CN110226022B - 包括稀释选择性催化还原系统的用于化石燃料动力发动机的排气管道 - Google Patents

包括稀释选择性催化还原系统的用于化石燃料动力发动机的排气管道 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于化石燃料动力发动机(26)的排气管道(60)，包括：废气通路(61)、冷却流体通路(62)、用于混合冷却流体(58)和热废气的混合设备(31)、被布置在废气通路(61)中用于除去氮氧化物(NOX)的选择性催化还原催化剂(39)、以及用于供应还原剂(36)的至少一个第一装置(34)。本发明的目的是提供一种排气管道，借助于该排气管道，可以减少发动机操作期间污染物的排放。根据本发明，该目的通过以下方式实现：混合设备(31)包括混合室(50)，该混合室具有第一壁(51)和相对的第二壁(52)，第一壁和第二壁被布置在废气通路中的选择性催化还原催化剂(39)的上游并且在废气通路的横截面区域(64)上延伸，两个壁均被通孔(54)贯穿，其中通过延伸通过混合室的管(55)，第一壁的通孔与第二壁的通孔成对地连接，该管被至少一个孔(56)穿孔而通入混合室中，并且冷却流体通路(62)终止于混合室中。

Description

包括稀释选择性催化还原系统的用于化石燃料动力发动机的 排气管道
技术领域
本发明涉及一种用于化石燃料动力发动机的排气管道，该排气管道包括稀释选择性催化还原系统。
背景技术
排气管道包括：废气通路、冷却流体通路、用于混合冷却流体与热废气的混合设备、至少一个被布置在废气通路中用于除去氮氧化物(NOX)的选择性催化还原催化剂(SCR催化剂)、以及用于供应还原剂的至少一个第一装置。
除此之外，本发明还涉及一种用于该排气管道的混合设备以及一种发电厂。
本发明涉及化石燃料动力发动机的废气净化领域，尤其涉及针对简单循环燃气涡轮以及包括燃气涡轮(优选地，简单循环燃气涡轮)的发电厂的废气净化领域。在由化石燃料动力发动机排出的废气中，由于化石燃料的燃烧而含有各种有害物质。这些有害物质包括一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOX)。关于这些有害物质的排放量的规定一直在加强，使得需要改进现有技术的烟气清洁系统。
简单循环燃气涡轮用于在峰值电力需求期间生产电力。这些燃气涡轮在相对较短的时间段内，并且经常在部分负载下操作。与包括燃气涡轮和蒸汽涡轮的联合循环发电厂相比较，具有简单循环燃气涡轮的发电厂仅具有一个电力循环。大多数具有燃气涡轮的发电厂在未经处理的情况下向大气排放烟气。要除去的化合物主要是氮氧化物(NOX)和一氧化碳(CO)。
为了除去这两种物质，已经建议使用催化工艺来清洁简单循环燃气涡轮的烟气。多种催化剂(催化器)能够处理的温度最高到425℃，该温度低于大多数燃气涡轮的排放温度(大约600℃)。从简单循环燃气涡轮的废气中除去NOX的建议工艺被称为选择性催化还原(SCR)，并且涉及在使烟气通过选择性催化还原催化器之前将还原剂(氨NH3和/或尿素)注入该烟气中。已经建议一种稀释系统，通过向废气流供应冷环境空气，来将烟气冷却至对于催化器的适当温度。这种用于除去NOX的催化工艺被称为稀释SCR(dilution-SCR)。所建议的从简单循环燃气涡轮的废气中除去CO的工艺会使用催化器。
如果简单循环燃气涡轮的排气管道配备有如所建议的稀释SCR系统，则可能出现以下一些问题：
-热烟气和冷却气体的混合不良。
-不同燃气涡轮负载下，NOX浓度曲线不同。注入还原剂氨和/或尿素需要与NOX浓度曲线相匹配，这在配备有稀释SCR系统的燃气涡轮的排气管道中几乎不可能。
