CN1059671A - 降低燃烧废气中氧化氮含量的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低燃料燃烧时产生的含氧废 气中的氧化氮含量的方法及设备。这种方法将有载 气的含氨处理气注入废气中。将处理气作为喷流，在 足以穿透废气预定行程长度的速度下，逆废气流向喷 入。在有需要时，可将处理气与可用的添加剂结合， 注入有NO_X最佳还原温度的区域中。

Description

本发明涉及一种降低燃料燃烧时产生的含氧废气中的氧化氮含量的方法及设备。本发明具体涉及一种方法及设备，将一种有载气的含氨处理气体注入烟道气中，不用催化剂便可降低废气中的氧化氮含量。

燃料燃烧时使用的空气过多，大气中的氮便会被氧化为氮的各种氧化物，尤其是NO和NO₂，一般称为热生NOx。此外，NOx可由燃料中的含氮化合物氧化而形成（燃料NOx），例如，燃烧煤、天然气和生命体（biomass）等时形成。氧化氮有害，广泛的研究工作在不断进行着，目的是提高降低向大气排放的废气中氧化氮含量的技术。但是这些努力尚未有完全令人满意的成果。

选择性无催化剂还原法（即SNR法）的基础是用NH₃将NOx还原的总反应方案，生成可向大气排放而不造成不利效果的N₂及H₂O。但是在烟道气中常见的复杂情况下，不利于直接进行HN₃与NOx的反应，关于这点，科学家们提出了可能有多至99种基本反应（参看米勒（Miller）等人文章，“燃烧与火焰43”，1981版，第81-98页，以及《燃烧科学及技术》，第34卷第149-176页（1983版））。可用的反应方案的复杂性的一个示例，用下图中的一个理论模型表示（参阅里昂等人（Lyon）文章《NH₃氧化的动力学及机理;第19次（国际）燃烧学讨论会;燃烧学会（1982）》）。

根据这个模型，初始反应阶段是将NH转变为NH₂根，反应由OH及O根触发。该初步反应阶段后来已由其他科学家肯定（参阅罗德及莱服斯（Lodder及Lefers）文，原载《化学工程杂志》，第30期（1985年）第161页），于是今天的一个普遍的观点，是假如使NH₂根的形成加速，则NO的还原和NH₃的氧化都可加速。

此外，在本领域中已熟知，SNR法对温度非常敏感，只在非常窄的温度范围内进行。在各种因素中，尤其取决于NH₃与NOx在950-960℃范围内的克分子比。如温度过高，NH₃可能氧化为NOx，与预期结果相反，如温度过低，则可能将NH₃随烟道气无变化地输送，使氨有不利的损失。因此，应理解为使实用锅炉及任何其他燃烧设备中的SNR过程最佳化，要求将含氨的处理气体，从燃烧室引入烟道气管中的一个非常窄的区域，在该区域中的烟道气温度约为950-960℃。在这方面，最佳温度区与燃烧室的距离的变化，决定于许多因素，从而更加复杂。第一个是负荷因素，因为全负荷时，最佳温度区应比部分负荷时更加远离燃烧室。另一因素是换热器表面，或设备的冷却表面，包括烟道气管内表面，这些表面放热，从而造成烟道气流横向区域中的温度分布图的变化。第三个因素是过剩的空气，和燃料中的氮含量，因过剩空气变化以及燃料含氧量变化时，最佳温度区的位置也变化。此外，烟道气的NOx含量在各种条件中尤其取决于温度条件，在烟道气流的横向上变化。此外，最佳温度区的位置，还与具体设备相关。

将各种添加剂引入含氨处理气体中，最佳温度范围便被向下移，例如，参阅罗德及莱服斯的以上引文。根据这个文献，已发现将天然气CH和CO引入NH中，可能将最佳温度范围下调150-200℃。有类似效果的多种其他添加剂已由杜奥文里（Duo  Wenli）研究过，参阅《第23屈国际燃烧讨论会记录》，1991年7月22-27日在法国奥尔良大学燃烧学会举行。可在含氨处理气中添加这种添加剂，其目的是调节处理气的成份，使之可在有最利降低NOx含量的温度条件的地点引入。

在实际应用的锅炉设备的情况下，一般不可能在任何理想地点注入处理气体，这是因为设备的构造限制了可用于放置处理气必须的供给管的位置。具体而言，在现有的设备中，选择具有最佳温度条件的引入处理气的区域其可能性受到严格的限制。

在美国专利第4，115，515号中，讨论了上述的某些复杂情况，该专利公开了一种装置，其中包括若干平行伸展的格栅，带有喷射孔或喷射嘴，处理气可从其中通过，射入烟道气中。这些格栅可能为两个，其配置方式为：使一个栅格位置与燃烧室有一段距离，在该距离上，假设烟道气的温度在900-1000℃范围内，而有另一个格栅，其位置距燃烧室较远些，在该距离上可假定烟道气的温度在700-900℃范围内。从而可将一种仅含氨作还原剂的处理气引入高温区，而将除氨外还含有另一种还原剂的处理气引入低温区。还包含一种惰性载气的处理气，藉助喷孔被引入，逆着烟道气流流动，从而当形成处理气的“气幕”（blanket）时，可在烟道气的全部横断面中使烟道气迅速混合。为了在烟道气流的流动方向上补偿烟道气横断面中的温度分布的变化，人们提议使用并控制特制的岐管，便可避免通过喷口喷出的处理气的温度高于1000℃，或低于700℃。

