專利名稱：多艙式過熱空氣和n－還原劑噴射系統(tǒng)及煙道氣中氮氧化物的降低法的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明通常涉及減少來自燃燒系統(tǒng)例如鍋爐，加熱爐和焚燒爐的氮的氧化物的排放。
由于在鍋爐和加熱爐中燃燒而產(chǎn)生的一組空氣污染物含有氮的氧化物，主要是NO和NO2。由于氮的氧化物(NOx)的毒性和它們在酸雨及光化學煙霧處理中所起的前體作用，它們已成了越來越關注的課題。還原氮的氧化物已是許多技術(shù)研究工作的中心。
在新式鍋爐和加熱爐以及其它這類燃燒容器中，通過應用過熱空氣(“OFA”)技術(shù)，已極大地減少了氮的氧化物(NOx)的排放。在該項技術(shù)中，大部分燃燒空氣和燃料一同進入燃燒室，但補充的一部分燃燒空氣被延時輸入，以便最初產(chǎn)生氧氣貧乏狀態(tài)，隨后又變得便于CO和任何剩余燃料的燃燒了。
選擇性非催化還原(“SNCR”)技術(shù)，通過向已燃氣體中噴射氮的還原劑(“N-還原劑”)例如氨或尿素的方法，使已燃氣體中的NOx還原。N-還原劑的噴射是在高溫狀態(tài)下和在非催化反應選擇性地將NOx還原為分子氮這樣的條件下進行的。NOx的還原是有選擇性的，因為已燃氣體中的分子氮并沒有被還原，而是NOx被N-還原劑還原了。
典型地將N-還原劑釋放到處在最佳溫度范圍或窗口內(nèi)例如1700～2200°F(930～1200℃)的煙道氣中。這煙道氣常常已含有中等濃度至高濃度的一氧化碳(CO)(0.2～1.0％)。在某些SNCR應用中，煙道氣中的CO會與還原NOx所需的N-還原劑中的活性物質(zhì)發(fā)生化學上的競爭。這種競爭降低了SNCR方法和還原NOx的效果，和/或使最佳溫度窗移至較低的溫度范圍。
早期的SNCR技術(shù)通過將大的N-還原劑液滴噴射到被噴入煙道氣的過熱空氣中的方法來防止CO問題的發(fā)生。當OFA和煙道氣氣流相混合時，CO被氧化，和當液滴被傳輸?shù)藉仩t的較冷區(qū)時液滴中的水便蒸發(fā)。這方法要求延遲釋放N-還原劑直到煙道氣溫度已達到最佳溫度窗時才釋放。
大液滴N-還原劑系統(tǒng)有著可能會降低它們效果的困難，例如液滴在煙道氣中滯留時間長，由于液滴阻礙造成的流跡扭曲，和窄的N-還原劑釋放溫度窗。如果這些液滴太小，它們在最佳溫度窗的上游便釋放N-還原劑，此處煙道氣仍太熱，使得N-還原劑變得不起作用。在這些條件下，N-還原劑能生成(而不是還原)NOx。另一方面，如果這些液滴太大，在已燃氣體已冷卻到低于最佳溫度窗之后，才釋放了一部分N-還原劑，從而導致在煙道氣排出氣流中含有濃度高的氨(氨泥漿)。最后，需要有一個較好的SNCR技術(shù)，來解決由于在液滴噴射位置附近的煙道氣中CO濃度高而產(chǎn)生的一些問題。
發(fā)明概述在一個實施方案中，本發(fā)明是一種降低流過容器下游的已燃氣體中氮的氧化物的濃度的方法。該方法包含在容器的燃燒區(qū)中產(chǎn)生煙道氣，這煙道氣部分地由氮的氧化物和一氧化碳組成；將來自第一過熱空氣源的過熱空氣噴射到容器的燃燒中止區(qū)中，以便至少使煙道氣中的一部分一氧化碳氧化；將選擇性還原劑和過熱空氣一起同時噴射到位于第一過熱空氣源下游和一氧化碳氧化區(qū)下游的燃燒中止區(qū)中；和選擇性還原劑與煙道氣發(fā)生反應從而還原氮的氧化物。
