DE102009026240A1 - Gasturbinenverbrennungsabgas-Sprühkühlung zur NOx-Steuerung unter Anwendung selektiver katalytischer Reduktionsvorgänge - Google Patents

Gasturbinenverbrennungsabgas-Sprühkühlung zur NOx-Steuerung unter Anwendung selektiver katalytischer Reduktionsvorgänge Download PDF

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Abstract

Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung beten in einem Verbrennungsabgas, das aufweist: eine selektive katalytische Reaktorbaugruppe mit einem Katalysatorbett zur Aufnahme eines Verbrennungsabgasstroms, einen Abgaskanal zum Einbringen des Verbrennungsabgases in die selektive katalytische Reaktorbaugruppe, wenigstens eine Düse zum Einbringen von Kühlwasser in das Verbrennungsabgas, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt, und wenigstens einen Reduktionsmittelkanal zum Einbringen des wenigstens einen Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas, um ein Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch zu erzeugen, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt. Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung betreffen auch ein Verfahren zur Reduktion von Stickstoffoxiden in einem Verbrennungsabgas durch Einbringen eines Verbrennungsabgases in eine selektive katalytische Reaktorbaugruppe mit einem Katalysatorbett, Einbringen von Kühlwasser in das Verbrennungsabgas, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt, Verringern der Temperatur des Verbrennungsabgases, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt, und Einbringen wenigstens eines Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas, um ein Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch zu erzeugen, bevor das Abgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Reduzierung von Stickstoffoxiden (NOx) in Verbrennungsabgasen und insbesondere die Reduzierung von NOx in den Abgasen von Einfachzyklus-Gasturbinen unter Anwendung selektiver katalytischer Reduktions-(SCR)-Systeme.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • In dem Betrieb von Gasturbinenbrennkammern führen stickstoffhaltige Verbindungen sowohl in dem verwendeten Brennstoff als auch aus einer Bindung von atmosphärischem Stickstoff zu dem Vorliegen von NOx in dem (auch als Rauchgas bezeichneten) Brennkammerabgas. Da Vorschriften bezüglich der NOx-Kontrolle weltweit strenger werden, ist es wichtig, dass Verbrennungsturbinen die NOx-Emissionen minimieren.
  • Eine Lösung zur Reduzierung von NOx-Emissionen ist das SCR-System, welches ein Reduktionsmittel, typischerweise Ammoniak oder Harnstoff, dem Abgasstrom zusetzt, bevor er durch ein Katalysatorbett geleitet wird, der selektiv Stickstoffoxide und das Reduktionsmittel adsorbiert. Die adsorbierten Komponenten unterliegen einer chemischen Reaktion auf der Katalysatoroberfläche und die Reaktionsprodukte werden desorbiert. Eine NOx-Reduktion unter Verwendung von Ammoniak erfolgt typischerweise über die nachstehenden stöchiometrischen Reaktionen: 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O 2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2+ 6H2O NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O
  • Bei einem SCR-System hängt die Reaktivität des Katalysators von der Temperatur des in den Katalysatorreaktor eintretenden Rauchgases ab. Die Rauchgastemperatur an dem Ausgang der Gasturbine ist typischerweise etwa 649°C (1200°F), während SCRs typischerweise für einen effizienten Betrieb zwischen etwa 316°C (600°F) bis etwa 455°C (850°F) ausgelegt sind. Wenn die Rauchgastemperatur am Ausgang der Gasturbine aus dem Auslegungstemperaturbereich fällt, sinkt der katalytische Umwandlungswirkungsgrad des SCR ab. Demzufolge können mehr Ammoniak oder Katalysatorvolumen erforderlich sein, um die Umwandlungsrate des NOx aufrechtzuerhalten, was zu höheren Kosten führt.
  • Zwei Ausführungsarten waren bisher für die Kühlung des Abgases auf den Betriebstemperaturbereich des SCR verbreitet. Eine derartige Ausführungsart kühlt das Rauchgas unter Verwendung eines Wärmetauschers in dem Abgaskanal ab, wovon ein repräsentatives Beispiel in dem U.S. Patent 4,353,207 beschrieben ist. Der Wärmetauscher reduziert die Temperatur des Abgases auf den Reaktionsbereich durch Entzug von Wärme, welche dann zum Erzeugen von Dampf für die Anwendung anderswo in der Gasturbine verwendet wird. Diese Anordnungsart ist für im Grundlastbetrieb eingesetzte Kombinationszyklus-Gasturbinen brauchbar, ist aber weniger für typischerweise im Spitzenlastbetrieb eingesetzte Einfachzyklus-Gasturbinen anwendbar, in welchem Platz und Kosten restriktiver sind.
  • Eine weitere Ausführungsart, die sowohl für Einfach- als auch Kombinationszyklus-Gasturbinen einsetzbar ist, besteht in der Kühlung des Abgases durch Vermischung dieses mit Umgebungsluft. Unter Anwendung von Luftgebläsen und Einspritzöffnungen wird Umgebungsluft in dem Abgaskanal gegen den durch den Abgasstrom erzeugten Rückdruck eingeblasen. Um die Temperatur des Abgases auf den Reaktionsbereich zu reduzieren, beträgt die Menge der benötigten Luft etwa 40 bis 50% des Abgasvolumens. Das erhebliche Kühlmittelvolumen erhöht die Installations- und Betriebskosten, während gleichzeitig der Turbinenwirkungsgrad aufgrund eines größeren Druckabfalls über dem System verringert wird. Eine schlechte Vermischung zwischen dem großen Luftvolumen und dem Abgas kann auch eine ungleichmäßige Temperaturverteilung über dem Katalysatorbett bewirken und somit die gesamte katalytische Aktivität verringern. Zusätzlich kann die Luftströmungsrate Einstellungen in einem großen Bereich zur Anpassung an sich ändernde Umgebungsbedingungen und Abgastemperaturen erfordern, die zu erheblichen Betriebsschwankungen führen.