美国专利第4，115，515号公开的先有技术，不可能改变处理气输入点的实际位置，因此不能肯定在烟道气管中制作的格栅，其位置是否在处于最佳温度范围的区域之中，而可能随上述因素变化。有人提出，为相对最佳温度区调节位置，可将这种或其他类的格栅上下移动。但在实际运作中，设计能耐受连接燃烧室的烟道气管中主流温度及环境条件的耐用活动装置，是非常复杂的。增加格栅数目或其他供料装置的数目，便较易使处理气供入区适合最佳温度条件，但这种解决办法非常昂贵。并且，使用可用于补偿处理气供入区非最佳移位的添加剂，使成本增高，注射这种添加剂使技术过程复杂化，并且NOx的还原情况不能向在最佳温度条件中仅注射氨的NOx还原情况看齐。

德国专利申请公开第3，606，535号公开了一种降低废气流中氧化氮含量的方法和设备，将含氨处理气通过喷射管随废气流注入，这些喷射管具有喷嘴，在废气流中配置在温度低于950℃的地点上，设想该温度是降低氧化氮含量的最佳温度。这种结构不设调节废气流中的引入区设施，使之适应最佳温度区位置可能的转移。

本发明提出一种用于降低燃料燃烧时产生的含氧废气中的氧化氮含量的方法，其中，将含氨和载气的处理气注入废气流中，该方法的特点在于：将处理气作为逆废气流的喷流，其速度足以使处理气喷流，以射束的形式穿过废气流一个预定的行程长度。

本文中的含氧废气，指的是有剩余空气的燃料燃烧中产生的任何废气。废气一般含氧占体积的百分之4至10，具体在5%至7%之间，更具体为约6%。废气可由任何型式的燃烧产生，无论燃烧是在移动式或静止式设备中进行的，也无论燃烧的目的。燃料可以是任何可在空气中燃烧的物质，例如煤、油、褐煤、泥炭、生物体或天然气等固态、液态和气态燃料。

本文中的含氨处理气，应理解为包括含有氨、产氨母体或氨的衍生物的处理气，可在相关的条件下释放氨，其形式为经适当激发，可产生NH根。氨的这种衍生物的实例为硫酸氨和亚硫酸氨，可通过将溶液在处理气中雾化将其引入废气中。

将处理气作为喷流，逆废气流向注入，处理气可作为喷束那样输入，在有控制下穿透废气流，达到在当时条件下的最佳温度范围内的区域。达到该区时，喷流将失去动量，从而使其在废气中被混合，以利发生要求氧化氮的还原。假如由于上述的任何因素，最佳温度范围区转移，可将喷流按不同速度引入，在喷流失去动量以前，使其以不同行程长度穿透废气流，与废气混合。本文中的喷流，指的是一个集中的窄束状喷流，可以稳定的流型逆废气流动一个预定的行程长度。

根据本发明的一个理想实施方案，处理气通过若干在废气流横断面上分布、与废气流的流向垂直的喷流注入。这样便可能将废气在废气流的全部断面上均匀分布，每一喷流按一定流速喷入，使之可穿透废气，达到要求的区域，在该区中喷流将失去动量，而在废气流中均匀分布。根据另一实施方案，可将喷流按不同速度喷入，使各喷流穿透废气流不同的长度。这样便可能使喷流各有特定形式，以适应废气流断面上变化的温度。废气流断面上的温度分布有变化，这是由于热量向废气流管道的内表面以及向配置在管道内的任何换热器表面消散造成的。靠若干喷流按不同速度喷入处理气中，也可能在废气流的任何断面上，有利于使喷流适合NOx含量的分布型式。根据本发明的另一实施方案，可在不同阶段沿废气流注入喷流，使各阶段中的废气流的整个横断面上的温度变化和NOx含量变化得以补偿，而各喷流的注入基本等速度。关于这些调节设施的细节，下文中将就本发明设备的理想实施方案的详细说明详细讨论。

从前面的说明中可明显地看出，本发明方法很大程度上消除了现有技术方法所固有的缺点。由于喷流具有一定的速度，处理气可被输送到不同的距离处，以便正好达到有降低氧化氮含量的最佳条件的区域。

如前面已提及，喷流的速度应足以使处理气作为流束穿透废气流预定的行程长度。该速度应足够大，以形成稳定的束状窄喷流。该速度还应足够使注入的处理气具有一定的动量，足以以流束逆流穿透废气流要求的行程长度，从而使处理气的主要部分仅在达到有理想温度的区域时才在里面混合。废气的速度可随设备不同而变化，典型在20至30米/秒范围内。为得到足够的穿透力，最好处理气的喷射速度最低为75米/秒理想最低速度为100米/秒，更理想最低速度为200米/秒。用本发明的方法，用超声速注射处理气，例如约为344-700米/秒，已取得令人满意的结果。速度为370米/秒时，大致圆柱形处理气流束，可穿透速度约20至30米/秒的逆向废气流4至5米。用喷嘴提供喷流，靠调节压力便可很易调节速度，下文中将更详细叙述。

