用于选择性催化还原期间的废气流旁路的布置和方法

摘要

在本文中公开了包括选择性催化反应器的系统，该选择性催化反应器位于生成废气的锅炉的下游。该选择性催化反应器操作以将氮氧化物还原为氮。旁路管线与选择性催化反应器流体地连通，其联接去往该选择性催化反应器的输入管线。旁路管线适于操作从选择性催化反应器转移的废气的体积；第一控制气闸配置在去往选择性催化反应器的入口处；且第二控制气闸配置在去往旁路管线的入口处。第一控制气闸和第二控制气闸相互作用，来以将从系统释放的三氧化硫的量有效地降低至期望值的比例，在选择性催化反应器与旁路管线之间分配废气流。

说明书

技术领域

本公开涉及在动力生成设施中的选择性催化剂还原期间的废气流旁路。

背景技术

在燃烧过程期间，从锅炉生成的废气包含氮氧化物(NO_x)。期望减少到大气中的NO_x排放。一种用于减少NO_x排放的燃烧后过程是选择性催化还原(SCR)的过程。选择性催化还 原系统使用催化剂和反应剂，诸如氨气、NH₃，以将NO_x离解成分子态氮、N₂、和水蒸气。具有例 如焚烧化石燃料的锅炉的公用蒸汽生成动力厂可采用选择性催化还原(SCR)来作为NO_x还 原技术。锅炉大体上包括与尾部烟道(backpass)容积流体地连通的锅炉容积。烃燃料的燃 烧发生在锅炉容积内，从而形成热的废气，该热的废气在锅炉容积内升高，从而将它们的能 量的一部分让给热力蒸汽循环的工作流体。废气然后被引导至尾部烟道容积且被引导穿过 其，在该尾部烟道容积中，它们将额外的能量让给工作流体。在离开尾部烟道容积后，废气 被经由气体管道引导穿过选择性催化还原室，且由该处被引导至空气预热器和废气清洁系 统，由该处被经由排气管引导至大气。

在SCR系统中，在气体管道中的废气流离开尾部烟道容积且在SCR室上游的同一点 处，气态形式的反应剂(可能是氨)、或尿素/水溶液被引入废气流中，且被促进与废气流混 合。反应剂/废气混合物然后进入SCR室，在其中，在存在催化表面的情况下，在反应剂与废 气混合物之间发生NO_x还原。将氨或尿素引入废气流中通常通过使用注射器雾化喷嘴来实 现，注射器雾化喷嘴位于气体管道的外围处，或者浸入废气流内的喷枪上。

虽然SCR有助于NO_x的还原，但三氧化硫(SO₃)排放增加，因为用于NO_x还原的催化剂 促进进入的二氧化硫(SO₂)到三氧化硫(SO₃)的氧化。排气管处的SO₃排放必须被限制到非常 低的水平(低于5ppm)，以避免过度的不透明度和/或可见的蓝色羽流。

在SCR的下游，SO₃排放通过在燃烧空气预热器中的冷凝而部分地减少，且在颗粒 和SO₂控制设备中被捕获。如果该减少被证明是不充分的，则对过程添加特定的SO₃控制措 施。一个额外的控制措施是在废气脱硫设备(用于移除SO₂和SO₃二者)的上游添加喷雾干式 吸附器。另一控制措施是在静电沉积器的上游添加冷凝热交换器，在此，SO₃由飞尘/冷凝物 捕获。其他方法包括使用氨、石灰、碳酸氢钠、天然碱等的干或湿的吸附剂注射。所有这些方 法既增加资本成本又增加操作成本。因而期望在对额外的控制设备花费最少资本的情况下 成本有效地减少去往大气的SO₃排放。