在第二個實施方案中，本發(fā)明是一種具有一個燃燒區(qū)的燃燒容器；一個位于燃燒區(qū)下游的燃燒中止區(qū)；一個位于燃燒中止區(qū)旁的過熱空氣艙，在這過熱空氣艙中有一個上游空氣噴射器和一個下游空氣噴射器，和用于將選擇性還原劑噴射到燃燒中止區(qū)的至少一個還原劑噴射器，其中所述的還原劑噴射器被放置在空氣噴射器中。
附圖簡述

圖1是一種燃煤的燃燒容器的簡圖。
圖2是圖1所示容器的多艙式過熱空氣箱的簡圖。
發(fā)明詳述圖1是諸如用于燃煤鍋爐或加熱爐的燃燒系統(tǒng)10的圖解示意圖。這燃燒系統(tǒng)10包括具有燃燒區(qū)12的燃燒容器11、燃燒中止區(qū)14和任選的再燃燒區(qū)16。燃燒區(qū)12包括在燃燒容器11的壁板20的至少一側(cè)壁板上固定著一個或多個主燃燒器18。這些壁板形成一個立式箱，容納燃燒區(qū)12，再燃燒區(qū)16，燃燒中止區(qū)14和系統(tǒng)10的煙道氣氣流中的其它組件。
直接地或通過燃料歧管22向主燃燒器提供主燃料例如煤，和直接地或通過空氣盒24向主燃燒器提供空氣?？諝夂锌砂惭b在對著容器內(nèi)燃燒區(qū)12的壁板20的外部。這空氣盒是一個用來向每個燃燒器分配空氣的歧管。
由主燃燒器18噴射的燃料和來自空氣盒24的空氣，在容器的燃燒區(qū)12內(nèi)發(fā)生燃燒。在容器11內(nèi)由燃燒產(chǎn)生的煙道氣26向下游方向流動，即從燃燒區(qū)12向上流向燃燒容器中的燃燒中止區(qū)14。主燃燒器供給輸入容器的熱能。再燃燒燃料例如天然氣在再燃燒區(qū)16燃燒，可釋放出附加熱量進入容器11中。再燃燒燃料通過再燃燒燃料噴射器28進入容器11。
再燃燒區(qū)16的下游的是燃燒中止區(qū)14，在該處過熱空氣通過過熱空氣噴射器30進入容器11。在容器11中燃燒中止區(qū)的下游，煙道氣26任選地通過一系列熱交換器32。遺留在煙道氣中的固體微粒可利用微粒控制裝置33，例如靜電沉淀器(“ESP”)或微塵吸收器加以去除。
選擇性還原劑(N-還原劑)和過熱空氣一起被噴射到燃燒中止區(qū)14中。N-還原劑噴射器(噴嘴和噴管)被放置在過熱空氣箱30中，并使選擇性還原劑隨著過熱空氣一道噴射到燃燒中止區(qū)14中。文中采用的術(shù)語“選擇性還原劑”和“N-還原劑”可交替地使用，均指的是在燃燒系統(tǒng)中，在有氧存在的條件下，能選擇性地還原NOx的任何種類的化學物質(zhì)。通常合適的選擇性還原劑包括尿素，氨，氰尿酸，肼，thanolamine，縮二脲，二縮三脲，三聚氰酸一酰胺，有機酸銨鹽類，無機酸銨鹽類，等等。銨鹽還原劑的具體實例包括硫酸銨，硫酸氫銨，亞硫酸氫銨，甲酸銨，碳酸銨，碳酸氫銨，硝酸銨等等。還可應用這些選擇性還原劑的混合物。提供的選擇性還原劑呈溶液形態(tài)，優(yōu)選呈水溶液形態(tài)，或呈粉末形態(tài)。一種選擇性還原劑是呈水溶液形態(tài)的尿素。