-在简单循环燃气涡轮的部分负载操作中，燃气涡轮的排放速度曲线与满负载燃气涡轮的排放速度曲线大相径庭。这可能导致催化器处的速度曲线非常不均匀。这使得催化器各处的停留时间不同，并且会导致NOX和还原剂的转化率不良(离开催化器的、未转化的氨和/或尿素，被称为NH3漏失)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开始所述类型的用于化石燃料动力发动机(优选地，用于简单循环燃气涡轮)的排气管道、由该排气管道组成的混合设备、以及包括燃气涡轮和排气管道的发电厂，借助于该排气管道，可以减少操作期间污染物的排放。
根据本发明，在开始所述类型的排气管道的情况下，通过以下方式实现该目的：混合设备包括混合室，该混合室具有第一壁和相对的第二壁，第一壁和第二壁被布置在废气通路中选择性催化还原催化剂的上游并且在废气通路的横截面区域上延伸，两个壁均被通孔贯穿，其中第一壁的通孔通过多个管而与第二壁的通孔成对地连接，该多个管延伸通过混合室。管被至少一个孔穿孔而通入混合室中，并且冷却流体通路终止于混合室中。
冷却流体可以是环境空气、冷却气体或冷却空气/气体与蒸汽或蒸气或液滴的混合物。
混合室的第一壁和第二壁可以被构造为板，该板被通孔贯穿。
因此，提出了为排气管道配备根据本发明的混合室，用于将冷却流体供应到废气通路中。根据本发明的混合室的作用类似于烟气的整流器(flow straightener)，该整流器使烟气的速度曲线在废气通路的横截面区域上均匀化。除此之外，混合室的作用类似于冷却流体注入器，其中冷却流体(例如，环境空气)以均匀的方式被注入到废气通路中，其优点在于从混合室被吸入到管中的冷却流体的量由于管中的静压而随着管中烟气速度的增加而增加。在由于化石燃料动力发动机的不同操作状态而造成的不同的烟气速度曲线的情况下，本发明使得混合流的冷却流体和烟气之间的比例保持更为恒定。冷却流体和烟气之间的更为恒定的比例使得至少一个催化器处的温度和速度曲线均匀，从而由于至少一个催化器处的被优化的条件而减少了污染物的排放。混合室可以自主调整被注入到废气通路中的冷却流体的量。
在以下的描述中详细说明了本发明的有利设计，其特征可以单独地并且以彼此的任何组合而被应用。
有利地，用于供应还原剂的第一装置可以以如下方式被布置：还原剂被供应到冷却流体通路中。
因为与废气通路中的废气速度相比，冷却流体通路的冷却流体的速度曲线受不同燃气涡轮负载的影响较小，所以还原剂和冷却流体之间的比例更为恒定，其中冷却流体和还原剂经由混合室一起被注入到烟气中，其结果是与现有技术的还原剂直接被注入到废气通路中的情况相比，还原剂和烟气之间的比例要更为恒定。由于还原剂和烟气之间的比例波动更小(NH3漏失减少)，所以污染物的排放减少。
有利地，用于供应还原剂的第一装置还可以以如下方式布置：还原剂在冷却流体通路的冷却流体风扇的流体入口处被注入。
还原剂和冷却流体通过冷却流体风扇而被混合，从而产生还原剂和冷却流体的均匀混合物。
还可以认为有利的是，用于供应还原剂的第一装置适于供应包括尿素成分和/或氨(NH3)成分的还原剂。
氨或尿素用作还原剂已被充分证明用于选择性催化还原。
还可以认为有利的是，用于供应还原剂的第一装置包括一个或多个注入喷嘴，该注入喷嘴适于将还原剂作为液体或蒸气喷射到冷却流体中。
还可以认为有利的是，混合室的管内部包括至少一个湍流器，用于增加流过管的废气的湍流。
这改善了包括还原剂的冷却流体和烟气的混合，以增加烟气中NOX的消除。湍流器可以被构造为翅片或盲孔。管的内部可以被构造为节流管。
还可以认为有利的是，第一壁和第二壁中的通孔的横截面面积的总和适于将废气通路的进口和废气通路的下游出口之间的压降保持为小于或等于25mbar，优选地，该总和是第一壁和第二壁的表面面积的25％。