  • Somit besteht ein Bedarf nach einem effizienteren System zum Kühlen des Brennkammerabgases auf den für die NOx-Reduktion in den SCRs geeigneten Temperaturbereich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Um die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen, stellen durch die vorliegende Offenlegung abgedeckte Ausführungsformen ein System zur Reduktion von Stickstoffoxiden in einem Verbrennungsabgas bereit, wobei das System im Wesentlichen eine selektive katalytische Reaktor-(SCR)-Anordnung aufweist, die ein Katalysatorbett für die Aufnahme eines Stroms eines Verbrennungsabgases, einen Abgaskanal zum Einbringen des Abgases in die SCR-Baugruppe, wenigstens eine Düse zur Einspritzung von Kühlwasser in das Verbrennungsabgas, bevor das Verbren nungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt, und wenigstens einen Reduktionsmittelkanal zum Einbringen wenigstens eines Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas, um ein Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch zu erzeugen, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt.
  • Die vorliegende Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zur Reduktion von Stickstoffoxiden in dem Abgasstrom, wobei das Verfahren die Schritte der Einbringung eines Verbrennungsabgases in eine SCR-Baugruppe mit einem Katalysatorbett, die Einbringung von Kühlwasser in das Verbrennungsabgas, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt, die Verringerung der Temperatur des Verbrennungsabgases, bevor das Verbrennungsabgas die SCR-Baugruppe verlässt und die Einbringung wenigstens eines Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas umfasst, um ein Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch zu erzeugen, bevor das Abgas die SCR-Baugruppe verlässt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Ansicht des NOx-Reduktionssystems mit getrennten Düsen für das Kühlwasser und das Reduktionsmittel.
  • 2 ist eine schematische Ansicht des NOx-Reduktionssystems mit einem Mehrfachquerschnitt-Abgaskanal und alternativen Ausführungsformen der Düsenpositionierung.
  • 3 ist eine schematische Ansicht des NOx-Reduktionssystems mit mehreren Temperatur- und NOx-Sensoren und einer Steuereinrichtung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Wie vorstehend zusammengefasst, umfassen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein System und ein Verfahren zum Reduzieren des in einem Verbrennungsabgas vorhandenen NOx-Anteils. Das System und Verfahren weisen im Wesentlichen die Schritte der Absenkung der Temperatur des Abgasstroms auf den Betriebstemperaturbereich einer SCR-Baugruppe durch Einspritzen von Kühlwasser in das Verbrennungsabgas. Obwohl bevorzugt die NOx-Emissionen vollständig eliminiert werden sollen, wird auch jede Verringerung der NOx-Emissionen als in dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung betrachtet. Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung insbesondere zur Verwendung in Einfachzyklus-Gasturbinen unter Verwendung von Mittelbereich-Hochtemperatur-SCRs (HTSCRs) mit einem Betriebstemperaturbereich von etwa 316°C (600°F) bis etwa 455°C (850°F) geeignet sind, sind sie nicht auf diese Temperaturbereiche beschränkt.
  • NOx-Reduktionssystem
  • Eine in 1 dargestellte spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine SCR-Baugruppe 16 mit einem (nicht dargestellten) Katalysatorbett zur Aufnahme eines Stroms eines Verbrennungsabgases 12, einen Abgaskanal 14 zur Einbringung des Verbrennungsabgases 12 in die SCR-Baugruppe 16, wenigstens eine Düse oder mehrere in einer ersten Anordnung 22 angeordnete Düsen zum Einbringen von Kühlwasser in das Verbrennungsabgas 12, bevor das Verbrennungsabgas 12 die SCR-Baugruppe 16 verlässt und wenigstens einen Reduktionsmittelkanal oder mehrere Reduktionsmittelkanäle, die in einer zweiten Anordnung 24 zum Einbringen wenigstens eines Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas 12 angeordnet sind, auf, um ein Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch zu erzeugen, bevor das Verbren nungsabgas 12 die SCR-Baugruppe verlässt. Das Verbrennungsabgas verlässt die SCR-Baugruppe als ein NOx-freies Gas 18. In einer spezielleren Ausführungsform befinden sich die Düse oder die mehreren Düsen in der ersten Anordnung 22 stromaufwärts vor der SCR-Baugruppe 16 in dem Abgaskanal 14. Gemäß einer weiteren Ausführungsform befinden sich der wenigstens einen Reduktionsmittelkanal oder die mehreren Reduktionsmittelkanäle in der zweiten Anordnung 24 stromaufwärts vor der SCR-Baugruppe 16 in dem Abgaskanal 14. In einer spezielleren Ausführungsform befinden sich der Reduktionsmittelkanal oder die mehreren Reduktionsmittelkanäle in der zweiten Anordnung 24 stromabwärts von der wenigstens einen Düse in dem Abgaskanal 14. In einer weiteren Ausführungsform weist der Reduktionsmittelkanal wenigstens ein Einspritzrohr zum Einbringen des Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas 12 auf. Das Einspritzrohr kann vollständig oder teilweise aus Material bestehen, das für das Reduktionsmittel durchlässig ist, oder das Einspritzrohr kann mehrere Öffnungen für den Durchtritt des Reduktionsmittels dadurch aufweisen.
