TWI444224B - 用以自一製程氣體中移除氮氧化物及三氧化硫之方法及裝置 - Google Patents

用以自一製程氣體中移除氮氧化物及三氧化硫之方法及裝置 Download PDF

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Description

用以自一製程氣體中移除氮氧化物及三氧化硫之方法及裝置
本發明係關於一種藉由包含催化活性材料之催化反應器，自一熱製程氣體中移除至少部分氮氧化物之方法，且其中該催化反應器包含一至少由兩個在該熱製程氣體的流向上經平行排列之觸媒床區段所組成的觸媒床，該等至少兩個觸媒床區段之每個皆具有一封閉裝置，以使該等至少兩個觸媒床區段之每個可分別與該熱製程氣體流分開。
本發明進一步係關於一氣體淨化系統，其係用於移除熱製程氣體中之至少部分氮氧化物。
燃料(例如煤、油、泥煤、廢料等)在燃燒廠(例如發電廠)燃燒期間，會產生熱製程氣體，且該熱製程氣體除其他組分之外，尤其包含氮氧化物(通常表示為NOx )及硫氧化物(通常表示為SOx )。氮氧化物主要係由一氧化氮(表示為NO)及二氧化氮(表示為NO2 )組成，且硫氧化物主要係由二氧化硫(表示為SO2 )及三氧化硫(表示為SO3 )組成，三氧化硫(SO3 )的含量通常占SOx 總量的小於5%。NOx 的移除通常係利用所謂的選擇性催化還原(SCR)方法完成。根據該方法，NOx 係在催化活性材料的存在下，經由氨氣(NH3 )還原成氮氣(N2 )。該催化活性材料通常包含金屬氧化物，例如五氧化二釩(表示為V2 O5 )及三氧化鎢(表示為WO3 )。
與使用諸多該等催化活性材料相關的問題係：其等在一段時間後會被其上的三氧化硫(SO3 )沉積物(容易形成硫酸銨)污染，這會導致此等催化活性材料對氮氧化物的移除效率降低。用於克服該等問題的常用方法係在相當高的溫度下(通常高於300℃)操作包含該催化活性材料之反應器，以嘗試阻止三氧化硫(SO3 )沉澱析出於該催化活性材料上。
在美國專利案第5,762,885號中，描述一種氧化觸媒吸收劑，其體現大量配置成平行關係的觸媒區段且包含鉑或鈀。此等觸媒區段中，每個皆具有兩個百葉窗，以使每個觸媒區段就待淨化的製程氣體而言可分別「封閉」。另外，已封閉的觸媒區段可經由包含氫氣之再生氣體而再生，該氫氣係用於自該等已封閉的觸媒區段中移除污染物。在使用過後，接著將該再生氣體再循環至反應器，其中再生用廢氣在位於觸媒床的上游處與製程氣體混合。
雖然觸媒吸收劑(例如美國專利案第5,762,885號中所描述)被認為可有效淨化天然氣渦輪發電廠中產生的製程氣體(其中該製程氣體中SOx 的濃度非常低，例如，通常低於1ppm)，但該觸媒吸收劑並不適於淨化例如廢氣之製程氣體(其中SOx 的濃度高於約5ppm)。在煤或油燃燒期間，或廢料的焚燒期間而產生的製程氣體中，SOx 的濃度通常係在10至5000ppm之範圍內。此外，所採用的觸媒類型-即包含貴金屬(如鉑或鈀)的氧化觸媒，要求熱製程氣體中觸媒污染物(例如汞、鉛及其他重金屬)的濃度必須極低。此要求將美國專利案第5,762,885號所描述的反應器之用途限制於所謂的「清潔燃料」，如天然氣。對於燃燒煤、油、泥煤、廢料等的燃燒廠而言，美國專利案第5,762,885號所描述的反應器將無法提供可接受水準的氮氧化物移除效率。
本發明之目的係提供一種淨化一熱製程氣體之方法，當該熱製程氣體包含高濃度SOx 及低濃度SOx 時，該方法均可有效移除該熱製程氣體中的NOx 及SOx ，且尤其係三氧化硫(SO3 )。
該目的係藉由以下方法實現：藉由包含催化活性材料之催化反應器，自一熱製程氣體中移除至少部分氮氧化物，且其中該催化反應器包含至少由兩個在該熱製程氣體流向上經適當平行排列之觸媒床區段所組成的觸媒床，該等至少兩個觸媒床區段中，每個皆具有一封閉裝置，以使該等至少兩個觸媒床區段可分別與熱製程氣體流分開，該方法的特徵在於其包含以下步驟：使該熱製程氣體通過該等至少兩個觸媒床區段中的至少第一觸媒床區段，其中該熱製程氣體係處於第一溫度下，此時該熱製程氣體中夾帶的三氧化硫(SO3 )至少部分沉澱析出於該第一觸媒床區段所包含之催化材料上，定期操作該第一觸媒床區段之封閉裝置，藉此將該第一觸媒床區段與熱製程氣體流分開，同時，仍可操作該等至少兩個觸媒床區段中的至少一個第二觸媒床區段，以移除該熱製程氣體中夾帶的三氧化硫(SO3 )及氮氧化物，當該第一觸媒床區段與熱製程氣體流分開時，使一再生氣體流動通過該第一觸媒床區段，及接著，在該再生氣體已通過該第一觸媒床區段後，使該再生氣體流動通過一與該催化反應器分開的三氧化硫(SO3 )移除裝置。