据信，将束状喷流形式的处理气体注入并穿透废气流一个预定的行程长度，对产生NH₂根的可能性有有利效果，据信产生NH₂根对有效减少氧化氮很重要。当处理气在喷流束中短时驻留时，有热废气包围，处理气被加热，大致达到废气的温度，从而形成游离根，甚至在处理气接触NOx分子前，已可能触发NH₃转变为NH₂根。触发这种转变的游离根的实施例是OH及O根，据信最重要的反应如下：

M表示所谓的第三体，即可吸收动量和能量的惰性分子。这些反应式说明：处理气中存在有氧，便可能按公式（1）形成O根;便可按公式（3）与氨结合，形成NH₂及OH根。这种OH根可与氨反应，形成NH₂根及H₂O。因此，据信一种含氧的载气和一个第三体，有利于在处理气与烟道气接触前，形成游离NH₂根。这已在试验环境大气中的空气是否适合作载气的结果中证明，大气中的氮可作第三体。根据反应式（2），H₂O也可形成游离OH根，然后可以之与氨反应，形成NH₂根，这证明了在实施本发明的方法时，蒸汽也是适当的载气。

温度大致超过1050℃时，可按下式将氨氧化：

因此，将处理气输入废气温度肯定低于1050℃的区域是重要的。采用本发明的方法可对此作保证。

上述可能形成游离根的理论，不应理解为是对本发明有任何方面的限制，但相信是解释了用本发明的方法取得特别有效的减少氧化氮的可能性。以此与上述的美国专利第4，115，515提出的方法相比较，该先有技术的文献提出，作处理气使用惰性载气，则注入时便马上与废气混合。因此，似乎仅在将处理气注入废气后，即在NH₃还可能与废气中各种成份作竟争反应的阶段中，各种NH₂根才形成。

动力载荷降低时，最佳温度区向燃烧室，即废气流向的上游靠近。使用本发明的方法时，增高喷流喷入速度，便可能补偿这种移动。另一种补偿对策，是喷入添加剂，诸如天然气、二甲胺、乙烷、甲烷或其他现有技术中的已知添加剂（参阅上文引述之杜奥文里文），造成相当于最佳温度区顺废气流向迁移的最佳温度范围下降。这些添加剂可随处理气注入，或作为单独喷流随载气喷入。使用本发明的方法时，一般不希望使用添加剂，因为有使过程复杂化的倾向，而取得的NOx的减少并不及理想。

虽然在关于本发明的方法的叙述中，包括将处理气逆废气流向喷入，但不应理解为处理气喷入方向只与废气流向正对。也可将处理气斜角射入，即仅一部分与废气方向相反，也可实现本发明的上述目的和取得优点，这种形式的喷射也可认为包括在本发明内，因属于废气流的逆流。在本发明中假如发现有利于取得理想效果，还可将辅助处理气相对于废气流从另一方向注入，例如垂直穿过，或将其全部或部分与废气顺流。

可根据需要的NOx还原的程度、废气流量、废气中的NOx含量以及载荷因素等这些关系最大的因素，对处理气的含氨量进行调节或控制。NOx的还原，随处理气中氨含量的增高而增加，直到NH₃与NOx的克分子比达到约为2，克分子比再增高对NOx的还原的提高很少。在另一方面，NH₃注入量的增高，隐含着未反应氨的逸出的可能性。本发明的方法可以控制，靠保持NH₃与NOx的克分子比约在1至3范围内，以1.5至2.0为理想，最理想为约1.6，则可使得向周围环境逸出的氨保持最低。假如考虑的NOx的最大还原量为主要目的，则NH₃/NOx克分子比以接近上限为理想，例如克分子比在2与3之间，在这种情况下可将未反应氨清除，以免向周围环境逸出，例如将废气冷却，并使氨与废气中的SO₂或SO₃反应，形成亚硫酸氨或硫酸氨，可将其由洗涤塔清除，或用本领域常见的方法，随同过剩的氨过滤清理，从而可将其回收作再循环用。假如载荷下降，则应加长喷流行程，意味着需增高喷流速度。意即增高处理气注入速率，而以降低处理气的氨含量作补偿。在典型实例中，废气可含NOx500至600ppm。在该实例中，处理气中的理想含氨量，应约为3-9体积百分数，以约6体积百分数较理想。理想的添加剂为天然气，理想的量约为2-6%（体积），较理想为约4%（体积）。天然气的注入量与NOx的克分子比，应以0-3为理想，0.9-1.1更理想，而最理想约为1.0。

本发明还提出一种用于燃料燃烧的设备，它包括一个用于减少含氧废气中的氧化氮含量的装置，并包括将有载气的含氨处理注入废气的装置，该设备的特点为该注射装置具有喷嘴，用于将处理气的喷射流，逆废气流向注入，该喷嘴与含氨处理气的供给管连接。

于是，有效反应区，即处理气与废气混合的区域，将与喷嘴有一段距离。因此可将喷嘴布置在烟道气管的一段上，该段的温度低于在反应区中的管段。

在本发明的理想实施方案中，设有装置以控制载气压力，并设有装置以控制氨的压力。于是，无论注入的载气的量如何，可将氨的剂量调节到理想数值。设置单独的装置以控制载气压力，便可能按选定的压力，随通过喷嘴产生的速度变化，产生不同长度的喷流。这样便提供了控制处理气与废气混合的区域的几何位置的最适当的可能性。还可能将混合区移动，使之永远处在有最有利的温度范围的区域中，甚至当该区域随燃烧设备中当时的载荷因素变化而位置有变化之时。