混合室的第一壁处的前侧和第二壁处的背侧之间的压降例如可以是11mbar，以满足以下条件：用于发电厂的简单循环燃气涡轮的排气管道的废气通路的入口和废气通路的下游出口之间的压降小于或等于25mbar。如果针对发电厂的简单循环燃气涡轮的排气管道的尺寸，通孔的横截面面积的总和为第一壁和第二壁的表面的25％，则混合室例如可以包括150个管。
还可以认为有利的是，通过第一壁和第二壁的通孔的开口均匀地分布在第一壁和第二壁的表面上。
这改善了混合室充当整流器的能力。
本发明的另一目的是提供一种发电厂，包括燃气涡轮(优选地，简单循环燃气涡轮)和排气管道，借助于该排气管道，可以减少操作期间污染物的排放。
为此目的，发电厂的排气管道被实现为根据本发明第一方面所述的排气管道。
本发明的另一目的是提供一种用于化石燃料动力发动机的、开头所述类型的排气管道的混合设备，该混合设备用于混合冷却流体与热废气，借助于该混合设备，可以减少操作期间污染物的排放。
用于此目的的特定混合设备使用用于排气管道的混合室实现，该混合室用于将冷却流体与热废气混合，该混合室包括：第一壁和相对的第二壁，以及用于排气管道的冷却流体通路的至少一个进入口，第一壁和第二壁适于被布置在排气管道的废气通路中，并且在废气通路的横截面区域上延伸，第一壁和第二壁均被通孔贯穿，其中第一壁的通孔通过延伸通过混合室的多个管而与第二壁的通孔成对地连接，这些管被至少一个孔穿孔而通入混合室中。
附图说明
参考附图，通过本发明的示例性实施例的描述提供了进一步有利的设计和优点，其中具有相同功能的部件由相同的附图标记表示。
其中：
图1是现有技术的燃气涡轮的纵向截面示意图，
图2是具有简单循环燃气涡轮的发电厂的示意图，
图3是具有稀释SCR系统的、根据建议技术的、用于燃气涡轮的排气管道的纵向截面示意图，
图4是根据本发明的混合室的示意透视图，
图5是根据本发明的混合室的管的示意透视图，以及
图6是根据本发明的排气管道的示意透视图。
具体实施方式
图1以示意性简化视图示出了根据现有技术的燃气涡轮1的截面图。燃气涡轮1在其内部具有转子3，该转子3被安装为可围绕旋转轴线2旋转，并且具有轴4，该转子3也被称为涡轮转子。沿着转子3，顺次具有入口壳体6、压缩机8和燃烧系统9，该燃烧系统9具有一个或多个燃烧室10，每个燃烧室包括：具有燃烧器11的燃烧器装置、燃烧器的燃料供应系统(未示出)、燃烧室壳体12、涡轮14和排气管道15。燃烧室10例如可以是环形燃烧室。
图1中所示出的燃烧系统9与热气通道(例如环形热气通道)相连通。在此，多个涡轮级顺次连接在一起构成涡轮14。每个涡轮级由叶片环构成。如从工作介质的流动方向看，在热通道中，一排导向叶片17后面是一排转子叶片18。在这种情况下，导向叶片17被紧固到定子19的内壳体上，而一排转子叶片18例如借助于涡轮盘而被附接到转子3上。发电机(未示出)例如被耦合到转子3。
在燃气涡轮的操作期间，空气通过入口壳体6被吸入并且被压缩机8压缩。在压缩机8的涡轮侧一端处的压缩机空气L"沿着燃烧器气腔7被引导到燃烧系统9，其中在燃烧器装置的区域中，该压缩机空气L"被导引到燃烧器11中，并且在燃烧器11中与燃料混合和/或在燃烧器11的出口区域中被富含燃料。在这种情况下，燃料供应系统向燃烧器供应燃料。混合物或压缩机空气和燃料从燃烧器11被排放到燃烧室11中并且燃烧，从而在燃烧室的燃烧室壳体12内的燃烧区域中形成热工作气体流。从此处，工作气体流沿着热气通道流过引导叶片17和转子叶片18。在转子叶片18处，工作气体流以脉冲传输的方式膨胀，使得转子叶片18驱动转子3，并且转子3驱动与其耦合的发电机(未示出)。
图2示出了根据现有技术的发电厂22的示意图，该发电厂包括：燃气涡轮1、被耦合到燃气涡轮1的涡轮出口的排气管道15、以及发电机23。燃气涡轮1在操作期间驱动转子3，并且转子3驱动发电机以产生电力。离开燃气涡轮1的出口端口的热烟气经由排气管道15而流入大气。