正如圖2所示，過熱空氣輸入箱30包括多個OFA噴射器34，36。這些噴射器放置在輸入箱30的多個部位，過熱空氣從這里流過壁板20并進入容器11的燃燒中止區(qū)14。這過熱箱30被連接到容器的壁板20上。
箱30的OFA噴射器，一個在另一個上面，垂直地安裝在容器的壁板20上。箱30的下部OFA噴射器34(位于煙道氣中的上游噴射器)是一個導管，用來例如以高流速將空氣輸入燃燒中止區(qū)14。箱30的上部OFA噴射器36(位于煙道氣中的下游噴射器)也向燃燒中止區(qū)輸送空氣。由下游噴射器供給的過熱空氣，可以處于比流過上游噴射器的空氣流速低的流速狀態(tài)下。每個OFA噴射器可以包含一些形成空氣導管的壁板，空氣經(jīng)導管流向容器壁板20，通過這壁板上的滲透孔進入容器的燃燒中止區(qū)14。
箱30內(nèi)的隔離板46可以是一塊將上部和下部OFA噴射器隔開的板。但是，如果OFA噴射器不是裝在同一個空氣輸送箱30內(nèi)，而是利用OFA噴射器之間的容器壁板20中的一部分將它們相互隔開，則可以不需要隔離板?？梢杂卸€以上的OFA空氣噴射器，但是位于下游最遠處的噴射器通常將包括N-還原劑噴射器。例如，二個或以上的上游OFA空氣噴射器可以向燃燒中止區(qū)14供給空氣，而裝有N-還原劑噴射器的位于最后的下游OFA噴射器，可以向燃燒中止區(qū)14既供給過熱空氣又供給N-還原劑。
在N-還原劑被釋放之前，來自上游噴射器的空氣降低了燃燒中止區(qū)14內(nèi)的CO濃度。來自下游噴射器36的空氣和包含N-還原劑的液滴一起，流入燃燒中止區(qū)14。流過上游OFA噴射器的空氣質(zhì)量可以明顯大于流過下游OFA噴射器的空氣質(zhì)量。流過每個噴射器的空氣流速可加以控制，以便調(diào)節(jié)流入容器的過熱空氣量。每個噴射器34，36中的可調(diào)阻尼器44可用來調(diào)節(jié)流過每個噴射器的空氣量。類似地，可以在過熱箱30的噴射器上游處安置葉片，并用來使空氣以控制流速流入過熱箱。
N-還原劑噴嘴38將N-還原劑噴射到燃燒中止區(qū)中。每個N-還原劑噴嘴38被設置在噴管48的末端，這噴管貫穿過熱箱30中的下游過熱空氣噴射器?？赡苡性S多個例如3或4個還原劑噴射器和噴管，配置在壁板20上和貫穿下游OFA噴射器36。通過N-還原劑噴嘴38，將N-還原劑和流過下游OFA噴射器36的空氣一起同時引入燃燒中止區(qū)14。當OFA和已燃氣體26相混合時，N-還原劑在下游流動。一旦N-還原劑被釋放，它便與已燃氣體發(fā)生化學反應從而降低了Nox的排放。
煙道氣26以中等至高的CO濃度，從燃燒區(qū)向上流入燃燒中止區(qū)14，并在此最初先與來自下部艙34的過熱空氣相混合，隨后與N-還原劑和來自上部艙36的過熱空氣相混合。來自燃燒區(qū)12和再燃燒區(qū)16的煙道氣氣流中的一氧化碳(CO)，在燃燒中止區(qū)14內(nèi)，被來自過熱箱30的下部艙34的空氣所氧化?？諝庵械难?O2)與CO發(fā)生反應形成二氧化碳。CO的氧化發(fā)生在燃燒中止區(qū)14的噴射N-還原劑的上游(下部)部位。
借助于將流過位于N-還原劑噴射器38下面的上游噴射器34的空氣噴射到容器中的方法，使煙道氣26中的大部分一氧化碳，在煙道氣與N-還原劑相接觸之前便已氧化。處于N-還原劑噴射位置上游的CO的氧化，可以允許以較小尺度液滴的N-還原劑噴射到煙道氣中，這樣能降低其在煙道氣中的滯留時間。