在本发明的一个理想实施方案中，设有装置分别控制至少一种添加剂的压力。如以上所述，在某些情况下，添加剂可能有利于降低NOx还原的最佳温度范围。这些添加剂可随处理气喷入，或另外用单独的喷嘴载气喷入，单独的喷嘴与主处理气喷嘴的类型相似。

在一个理想实施方案中，喷嘴上形成一个圆锥形约束区，顶角约为5至20度，最好为8至14度。圆锥形约束区长度可为50至100mm，最好为60至80。通过这种结构，从喷嘴强制出来的气体，因进出口侧的压力差异便在通过约束区时逐渐加速，从而喷流的喷出速度超过气体介质中的音速，例如在空气中约达700米/秒，这速度在压力差为1至3巴时可达到。

喷嘴孔在喷嘴口的最窄部分中形成，有一个短段，例如长2至10mm，最好为4至6mm长，其孔为圆柱形。圆柱形孔有制造较简单的优点。但在性能上则有缺点。喷嘴孔外面的喷气流倾向于膨胀，假如喷嘴的进口侧出口侧的压力差超过临界比率，对于实际应用气体一般约为1-7，便可能导致形成涡流、旋涡和压力的不规则波动。将喷嘴孔形成略带圆锥形的扩张，顶角在1至10度之间，最好在1至2度之间，流型的上述不稳定性便可避免。这样使喷流较稳定，带有锐边，从而在喷流与周围介质混合前，行程可达到最大的长度。将沿表面的喷流混合保持最少特别重要。

在一个理想实施方案中，将喷射器安装在喷射器支持管中，支持管又作载气导管，包围或结合用作含氨气体引导管的较细的管子。载气和含氨气在喷嘴中混合。这样进行了注射前的各种成分的最佳混合，使载气压力与氨的剂量可有最佳的控制反应，并保证各不同喷射器喷出均匀的相等剂量。输送氨的包围管有屏蔽，防止通过侧壁受热。喷射器支持管及喷射管的最好制造材料，应具有高温稳定性，例如Avesta  Z53MA型钢材。

在一种理想方案中，一个喷射器支持管包围若干小管，各供给一个喷射器或一小组喷射器，并且各具有单独的可控含氨气供源。这样可使喷射器有比较简单的分段，使氨的剂量可在各分段中分别控制，使之可调节剂量，以适应整个烟道气管中不同的条件，例如NOx的含量变化。

在一种理想实施方案中，喷射器的布置，当燃烧设备作全载荷运转时，应使每一喷射器的喷流可逆废气流穿透废气流，以达到废气温度范围为950℃到960℃的区域。这样可保证NOx还原的最佳条件，同时可将喷射器配置在温度较低于NOx还原最佳温度的烟道气的管段中，这意味着可稍微降低加在喷射器及喷射器支持管上的热应变。

在一个理想实施方案中，将喷射器烟道气管沿着一个横贯烟道气管的形状或轮廓布置，以适应废气流中恒定温度的轮廓形状。因此，甚至在通常的横过烟道气管的温度分布有变化的情况下，在烟道气管的全部断面中可有最佳的反应条件。

下文将参照附图对本发明作较详细叙述。附图说明如下：

图1为通过发电设备锅炉各部分的垂直纵剖视图，

图2示出沿图1中线2-2的水平剖视图，

图3示出沿图2中线3-3的垂直横剖视图，

图4示出通过喷射器支持管的垂直纵剖视图，

图5为喷射器管部件的局部侧视图，

图6为喷射器支持管垂直横剖视图。

全部附图均为概示图，不按比例，仅示出理解本发明所必要的部件，其他部件则省略。全部附图中，相同元件有相同的标号。

首先参看图1，图中示出用标号1表示其整体的锅炉，锅炉用于发电设备或类似的动力设备中。图中左下方示出一燃烧室2，带有燃烧器3，供引入燃料及空气的混合物。燃烧室2由耐热外壁5和一个隔壁围成，一般用耐火砖和用内有冷却管的壁板按公知方式砌出。燃烧产生的废气通过大致垂直的烟道管4上升，经过烟道气管4的上部，通过隔壁7上的孔9，进入向下的烟道气管10，然后通过大致水平的烟道气管段11。隔壁7将向上的烟道气管4与向下的烟道气管10分隔开，两个管由外壁5和耐火隔热材料制成的顶板50包围，顶板50按公知方式设有内冷却板。

废气在其行程中与若干换热器板相遇，从而在烟道气达到水平管11前，其中的热可传递到诸如蒸汽或水等其他介质中。在向上的烟道气管4的上部，配置有多个悬垂的换热器板，这些换热器板一般用作过热器板12、13。在向下的烟道气管10中，废气通过多个换热器表面，图1象征表示配置在过热器板后面的蒸发器环管14，然后在蒸发器环管14后面配置一个预热器环管15。如上所述，壁5和隔壁7中还包括多个成一体的换热器管，有双重的目的，其一是保持壁内的温度低至对元件安全的水平，以对壁作保护，另一目的是回收在这些表面中消散的热。