  • Obwohl Ausführungsformen dieser Erfindung zum Reduzieren von NOx-Emissionen aus einer Vielfalt von Quellen nützlich sein können, ist die Ausführungsform in 1 insbesondere zur Verwendung bei einer Gasturbine geeignet. Somit nimmt der Abgaskanal 14 der Ausführungsform in 1 das Verbrennungsabgas 12 aus einer (nicht dargestellten) Verbrennungsabgasturbine auf. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur Verwendung mit einer Einfachzyklus-Verbrennungsabgasturbine geeignet, jedoch nicht darauf beschränkt.
  • Gemäß Darstellung in 1 weist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ferner mehrere in einer ersten Anordnung 22 zur Einbringung von Kühlwasser aus einer Kühlwasserversorgungsbaugruppe 50 in das Verbrennungsabgas 12 ange ordnete Düsen auf. In einer speziellen Ausführungsform kann der Reduktionsmittelkanal mit der wenigstens einen Düse oder der ersten Anordnung 22 verbunden sein. In einer spezielleren Ausführungsform werden das Reduktionsmittel und das Kühlwasser im Wesentlichen gleichzeitig in das Verbrennungsabgas 12 eingebracht. In einer weiteren Ausführungsform gemäß Darstellung in 1 können der Reduktionsmittelkanal oder mehrere Reduktionsmittelkanäle mehrere in einer zweiten Anordnung 24 angeordnete Düsen aufweisen, um das Reduktionsmittel in das Verbrennungsabgas 12 aus einer Reduktionsmittelversorgungsbaugruppe 40 einzuführen. Die zweite Anordnung 24 kann stromabwärts von der ersten Anordnung 22 angeordnet sein. In einer spezielleren Ausführungsform überdecken die erste Anordnung 22 und die zweite Anordnung 24 jeweils den gesamten Querschnitt des Abgaskanals 14.
  • Das Verbrennungsabgas 12 wandert durch den Abgaskanal 14 zu der SCR-Baugruppe 16. Der Abgaskanal 14 kann mehrere Abschnitte mit variierenden Abmessungen und Formen aufweisen. Der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet ist in der Lage, einen Abgaskanal 14, der für ein spezielles NOx-Reduktionssystem geeignet ist, auf der Basis von Faktoren, die die Mengen von Abgas, Kühlwasser und Reduktionsmittel; die Temperatur und Geschwindigkeit des Abgasstroms; und Kosten und Platzeinschränkungen beinhalten, jedoch nicht darauf beschränkt sind, auszulegen. Gemäß einer in 2 dargestellten speziellen Ausführungsform können das Reduktionsmittel und das Kühlwasser mittels eines Mischers 28 kombiniert werden, bevor sie in das Verbrennungsabgas 12 unter Verwendung wenigstens einer Kombinationsanordnung 26 eingebracht werden, welche wenigstens eine Düse oder mehrere Düsen aufweist. Die erste Anordnung 22 und/oder die zweite Anordnung 24 und/oder die Kombinationsanordnung 26 können in jedem geeigneten Abschnitt des Abgaskanals 14 platziert oder in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein, um den gesamten Querschnitt des Abgaskanals abzudecken. Der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet ist in der Lage, die optimale Stelle für die Anordnungen auf der Basis von Faktoren, welche Geschwindigkeiten des Kühlwassers und des Abgasstroms, den effektiven Betriebstemperaturbereich für die ausgewählte SCR-Baugruppe und die Abmessungen des Abgaskanals 14 umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind, zu bestimmen.
  • In einer Ausführungsform gemäß Darstellung in 2 weist der Abgaskanal 14 einen Einlassquerschnitt 14a mit einem ersten Durchmesser, einem Endquerschnitt 14c mit einem zweiten Durchmesser, der größer als der erste Durchmesser ist, und einen Übergangsquerschnitt 14b mit allmählich zunehmendem Durchmesser auf, der den Einlassquerschnitt 14a mit dem Endquerschnitt 14c verbindet. 2 stellt mehrere alternative Ausführungsformen dar, wo die erste Anordnung 22 oder die zweite Anordnung 24 oder die Kombinationsanordnung 26 platziert sein können. In einer speziellen Ausführungsform kann jede von den Anordnungen 22, 24 oder 26 in dem Übergangsabschnitt 14b in einem Winkel α platziert sein, um die gesamte Höhe des Übergangsabschnittes 14b des Abgaskanals 14 abzudecken. Ohne Beschränkung auf irgendeine Theorie glaubt man, dass die Anordnung dazu beitragen kann, die Abbremsung des Verbrennungsabgases 12 in dem Übergangsabschnitt 14b zu verstetigen, was wiederum eine gleichmäßigere Strömungsverteilung stromaufwärts vor dem Katalysatorbett begünstigt. Die gleichmäßigere Verteilung und der zusätzliche Abstand zur Vermischung und Kühlung des Verbrennungsabgases 12, bevor es in das Katalysatorbett eintritt, trägt dazu bei, die Katalysatorlebensdauer zu verlängern. In einer weiteren Ausführungsform kann irgendeine von den Anordnungen 22, 24 oder 26 in dem Einlassabschnitt 14a platziert werden, um die Anzahl der Düsen zu minimieren, die zur Abdeckung des gesamten Querschnitts des Abgaskanals 14 erforderlich sind. Die Platzierung einer Anordnung weiter strom aufwärts in dem Abgaskanal 14 vergrößert entweder die Strecke für die Vermischung und Verdampfung des Kühlwassers und/oder des Reduktionsmittels, bevor sie das Katalysatorbett erreichen, oder ermöglicht eine Verkürzung des Abgaskanals 14 und trotzdem die Bereitstellung einer ausreichenden Strecke zur Vermischung, Kühlung und Verdampfung.