发明内容

在本文中公开了一种系统，其包括：选择性催化反应器；其中，该选择性催化反应 器位于生成废气的锅炉的下游；该选择性催化反应器操作以将氮氧化物还原为氮；旁路管 线；该旁路管线与该选择性催化反应器流体地连通；该旁路管线联接(contact)去往该选择 性催化反应器的输入管线，其中，该旁路管线适于操作从该选择性催化反应器转移的废气 的容积；第一控制气闸，其配置在去往该选择性催化反应器的入口处；和第二控制气闸，其 配置在去往该旁路管线的入口处；其中，该第一控制气闸和该第二控制气闸相互作用，来以 将从该系统释放的三氧化硫的量有效地降低至期望值的比例，在该选择性催化反应器与该 旁路管线之间使废气流分开。

在本文中还公开了一种方法，其包括：将废气流从锅炉排放至系统，该系统包括： 选择性催化反应器；其中，该选择性催化反应器位于生成废气的锅炉的下游；该选择性催化 反应器操作以将氮氧化物还原为氮；和旁路管线；该旁路管线与该选择性催化反应器流体 地连通；该旁路管线联接去往该选择性催化反应器的输入管线，其中，该旁路管线适于操作 从该选择性催化反应器转移的废气的体积；以将从该系统释放的三氧化硫的量有效地降低 至期望值的比例，在该选择性催化反应器与该旁路管线之间使该废气流分开。

附图说明

图1是具有围绕选择性催化反应器的旁路管线的系统的绘图；且

图2是图1的系统的绘图，具有减小尺寸的选择性催化反应器。

具体实施方式

在本文中公开了一种用于减少SO₃排放的系统，其包括选择性催化反应器，和去往 该选择性催化反应器的旁路管线，该旁路管线允许废气绕过选择性催化反应器。选择性催 化反应器有助于存在于(从锅炉放出的)废气流中的NO_x的还原，而旁路管线防止SO₂到SO₃的 转化或使其最小化，SO₂到SO₃的转化通常在选择性催化反应器中跨过催化剂而发生，其中由 其导致的释放到大气的SO₃增多。允许废气流的一部分绕过选择性催化反应器有助于离开 动力厂的SO₃的减少。使用旁路管线因而有助于减少行进通过选择性催化反应器的废气的 量，从而允许选择性催化反应器的尺寸减小直到30%的量。

现在参考图1，系统100包括选择性催化反应器102和旁路管线104。选择性催化反 应器102(此后称为SCR102)位于锅炉(未示出)的下游，废气从该锅炉放出。图1的SCR按比 例设定为催化地还原100%的废气流量。在联接系统100之后，废气可行进穿过颗粒收集装 置，诸如静电沉积器或织物过滤器(未示出)和废气脱硫设备(未示出)。废气经由输入管线 103进入SCR102，且经由输出管线105离开SCR102。输入管线103包含第一隔离气闸106和 第一控制气闸108。第一控制气闸108位于第一隔离气闸106的下游，而在其他实施例中，其 可位于它的上游。第二隔离气闸114在输出管线105上位于SCR102的下游。

旁路管线104在第一隔离气闸106上游的点处联接输入管线103，且在第二气闸114 下游的点处联接输出管线105。旁路管线104还包括可选的第三隔离气闸110和第二控制气 闸112，其中第三隔离气闸110位于第二控制气闸112的上游。在实施例中，第二控制气闸112 位于第三隔离气闸110的上游。隔离气闸106、110和114各自作用为完全地切断配置相应隔 离气闸的线路中的废气流动。控制气闸108和112可以可变地调节，以允许废气流量的选定 百分比行进到相应控制气闸的下游。气闸的打开位置可根据单位负载(即，MW额定值)来设 定且自动地控制。此外，所有的隔离气闸和控制气闸可手动地调节或者自动地起动和控制。 隔离气闸和控制气闸二者可被电气地起动或者使用促动器(未示出)气动地起动。