隔壁7在烟道气孔9下面一个区域中的一部分，有格栅形式放置的管子，称为格屏8，由输送冷却介质的管子构成，互相间有通孔。在实际使用的设备中，换热器表面和换热板的数目多很多，图中只是象征表示，只为了解发明的基本原理所需。

上面叙述过的元件细节，全部被认为属于先有技术领域。

在本发明的一实施方案中，向下的烟道气管10的上部，在蒸发器环管14的上方，设有横伸的管子，称为载体杆20、21，在图1中所示是由系杆22吊在顶板上。该载体杆设有若干喷射器支持管16、17、18，从格屏8的通孔中通过，达到过热板12、13的区域。每一喷射器支持管16、17、18设有若干喷射器23，可将通过载体杆20、21的流体从喷射器23中喷出，达到向上的烟道气管4的过热板12、13的区域。

现参看图3，图中示出通过向上的烟道气管4的垂直横剖视图，以便更详细示出载体杆20、21与过热板12、13之间的空间关系。在图3中，过热板被概示为若干薄板悬挂在向上烟道气管4的顶板上，以基本等间距互相平行。该图显示如何使靠近向上烟道气管4的相对两侧配置的两过热板13略长，即，两过热板的下缘，低于配置在两板间的其他板12的下缘。这种结构具有优点，因为废气的温度在管的中间都较高，而在靠两侧表面处较低，因此，在安排与两侧壁相邻的过热板时，使之比其他过热板略向下伸，能更好适应温度分布。图3示出六块短板12，两块长板13，但应理解，在实际的锅炉设备中，过热板的数目要多很多。废气可在过热板之间向上流过，并向过热板传热，然后烟道气如前面所述那样继续通过孔9。

在图3中将格屏8完全删去，以求清楚绘示载体杆20、21的结构。图3详示载体杆包括两个圆柱形管件在共同的中心线上前后排列，管件20有载体杆的第一部分，穿过图3左部的烟道气管壁，管件21有载体杆21的第二部分，相对于第一载体杆同心伸展，通过烟道气管4的相对的侧壁。载体杆件20、21用系杆22悬挂在顶板50上，提供机械强度高的结构。如上所述，有若干喷射器支持管，在图3中，左载体杆20上有四根，右载体上有五根，它们以悬臂式安装，伸入过热器板间的空间中，基本沿其中间平面。图3又示出五根喷射器支持管16大致围绕中部，配置在与载体杆20、21的同高度上、下两根喷射器支持管17（每侧一根）配置在比载体杆20、21略低的高度上，而最外侧的喷射器支持管18配置在更低的高度上。

现参看图2，图中示出在载体杆20、21的高度上通过烟道气管4及烟道气管10的水平剖视图。图2左侧显示向上的烟道气管4，右侧显示向下的烟道气管10，该两管由隔壁7隔开，并由耐高温外壁5围绕。在向上的烟道气管4中，过热器板12及13的配置情况如上文所述，而向下的烟道气管10内具有蒸发环管14的板。图2还示出两个载体杆20、21，连续从向下的烟道气管10一侧或相对的两侧上分别伸出。载体杆20及21设若干喷射器支持管16、17、18，图2示出喷射支持管怎样从载体杆上垂直伸出并通过隔壁7上的开口40，具体而言，则为通过隔壁7的标号为8（参看图1）的格屏的部分，伸入过热器板12、13的空间中，以便使每一空间中有一个喷射器支持管，在向上的烟道气管4中几乎一直伸到对侧壁上。每一喷射器支持管16、17、18上设有五个间隔均匀的喷射器23，使向上烟道气管4的几乎全部面积可由通过喷射器引入的流体所均匀覆盖。

两载体杆的外端伸到耐热壁5的外侧，其上设有若干管接头，在图2中象征表示，以便将流体送入载体杆。载体杆被设计为基本上是金属圆柱形管，具有相当大的直径，以便将若干较细的管子装入其中。在一个理想实施方案中，每一细管伸入一个喷射器支持管中。因此，在图2上部中的载体杆20，装有四个喷射器支持管，其中包围四个直径较小的内管，而在图2下部中的载体杆21，设有五个内管，每一内管分别伸入一个与这载体杆固定的喷射器支持管中。

在向下的烟道气管10的外面，细管从载体杆上伸出，进入单独的管路39中，图2示出每一这种管路伸到一个接合点41，每一个这种接合点41，与两个供给管路连接，每一个这种供给管设有控制阀，分别与岐管31、36连接，使每一管路39可由任一岐管，按可充分控制方式供给流体。载体杆的内部空间，但在细管的外部，可由图2下部中所示的空气压缩机25供给压缩空气，并通过压缩空气管27及空气控制阀26与载体杆连接。

图2下部示意示出一个介质贮箱28，最好为氨贮箱，该贮箱通过氨管29和主控制阀30，与供氨岐管31连接。从而可将氨供给岐管31，并通过管路控制阀32，按可控方式供给每一管路39，从而可将氨以可控方式，计时供给每一喷射器支持管16、17、18。图2的下部还示出如天然气之类的其它添加剂的第二贮箱33，该贮箱通过供气管路34和气体控制阀35与供气岐管36相连，使每一管路39，从而使喷射器支持管，可按类似的方式从贮箱33供给添加剂，添加剂向每一管路的流动，也可靠气体管路控制阀37进行控制。