  • Die erste Anordnung 22 und/oder die zweite Anordnung 24 und/oder die Kombinationsanordnung 26 können jede geeignete Anzahl von Düsen aufweisen und können in jeder geeigneten Weise angeordnet sein. Um das gesamte Katalysatorbett vollständig zu nutzen, hat das Verbrennungsabgas 12 eine gleichmäßige Temperatur- und Reduktionsmittelverteilung in einer radialen Richtung des Abgaskanals 14. Die radiale Richtung des Abgaskanals 14 ist senkrecht zu dem in 1 dargestellten Strom des Verbrennungsabgases 12. Um die Gleichmäßigkeit zu fördern, sind in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die mehreren Düsen der ersten Anordnung und/oder der zweiten Anordnung 24 im Wesentlichen gleichmäßig in dem Abgaskanal 14 verteilt. ”Im Wesentlichen gleichmäßig verteilt” bedeutet, so wie hierin verwendet, dass die Düsen im Wesentlichen in gleichem Abstand voneinander entlang einer oder beiden Achsen der ersten Anordnung 22 und/oder der zweiten Anordnung 24 angeordnet sind.
  • In einer speziellen Ausführungsform können die erste Anordnung 22 und/oder die zweite Anordnung 24 und/oder die Kombinationsanordnung 26 von etwa 1 bis etwa 500 Düsen, von etwa 10 bis etwa 300 Düsen oder von etwa 50 bis 200 Düsen aufweisen. In einer spezielleren Ausführungsform sind die mehreren Düsen Druckzerstäubungssprühdüsen, welche in der Lage sind, das Kühlwasser und/oder das Reduktionsmittel in das Verbrennungsabgas 12 als Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als etwa 0,1 mm einzuführen. Ohne auf ir gendeine Theorie beschränkt zu sein, glaubt man, dass kleinere Kühlwasserpartikel eine gleichmäßigere Kühlung und eine schnellere Verdampfung in dem Verbrennungsabgas 12 begünstigen. Der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet ist in der Lage, die geeigneten Düsen auf der Basis von Faktoren, welche Druckabfall über dem NOx-Reduktionssystem, Strömungsformung und Abmessungen des Abgaskanals umfassen, jedoch nicht darauf beschränkt sind, auszuwählen oder auszulegen.
  • In einer weiteren in 3 dargestellten Ausführungsform weist die Reduktionsmittelversorgungsbaugruppe 40 wenigstens eines von den nachstehenden auf: einen Reduktionsmitteltank 42, eine Reduktionsmittelpumpe 44 zum Pumpen von Reduktionsmittel aus dem Reduktionstank, ein Reduktionsmittelventil 46 zum Steuern der Geschwindigkeit des Reduktionsmittelstroms, und eine Verdampfungskammer 48, um teilweise oder vollständig das Reduktionsmittel zu verdampfen. Wenigstens ein Teil des NOx-freien Abgases 18 kann der Verdampfungskammer 48 erneut zugeführt werden, um zur Erwärmung des Reduktionsmittels beizutragen. In noch einer weiteren, ebenfalls in 3 dargestellten Ausführungsform, weist die Kühlwasserversorgungsbaugruppe 50 wenigstens eines von den nachstehenden auf: eine Kühlwasserquelle 52, eine Wasserpumpe 54 zum Pumpen von Kühlwasser aus der Kühlwasserquelle, ein Wasserventil 56 zum Steuern der Geschwindigkeit des Kühlwasserstroms, ein Filter 58 zum Verringern des Anteils an Verschmutzungen oder Mineralien in dem Kühlwasser und einen Heizer 60 (oder Wärmetauscher) zum Erwärmen des Kühlwassers.
  • Der Begriff ”Kühlwasser” wird hierin als flüssiges Wasser und Dampf beinhaltend verwendet. Der Begriff ”Reduktionsmittel” wird hierin in der Bedeutung eines Reduktionsmittels zur Verwendung in einer SCR-Baugruppe verwendet, um Schadstoffe aus einem Gasturbinenabgasstrom einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, Mittel zum Reduzieren von Stickstoffdioxiden und Schwefeldioxiden verwendet. Gemäß einer speziellen Ausführungsform besteht das Reduktionsmittel aus Ammoniak, Harnstoff oder Kombinationen davon. Das Reduktionsmittel kann in Dampf- oder Flüssigkeitsform gelagert und/oder in das Verbrennungsabgas 12 eingebracht werden.
  • In einer Ausführungsform kann der Heizer oder Wärmetauscher zum Erhöhen der Temperatur des Kühlwassers auf wenigstens etwa 15,6°C (60°F) verwendet werden, bevor das Kühlwasser in das Verbrennungsabgas 12 eingebracht wird. In einer weiteren Ausführungsform wird das Kühlwasser auf wenigstens etwa 121°C (250°F) erwärmt, bevor das Kühlwasser in das Verbrennungsabgas 12 eingebracht wird. Die Erwärmung des Kühlwassers beschleunigt die Verdampfung des Wassers und/oder der Reduktionsmitteltröpfchen in dem Abgaskanal 14. In einer spezielleren Ausführungsform kann der Heizer direkt in dem Abgaskanal 14 platziert sein, um das Verbrennungsabgas 12 stromaufwärts vor der ersten Anordnung 22, der zweiten Anordnung 24 oder der Kombinationsanordnung 26 zu gleichmäßiger strömen zu lassen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Kühlwasser auf einen Druck von wenigstens etwa 3,51 bar (50 psi) gebracht werden, bevor es in das Verbrennungsabgas 12 eingebracht wird. In noch einer weiteren Ausführungsform werden das Kühlwasser und das Reduktionsmittel in das Verbrennungsabgas 12 unter Verwendung derselben Pumpe eingebracht.