在实施例中，系统100可包括配置在SCR102下游的可选的SO₃分析器202。SO₃分析 器与可选的控制器204操作地连通，该可选的控制器204与隔离气闸106、110和114中的一个 或更多个操作地连通。控制器204也与控制气闸108和112中的一个或更多个操作地连通。 SO₃分析器202测定废气流中的SO₃量，且将该信息传达到控制器204中。控制器204又有助于 调节隔离阀106、110和114和控制气闸112和114，以确定被引导至SCR的废气流的百分比和 被引导至旁路(从而绕过SCR)的百分比。控制器204可为计算机、微处理器等，且可包含软 件，该软件能够编辑且保持关于燃料输入的类型及其与废气流中存在的SO₃含量的关系的 统计信息。控制器204还可以能够维持对锅炉的燃料输入的类型与促动器(其中促动器用在 相应的隔离气闸和相应的控制气闸上)位置之间的相互关系。

控制器204将消息传达至控制隔离气闸的一个或更多个促动器(未示出)或传达至 控制气闸。控制器204与相应的隔离气闸和控制气闸之间的连通由图1中的(和图2中的，其 将在后面详细说明)虚线示出。应注意的是，当系统不包含分析器和控制器时，气闸可手动 地控制而无需任何自动操作。这也在后面详细说明。

在一个实施例中，在图1的操作系统100的一种方法中，第一隔离气闸106可首先被 设定到关闭位置，以允许从锅炉放出的最初的废气流(其包含污染物，诸如未燃烧的碳、油 雾携带物等)行进穿过旁路管线104。这防止在SCR102中使用的催化剂的潜在的着火和/或 退化。在被污染的废气流从系统100排出之后，(没有可使SCR102内的催化剂反应性退化的 污染物的)废气流然后通过SCR102排出。

第一隔离气闸106和第一控制气闸108允许来自锅炉的废气的全部体积沿输入管 线103行进至SCR102。第一隔离气闸106、第一控制气闸108和第二隔离气闸114在这部分处 理期间完全打开。第三隔离气闸110完全关闭。废气流102行进通过SCR102，且在存在反应 剂的情况下，氨被催化以将NO_x离解为分子态氮、N₂、和水蒸气。在NO_x的催化还原期间，存在 于废气流中的SO₂中的一些被转化为SO₃。

分析器202测定沿输出流105从SCR102放出的废气流中的SO₃含量。应注意的是， 分析器202可为手动操作的湿化学实验室，其中，(由SCR102处理之后的)废气的样本被定 期地收集在装置，诸如瓶或袋中，且然后通过湿化学来分析。在此种情况下，可手动地进行 对气闸(隔离和控制气闸二者)的调节。

在另一实施例中，分析器202可为自动的化学分析器，其配置在废气流中且就地测 定三氧化硫含量。如果SO₃含量高于可接收的极限，那么控制器204(其是自动的)将消息传 送至控制器204，控制器204分别起动控制气闸108和112。在实施例中，气闸中的一些可自动 地控制，而其他可手动地控制。

在任何情况下(当利用手动分析或者自动分析时)，调节(即，部分地打开)第一控 制气闸108和第二控制气闸112以防止全部量的废气流进入SCR102。废气流的一部分流动 通过旁路管线104。在实施例中，第一控制气闸108部分地打开，以防止废气流中的直到30% 的量进入SCR102，且作为代替使其进入旁路管线104中。第二控制气闸112可在此阶段中完 全打开，或者其可部分地打开，以维持管线103和104中的适量的背压。在该构造期间，隔离 气闸全部打开，且气体的流量由控制气闸控制。控制气闸的位置可被调节(从关闭位置开 始)，直到废气流中的SO₃的量减少至期望的值。在一个实施例中，系统100中的纠正后的废 气流中的SO₃的量小于或等于5ppm，优选地小于3ppm。

在图2中描绘的一个实施例中，由于减少行进通过SCR102的废气的量，故可期望 减小SCR反应器的尺寸。图2描绘了具有从图1中的SCR102的尺寸降低的尺寸的SCR102。取 决于出口NO_x排放要求，SCR可在尺寸方面成比例降低，以处理下至70%的体积流量，优选地 下至50个体积百分比。将该设计与专门用于处理废气体积的100%的不具有旁路的SCR相比。 图2基本上类似于图1，且以相同的方式作用，除了SCR102在尺寸方面按比例缩小，以描绘 其将必须处理的更低体积的废气(由于利用旁路管线)，同时释放期望体积的SO₃。更小的 SCR102及其相关旁路管线处理全部的废气流，同时满足排气管NO_x和SO₃要求，但具有更小 的截面、更少的催化剂模块、和更小的结构钢重量。