图3示意性地示出了具有稀释选择性催化还原系统(稀释SCR系统)的、根据建议技术的、用于燃气涡轮1的排气管道24的纵向截面。燃气涡轮1是化石燃料动力发动机26，以涡轮出口被耦合到排气管道24的进口。排气管道24包括废气通路27，其中冷却流体通路28经由用于冷却流体通路28的进入口30终止于废气通路27。进入口30充当混合设备31。存在冷却流体风扇32，冷却流体风扇的流体入口33被布置在冷却流体通路28的相对端处。在冷却流体通路28的进入口30的下游，存在用于供应还原剂36的第一装置34，该第一装置34被布置在废气通路中，具有注入喷嘴35，以将还原剂36喷射到废气通路27中。用于供应还原剂的第一装置34被流体连接到存储罐37，其中还原剂36到第一装置34的流动由分配和流动控制单元38控制。用于供应还原剂的第一装置34的下游是选择性催化还原催化剂39(也被称为SCR催化器)，该催化剂39的下游布置CO催化器40，其中催化器在废气通路27的横截面区域上延伸。催化器与第一装置34、分配和流动控制单元38、存储罐37以及具有流体风扇33的冷却流体通路28一起形成废气净化装置44和稀释选择性催化还原系统45(稀释SCR系统)。
在操作期间，由燃气涡轮1产生的废气41流入排气管道24的废气通路27，并且与来自冷却流体通路28的冷却流体42混合，并且通过第一装置34的注入喷嘴35向废气41喷射还原剂36。由于还原剂36，废气中的一些NOX成分通过选择性催化还原催化剂39而被还原成H2O和N2。燃料气体中的一些CO成分被CO催化器40消除，其中净化后的燃料气体43在废气通路27的下游出口处离开排气管道。
图4示意性地示出了根据本发明的用于排气管道的混合室50。用于混合冷却流体和热废气的混合室50包括：第一壁51和相对的第二壁52，该第一壁51和第二壁52适于在废气通路的横截面区域上延伸，以及用于终止于混合室50的冷却流体通路的至少一个进入口53，第一壁51和第二壁52均被通孔54贯穿。如图5中更详细地示出的，通过延伸通过混合室50的管55，第一壁51的通孔54与第二壁52的通孔54成对地连接，管55被至少一个或两个或更多个孔56穿孔而通入混合室50中。第一壁51和第二壁52中的通孔54的横截面面积59的总和适于保持废气通路的入口(图6的位置66)和废气通路的下游出口(图6的位置69)之间的压降小于或等于25mbar。通孔54的开口67均匀地分布在第一壁51和第二壁52的表面68上。表面68的尺寸与废气通路的横截面区域(图6的位置64)的尺寸相同。
图5更详细地示意性地示出了图4所示的混合室50的管55。管55延伸通过混合室50，并且将第一壁51的通孔54与第二壁52的通孔54连接。管55被一个或两个或多个孔56穿孔而通入混合室50中。管55内部包括湍流器57，用于增加流过管的废气的湍流，其中冷却流体58由于管中的流动所产生的静压而被吸入管55中。
图6示意性地示出了根据本发明的排气管道60，该排气管道60具有：废气通路61；冷却流体通路62；如图4所示的混合室50，被构造为废气通路61的段63，该混合室50包括第一壁51和相对的第二壁52，该第一壁51和相对的第二壁52被布置在废气通路61中的选择性催化还原催化剂65的上游，并且在废气通路61的横截面区域64上延伸。在废气通路的入口66处进入废气通路61的烟气在混合室50的管中与来自冷却流体通路62的冷却流体和还原剂混合，并且在途中通过催化剂65到达废气通路61的下游出口69。

Claims (11)

1.一种用于化石燃料动力发动机(26)的排气管道(15，24，60)，包括：
一个废气通路(27，61)，一个冷却流体通路(28，62)，用于将冷却流体(42)和热废气(41)混合的一个混合设备(31)，被布置在所述废气通路中、用于除去多种氮氧化物(NOX)的至少一种选择性催化还原催化剂(39)，以及用于供应还原剂(36)的至少一个第一装置(34)，其中