  • Die Temperatur des in das NOx-Reduktionssystem eintretenden Verbrennungsabgases 12 kann abhängig von den Betriebsbedingungen der Gasturbine variieren. In einer in 3 dargestellten Ausführungsform kann das System ferner wenigstens einen Temperatursensor 34 zum Überwachen der Temperatur des NOx-freien Abgases 18 in der Nähe oder stromabwärts von dem Ausgang der SCR-Baugruppe 16 aufweisen. Das System kann auch we nigstens einen NOx-Sensor 36 aufweisen, um den NOx-Pegel des NOx-freien Abgases 18 in der Nähe oder stromabwärts von der SCR-Baugruppe 16 zu überwachen. In einer spezielleren Ausführungsform kann eine Steuerung 32 verwendet werden, um einen Temperatur- und/oder NOx-Pegel des NOx-freien Abgases 18 zu erhalten und um die Durchflussrate des Kühlwassers und/oder des Reduktionsmittels in Reaktion auf die überwachte Temperatur und/oder den NOx-Pegel anzupassen. In weiteren Ausführungsformen können der Temperatursensor 34 und/oder der NOx-Sensor 36 in der Nähe des Eintritts des Abgaskanals 14 platziert sein. In noch weiteren Ausführungsformen können der Temperatursensor 34 und/oder der NOx-Sensor 36 stromaufwärts oder in der Nähe des Eintritts zu der SCR-Baugruppe 16 platziert sein. Die Steuerung 32 kann dann die Reduktionsrate auf der Basis der stöchiometrischen Pegel des Reduktionsmittels steuern, der zum Reagieren mit dem überwachten NOx-Pegel in dem Verbrennungsabgas 12 erforderlich ist. Die Temperatur- und NOx-Sensoren 34 und 36 können ferner in der SCR-Baugruppe 16 platziert sein, um zusätzliche Signale für die Anpassung der Raten des in das Verbrennungsabgas 12 eingebrachten Kühlwassers und des Reduktionsmittels anzupassen.
  • Der Wirkungsgrad der katalytischen Reduktion des NOx-Pegels in dem Verbrennungsabgas 12 hängt sowohl von der Temperatur als auch den Reduktionsmittelverteilungen des auf dem Katalysatorbett reagieren Reduktionsmittel/Abgas-Gemisches ab. In einer Ausführungsform weist das System ferner eine Einrichtung zum Vermischen des Verbrennungsabgases 12 mit dem Reduktionsmittel und dem Kühlwasser in dem Abgaskanal 14 auf, um eine gleichmäßigere Reduktionsmittel- und Temperaturverteilung zu erzielen. Geeignete Einrichtungen zum Vermischen des Verbrennungsabgases 12 mit dem Reduktionsmittel und dem Kühlwasser sind dem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt. Beispiele derartiger Mischeinrichtungen umfas sen, sind jedoch nicht darauf beschränkt, Verwirbler oder stromabwärts oder stromaufwärts vor der wenigstens einen Düse angeordnete Leitschaufeln, verkleinerte hydraulische Kanäle, statische Mischer, Turbulenz erzeugende Gitter und perforierte Siebe.
  • Der spezifische Wärmewert von flüssigem Wasser ist etwa der Vierfache von dem von Luft, und der spezifische Wärmewert von Dampf ist etwa der Doppelte von dem von Luft. Demzufolge ist eine kleinere Wassermenge zum Verringern der Temperatur des Verbrennungsabgases 12 im Vergleich zu der Luftmenge erforderlich, die zum Verringern der Temperatur um einen äquivalenten Betrag erforderlich ist. Ferner kühlt, wenn sich flüssiges Wasser in Dampf umwandelt, der Wärmeverbrauch der Verdampfung ferner das Verbrennungsabgas 12. Somit kann in einer speziellen Ausführungsform die wenigstens eine Düse ausreichend stromaufwärts vor der SCR-Baugruppe 16 in dem Abgaskanal 14 angeordnet sein, dass das Kühlwasser teilweise oder vollständig verdampft, bevor das Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch in das Katalysatorbett eintritt. Beispielsweise ist in einer Ausführungsform der Abstand zwischen der wenigstens einen Düse und der SCR-Baugruppe 16 nicht kleiner als etwa 0,91 m (3 feet) und nicht mehr als etwa 3,05 m (10 feet). In einer speziellen Ausführungsform verdampft das Kühlwasser vollständig in der Düse, bevor es in den Abgaskanal 14 eintritt. In weiteren Ausführungsformen kann die Düse isoliert sein, um die Verdampfung des Kühlwassers zu verhindern, bevor das Kühlwasser in den Abgaskanal 14 eintritt. Wie vorstehend beschrieben ist der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet in der Lage, die optimale Stelle für die wenigstens eine Düse auf der Basis von Faktoren, jedoch nicht darauf beschränkt, zu ermitteln, welche die Temperatur der Kühlung, die Länge des Abgaskanals und den Abstand zwischen der Düse und der SCR-Baugruppe beinhalten.