现参看图4，图中示出通过喷射器支持管的纵剖视图。图4所示的喷射支持管，与载体杆的结构相似，也有直径较大的管子，以使若干直径较小的管子可配置在喷射器支持管内。图4的左部示出如何将上述伸过其中一个载体杆的管路39伸入喷射器支持管内，以达到喷射器支持管内的分配箱41，再将气流向若干喷管42分配，本例中有五个喷管，各伸到相应的喷射管23。通过这种结构，通过管路39输送的流体，被配置在喷射器支持管下侧的五个喷射器23中均匀分配。

在未用图示的另一种实施方案中，每一喷射器的单独的导管通过载体杆及喷射器支持管伸展。每一导管与阀连接，从控制送入的氨和添加剂。这种方案有较复杂的结构，要求载体杆有较大的直径，同时允许有灵活性的布署，因可以分别控制的方式，在喷束中计量加入介质。

在图示的实施方案中，有一个与压缩空气共用的系统与之相连，向全部喷射器供给等压力的空气。可将压缩空气系统明显分为若干段，配以单独的压力控制阀，使喷束的压力可单独控制或按小组控制，以提供较灵活的计量布署。

现参看图5，该图示出属于一个喷射器管42的某些元件的放大比例图，显示如何将喷射器弯成大致的L形，并显示如何将管子外端附近的一小部分分裂开，以形成若干突出部，各占圆周的1/4。突出部略向外按圆锥形表面扩大，其间有裂口44。有一个环45，其直径与厚度与扩张突出部的外缘配合，配置在外扩突出部的下方。请记住，图5所示为最后组装前的元件，喷射器通过将环46焊在外扩的突出部43的外缘上来完成，使喷管有圆锥形膨胀或扩张形的端部，并有向外的裂口。

现参看图6，该图示出通过喷射器支持管的横截面。喷射器支持管的最下段设有与焊接在该处的环45相配合的孔。图6的下部示出基本为圆柱体形的喷射器，它具有轴向通孔，其中有约束区47，和一个大致为圆柱形的孔或喷嘴开口段46。圆锥形约束区的伸展长度可为50至100mm，最好为60至80mm，而大致圆柱形的孔，长度可在2至10mm之间，最好为4至6mm。圆锥形约束区的顶角约为10度，这种形状的喷射器在有较缓和的，例如为2巴的过压气体供给时，通过孔口的气体速度可达超声速范围。

通过喷射孔喷出的气体喷束倾向于膨胀，造成涡流、旋涡、压力不规则的波动，尤其当喷射器进口侧压力约超过出口侧压力的1.7倍时。这种不利的效果，可通过将喷射器孔形成略带圆锥形膨胀的形式予以避免。假如压力差不太大，或允许有某些涡流形成时，则孔46最好制成为圆柱形。压力差较大时，或要求喷束有较大的行程时，则喷射孔应制成略带圆锥形，向外收窄，例如顶角在1至10度之间，最好在1至2度之间。因此，可喷射出有锐边缘、而沿表面有最少量湍流的喷流。

通过喷射器管42端部的裂口44，不仅可将内管路39的流体介质，而且可将管路39外面空间中但在喷射器支持管内的流体介质，送入喷射喷嘴。将两个来源的气体供入，气体将在喷孔中混合。

在一个实际的实施方案中，将压缩空气从空压机25供给载体杆20、21和喷射器支持管，其压力可控制在超过大气压1至3巴范围内，最好为超过大气压1.7巴。压力可调节或控制，从而改变喷射器23的混合气喷射速度，使喷射器的喷流24具有可控的动量。

氨贮箱28内盛放冷却状态的氨，压力大于大气压6巴，供氨管29的氨总阀30和分阀32可控制，使氨的排出流量约为压缩空气的流量的10%。添加剖贮箱可存放压力为3巴的天然气，相应送气管中的总阀35和气体控制阀37使添加剖可控制，例如使流量相当于输入压缩空气流量的5%。

在实际的实施方案中，向上的烟道气管4中的废气上升，速度为绝对值20至30米/秒。将压缩空气、氨和添加剂的混合体通过逆废气主流方向的喷流注入，其速度为例如在喷流压力比大气高1.7巴时的300至400米/秒之间。因此，每一喷射器23喷出的喷流24，在其动量消失之前以该速度行进约4.5米。明显可见，从喷射器23的喷孔开始，喷流24有一个表面与废气流接触，但是注入的混合气的大部分，在达到喷流失去其动量、从而其特点破坏并消失的区域之前，与废气没任何很大程度的混合。

控制压缩空气中的压力，就有可能控制喷流的有效行程，以便使混合气与废气有效混合的区域可按有控制的方式，处在离喷射器的不同距离上。由于喷入的氨和添加剂的量，与喷流比较是很小的，因此，为了保持加入的氨和添加剂的量不变，可不顾压缩空气的量的控制而控制混合比，甚至在注入的压缩空气的量随喷流速度变化而变化时。