本發明方法的優點在於：觸媒床係經設計以用於移除製程氣體中夾帶的氮氧化物及三氧化硫(SO3 )。此點係藉由允許三氧化硫(SO3 )在觸媒床所包含的催化材料上凝結而實現。與本發明方法相反，先前技術方法之特徵在於：其等著重於避免製程氣體中夾帶的三氧化硫(SO3 )在觸媒床所包含的催化材料上沉澱，因為該三氧化硫(SO3 )沉澱於其上會導致該催化材料能夠實現的效率降低。
根據本發明之方法，觸媒床區段係在催化反應器正常操作之期間再生，因此不需要停止或中斷催化反應器的操作。為此，令流動通過觸媒床區段之再生氣體自催化反應器流入分離裝置中，該分離裝置係用於捕集再生氣體中夾帶的三氧化硫(SO3 )。利用該方法，三氧化硫首先藉由催化反應器的操作自製程氣體中有效移除，且然後藉由流動通過催化反應器的再生氣體，自催化反應器中移除，且最後藉由操作三氧化硫(SO3 )移除裝置而於其中被移除(該三氧化硫(SO3 )移除裝置係與該催化反應器分開設置)。
根據本發明方法之一實施例，該再生氣體係處於第二溫度(其高於該第一溫度)。本發明之此實施例的優點為：處於第二溫度(其高於該第一溫度，即熱製程氣體之溫度)之再生氣體使觸媒床區段的再生更加有效且更快發生。
根據本發明方法之一實施例，該第一溫度係在180至300℃之範圍內，且該第二溫度至少係310℃。已發現該第一溫度(其係流動通過催化反應器之製程氣體的溫度，且在180至300℃之範圍內)係有效的，因為該溫度可使氮氧化物有效還原，且使三氧化硫(SO3 )在觸媒床區段所包含的催化材料上有效凝結。已發現該第二溫度(其係再生氣體之溫度，且至少為310℃)可使三氧化硫(SO3 )自觸媒床區段所包含的催化材料中有效蒸發。根據本發明之方法，該第二溫度較佳應低於400℃，因為比此高的溫度會同時增加機械組件及催化材料上的機械應變，且亦會增加消耗的能量。
根據本發明方法之一實施例，該三氧化硫(SO3 )移除裝置較佳係選自包括，如：濕式洗滌器、乾式洗滌器、織物過濾器、及靜電沉澱器之裝置群。所有此等裝置通常係用於氣體淨化系統中，且皆適合於移除最終的三氧化硫(SO3 )(其已藉由流動通過催化反應器之再生氣體而自其中移除)。
根據本發明方法之一實施例，該三氧化硫(SO3 )移除裝置就熱製程氣體的流向而言，係位於催化反應器的下游處，以用於移除熱製程氣體及再生氣體中可能夾帶的硫物種。本發明方法之此實施例的優點為：該三氧化硫(SO3 )移除裝置可用於執行以下雙重目的：移除熱製程氣體中的二氧化硫，且同時捕集已藉由操作再生氣體而移除之三氧化硫(SO3 )。其結果為，此會減少與使用氣體淨化系統相關的投資及維護成本。
根據本發明方法之一實施例，該再生氣體係在已通過該第一觸媒床區段之後，及在已流動通過該三氧化硫(SO3 )移除裝置之前經冷卻。本發明之此實施例的優點為：三氧化硫(SO3 )至少部分凝結以形成液態溶液，此點使三氧化硫(SO3 )在其進一步處理期間更容易操作。
根據本發明方法之一實施例，使該再生氣體在已通過該第一觸媒床區段之後，流動通過三氧化硫(SO3 )移除裝置，藉此將至少部分該再生氣體與在該三氧化硫(SO3 )移除裝置中循環的吸收介質混合，其目的係實現自該熱製程氣體移除二氧化硫之結果。本發明方法之此實施例的優點為：該三氧化硫(SO3 )可與吸收介質直接反應，以便由此形成易於處理及清除的產物(如石膏)。
根據本發明方法之一實施例，該再生氣體較佳係選自包括，例如：蒸汽、空氣、氮氣、廢氣、及其混合物之氣體群。使用該等氣體的優點為：該等氣體通常容易自燃燒廠得到，且因此可以合理的價格從彼處獲得。此外，該等氣體非可燃，且因此易於操作。
本發明之進一步目的係提供一氣體淨化系統，當一熱製程氣體中夾帶高濃度及低濃度SOx 時，該氣體淨化系統均可有效地實現自該熱製程氣體中移除NOx 及SOx ，且尤其係三氧化硫(SO3 )之目的。
該目的係根據本發明，經由適於移除熱製程氣體中之至少部分氮氧化物的氣體淨化系統而實現，該氣體淨化系統包括一具有催化活性材料之催化反應器，該催化反應器進一步包含至少由兩個經適當平行(就熱製程氣體的流向而言)排列之觸媒床區段所組成的觸媒床，該等至少兩個觸媒床區段之每個皆具有一與之相關聯的封閉裝置，以使該等至少兩個觸媒床區段之每個可分別與熱製程氣體流分開。根據本發明之氣體淨化系統的特徵在於：該催化反應器係經設計以用於使該熱製程氣體流動通過該等至少兩個觸媒床區段之至少第一觸媒床區段，且該熱製程氣體係處於第一溫度下，此時熱製程氣體中夾帶的三氧化硫(SO3 )至少部分沉澱析出於第一觸媒床所包含的催化材料上，且該催化反應器係用於定期操作該封閉裝置，藉此將該第一觸媒床區段與熱製程氣體流分開，同時，該等至少兩個觸媒床區段中的至少一個第二觸媒床區段仍在操作，以移除該熱製程氣體中夾帶的三氧化硫(SO3 )及氮氧化物。該氣體淨化系統進一步包含再生系統，其係設計用於當該第一觸媒床區段與熱製程氣體流分開時，使再生氣體流動通過該第一觸媒床區段，及三氧化硫(SO3 )移除裝置，其係與該催化反應器分開，且經設計以用於在該再生氣體已通過該第一觸媒床區段之後，自該再生氣體中移除夾帶的三氧化硫(SO3 )。
