專利名稱：處理加壓流化床反應(yīng)系統(tǒng)的廢氣的制作方法
背景技術(shù)：
與概述本發(fā)明涉及加壓流化床反應(yīng)系統(tǒng)的廢氣的處理方法。本發(fā)明降低了與在高于大氣壓的壓力下在固體流化床中進(jìn)行的加壓流化床燃燒相關(guān)的氮?dú)獾呐懦隽俊?br> 多年來(lái)，工業(yè)發(fā)電廠的排放要求得到詳盡的調(diào)查。生產(chǎn)能源的新方法已經(jīng)建立和商業(yè)化，并以節(jié)約成本的方法不斷增加污染物的捕集裝置和捕集效率。具體地講，人們長(zhǎng)期以來(lái)一直希望發(fā)現(xiàn)節(jié)約成本的方法將氮基污染物包括氮的氧化物NOx和氮的氧化物N2O減至最少。
氮的氧化物可以主要經(jīng)由三種不同反應(yīng)路徑在燃燒過程中生成第一條路徑是游離氧基直接氧化分子氮，生成“熱NOx”。據(jù)目前所知，該反應(yīng)路徑假定按下式進(jìn)行(1a)(1b)“熱NOx”的生成取決于燃燒反應(yīng)中游離氧原子的濃度。游離氧原子僅在高溫條件下生成，已有假定說(shuō)在低于1700K的溫度下，“熱NOx”在總的NOx排出物中的量可以忽略。
第二條路徑是在烴基團(tuán)和分子氮之間的燃料富集區(qū)進(jìn)行反應(yīng)，生成的HCN在燃燒室中氧化，生成“瞬發(fā)NOx””(2a)反應(yīng)(2a)和(2b)的反應(yīng)速率并非與溫度強(qiáng)烈有關(guān)，而是假定僅在低溫，燃料富集的條件下，才有大量NOx經(jīng)這些反應(yīng)中生成。
根據(jù)第三條路徑，燃料中含有結(jié)合于燃料中并在燃燒過程中釋放的氮，生成NO、N2O和N2。部分氮以HCN或NH3的形式與揮發(fā)性物質(zhì)一同釋放出，另一部分氮仍殘留于炭中。
HCN的均相反應(yīng)被認(rèn)為是燃燒過程中生成的一氧化氮(N2O)的主要來(lái)源。反應(yīng)路徑是
由于NOx主要是經(jīng)由含氮化合物或氮本身氧化生成的，反應(yīng)器中氧的濃度對(duì)燃燒過程中NOx的排放具有明確的影響。另一方面，在低的氧濃度下，一些一氧化碳和其它還原劑可能生成，據(jù)知它們用于還原NOx并生成N2。
瑞典專利申請(qǐng)8903891已經(jīng)提議將氨(NH3)注入壓力容器中的加壓流化床反應(yīng)器中。瑞典資料建議在氣體透平之前向加壓容器中的煙道氣中注入氨和氣體透平后向煙道氣中另外注入氨進(jìn)行催化還原反應(yīng)。該資料建議在氣體透平之后和催化還原反應(yīng)之前根據(jù)NOx含量的測(cè)量值另外注入氨。但是該方法以及其它除去加壓流化床燃燒體系中氮基污染物的方法仍有其缺點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)NH3(或類似的還原劑)注入高于大氣壓力(一般在2bar以上，優(yōu)選約2至100bar)的熱煙道氣中時(shí)，大量的NOx將被還原為N2。如果NH3以足夠高的溫度注入，而且NH3在熱條件下的停留時(shí)間足夠長(zhǎng)，不希望出現(xiàn)的副效應(yīng)-例如N2O、CO和NH3排出量的增加-幾乎可以完成避免。如果還原劑與氣體有效地混合，而且之后移動(dòng)緩慢，例如穿過顆粒分離器時(shí)的速率為約1-50cm/s(優(yōu)選約1-10cm/A)，那么這一效果特別好。