對上部和下部噴射器34，36中的空氣流流速進行調(diào)節(jié)，以起到將N-還原劑屏蔽起來與煙道氣隔離的作用，直到有足夠量的煙道氣CO被來自下部艙34的空氣所氧化。這通常要求流過上游噴射器34的空氣多于流過下游噴射器36的空氣。例如，流過上游噴射器34的空氣質(zhì)量可以是4～10倍流過下游噴射器36的空氣質(zhì)量。在煙道氣接觸N-還原劑時，煙道氣中低的CO濃度改善了N-還原劑的效果，這是由于降低了CO與NOx之間對在SNCR NOx化學還原中起關鍵作用的活性物質(zhì)的競爭。
N-還原劑噴射器38可以是位于一根貫穿下游噴射器36的噴管48末端的一個噴嘴。這噴管的輸入端，即噴嘴38的對面，與N-還原劑源相連接?？梢杂卸鄠€用作N-還原劑噴射器的還原劑噴嘴和噴管放置在上部箱內(nèi)并沿著容器11的壁板20分布。可將N-還原劑噴射器放置在與燃燒中止區(qū)中煙道氣所要求的溫度相符的容器11的部位上。例如，還原劑噴射器38可以放置在煙道氣溫度為1700～2500°F的部位上。N-還原劑噴射嘴38可將N-還原劑的小液滴或氣體噴射到燃燒中止區(qū)中。小液滴向已燃氣體釋放N-還原劑的速度要快于大液滴。
小規(guī)?，F(xiàn)場試驗已證實，已燃氣體中的CO對SNCR NOx化學還原有著負作用。已經(jīng)證明，在已燃氣體中存在百萬分之2000(ppm)CO就能有效地消除利用噴射N-還原劑來實現(xiàn)NOx的還原。例如，在300KW(千瓦)圓筒形燃煤加熱爐中進行的小規(guī)模現(xiàn)場試驗表明，當煙道氣中沒有CO時，N-還原劑使已燃氣體中的NOx降低6～25％。但是，當煙道氣中的CO含量達2000ppm時，由N-還原劑引起的NOx還原作用變得很小了。因此，當采用SNCR技術(shù)時，降低已燃氣體中的CO是改善NOx還原作用的一個因素。
典型的鍋爐計算流體動態(tài)(CFD)計算機模擬證實，若要通過向過熱空氣噴射N-還原劑來還原NOx，則進入燃燒中止區(qū)的已燃氣體的溫度應為1700～2500°F。應將呈小液滴的N-還原劑噴射到上述氣體中，而且過熱空氣箱30內(nèi)的二支分開流動的過熱空氣，應提供流過下部艙34的過熱空氣質(zhì)量明顯大于流過上部艙36的過熱空氣質(zhì)量。在過熱空氣箱內(nèi)上游艙和下游艙之間分開流動的空氣質(zhì)量可以高達10∶1，這比例在此意味著流過下部艙的空氣質(zhì)量是流過上部艙的空氣質(zhì)量的10倍。CFD結(jié)果表明，當分開的空氣質(zhì)量比例為4∶1時，能使NOx減少21％，當分開的空氣質(zhì)量的比例為10∶1時，能使NOx減少35％?？梢酝ㄟ^移動上部和下部噴射器中的阻尼器44，或通過凋節(jié)驅(qū)動空氣進入上部和下部噴射器的葉片速度，進行空氣流速的相應調(diào)調(diào)整。
雖然已對與目前被認為是最實用和優(yōu)選實施方案有關的本發(fā)明作了講述，但應明白，本發(fā)明不限于公開的實施方案，正相反，本發(fā)明的意圖是要覆蓋在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)所涉及的各種修正和等效方案。