本發明之氣體淨化系統的優點係：該催化反應器係經設計以用於，自製程氣體中同時有效地移除其中夾帶的氮氧化物及三氧化硫(SO3 )。依此而言，該氣體淨化系統僅需要極少組件。
當同時考慮其在附圖中及申請專利範圍中所界定的之闡述時，本發明之進一步目的及特徵將自其以下描述中顯而易知。
現將參照附圖更詳細描述本發明。
圖1係一說明發電廠1(如從其側面所見)之示意側視圖。該發電廠1包括鍋爐2。在燃料(例如煤或油)的燃燒期間，該鍋爐2中會產生熱製程氣體(工業中通常稱為廢氣)。此廢氣經由排氣管道4自鍋爐2中流出。該排氣管道4進一步與空氣預熱器6連接。該空氣預熱器6係經設計以用於加熱欲經由空氣導管8供應至鍋爐2的燃燒空氣。排氣管道10係用於使鍋爐2中產生的廢氣自空氣預熱器6流入靜電沉澱器12中。該靜電沉澱器12係設計用於自流入的廢氣中移除所夾帶的塵粒。靜電沉澱器之一實例(舉例方式且非限制性)可發現經描述及闡明於美國專利案第4,502,872號中，其以引用的方式併入本文中。
接著提供一排氣管道14，其係設計用於使廢氣(其中夾帶的大部分塵粒已被移除)自靜電沉澱器12流入一催化反應器16中。進入催化反應器16之廢氣通常係處於180至300℃之間的溫度下。當廢氣進入催化反應器16中時，其夾帶的二氧化硫(SO2 )之濃度通常會在10至5000ppm SO2 之範圍內。而當廢氣進入催化反應器16中時，其夾帶的三氧化硫(SO3 )之濃度通常會在1-50ppm SO3 之間。催化反應器16係設計用於，利用一種及相同類型之觸媒材料，移除廢氣中夾帶的氮氧化物(NOx )及三氧化硫(SO3 )，此將在下文中更詳細描述。為此，催化反應器16通常可移除約60至95%之進入催化反應器16中的氮氧化物(NOx )，且通常亦可移除30至90%由進入催化反應器16中的廢氣所夾帶的三氧化硫(SO3 )。
進一步參照圖1，如其中所示，提供一排氣管道18，其係設計用於使廢氣自催化反應器16流入一氣泡床類型之濕式洗滌器20中，該廢氣中大部分氮氧化物(NOx )，及至少部分三氧化硫(SO3 )已被移除。該氣泡床類型之濕式洗滌器之一實例(舉例方式且非限制性)可發現經描述及闡明於WO 2005/007274中，其以引用的方式併入本文中。在氣泡床類型之濕式洗滌器20中，廢氣流動通過一孔板22，且然後流動通過一在孔板22上流動之吸收液體層24。該吸收液體較佳包含石灰石漿液，其被設計成與廢氣中夾帶的二氧化硫反應，藉此形成亞硫酸鈣，其可經氧化以形成石膏，後者可很容易被清除。繼續描述發電廠1，提供一泵26，其係設計用於藉由一管道28使濕式洗滌器20中的吸收液體循環，該管道28係用於提供吸收液體，以形成吸收液體層24。
接著，一排氣管道30係用於使廢氣(其中二氧化硫已被移除)自濕式洗滌器20流入一煙囪32，將已移除二氧化硫的廢氣自該煙囪32釋放至大氣中(參照圖1可獲得最佳理解)。
在催化反應器16中，自廢氣中移除氮氧化物(NOx )及三氧化硫(SO3 )之過程涉及使用再生氣體，此將在下文中更詳細描述。該再生氣體可包括處於適宜溫度下(較佳係高於310℃之溫度)的蒸汽。為此，再生氣體之溫度較佳係低於400℃，因為任何更高的溫度將會於催化反應器16之機械組件上產生增加的機械應變，且亦可能對催化反應器16中之催化材料產生不利影響。通常，約315至350℃之再生氣體溫度適於實現催化反應器16中之催化材料的有效再生。
進一步參照發電廠1之圖示，提供一第一蒸汽管道34，其係設計用於使再生氣體(其係呈蒸汽形式)自一再生氣體供應系統(在圖1中顯示為蒸汽罐36)流入催化反應器16中。亦提供一第二蒸汽管道38，其係設計用於使蒸汽自催化反應器16流入一冷卻器中，根據本發明，該冷卻器較佳係呈冷凝器40形式。另外，提供一冷卻迴路42，其係設計用於供應一冷卻介質(如冷水)至冷凝器40。冷凝器40係設計用於使蒸汽冷卻至低於90℃，這會使流入其中的大部分蒸汽及其中可能夾帶的氣體冷凝。咸信離開催化反應器16之再生氣體包含氣態三氧化硫(SO3 )及氨(NH3 )，由於冷凝器40中溫度低，其等至少可部分反應形成固體硫酸氫銨(NH4 HSO4 )，該固體化合物很容易被捕集在冷凝器40的液體中。此外，提供一冷凝物管道44，其係設計用於使冷凝器40中形成之冷凝物流入管道28中，該管道28(如上文所述)係進一步用於使濕式洗滌器20中的吸收液體循環。為此，將冷凝器40中的冷凝物與濕式洗滌器20中的吸收液體混合，以使冷凝物中的至少某些硫化合物(如三氧化硫(SO3 ))與吸收液體中含有的石灰石反應，藉此形成鈣化合物(如石膏)。