  • Obwohl es hierin in Betracht gezogen wird, dass das Kühlwasser und/oder das Reduktionsmittel in das Abgas an jedem beliebigen Punkt eingebracht werden können, bevor das Abgas die SCR-Baugruppe 16 verlässt, dürfte der Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass im Wesentlichen das Kühlwasser und/oder das Reduktionsmittel in das Abgas eingebracht werden sollten, bevor es in das Katalysatorbett eintritt. In einer speziellen Ausführungsform kann sich die Wesentlichen eine Düse ausreichend stromaufwärts vor der SCR-Baugruppe 16 in dem Abgaskanal 14 befinden, um ein Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Temperatur und/oder eine Reduktionsmittelverteilung in der radialen Richtung des Abgaskanals 14 bereitzustellen, bevor das Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch in die SCR-Baugruppe 16 und/oder das Katalysatorbett eintritt.
  • In noch weiteren Ausführungsformen kann die Temperatur des Verbrennungsabgases 12 durch Kombination weiterer Kühlverfahren, welche dem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet bekannt sind, verringert werden. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform die Temperatur des Verbrennungsabgases 12 verringert werden, indem zuerst das Verbrennungsabgas 12 mit Luft gekühlt wird und dann mit Kühlwasser, wie es in dem hierin vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen ist.
  • NOx-Reduktionsverfahren
  • Diese Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Reduktion von Stickstoffoxiden in dem Verbrennungsabgas 12. Das Verfahren weist im Wesentlichen die Schritte der Einbringung des Verbrennungsabgases 12 in eine SCR-Baugruppe 16 mit einem Katalysatorbett, der Einbringung von Kühlwasser in das Verbrennungsabgas 12, bevor das Verbrennungsabgas 12 die SCR-Baugruppe 16 verlässt, der Verringerung der Temperatur des Ver brennungsabgases 12, bevor das Verbrennungsabgas 12 die SCR-Baugruppe 16 verlässt, und der Einbringung wenigstens eines Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas 12 zur Ausbildung eines Reduktionsmittel/Abgas-Gemisches, bevor das Verbrennungsabgas 12 die SCR-Baugruppe 16 verlässt. Soweit nicht anderweitig angegeben, sind die in allen Verfahrensausführungsformen angegebenen Schritte in irgendeiner Reihenfolge angegeben.
  • In einer speziellen Ausführungsform können das Kühlwasser und das Reduktionsmittel stromaufwärts vor der SCR-Baugruppe 16 in das Verbrennungsabgas 12 eingebracht werden. In einer spezielleren Ausführungsform können das Kühlwasser und das Reduktionsmittel im Wesentlichen gleichzeitig in das Verbrennungsabgas 12 eingebracht werden. In einer noch spezielleren Ausführungsform können das Kühlwasser und das Reduktionsmittel unter Verwendung derselben Düse oder der mehreren Düsen in das Verbrennungsabgas 12 eingebracht werden. In einer weiteren Ausführungsform kann das Kühlwasser in das Verbrennungsabgas 12 stromaufwärts vor dem Punkt eingebracht werden, wo das Reduktionsmittel in das Verbrennungsabgas 12 eingebracht wird. In noch einer weiteren Ausführungsform kann das Reduktionsmittel teilweise oder vollständig verdampft werden, bevor es in das Verbrennungsabgas 12 eingebracht wird. Die Verdampfung kann über eine externe Erhitzung oder durch teilweises oder vollständiges Rückführen des die SCR-Baugruppe 16 verlassenden NOx-freien Abgases 18 erfolgen.
  • Gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren die Schritte der Überwachung der Temperatur des Verbrennungsabgases 12 stromaufwärts oder stromabwärts von der SCR-Baugruppe 16 und der Steuerung der Einbringung des Kühlwassers in das Verbrennungsabgas 12. In einer spezielleren Ausführungsform umfasst das Verfahren fer ner die Schritte der Berechnung der benötigten Kühlwassermenge zum Verringern der Temperatur des Verbrennungsabgases 12, bevor das Verbrennungsabgas 12 die SCR-Baugruppe 16 verlässt, und danach die Modifizierung der Rate und/oder der Menge des in das Verbrennungsabgas 12 eingebrachten Wassers. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte der Auswahl einer voreingestellten Temperatur in dem Betriebstemperaturbereich der SCR-Baugruppe 16, der Überwachung der Ist-Temperatur des Reduktionsmittel/Abgas-Gemisches an dem oder in der Nähe des Einlasses der SCR-Baugruppe 16, danach die Berechnung der erforderlichen Kühlwasserrate zum Verringern der Temperatur des Reduktionsmittel/Abgas-Gemisches auf die voreingestellte SCR-Temperatur aus einer Differenz zwischen der voreingestellten SCR-Temperatur und der Ist-Temperatur des Reduktionsmittel/Abgas-Gemisches, und danach die Modifizierung der Rate des in das Verbrennungsabgas 12 eingebrachten Kühlwassers. In einer spezielleren Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt der Modifizierung der Temperatur des in das Verbrennungsabgas 12 eingebrachten Wassers in Reaktion auf die Differenz zwischen der voreingestellten SCR-Temperatur und der Ist-Temperatur des Reduktionsmittel/Abgas-Gemisches. In einer noch spezielleren Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt der Überwachung der Temperatur des Verbrennungsabgases 12 in der SCR-Baugruppe 16.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner die Schritte der Überwachung des NOx-Pegels des Verbrennungsabgases 12 stromaufwärts oder stromabwärts von der SCR-Baugruppe 16 und der Steuerung der Einbringung des Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas 12. In einer spezielleren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner die Schritte der Berechnung der erforderlichen Reduktionsmittelmenge zum Reduzieren des NOx-Pegels des Verbrennungsabgases 12, bevor das Verbrennungsabgas 12 die SCR-Baugruppe 16 verlässt, und danach der Modifizierung der Rate und/oder der Menge des in das Verbrennungsabgas 12 eingebrachten Kühlwassers. In einer spezielleren Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt der Überwachung des NOx-Pegels in der SCR-Baugruppe 16 auf.
