烟道气中的氮氧化物的设备，所述设备包括：
安装至用于所述烟道气的通道的喷嘴，其中，所述喷嘴安装在SNCR系统下游和SCR系统上游，其中，所述喷嘴安装在所述通道的至少一个壁上并且构造成将加压流体喷射到所述烟道气中；
加压流体源，其与所述喷嘴流体连通使得所述加压流体流至所述喷嘴；
NOx还原试剂源以及
混合装置，其使所述试剂与所述加压流体混合，使得流至所述喷嘴的所述加压流体包括所述试剂。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述NOx还原试剂源为脲和氨中的至少一种的源。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述喷嘴安装在所述通道的相对侧壁上。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，每个侧壁上的所述喷嘴垂直地对齐。
5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述喷嘴以交错的方式布置。
6.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，每个侧壁上的所述喷嘴不与相对侧壁上的所述喷嘴水平对齐。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述加压流体源为蒸汽源。
8.一种具有用以还原烟道气中的氮氧化物的系统的锅炉，所述锅炉包括：
燃烧室；
用于在所述燃烧室中生成的烟道气的通道；
SNCR系统，所述SNCR系统包括至少一个喷射器，其将氮氧化物还原试剂喷射到所述烟道气中，其中喷嘴安装至所述通道；
安装至所述通道的喷嘴，其在所述SNCR系统下游和SCR系统上游，其中所述喷嘴安装在所述通道的至少一个壁上并且构造成将加压流体喷射到所述烟道气中；
加压流体源，其与所述喷嘴流体连通使得所述加压流体流至所述喷嘴；
NOx还原试剂源；
混合装置，其使所述试剂与所述加压流体混合，使得流至所述喷嘴的所述加压流体包括所述试剂，以及
所述SCR系统，其包括用于催化剂的支承结构，其中所述支承结构在所述通道中并且暴露于所述烟道气。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述NOx还原试剂源为脲和氨中的至少一种的源。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述喷嘴安装在所述通道的相对侧壁上。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，每个侧壁上的所述喷嘴垂直地对齐。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，每个侧壁上的所述喷嘴不与相对侧壁上的所述喷嘴水平对齐。
13.一种用以还原燃烧气体中的气载氮氧化物(NOx)的方法，包括：
生成燃烧气体并且导引燃烧气体流通过通道；
通过经由SNCR系统将NOx还原试剂喷射在流过所述通道的所述燃烧气体中而还原所述气载NOx，其中，所述燃烧气体中的热能促进所述还原试剂和所述NOx之间的化学反应；
在所述NOx还原试剂的喷射下游，将蒸汽和所述NOx还原试剂的混合物通过布置在所述通道的至少一侧上的喷嘴阵列喷射到所述通道中，以及
通过使用催化剂来进一步还原所述燃烧气体中的所述气载NOx，所述催化剂用以促进燃烧气体和喷射有所述蒸汽的所述NOx还原试剂之间的反应。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，第一还原步骤将所述NOx还原试剂喷射到所述燃烧气体中，同时所述气体的温度为至少1500华氏度(815摄氏度)。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步还原步骤在所述燃烧气体处于低于1200华氏度(650摄氏度)的温度的同时在所述气体在所述催化剂上面流动时被执行。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述燃烧气体为流过锅炉中的烟道气管的烟道气，并且所述方法进一步包括通过使所述燃烧气体穿过所述烟道气管中的在所述NOx还原试剂的喷射下游的传导传递吊坠来传递来自所述燃烧气体的热能。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，蒸汽和所述NOx还原试剂的混合物通过安装在所述通道的相对侧壁上的喷嘴喷射。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在还原步骤中，引入的NOx还原试剂通过所述热能和NOx基本上完全反应。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在第一还原步骤中，引入的NOx还原试剂的一部分保持为未通过所述热能和流反应，以在进一步还原步骤中使用。
20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，在进一步还原步骤中使用的所述NOx还原试剂为基本上完全包括有喷射蒸汽的试剂。
21.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，蒸汽和所述NOx还原试剂的混合物以至少0.5马赫数的速度喷射。
22.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，蒸汽和所述NOx还原试剂的混合物的总流速不大于所述燃烧气体的总流速的百分之一。
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