因此，催化反應器16係用於同時移除廢氣中夾帶的氮氧化物(NOx )及三氧化硫(SO3 )，此將在下文中更詳細描述。此後，則藉由流動通過催化反應器16之再生氣體移除催化反應器16中的三氧化硫。接著，該再生氣體在冷凝器40中經冷卻，藉此使再生氣體中夾帶的三氧化硫冷凝。然後，將冷凝器40形成的冷凝物與濕式洗滌器20中流動的吸收液體混合，藉此形成(例如)石膏。濕式洗滌器20亦係用於自廢氣中移除其流動通過催化反應器16時所夾帶的二氧化硫(SO2 )。因此，廢氣中所夾帶的所有硫物種最終在濕式洗滌器20中被去除，且此等硫物種可以石膏形式自其中移除。
然而，已認為如以此方式之濕式洗滌器20不適於移除廢氣中的三氧化硫(SO3 )。基本而言，咸信此原因係：當仍夾帶於廢氣中的三氧化硫(SO3 )在進入濕式洗滌器20時，容易形成包含極小氣溶膠液滴之三氧化硫(SO3 )氣溶膠，其在濕式洗滌器20中無法有效移除。另一方面，藉由本發明之方法(其將在下文中進一步詳細描述)，三氧化硫(SO3 )可在催化反應器16中移除，此後，呈冷凝物形式之三氧化硫(SO3 )被設計成直接與濕式洗滌器20中的吸收液體混合，因而不形成三氧化硫(SO3 )氣溶膠。
圖2係更詳細說明經設計用於本發明之催化反應器16部分的側視圖。該催化反應器16(參照圖2可獲得最佳理解)包括一水平的觸媒床層46，其較佳由三個觸媒床區段組成，即：第一觸媒床區段48、第二觸媒床區段50、及第三觸媒床區段52。此等三個觸媒床區段48、50、52係經適當地排列成與廢氣的流向成平行關係，廢氣流向係藉由圖2中字母F所表示的箭頭指示。如上文所述，廢氣F通常係處於180至300℃範圍內的溫度下。觸媒床區段48、50、52分別包含催化活性材料，例如(舉例方式且非限制性)五氧化二釩(V2 O5 )及/或三氧化鎢(WO3 )。該催化活性材料係經設計成承載於載體結構上，例如(舉例方式且非限制性)陶瓷蜂巢或平板結構，如二氧化鈦結構。該等二氧化鈦結構係先前技術已知，其中其等已用於選擇性催化還原(SCR)裝置中，用於實現移除氮氧化物之目的。
接著，氨氣來源(如圖2所示，其係呈氨氣罐54形式)係經設計以經由管道系統56將氣態氨較佳供應至複數個噴嘴58中。噴嘴58進一步經設計以用於使氨氣與廢氣F完全混合。以此方式，之後當經過觸媒床區段48、50、52時，氮氧化物係根據熟悉此項技術者所熟知的氮氧化物之選擇性催化還原(SCR)原理，經由與氨相互作用而還原，藉此產生氮氣。該SCR原理之一實例，及應用該原理所進行的氮氧化物與氨氣之間的反應，可發現經描述及說明於美國專利案第5,555,849號中，其教示以引用的方式併入本文中。作為氨氣的替代物，亦有可能利用脲來替代氨氣。
觸媒床區段48、50、52係被設計成分別具有一封閉裝置60、62、64。根據本發明，該封閉裝置60、62、64分別包含一進口擋板66及一出口擋板68。封閉裝置60、62、64係分別經設計，以用於各自將觸媒床區段48、50、52其中之一與廢氣流F分開。如圖2所示，封閉裝置60、62、64全部被描繪成處於開啟狀態，且廢氣流F因此被分成三股實質上相同的部分氣流，其等在圖2中分別表示為F1、F2、及F3，且各自以垂直方向流動通過觸媒床區段48、50、52其中之一(如參照圖2所示)。
如上文所述，當氮氧化物分別流動通過觸媒床區段48、50、52時，其等係藉由與供應至其中的氨反應而還原。此外，廢氣F中的實質上一部分(通常約30至90%)三氧化硫(SO3 )含量係沉澱析出於觸媒床區段48、50、52所包含的催化材料上。發生該沉積的原因係：廢氣F的溫度比較低，從而導致三氧化硫(SO3 )至少部分冷凝。接著，觸媒床區段48、50、52所包含的催化材料係由較大比面積(其通常定義為所謂的BET-面積)組成，其以此方式提供大量的活性部位，氮氧化物及氨氣可能於此等部位上發生反應。通常，當根據所提供的ASTM C1274-00(2006)測量時，該BET-面積將至少為20m2 /g，且較佳係至少50m2 /g。如此大的比面積因此可為三氧化硫(SO3 )提供發生冷凝的適宜表面。因此，觸媒床區段48、50、52係用於根據選擇性催化還原(SCR)原理還原氮氧化物，且由於發生冷凝反應而捕集三氧化硫(SO3 )。依此而言，呈三股部分氣流形式(在圖2中表示為C1、C2、及C3)離開觸媒床區段48、50、52之廢氣，就其所夾帶的氮氧化物及三氧化硫(SO3 )之濃度而言，實質上係清潔的。