虽然上面的叙述提及用空气作传载介质或载气，但其他介质也同样可使用，例如蒸汽。

在锅炉设备的设计中，使废气通过过热表面的一个比较小的面积，以有控制的方式冷却废气，使之达到950℃至960℃的温度范围，然后最好在烟道气管的一部分中不布置冷却表面，废气在这部分中基本恒温通过，而在这部分中可注入处理气，使其与废气中的NOx反应，使废气在接触其他冷却表面而使气体温度降低到适合作反应的范度范围以下之前完成反应，这样便也许可能达到理想的反应条件。但是在多数情况下，按此方式改造锅炉设备在经济上是不可行的，因此需要有一种NOx还原方法，可以较简单的方式应用于现有的锅炉设备。用本发明的方法便可达此目的。

在现有的锅炉设备中，需要鉴别出一个区域，其中的废气温度正好适合处理气与NOx作理想的反应，然后设计将处理气喷入这些区域的系统。这些适宜的区域一般处于过热表面之间，但其中的废气的温度梯度比较陡直，意即烟道气的温度变化迅速，亦即临界区的几何范围很窄。一个更麻烦的因素是临界区随锅炉的运转载荷变化而转移，意即在任何固定的区域中，适合作反应的条件，仅存在于载荷因素的一个狭窄范围内。

在本发明中，喷射器理想的配置，应使注入的载气，混合有氨而无添加剂，以便在最高锅炉载荷下取得最佳反应条件，然而在减少载荷的运转中，并且喷射器附近的温度降底时，可通过增高喷流速度，并且还可任意地将添加剂随氨喷入予以补偿。在另一种实施方案中，基本保持喷流速度恒定，而载荷减小时的温度下降，可仅靠注入添加剂作补偿。

曾经在一个额定功率为135MW的发电厂锅炉上进行过实际试验。该发电厂锅炉设有一组喷射器，沿烟道送气管横向上的水平面伸展，放置的高度相当于图3所示最下层的喷射器支持管18的高度，另有一组喷射器配置在烟道气管横向的水平面上，放置高度相当于图3所示中层喷射器支持管17的高度。通过这些喷射器，将混合有氨的压缩空气注入，注入量为每小时约5吨空气，每小时400公斤NH。试验进行了若干次，取得的结果列于下表。在全部试验中，NO₂及N₂O有最低含量，因此表中仅列出还原前后的NO含量。

试验编号

功率载荷（最大载荷的％数）

喷嘴温度℃

NH3  喷入位置

还原前的NO含量PPm

还原后的NO含量PPm

逸出NH3PPm

下喷嘴

上喷嘴

12345

60757575100

10001150115011501180

未测量950950950960

下层下层上层下层在侧壁附近上层在中部上层

600600600600700

200300290160360

＜5＜5466010

在全部试验中，在压力比大气压高1.7巴的压缩空气中混入氨，使氨与NO的克分子比约为2.0，通过载体杆喷入。废气中氧含量约为7%。试验结果应谨慎解释，一部分原因是计量不精确，另一部分原因是燃烧过程中的其它不可控制的变化，可能影响试验结果。由于发电设备中的喷射器的数目颇受限制，混合或覆盖至少有一部分不完全，意即可能有些区域其中的还原剂施用量过度或不足。

在第一号试验中，发电设备的运行为全载荷的60%，通过下层喷射器注入含NH₃的载气，喷射器高度相当于图3中喷射器支持管18的高度。废气中的NOx含量约降2/3，NH₃的逃逸程度非常低，意味着试验结果令人满意。

在第五号试验中，发电设备全载荷运行，喷射器的温度极高，与用本方法进行的NOx还原的温度范围比较，温度可能太高。在本试验中，将载气与NH₃通过上层喷射器注入，喷射器高度相当于图3中的喷射器支持管17的高度。NH₃的逸出为10ppm，可以允许，而废气的NOx含量，是未经还原的NOx的含量的50%以上，这被认为不太令人满意。相信本例中的温度，至少在一部分喷射器上太高，这意味着注入的一部分NH₃已氧化或燃烧，而未与NOx反应。

在第2、3及4号试验中，锅炉在75%载荷下运行，仅由下层喷射器（第2号试验）或仅由上层喷射器（第3号试验）注入NH。两次试验中的NOx还原都被认为可以接受，但从NH₃的使用量考虑，则结果未如预期。第3号试验的NH₃逸出量为46ppm，不能认为合格。为提高效果，进行了另一次试验，NH₃的注入是通过与侧壁相邻的下层喷射器，并通过中间区中的高层喷射器。这次试验对NOx还原取得了明显的改进。但是NH₃逸出量超过合格程度。估计NH₃的逸出，是因为在烟道气管的横断面上NH₃的施加量不均匀，这通过重新安排喷射嘴的位置可能得到纠正。由于在第4号试验中NOx有显著的下降，估计NH₃的施加量可减少，从而估计NH₃的逸出量也可减少。

本发明的设备与试验使用的设备不同，因为喷射器如图3所示，配置在三个高度上，使之较能适应烟道气管横断面上的近似钟形的温度分布图。中层的喷射器配置在比实验设备较高的高度上。因此，在全部运行条件下，全部喷射器配置在临界温度区19上方的一个距离上。临界区19是NH₃与废气中NOx能进行良好反应的区域，当发电设备全载荷运行时区域的位置较高，于是注入的载气的压力比较低，使带有添加剂的喷流24的行程比较短，以便在喷流24失去将成分与废气混合的动量前，正好达到临界区。

