用烟道气能量汽化用于降低烟道气中NOx的含水还原剂

摘要

一种使降低燃烧系统之烟道气中NOx的含水还原剂气化的方法。换热器配置在烟道气流路中，以便用烟道气中的热量加热传热介质，优选的是环境空气。将经加热的空气送到汽化容器，在那里它使含水还原剂优选的是氨水汽化，将汽化的氨注入烟道气流路中，在那里它有效地降低NOx。公开了自动控制系统的一些情况。

说明书

矿物燃料如煤、石油、工业煤气或天然气的燃烧产生包括NO和NO₂在内的对环境有害的物质。NO和NO₂统称NO_x。在矿物燃料正常燃烧过程中，NO_x中大部分是NO。

正如大家都知道的，当矿物燃料在各种设备中燃烧时，就要生成NO_x。因此，本发明可能用于工艺和炼厂加热炉、燃气透平和锅炉，包括蒸汽动力装置。燃料可包括煤、石油、天然气、废弃物（如城市固体废弃物）和各种其他含碳物质。本发明用于具有洗除烟道气颗粒的和所谓“清洁”烟道气的设备。

许多种NO_x还原剂是已知的。通常使用NH₃。从烟道气中脱除NO_x的基本过程是注入还原剂，如NH₃、尿素或任何一种其他已知的还原剂。例如，一种很常用的方法是NO_x的选择性催化还原（SCR），包括将NH₃注入烟道气，随后在催化剂存在下进行化学反应;即

将NH₃注入烟道气中的传统方法是采用外部NH₃汽化系统，在该系统中，液体NH₃（或者是无水状态或者是含水状态）先在加热炉或汽化器中汽化，并与空气混合，然后送到一个分配栅网，再在SCR反应器的上游位置注入到烟道气中。用于注入无水NH₃的已知方法和系统的更详细描述可在S.M.Cho、A.H.Seltzer和Z.Tetsui（下文称Cho等）在国际燃气透平和航空发动机会议和博览会（1991年6月3-6日，佛罗里达州，奥兰多市）上发表的题为“在燃气透平系统中控制NO_x的选择性催化还原系统的设计和操作经验”（ASME论文号91-GT-26）的文章中找到。因为无水NH₃是有毒的和有危险的物质，所以现在一般实践使用氨水（NH₃·H₂O），它是NH₃和H₂O的混合物。因为NH₃被“良性”水稀释，氨水的危险性比无水NH₃小。代表性的工业级氨水含有大约30%NH₃和70%H₂O。上述百分数的NH₃·H₂O混合物可安全地在美国高速公路上运输。在常温下其蒸汽压可忽略。

不使用催化剂的方法也是已知的，即所谓的非催化选择性还原（SNCR）法。NH₃、尿素或其他还原剂注入加热炉或其他燃烧器的上部燃烧区。已知也有其他注入点，包括循环流化床蒸汽发生器的旋风分离器处。

在那些使用氨水的系统和方法中，目前有几种使NH₃汽化的方法。这些方法包括：（1）使用加热器将环境空气加热，并使它与氨水在一容器中混合，从而使氨水汽化（如Cho等描述的），（2）使用装有氨水的釜式换热器罐，它装有汽化氨水用的蒸汽盘管，（3）NH₃汽提塔，其中将氨水喷雾到流体-流体接触塔顶部，而蒸汽送入底部，以及（4）使用烟道气滑流，烟道气流用鼓风机抽出并送入汽化容器，在该容器中烟道气与氨水混合并使它汽化。

本发明提供了一种汽化用于降低在燃烧器内产生的烟道气中NO_x量的含水还原剂的方法。该燃烧器是规定预定流路的燃烧系统的一部分，烟道气沿这一流路送到烟囱。将一个换热器配置在烟道气流路中，通常在管道中，通过这样的方式使烟道气与换热器的第一功能面（例如翅片管的外部）接触。传热介质（最好是环境空气）与换热器的第二功能面（例如翅片管的内部）接触，于是传热介质被加热。经加热的介质然后送到烟道气流路外某处，用来将还原剂的水溶液汽化。优选的是，汽化作用通过经加热的介质和水溶液在容器中相互混合（例如通过喷雾）来实现。还原剂最好是NH₃。最后，将汽化的水溶液注入烟道气流路，在那里它可有效降低NO_x。（应该认识到汽化器将水溶液转化成不再是水溶液，但为了方便起见，将还原剂、空气、蒸汽和任何残留蒸汽的混合物称为“汽化的水溶液”）。

汽化的水溶液注入烟道气流路的位置随燃烧系统的性质变化。在SNCR型燃烧系统中，最好在燃烧器的最上部将汽化的溶液注入烟道气中。另一方面，在SCR系统中，希望将汽化的溶液注入催化反应器上游有一段适当距离的地方。

本发明很适合与自动控制系统一起使用。注入烟道气的还原剂数量可用通过自动控制阀的液体水溶液来改变。另一方面，液体含水溶液的流速最好通过一个或多个“内混”空气雾化喷咀来控制。水溶液的压力保持不变，而改变雾化空气的压力。空气压力的变化可有效地调节通过喷咀的液体含水溶液的流速。阀的控制可通过监测各种工艺参数来实现，这些工艺参数根据所用燃烧系统的性质来选择。

附图是说明本发明包括蒸汽发生器和NO_x选择性催化剂催化还原反应器在内燃烧系统的优选实施方案的图示。

本发明可以有许多不同形式的实施方案，附图展示出并将在此处详细记述一个优选的本发明实施方案，同时应认识到，本说明书应被认为是本发明的原理的实例而不要把本发明的诸方面限制在说明它的实施方案中。