觸媒床區段48、50、52在操作一段足夠長的時間後，將會已捕集一定量的三氧化硫(SO3 )，其對氮氧化物的選擇性催化還原將產生不利影響。因此，提供蒸汽罐36。為此，第一蒸汽管道34(已在關於圖1所示之發電廠1的上文中經描述)係由三個單一管道70、72、74組成。此等管道70、72、74分別具有一適當的蒸汽閥76。此外，第二蒸汽管道38(已在關於圖1所示之發電廠1的上文中經描述)係與三個單一管道78、80、82相連，其中每一床區段各備有一適當的蒸汽閥84。根據其在圖2中所示，蒸汽閥76、84均被描繪成處於關閉狀態。
與圖2相似，圖3係一側視圖，且描繪正處於淨化操作模式之催化反應器16。當處於該淨化模式時，封閉裝置60之進口擋板66及出口擋板68均處於封閉狀態，藉此將第一觸媒床區段48與廢氣流F分開。結果，全部廢氣F將呈廢氣流形式(其在圖3中表示為F2及F3)流動通過第二及第三觸媒床區段50、52。進一步參照圖3，管道70之閥76係顯示為開啟狀態，且管道78之閥84亦顯示為開啟狀態。由此，使處於至少310℃下之蒸汽自蒸汽罐36，經由管道70流向第一觸媒床區段48且流入其中。藉由該高溫蒸汽，使已在第一觸媒床區段48中之催化材料上凝結的三氧化硫(SO3 )蒸發。此後，經由管道78及38，將該蒸汽與已蒸發的三氧化硫(SO3 )一起從第一觸媒床區段48中排出且接著傳輸至冷凝器40(已在關於描述圖1所示之發電廠1的上文中被提及)。因此，來自蒸汽罐36之蒸汽係用於使第一觸媒床區段48所包含的催化材料熱再生，以便藉由移除催化材料中的三氧化硫(SO3 )恢復其還原氮氧化物(NOx )的能力。如關於描述圖1所示之發電廠1的上文所述，蒸汽中夾帶的三氧化硫(SO3 )係在冷凝器40中經冷卻，藉此形成冷凝物，之後將該冷凝物供給至三氧化硫(SO3 )移除裝置(根據本發明，其較佳係呈濕式洗滌器20形式)。
根據圖3所示，第二及第三觸媒床50、52仍在操作中且因此係用於還原全部廢氣流F中的氮氧化物(參照圖3將獲得最佳理解)。在第一觸媒床區段48已以上文所述之方式經再生後，將管道70之閥76及管道78之閥84關閉，且同時打開封閉裝置60。接著，第二觸媒床區段50可藉由與廢氣流F分開而再生，此係藉由操作封閉裝置62而實現。因此，在催化反應器16仍在線上且仍處於操作模式的同時，可完成觸媒床區段48、50、52任何其中之一的淨化。應瞭解的是，在不脫離本發明實質之情況下，可設計觸媒床區段的總數以確保彼等仍在操作的觸媒床區段足以處理全部的廢氣流F，同時，一或多個觸媒床已與廢氣流F分開，目的係使已分開的觸媒床區段經歷一淨化製程，該製程已在關於圖3所示之結構的上文中描述。
圖4顯示三氧化硫(SO3 )移除裝置之替代實施例，該裝置係呈濕式洗滌塔120形式。濕式洗滌塔(例如圖4所描繪之濕式洗滌塔120)已知曉於先前應用中，其中二氧化硫(SO2 )被設計成自廢氣中移除。就此而言，可參考(舉例方式且非限制性)，例如歐洲專利162536，其教示以引用的方式併入本文中。該濕式洗滌塔120包含一進氣口122及一出氣口123。廢氣經由管道18進入進氣口122，(已於上文中，與圖1所示之發電廠1的描述內容一起被提及)，且然後以圖4中字母F表示的箭頭所表明之方式垂直向上流動(參照圖4所示)，經過濕式洗滌塔120之圓柱形部分125。濕式洗滌塔120之下部127的形狀係呈罐狀形式(參照圖4可獲得最佳理解)，其包含以石灰石為主的吸收介質(其較佳係呈液體漿液形式)。接著，提供泵126用於將吸收液體經由管道128抽送至大量噴嘴129。噴嘴129係進一步用於將該液體漿液注入廢氣F中，以移除廢氣F中的二氧化硫(SO2 )。因此，實質上純淨的廢氣自出氣口123流出且由此流入煙囪中。如在濕式洗滌器20中的情況一樣(已在與描述圖1所示之發電廠1有關的上文中被描述)，自廢氣中移除之二氧化硫(SO2 )可形成易於清除的石膏。
在不脫離本發明實質之情況下，可將冷凝器40中形成的冷凝物(已在與描述圖1所示之發電廠1有關的上文中被提及)經由管道144添加至濕式洗滌塔120之下部127中。若完成此操作，則接著將濕式洗滌塔120之下部127中的冷凝物與液體漿液混合，以使冷凝物中的三氧化硫(SO3 )以上文所述之方式(與圖1所示之發電廠1的描述相關)形成石膏。因此，濕式洗滌塔120係用於自流動通過催化反應器16之廢氣F中移除二氧化硫(SO2 )，且同時用於捕集已藉由流動通過催化反應器16之再生氣體(例如蒸汽)自催化反應器16中移除的三氧化硫(SO3 )。