  • Wie vorstehend beschrieben, glaubt man, ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, dass weniger Kühlwasser erforderlich ist, um die Temperatur des Verbrennungsabgases 12 durch eine äquivalente Menge zu verringern, wenn das Kühlwasser in dem Verbrennungsabgas 12 verdampft. Demzufolge umfasst in einer Ausführungsform das Verfahren den Schritt der Einbringung des Kühlwassers in das Verbrennungsabgas 12 über wenigstens eine Düse ausreichend stromaufwärts vor der SCR-Baugruppe 16 dergestalt, dass das Kühlwasser teilweise oder vollständig verdampft, bevor das Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch in die SCR-Baugruppe 16 oder das Katalysatorbett eintritt.
  • Gemäß einer speziellen Ausführungsform können das Kühlwasser und/oder das wenigstens eine Reduktionsmittel in das Verbrennungsabgas 12 ausreichend stromaufwärts vor der SCR-Baugruppe 16 eingebracht werden, um ein Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch mit beträchtlicher Gleichmäßigkeit in der Temperatur und/oder Reduktionsmittelverteilung in der radialen Richtung des Abgaskanals 14 zu erzeugen. In einer spezielleren Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt der Vermischung des Verbrennungsabgases 12 mit dem wenigstens einem Reduktionsmittel und dem Kühlwasser stromaufwärts vor der SCR-Baugruppe 16 oder dem Katalysatorbett.
  • In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner den Schritt der Erwärmung des Kühlwassers auf wenigstens etwa 15,6°C (60°F) und/oder der Unterdrucksetzung des Kühlwassers auf wenigstens etwa 3,51 bar (50 psi), bevor das Kühlwasser in das Verbrennungsabgas 12 eingebracht wird.
  • Das Verfahren kann auch den Schritt der Filterung des Kühlwassers vor der Einbringung des Kühlwassers in das Verbrennungsabgas 12 umfassen.
  • Die Erfindung wird weiter durch das nachstehende Beispiel dargestellt, welches in keinerlei Weise als Einschränkungen auf ihren Schutzumfang ausübend zu betrachten ist. Im Gegenteil dürfte es deutlich erkennbar sein, dass auf verschiedene weitere Ausführungsformen, Modifikationen und äquivalente davon zurückgegriffen werden kann, welche sich nach dem Lesen der Beschreibung hierin dem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet selbst ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung und/oder dem Schutzumfang der beigefügten Ansprüche aufdrängen.
  • BEISPIEL
  • Berechnungen anhand einer Computer-Fluiddynamikmodells zeigten, dass etwa 245 kg/s (450 lb/s) an Kühlluft (etwa 15°C (59°F)) zum Abkühlen eines Verbrennungsabgases mit einer Durchflussrate von etwa 454 kg/s (1000 lb/s von 649°C (1200°F) auf etwa 455°C (850°F) erforderlich waren. Die Kühlluft steigerte den gesamten Nettodurchfluss um etwa 45%, was zu einem Druckabfall in dem Abgaskanal um etwa 50,8 cm (20 inches) Wassersäule führte. Die gegen diesen Rückdruck arbeitenden Luftgebläse verbrauchten etwa 2 MW Leistung.
  • Wenn Kühlwasser (etwa 15°C (59°F) und etwa 6,9 bar (100 psi)) verwendet wurde, waren etwa 24,97 kg/s (55 lb/s) Wasser erforderlich, um das Verbrennungsabgas mit derselben Durchflussrate von etwa von 649°C (1200°F) auf etwa 455°C (850°F) abzukühlen. Die Verringerung in der Durchflussrate führte wiederum zu einem Druckabfall von weniger als etwa 17,8 cm (7 inches) Wassersäule. Wenn Wasser anstelle von Luft verwendet wurde, war die zum Pumpen und Einspritzen des Kühlmittels in das Verbrennungsabgas erforderliche Leistung etwa 50-mal kleiner. Ein durch Einspritzen des Hochdruckkühlwassers unter Verwendung von Sprühdüsen erzeugter Druckeffekt kann ferner einen Mitnahmeeffekt erzeugen, der den Gasturbinenrückdruck noch mehr reduziert. Die Verringerungen in Leistungsverbrauch und Rückdruck sind mit einem verbesserten Wirkungsgrad in dem Gesamtgasturbinensystem korreliert. Die Verwendung von Kühlwasser trägt auch dazu bei, das Dissoziationsrisiko des Reduktionsmittels vor dem Erreichen des Katalysatorbettes zu verringern. Die signifikante Verringerung in dem Nettodurchfluss ermöglicht die Anpassung der Erfindung mit minimalen Strukturänderungen an das existierende System. Zusätzlich verringert wahrscheinlich die Ersetzung von Luftgebläsen mit hohem Durchfluss durch Wasserpumpen mit niedrigem Durchfluss die Betriebskosten und erhöht die Systemzuverlässigkeit. Weitere Vorteile, Merkmale und Ausführungsformen sind für den Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet ersichtlich.