附表
權(quán)利要求
1.一種降低流過容器(11)的已燃氣體中氮的氧化物濃度的方法，該方法包含以下步驟a)在容器的燃燒區(qū)(12)中產(chǎn)生煙道氣(26)，這煙道氣包含氮的氧化物和一氧化碳；b)將來自第一過熱空氣噴射器(34)的過熱空氣噴射到容器的燃燒中止區(qū)(14)中，以便使煙道氣中的至少一部分一氧化碳氧化；c)將選擇性還原劑和過熱空氣(36)一起，同時噴射到位于第一過熱空氣噴射器下游和一氧化碳氧化區(qū)下游的燃燒中止區(qū)中；和d)使選擇性還原劑與煙道氣發(fā)生反應從而還原氮的氧化物。
2.權(quán)利要求1的一種方法，其中過熱空氣由位于容器旁的過熱空氣箱(30)提供，所述箱有一個定義為第一過熱空氣噴射器的上游噴射器(34)，和一個定義為第二過熱空氣噴射器的下游噴射器(36)，以及一個貫穿下游噴射器的用于噴射選擇性還原劑的噴嘴(38)。
3.權(quán)利要求1的一種方法，其中過熱空氣由位于容器旁的過熱空氣箱(30)提供，所述箱有多個定義為第一過熱空氣噴射器的上游噴射器(34)，和一個其中貫穿著一根用于噴射選擇性還原劑的噴嘴(38)的下游噴射器。
4.權(quán)利要求3的一種方法，其中隔離板(46)將上游噴射器(34)與下游噴射器(36)隔開。
5.一種燃燒容器(11)，它包含一個燃燒區(qū)(12)；一個位于燃燒區(qū)下游的燃燒中止區(qū)(14)；一個位于燃燒中止區(qū)旁的容器壁板(20)上的空氣艙(30)，其中所述空氣艙包含上游噴射器(34)和下游噴射器(36)，和至少一個用來將選擇性還原劑噴射到燃燒中止區(qū)中的還原劑噴射器(38)，其中所述噴射器貫穿下游空氣噴射器。
6.權(quán)利要求5的一種燃燒容器，其中所述噴射器包含一根貫穿下游艙的噴管(40)和一個位于其末端的噴嘴(38)。
7.權(quán)利要求5的一種燃燒容器，其中所述空氣噴射器是一個過熱空氣噴射器(30)。
8.權(quán)利要求5的一種燃燒容器，其中所述下游空氣噴射器(34)是垂直地位于上游噴射器(36)的上方，而下游方向是指向上通過容器的方向。
9.權(quán)利要求5的一種燃燒容器，其中隔離板(46)將上游噴射器與下游噴射器隔開。
10.權(quán)利要求5的一種燃燒容器，其中所述上游噴射器和所述下游噴射器各有一個分別可調(diào)的阻尼器(44)。
全文摘要
一種燃燒容器(11)，它具有一個燃燒區(qū)(12)；一個位于燃燒區(qū)下游的燃燒中止區(qū)(14)；在燃燒中止區(qū)旁有一個過熱空氣箱(30)，在這過熱空氣箱中有一個上游空氣噴射器(34)和一個下游空氣噴射器(36)，和一個用于將選擇性還原劑噴射到燃燒中止區(qū)中的還原劑噴射器(38)，這還原劑噴射器貫穿于下游空氣噴射器中。
文檔編號F23C99/00GK1572358SQ20041004851
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
發(fā)明者L·W·斯旺森, W·周, D·K·莫耶達, R·佩恩 申請人:通用電氣公司