圖5顯示另一三氧化硫(SO3 )移除裝置之替代實施例，其係呈乾式洗滌器220形式(如圖所示)。乾式洗滌器(例如圖5所描繪之乾式洗滌器220)已知曉於先前應用中，其中二氧化硫(SO2 )被設計成自廢氣中移除。就此而言，可參考(舉例方式且非限制性)，例如WO 2004/026443，其教示以引用的方式併入本文中。接著，乾式洗滌器220包括一接觸反應器222，其中廢氣F係與一無水(但經濕潤)吸收介質接觸，該吸收介質較佳係呈乾粉形式。該乾粉可由，例如熟石灰及在該熟石灰與廢氣F中夾帶的二氧化硫(SO2 )反應期間所生成的反應產物之混合物組成。進一步在一織物過濾器(例如紡織物過濾器)中收集此乾粉，該織物過濾器較佳係呈袋濾室224形式。該袋濾室之一實例可發現經描述及說明於(舉例方式且非限制性)美國專利案第4,336,035號中，其教示以引用的方式併入本文中。接著，在袋濾室224中收集的該乾粉之第一部分較佳係經移除以實現其清除目的。反之，將該乾粉之第二部分再循環至一混合器226中。在由流化床(經由管道227為其供應壓縮空氣)組成的混合器226中，接著將再循環之乾粉與新製的熟石灰(經由管道229供應)及水(經由管道231供應)混合。使在混合器226中形成的混合物(即吸收介質)流入接觸反應器222中。進一步參照圖5(參照其可獲得最佳理解)，經由管道244，將來自冷凝器40的冷凝物(已在關於圖1所示之發電廠1的上文中提及)供應至混合器226中。在混合器226中，使流入其中的冷凝物所夾帶的三氧化硫(SO3 )與熟石灰反應，藉此形成石膏。為此，乾式洗滌器220係用於移除流動通過催化反應器16之廢氣F中的二氧化硫，且同時用於捕集已藉由流動通過催化反應器16之再生氣體(例如蒸汽)自催化反應器16中移除的三氧化硫(SO3 )。
應瞭解的是，在不脫離本發明實質之情況下，在隨附申請專利範圍之範疇內可能存在大量上述實施例的變體。
舉例而言(例舉方式且非限制性)，上文已描述用於使觸媒床區段再生的氣體較佳係溫度至少為310℃的蒸汽。但是，應瞭解在不脫離本發明實質的情況下，亦可使用其他氣體以實現觸媒床的再生。舉例而言，在不脫離本發明實質的情況下，亦可使用空氣、氮氣、或來自天然氣或類似清潔燃料的燃燒氣體作為再生氣體。根據本發明之另一替代例，有可能在不脫離本發明實質的情況下，利用廢氣作為再生氣體，較佳係經淨化的廢氣(大多數顆粒、氮氧化物及硫物種已事先自其中移除)。進一步關於此點，該等廢氣較佳亦經加熱至溫度至少為310℃，藉此使觸媒床區段有效及快速地再生。由於觸媒床的再生係基於自其中熱移除三氧化硫(SO3 )，因此再生氣體不需要含有任何氫氣。為此，再生氣體較佳係實質上不含氫氣(例如，包含少於500ppm氫氣)，因為若再生氣體中包含大量氫氣，將可能引起潛在的燃燒及爆炸危險。
上文已描述，在不脫離本發明實質的情況下，可選擇利用濕式洗滌器20、濕式洗滌塔120、或乾式洗滌器120，以用於移除廢氣中的二氧化硫(SO2 )及捕集已藉由經過其中的再生氣體自催化反應器16中移除的三氧化硫(SO3 )。應瞭解在不脫離本發明實質的情況下，亦可使用其他裝置作為三氧化硫(SO3 )移除裝置，例如(舉例方式且非限制性)：靜電沉澱器及織物過濾器，其等不一定構成乾式洗滌器的一部分。另一替代例係利用噴霧乾燥吸收器，以用於移除廢氣中的二氧化硫(SO2 )及捕集已藉由經過其中的再生氣體自催化反應器16中移除的三氧化硫(SO3 )。就此而言，可參考(舉例方式且非限制性)例如美國專利4,755,366，其教示以引用的方式併入本文中。在該噴霧乾燥吸收器中，可將來自冷凝器之包含三氧化硫(SO3 )的冷凝物與一水性懸浮液混合，然後將其供應至該噴霧乾燥吸收器之霧化器中。
在不脫離本發明本質的情況下，三氧化硫(SO3 )移除裝置之另一替代例亦可呈一分離單元形式，其與自廢氣中移除二氧化硫(SO2 )無任何關聯。
根據本發明之較佳實施例，已描述催化反應器16係由三個平行之觸媒床區段48、50、52組成。然而，應瞭解在不脫離本發明本質的情況下，催化反應器16亦可由任何其他數量之經相互平行排列的觸媒床區段組成，只要當其他觸媒床區段藉由經過其中的再生氣體再生時，可提供足夠數量之仍處於操作狀態的觸媒床區段。此外，根據本發明之較佳實施例，已闡明催化反應器16係由單一觸媒床層46組成。但是，應瞭解在不脫離本發明實質的情況下，亦可設計一具有多個，例如(舉例方式且非限制性)2至5個經連續排列之觸媒床層的催化反應器。