  • Es dürfte sich verstehen, dass Vorstehendes die speziellen Ausführungsformen betrifft, und dass zahlreiche Änderungen darin ohne Abweichung von dem Schutzumfang dieser Offenlegung gemäß Definition aus den nachstehenden Ansprüchen durchgeführt werden können.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung betreffen System zur Reduktion von Stickstoffoxiden in einem Verbrennungsabgas, das aufweist: eine selektive katalytische Reaktorbaugruppe mit einem Katalysatorbett zur Aufnahme eines Verbrennungsabgasstroms, einen Abgaskanal zum Einbringen des Verbrennungsabgases in die selektive katalytische Reaktorbaugruppe, wenigstens eine Düse zum Einbringen von Kühlwasser in das Verbrennungsabgas, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt, und wenigstens einen Reduktionsmittelkanal zum Einbringen des wenigstens einen Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas, um ein Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch zu erzeugen, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt. Ausführungsformen der vorliegenden Offenlegung betreffen auch ein Verfahren zur Reduktion von Stickstoffoxiden in einem Verbrennungsabgas durch Einbringen eines Verbrennungsabgases in eine selektive katalytische Reaktorbaugruppe mit einem Katalysatorbett, Einbringen von Kühlwasser in das Verbrennungsabgas, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt, Verringern der Temperatur des Verbrennungsabgases, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt, und Einbringen wenigstens eines Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas, um ein Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch zu erzeugen, bevor das Abgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt.
    • 12
    Verbrennungsabgas
    14
    Abgaskanal
    16
    Selektive katalytische Reaktorbaugruppe
    18
    NOx-frei Gas
    22
    Erste Düsenanordnung
    24
    Zweite Düsenanordnung
    26
    Kombinations-Düsenanordnung
    28
    Mischer
    32
    Steuerung
    34
    Temperatursensor
    36
    NOx-Sensor
    40
    Reduktionsmittel-Versorgungsbaugruppe
    42
    Reduktionsmitteltank
    44
    Reduktionsmittelpumpe
    46
    Reduktionsmittelventil
    48
    Verdampfungskammer
    50
    Kühlwasser-Versorgungsbaugruppe
    52
    Kühlwasserquelle
    54
    Wasserpumpe
    56
    Wasserventil
    58
    Filter
    60
    Heizer
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 4353207 [0005]

Claims (10)

  1. System zur Reduktion von Stickstoffoxiden in einem Verbrennungsabgas, aufweisend: eine selektive katalytische Reaktorbaugruppe mit einem Katalysatorbett zur Aufnahme eines Verbrennungsabgasstroms; einen Abgaskanal zum Einbringen des Verbrennungsabgases in die selektive katalytische Reaktorbaugruppe; wenigstens eine Düse zum Einbringen von Kühlwasser in das Verbrennungsabgas, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt; und wenigstens einen Reduktionsmittelkanal zum Einbringen wenigstens eines Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas, um ein Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch zu erzeugen, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt.
  2. System nach Anspruch 1, wobei sich die wenigstens eine Düse stromaufwärts vor der selektiven katalytischen Reaktorbaugruppe in dem Abgaskanal befindet.
  3. System nach Anspruch 1, welches ferner mehrere Düsen einschließlich der wenigstens einen Düse und in einer ersten Anordnung angeordnet zum Einbringen von Kühlwasser in das Verbrennungsabgas aufweist.
  4. System nach Anspruch 3, wobei der Reduktionsmittelkanal ferner mehrere in einer zweiten Anordnung angeordnete Düsen stromabwärts von der ersten Düsennanordnung zum Einbringen we nigstens eines Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas aufweist.
  5. System nach Anspruch 4, wobei die mehreren Düsen in der ersten Düsenanordnung und/oder die mehreren Düsen in der zweiten Düsenanordnung im Wesentlichen gleichmäßig in dem Abgaskanal verteilt sind.
  6. System nach Anspruch 2, wobei sich die wenigstens eine Düse in einem ausreichenden Abstand stromaufwärts vor der selektiven katalytischen Reaktorbaugruppe in dem Abgaskanal befindet, um ein teilweises oder vollständiges Verdampfen des Kühlwassers zu ermöglichen, bevor das Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch das Katalysatorbett erreicht.
  7. System nach Anspruch 2, wobei der Abgaskanal eine radiale Richtung hat und sich die wenigstens eine Düse in einem ausreichenden Abstand stromaufwärts vor der selektiven katalytischen Reaktorbaugruppe in dem Abgaskanal befindet, um ein Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Temperaturverteilung und/oder Reduktionsmittelverteilung in der radialen Richtung des Abgaskanals zu erzeugen, bevor das Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch das Katalysatorbett erreicht.
  8. Verfahren zur Reduktion von Stickstoffoxiden in einem Abgasstrom, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Einbringen eines Verbrennungsabgases in eine selektive katalytische Reaktorbaugruppe mit einem Katalysatorbett, Einbringen von Kühlwasser in das Verbrennungsabgas, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt; Verringern der Temperatur des Verbrennungsabgases, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt; und Einbringen wenigstens eines Reduktionsmittels in das Verbrennungsabgas, um ein Reduktionsmittel/Abgas-Gemisch zu erzeugen, bevor das Abgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Kühlwasser und das wenigstens eine Reduktionsmittel in das Verbrennungsabgas im Wesentlichen gleichzeitig eingebracht werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit den Schritten: Überwachen der Verbrennungsabgastemperatur stromaufwärts vor der katalytischen Reaktorbaugruppe; Berechnen der erforderlichen Kühlwassermenge, um die Temperatur des Verbrennungsabgases zu verringern, bevor das Verbrennungsabgas die selektive katalytische Reaktorbaugruppe verlässt, und danach Modifizieren der in das Verbrennungsabgas eingebrachten Kühlwassermenge.
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