所述混合设备(31)包括一个混合室(50)，所述混合室(50)具有一个第一壁(51)和相对的一个第二壁(52)，所述第一壁和所述第二壁被布置在所述废气通路中所述选择性催化还原催化剂(39)的上游，并且在所述废气通路的横截面区域(64)上延伸，两个壁均被多个通孔(54)贯穿，其中所述第一壁的多个通孔通过延伸通过所述混合室(50)的多个管(55)而与所述第二壁(52)的多个通孔(54)成对地连接，所述多个管被至少一个孔(56)穿孔而通入所述混合室中，并且所述冷却流体通路(28，62)终止于所述混合室中，
其中通过所述第一壁和所述第二壁的所述多个通孔(54)的多个开口(67)均匀地分布在所述第一壁和所述第二壁的表面(68)上。
2.根据权利要求1所述的排气管道(15，24，60)，其中
用于供应还原剂(36)的所述第一装置(34)以如下方式被布置：还原剂被供应到所述冷却流体通路(28，62)中。
3.根据权利要求2所述的排气管道，其中
用于供应还原剂的所述第一装置(34)以如下方式被布置：所述还原剂在所述冷却流体通路(28，62)的一个冷却流体风扇(32)的流体入口(33)处被注入。
4.根据权利要求2所述的排气管道，其中
用于供应还原剂的所述第一装置(34)适于供应还原剂(36)，所述还原剂(36)包括尿素成分和/或氨成分。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的排气管道，其中
用于供应还原剂的所述第一装置(34)包括一个或几个注入喷嘴(35)，所述注入喷嘴适于将所述还原剂作为液体或蒸气喷射到所述冷却流体(58)中。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的排气管道，其中
所述混合室(50)的所述多个管(55)内部包括至少一个湍流器(57)，所述湍流器用于增加流过所述多个管的废气的湍流。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的排气管道，其中
所述第一壁和所述第二壁(51，52)中的所述多个通孔(54)的横截面面积(59)的总和适于将所述废气通路的一个进口(66)和所述废气通路(27，61)的一个下游出口(69)之间的压降保持为小于或等于25mbar。
8.根据权利要求7所述的排气管道，其中所述总和是所述第一壁和所述第二壁的表面(68)面积的25％。
9.一种发电厂(22)，包括一个燃气涡轮(1)以及一个排气管道(15，60)，其中
所述排气管道根据权利要求1至7中任一项所述的排气管道而被构造。
10.根据权利要求9所述的发电厂，所述燃气涡轮是简单循环燃气涡轮。
11.一种用于化石燃料动力发动机的排气管道(15，60)的混合室(50)，用于将冷却流体(58)与热废气混合，所述混合室(50)包括：一个第一壁(51)和相对的一个第二壁(52)、以及用于所述排气管道(60)的一个冷却流体通路(61)的至少一个进入口(53)，所述第一壁(51)和所述第二壁(52)适于被布置在所述排气管道的一个废气通路(61)中，并且在所述废气通路的横截面区域(64)上延伸，所述第一壁和所述第二壁均被多个通孔(54)贯穿，其中所述第一壁的多个通孔通过延伸通过所述混合室(50)的多个管(55)而与所述第二壁的多个通孔成对地连接，所述多个管被至少一个孔(56)穿孔而通入所述混合室中，其中通过所述第一壁和所述第二壁的所述多个通孔(54)的多个开口(67)均匀地分布在所述第一壁和所述第二壁的表面(68)上。
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