上文(但不限於此)已描述來自冷凝器40之冷凝物包含三氧化硫(SO3 )。除了三氧化硫或作為其替代物，有可能在觸媒床16的再生期間形成其他化合物。冷凝物中可能包含的該等化合物之實例包括硫酸(氫)銨及硫酸。
上文已參照圖2及3，描述可如何根據本發明排列封閉裝置，以使觸媒床區段與流動通過其中的廢氣隔開。應瞭解在不脫離本發明實質的情況下，亦可利用其他機械配置以實現該分離目的。該替代性配置之一實例係描述及說明於美國專利案第6,340,002號中，其教示以引用的方式併入本文中。
上文已描述催化反應器16係位於空氣預熱器6及靜電沉澱器12之下游。應瞭解亦可使用其他排列方式。舉例而言，催化反應器可緊位於空氣預熱器的下游，且一除塵裝置(例如靜電沉澱器)係位於該催化反應器之下游。此外，催化反應器亦可緊位於鍋爐的下游，且除塵裝置及空氣預熱器係位於該催化反應器之下游。
雖然已參照諸多較佳實施例來描述本發明，但熟悉此項技術者應瞭解，在不脫離本發明實質之情況下，可對其進行各種變更及/或可用等效物以替代其不同元素。另外，在不脫離本發明實質之情況下，可對本發明進行諸多修飾以使本發明適於在特定條件下使用。因此，不期望將實施本發明所預期的最佳方式限制於文中所揭示的特定實施例，而應將本發明視為包含所有可列入本申請案之隨附申請專利範圍之範疇內的本發明實施例。此外，不應將術語第一、第二等的使用視為表示任何次序或重要性，而應將文中所使用的該等術語第一、第二等視為僅用於區別各個元素而已。
因此，藉由概要方式，用於自一製程氣體中移除氮氧化物(NOx )之催化反應器16係由至少兩個觸媒床區段48、50、52組成，其中每個區段具有一封閉裝置60、62、64。該催化反應器16係經設計以用於使製程氣體F流動通過第一觸媒床區段48。此外，製程氣體F係處於第一溫度下，此時該熱製程氣體中所夾帶的三氧化硫(SO3 )至少部分沉澱析出於第一觸媒床區段48所包含的催化材料上。封閉裝置60被設計成經定期操作，藉此將第一觸媒床區段48與流動通過其中的製程氣體F分開。另外，提供一再生系統34、36、38，其經設計以用於使再生氣體流動通過第一觸媒床區段48。此外，與該催化反應器16分開的三氧化硫(SO3 )移除裝置20，係經設計以用於移除該再生氣體中的三氧化硫(SO3 )。
1．．．發電廠
2．．．鍋爐
4．．．排氣管道
6．．．空氣預熱器
8．．．空氣導管
10．．．排氣管道
12．．．靜電沉澱器
14．．．排氣管道
16．．．催化反應器
18．．．排氣管道
20．．．濕式洗滌器
22．．．孔板
24．．．吸收液體層
26．．．泵
28．．．管道
30．．．排氣管道
32．．．煙囪
34．．．第一蒸汽管道
36．．．蒸汽罐
38．．．第二蒸汽管道
40．．．冷凝器
42．．．冷卻迴路
44．．．冷凝物管道
46．．．觸媒床層
48．．．第一觸媒床區段
50．．．第二觸媒床區段
52．．．第三觸媒床區段
54．．．氨氣罐
56．．．管道系統
58．．．噴嘴
60．．．封閉裝置
62．．．封閉裝置
64．．．封閉裝置
66．．．進口擋板
68．．．出口擋板
70．．．管道
72．．．管道
74．．．管道
76．．．蒸汽閥
78．．．管道
80．．．管道
82．．．管道
84．．．蒸汽閥
120．．．濕式洗滌塔
122．．．進氣口
123．．．出氣口
125．．．濕式洗滌塔之圓柱部分
126．．．泵
127．．．濕式洗滌塔下部
128．．．管道
129．．．噴嘴
144．．．管道
220．．．乾式洗滌器
222．．．接觸反應器
224．．．袋濾室
226．．．混合器
227．．．管道
229．．．管道
231．．．管道
244．．．管道
C1．．．清潔廢氣流
C2．．．清潔廢氣流
C3．．．清潔廢氣流
F．．．廢氣
F1．．．部分廢氣流
F2．．．部分廢氣流
F3．．．部分廢氣流
圖1係關於可利用本發明之發電廠的示意側視圖；
圖2係關於經設計由本發明使用之催化反應器的示意側視圖；
圖3係關於圖2之催化反應器當以淨化模式操作時的示意側視圖；
圖4係關於可由本發明使用之濕式洗滌器的示意側視圖；及
圖5係關於可由本發明使用之乾式洗滌器的示意側視圖。
16．．．催化反應器
36．．．蒸汽罐
38．．．第二蒸汽管道
46．．．觸媒床層
48．．．第一觸媒床區段
50．．．第二觸媒床區段
52．．．第三觸媒床區段
60．．．封閉裝置
62．．．封閉裝置
64．．．封閉裝置
66．．．進口擋板
68．．．出口擋板
70．．．管道
76．．．蒸汽閥
78．．．管道
84．．．蒸汽閥
C2．．．清潔廢氣流
C3．．．清潔廢氣流
F．．．廢氣
F2．．．部分廢氣流
F3．．．部分廢氣流

Claims (12)