在减低锅炉载荷时，临界区向下转移，处于离开喷射器较大距离处。为对这种距离增大作补偿，将空气压力增高，使喷流24可行进一个较大的距离。使NH量适应废气流量变化的含义是在部分载荷时，NH₃相对于压缩空气的含量将下降。当喷射器如图6所示，空气压力大于大气压1.7巴时，喷流行程从喷嘴起可达到4.5米。当锅炉在更低的载荷下和在使喷流不能达到临界区的载荷下运行时，处理气将在温度低于其与NH₃理想反应的温度范围的位置上与废气混合。但是，如上所述，随NH₃注入添加剂，仍可能使NOx有令人满意的降低。在温度范围为700℃至900℃时，按NH₃重量的50%注入天然气，便可使NOx的还原合格。

显然本发明提出了一种有极大灵活性的将燃烧设备废气中NOx还原的装置，可在锅炉设备中的比现有技术可能的更宽广的载荷范围内使NOx的还原取得满意的结果。

Claims (24)

1、一种降低燃料燃烧时产生的含氧废气中的氧化氮含量的方法，其中，将有载气的含氨处理气，作为至少一个逆废气流向，或至少部分逆废气流向的喷流，在足以使处理气作为基本相干的流束穿透废气预定行程长度的速度下，注入废气中。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于将处理气作为在废气流横断面的横向上分布的若干喷流，垂直于废气流向注入，并且最好在沿废气流的不同高度上喷入。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于处理的注入速度至少为75米/秒，最好至少为100米/秒，特别至少为200米/秒，尤其为声速。

4、根据权利要求1，2或3所述的方法，其特征在于处理气中包含至少一种成分，在温度约为700℃至1000℃时，形成一类游离根，在所述温度范围内触发NH₃转变为NH₂根。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于载气为大气空气或蒸汽，所述至少一种成分为氧或H₂O。

6、根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于将一种或多种附加添加剂随处理气，或作为另一喷流注入，用于与氨结合，以降低NOx还原的最佳温度范围。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于附加添加剂为甲烷，乙烷，二甲胺或天然气。

8、根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于处理气中含氨占体积的3-9%，最好为6%，可任意含天然气占体积的2-6%，最好占4%。

9、根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于注入处理气的量，为废气中每含1摩尔的氧化氮，则注入氨1-3摩尔，最好为1.5-2.0摩尔，特别为1.6摩尔;废气中每含1摩尔的氧化氮，则注入天然气0-3摩尔，最好为0.9-1.1摩尔。

10、一种燃料燃烧设备，具有降低含氧燃烧废气中氧化氮含量的装置，并有喷射装置将有载气的一种含氨处理气注入，所述喷射装置包括至少一个喷嘴，用于将处理气作为逆废气流向，或至少部分逆废气流向的喷流注入，所述喷嘴与含氨处理气的供给管连接。

11、根据权利要求10所述的设备，其特征在于喷射装置包括控制处理气压力的装置，最好形式为控制载气压力的装置，和分别控制氨的压力的装置。

12、根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于包括至少一个单独的喷嘴，喷入至少一种添加剂和载气，并最好包括单独控制所述至少一种添加剂和所述载气的压力的装置。

13、根据权利要求10、11或12所述的设备，其特征在于喷嘴具有圆锥形约束段，锥形约束段的顶角约为5至20度，最好为8至14度。

14、根据权利要求13所述的设备，其特征在于锥形约束段的长度为50至100mm，最好为60到80mm。

15、根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于喷嘴设有孔口，具有圆锥形膨胀排出段，圆锥形膨胀排出段的顶角约为1至10度，特别为1至2度。

16、根据权利要求15所述的设备，其特征在于排出段长度为2至10mm，最好为4至6mm。

17、根据权利要求10-16中任一项所述的设备，其特征在于喷嘴配置在喷射器支持管上，处理气通过喷射器支持管输送。

18、根据权利要求17所述的设备，其特征在于为喷射器支持管设有内部的单独管路，以将载气及含氨气可单独输送，并可在即将从喷嘴喷出前将其混合，最好喷射器支持管由管构成，载气通过管输送，其中装有小管，以输送含氨气体。

19、根据权利要求17或18所述的设备，其特征在于每一喷射器支持管基本垂直于废气流向而配置，喷射器支持管具有若干喷嘴，在管的长度上基本等间距放置。

20、根据权利要求17、18或19所述的设备，其特征在于每一喷射器支持管装有若干细管，各装以一个或多个喷嘴，各单独控制其供给的氨气体。

21、根据权利要求10-20中任一项所述设备，其特征在于喷嘴配置的方式，在燃烧设备全载荷运行时，应使每一喷嘴可喷出一个喷流，逆向穿透烟道气，达到一个区域，该区域中的烟道气温度在900-1000℃范围内，特别是950-960℃。

22、根据权利要求10-21中任一项所述的设备，其特征在于喷嘴在烟道气管的横断面上基本均匀分布，最好沿一个在烟道气管横向上伸展的想象轮廓表面配置，该想象轮廓表面与废气中的恒温分布图相符。

23、根据权利要求10-22中任一项所述的设备，其特征在于喷嘴配置在烟道气管中的冷却板之间。

24、根据权利要求23所述的设备，其特征在于喷射器支持管支持在烟道气管的基本上没有内冷却板的一部分中，并以悬壁形式伸入冷却板之间的空间中。

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