使废气中的一些围绕SCR绕过降低了所产生的SO₃的量，且可消除添加特定的SO₃控 制设备的需要。降低SO₃含量还将提高水银吸附剂诸如活性碳的效力。部分废气旁路的额外 优点是单元的寿命期间的更少的催化剂模块的更容易的安装和替换。旁路设计构思涉及最 小的添加成本，因为常规的SCR系统出于其他原因(即，单元启动和关闭)而包括具有隔离气 闸的气体旁路。

将理解的是，尽管用语“第一”、“第二”等可在本文中使用来描述各种元件、构件、 区域、层和/或区段，但这些元件、构件、区域、层和/或区段不应由这些用语限制。这些用语 仅用于将一个元件、构件、区域、层或区段与另一元件、构件、区域、层或区段区分开。因而， 在下面讨论的“第一元件”、“构件”、“区域”、“层”或“区段”可称为第二元件、构件、区域、层 或区段，而不脱离本发明的教导。

在本文中使用的用语仅是为了描述具体实施例，而并不意图进行限制。如在本文 中使用的，单数形式如“一”、“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指 出。还应理解的是，当在本说明书中使用时，用语“包含”和/或“包含…的”、或者“包括”和/ 或“包括…的”详细说明了所叙述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但 不排除一个或更多个其他特征、区域、整体、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合的存 在。

而且，关系用语，诸如“下”或“底部”和“上”或“顶部”可在本文中用于描述如图中 例示的一个元件相对于其他元件的关系。将理解的是，关系用语意图涵盖装置的除在图中 描绘的定向之外的不同定向。例如，如果一个附图中的装置被翻转，那么描述为在其他元件 的“下”侧上的元件将定向在该其他元件的“上”侧上。示范用语“下”因此取决于图的具体定 向而可涵盖“下”和“上”的定向二者。类似地，如果一个附图中的装置被翻转，那么被描述为 在其他元件“下方”或“下面”的元件将定位在该其他元件的“上方”。示范用语“下方”或“下 面”因此可涵盖上方和下方的定向二者。

除非另外限定，否则在本文中使用的所有用语(包括技术和科学用语)都具有本发 明所属领域的技术人员通常理解的相同意义。还将理解的是，用语(诸如在常用词典中限定 的那些)应当解释为具有与它们在相关领域和本公开的上下文中的意义一致的意义，并且 不应以理想化的或过度形式上的意义来解释，除非在本文中清楚地这样限定。

在本文中参照截面例示图说明示范实施例，这些截面例示图是理想化实施例的示 意例示图。因此，预期由例如制造技术和/或公差引起的从例示图的形状的变形。因此，在本 文中描述的实施例不应理解为限于在本文中例示的区域的特定形状，而是包括例如由制造 引起的形状方面的偏差。例如，例示或描述为平坦的区域通常可具有粗糙和/或非线性的特 征。而且，例示的锐角可以是圆形的。因此，图中例示的区域在本质上是示意性的，且它们的 形状不意图例示区域的精确形状，且不意图限制本权利要求的范围。

用语和/或在本文中用于指“和”以及“或”二者。例如，“A和/或B”认为意指A、B或A 和B。

过渡用语“包括”包含过渡用语“基本上由…构成”和“由…构成”，且可与“包括”互 换。

尽管已参考各种示范实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可进行 各种更改且等同物可替换它们的要素，而不脱离本发明的范畴。此外，可进行许多修改以使 具体的条件或材料适应本发明的教导而不脱离它们的基本范畴。因此，意图本发明不限于 公开的作为用于实施本发明的构思出的最佳模式的具体实施例，而是本发明将包括落入所 附权利要求的范围内的所有实施例。