  1. 一種藉由包含催化活性材料之催化反應器自一熱製程氣體中移除至少部分氮氧化物之方法，該催化反應器包含一包括至少兩個相對於該熱製程氣體之流向平行排列之觸媒床區段的觸媒床，該等至少兩個觸媒床區段包含五氧化二釩、三氧化鎢(WO3 )或兩者之結合的催化活性材料，該等至少兩個觸媒床區段之每個皆具有一封閉裝置，以使該等至少兩個觸媒床區段之每個可分別與製程氣體流分開，該方法的特徵在於其包含以下步驟：使該熱製程氣體流動通過該等至少兩個觸媒床區段中的至少第一觸媒床區段，該熱製程氣體係處於第一溫度下，此時該熱製程氣體中夾帶的三氧化硫至少部分沉澱析出於該第一觸媒床區段所包含之催化材料上，該第一溫度係在180至300℃之範圍內，定期操作該第一觸媒床區段之封閉裝置，藉此將該第一觸媒床區段與熱製程氣體流分開，同時該等至少兩個觸媒床區段中的至少一第二觸媒床區段仍維持操作以自該熱製程氣體中移除三氧化硫及氮氧化物，當該第一觸媒床區段與熱製程氣體流分開時，使一再生氣體流動通過該第一觸媒床區段，該再生氣體係處於第二溫度，該第二溫度係至少310℃，且低於400℃；及在該再生氣體已流動通過該第一觸媒床區段後，使該再生氣體流動通過三氧化硫移除裝置，該三氧化硫移除裝置係與該催化反應器分開， 其中將選自由氨氣及脲組成之化學品群的化學品供應至該催化反應器，以選擇性催化還原自熱製程氣體中移除的氮氧化物。
  2. 如請求項1之方法，其中該三氧化硫移除裝置係選自由濕式洗滌器、乾式洗滌器、織物過濾器、及靜電沉澱器組成之裝置群的三氧化硫移除裝置。
  3. 如請求項2之方法，其中該三氧化硫移除裝置相對於該熱製程氣體的流向，係位於該催化反應器的下游處，且該三氧化硫移除裝置係用於移除該熱製程氣體及該再生氣體中夾帶的硫物種。
  4. 如請求項1之方法，其中該再生氣體在已經過該第一觸媒床區段之後及流動通過該三氧化硫移除裝置之前經冷卻。
  5. 如請求項1之方法，其中在該再生氣體已流動通過該第一觸媒床區段後，使該再生氣體流動通過三氧化硫移除裝置，其中將至少一部分該再生氣體與在該三氧化硫移除裝置中循環的吸收介質混合，以移除該熱製程氣體中夾帶的二氧化硫。
  6. 如請求項1之方法，其中該再生氣體係選自由蒸汽、空氣、氮氣、廢氣、及其混合物組成之氣體群的再生氣體。
  7. 一種用於自一熱製程氣體中至少部分移除氮氧化物之氣體淨化系統，該氣體淨化系統包括一含有五氧化二釩、三氧化鎢(WO3 )或兩者之結合的催化活性材料之催化反應 器，該催化反應器包含一包括至少兩個相對於該熱製程氣體之流向平行排列之觸媒床區段的觸媒床，該等至少兩個觸媒床區段之每個皆具有一封閉裝置，以使該等至少兩個觸媒床區段之每個可分別與該熱製程氣體流分開，該氣體淨化系統的特徵在於：該催化反應器係用於使該熱製程氣體流動通過該等至少兩個觸媒床區段中的至少第一觸媒床區段，該熱製程氣體係處於第一溫度下，此時該熱製程氣體中夾帶的三氧化硫至少部分沉澱析出於該第一觸媒床區段所包含之催化材料上，且該催化反應器係用於定期操作該封閉裝置，藉此將該第一觸媒床區段與流動通過其中的該熱製程氣體分開，同時該等至少兩個觸媒床區段中的至少一第二觸媒床區段仍維持操作以用於自該熱製程氣體中移除三氧化硫及氮氧化物，該第一溫度係在180至300℃之範圍內，該氣體淨化系統進一步包含一再生系統，其係用於當該第一觸媒床區段與該熱製程氣體流分開時，使一具有一第二溫度之再生氣體流動通過該第一觸媒床區段，該第二溫度係至少310℃，且低於400℃；及一與該催化反應器分開的三氧化硫移除裝置，其係用於自已流動通過該第一觸媒床區段之該再生氣體中移除三氧化硫。
  8. 如請求項7之氣體淨化系統，其進一步包含一再生氣體供應裝置，其係用於供應處於該第二溫度之該再生氣體。
  9. 如請求項7之氣體淨化系統，其中該三氧化硫移除裝置 係選自由濕式洗滌器、乾式洗滌器、織物過濾器、及靜電沉澱器組成之裝置群的三氧化硫移除裝置。
  10. 如請求項9之氣體淨化系統，其中該三氧化硫移除裝置相對於該熱製程氣體的流向，係位於該催化反應器的下游處，且該三氧化硫移除裝置係用於移除該熱製程氣體及該再生氣體中夾帶的硫物種。
  11. 如請求項7之氣體淨化系統，其進一步包含一氣體冷卻器，其係用於在該再生氣體已流動通過該第一觸媒床區段之後及在該再生氣體流動通過該三氧化硫移除裝置之前冷卻該再生氣體。
  12. 如請求項7之氣體淨化系統，其係進一步用於將已流動通過該第一觸媒床區段之至少一部分該再生氣體與在該三氧化硫移除裝置中循環之吸收介質混合，以移除該熱製程氣體中的二氧化硫。
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