该附图以图示的形式说明了适用于本发明的一类燃烧系统的例子。该燃烧系统包括蒸汽发生器10，其中包括由燃烧炉12和热回收区14构成的燃烧器。蒸汽管线由热回收区14连到蒸汽透平16。烟道气沿预定的流路从燃烧炉12内经热回收区14，然后经烟道20送到烟囱30。燃烧系统包括用于NO_x选择性催化还原的催化反应器40。SCR反应器40可为已知的类型，譬如埋有催化剂的陶瓷蜂窝状物。这样的反应器在上面所引述的Cho等文章中有进一步讨论。

附图中所示的燃烧系统仅仅是说明性质的。其他类型燃烧系统可能得益于本发明。其他类型燃烧系统的例子有燃气透平热回收蒸汽发生器、工艺加热器和循环流化床蒸汽发生器。

贮槽50贮有还原剂的水溶液，最好是氨水。NH₃的水溶液可在常温下贮存。

水溶液经过滤网52用泵54抽出。该溶液再经过过滤器56、流量计58、压力调节器60然后送到汽化容器64中的“内混”空气雾化喷咀66。

汽化容器64可为任何类型的一种能使水溶液以所描述的方式有效汽化的容器。汽化容器可为Cho等描述的形式。另一方面，该容器最好有空气雾化喷咀66和装有金属鲍尔环的外壳。

加压雾化空气经自动控制阀67送到空气雾化喷咀66。因为喷咀66是一个内混喷咀，由控制阀67确定的雾化空气压力决定了还原剂的流速。还原剂的压力通过压力调节阀60的作用保持不变。

汽化容器64接收在换热器68中加热的传热介质。换热器68配置在烟道气流路中。按已知的方式，换热器68包括与放出热量的烟道气接触的第一功能面和与吸收热量的换热介质接触的第二功能面。例如，附图示出由翅片管制成的换热器68。翅片和管上部是与烟道气接触的换热器第一功能面。管内部是与通过管子的换热介质接触的的换热器第二功能面。

连有进口管座72和出口管座74的单管被示出。在实际系统中，一组这样的管子可连接到进口管座72和出口管座74上。在附图中，每一管子四次横截烟道气流方向通过烟道20。同样，进口管座72相对于烟道气流方向而言是在出口管座74的下游。换热器68的这些特征没有一个是重要的。按照换热器已知的设计原理可作各种改变。例如，进出口管座72、74可配置在烟道20内，如果这样更简便的话。进口管座72相对于烟道气流方向而言也可在出口管座74的上游。翅片可取消。可改变通过的次数和方向。

换热器68本身最好由一般的碳钢管制成。视不同的应用而定，管子一般有约0.5至4寸范围的标准直径。

优选的换热介质是空气，更优选的是环境空气。为此，鼓风机从燃烧系统周围抽出环境空气，并通过控制阀71将它强制送入管座72。环境温度的空气鼓风机和鼓风机70比必须处理热烟道气的循环鼓风机更便宜、更容易得到。还有，可以预计这样的鼓风机更可靠。

在汽化容器64中，经加热的介质和水溶液相互混合，以便使水溶液汽化。为此，优选的实施方案一般将空气在换热器68中加热到约400至950°F之间。这一温度范围仅仅反映代表性的操作，不是就技术原因来说所必须保持的一组限制。

同样在优选的实施方案中，经加热的空气被送到上述类型汽化容器的顶部附近，在那里与通过喷雾从顶部进入的NH₃接触，通常，泵54可产生约10至200磅/吋²之间的NH₃压。氨水的流速取决于燃烧系统的性质和操作负荷。通常，流速可为约3000磅/小时或更低些。

将汽化的水溶液送到已知类的注入栅网76，在那里它被注入到烟道气流路中，并使烟道气中的NO_x还原。注入栅网76可在换热器68的下游（如附图所示）也可在换热器68的上游。对于所示类型的催化系统（即注入栅网76在催化反应器40的上游），汽化器的输出汽优选在200至800°F之间，更优选在250至500°F之间。

本发明适合与自动控制系统一起使用以便控制调节阀67的开度，从而调节NH₃或其他还原剂送入烟道气的数量。自动控制器78最好包括数字处理器。输出信号用来调节控制阀67的开度。控制器78从许多传感器接收输入信号，传感器的性质随燃烧系统的性质和用户的爱好变化。说明性实施方案适用于用来驱动生产电力的蒸汽透平等的蒸汽发生系统。

这样的系统可在催化反应器40下游使用NO_x分析器系统82，例如配置在注入栅网76和催化反应器40之间的温度传感器80和表示烟道流速的第三传感器。在一已知的方式中，烟道气流速与透平负荷有关，透平负荷如附图说明的那样在84处测量。

碱性NH₃注入速度由80和84（分别表示烟道气流速和SCR烟道气进口温度）的前馈信号给定。

碱性NH₃注入速度被连续修正。用测定SCR出口NO_x浓度的反馈信号82实现NH₃注入速度的微调。量速计58的输出信号用来确定已达到所需NH₃的流速。

上述本发明的方法比背景技术描述的方法更经济。操作中它消耗的能量最少。它的制造不比某些系统贵，而比另一些系统便宜。它至少与某些系统一样可靠，而比另一些系统更可靠。

特别是，通过从烟道气中取出热能，本发明避免必须使用电力或工艺蒸汽来使含水还原剂汽化。虽然从烟道气中取出热量，但烟道通过换热器的温度降小到可以忽略（对于大多数应用仅几度），因此在烟道气系统中没有不良的影响。本发明避免了使用另外的外部设备来加热汽化介质所需的投资和另外的维修费。由于用标准的环境空气鼓风机代替用于处理热烟道气的循环鼓风机，可进一步节省额外的投资和维修费。