本發(fā)明的一個(gè)方面，是提供一種凈化加壓流化床反應(yīng)器系統(tǒng)熱廢氣的方法，其中該反應(yīng)器系統(tǒng)包括壓力容器中的流化床反應(yīng)器、分離廢氣中顆粒的分離器，以及分離顆粒后膨脹氣體的氣體膨脹裝置(如透平)。該方法包括下列步驟(a)將氣體壓縮至高于大氣壓力。(b)將高于大氣壓的氣體送入流化床反應(yīng)器和壓力容器，以使壓力容器中的壓力也高于大氣壓力。(c)在高于大氣壓力下在流化床反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生含有氣體雜質(zhì)和顆粒的熱廢氣。(d)維持高于大氣壓的壓力條件，將廢氣輸送至分離器，用分離器實(shí)現(xiàn)顆粒從廢氣中的分離，產(chǎn)生潔凈的氣體，并將潔凈的氣體輸送至氣體膨脹裝置。和(e)進(jìn)行步驟(d)的過程中，將還原劑引入廢氣，使廢氣中至少相當(dāng)部分的氣體雜質(zhì)有效還原。
廢氣中的氣體雜質(zhì)包括氮氧化物，步驟(e)一般是引入氮氧化物還原劑，優(yōu)選NH4，或含氮化合物、CO、CH4或生成氮的化合物。顆粒分離器一般包括一個(gè)過濾表面，在該表面上生成濾餅，步驟(e)可以在流化床和濾餅之間進(jìn)行，還可以在濾餅和氣體膨脹裝置之間進(jìn)行，或僅僅在濾餅和氣體膨脹裝置之間進(jìn)行。步驟(e)可以在濾餅和氣體膨脹裝置之間的多個(gè)位置上進(jìn)行-例如如果分離器包括多束過濾元件，還原劑可以在與每一束相關(guān)的某個(gè)位置處注入。
典型地，壓力容器包括第一壓力容器，并且分離裝置安裝在位于第一壓力容器之外，而且與之不同的第二壓力容器中(第二壓力容器壓力也高于大氣壓，優(yōu)選在2bar以上)。步驟(d)的操作同樣是降低第一壓力容器和分離裝置之間的廢氣的流速，以使廢氣流經(jīng)過濾裝置時(shí)的速率為流出流化床時(shí)速率的1/10至1/1000。典型的速率降低為廢氣流經(jīng)過濾裝置時(shí)的速率為約1-50cm/s(優(yōu)選約1-10cm/s)。
某些情況下，希望當(dāng)清潔氣體流出或先于流出第二壓力容器時(shí)將還原劑引入，氣體流出第二壓力容器時(shí)的速率顯著增加(至少加倍，一般增至流經(jīng)分離裝置時(shí)速率的約10-1,000倍)，以使得在還原劑引入之后清潔氣體和還原劑立即有效地混合。
步驟(e)也優(yōu)選進(jìn)行，以使得引入的還原劑的量基本上僅僅是實(shí)現(xiàn)氣體雜質(zhì)還原所需的最小量，以不致于大量浪費(fèi)還原劑。由于本發(fā)明提供的加壓條件、低的氣體流率以及在特定位置引入還原劑，這一理想結(jié)果很容易實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，是提供由PCFB(加壓循環(huán)流化床)燃燒器中出來(lái)的含有NOx和顆粒的熱廢氣的凈化方法。該方法采用將顆粒從壓力容器中的廢氣中分離出來(lái)的分離器，該分離器有多組過濾器表面，每個(gè)表面都有一個(gè)清潔側(cè)和一個(gè)臟側(cè)。該方法包括下列步驟(a)將由PCFB燃燒器中出來(lái)的煙道氣引入壓力容器中過濾器側(cè)的臟側(cè)。(b)將固體顆粒從氣體中分離出來(lái)，使在過濾器表面的臟側(cè)形成濾餅。(c)將NOx的還原劑引入與過濾器表面的清潔側(cè)相關(guān)的氣體中。(d)給NOx的還原劑提供在氣體中的最佳停留時(shí)間，以優(yōu)化NOx的還原反應(yīng)。和(e)在步驟(c)和(d)完成后從壓力容器中排出氣體。
如上所述，壓力容器中的壓力一般在2bar以上，優(yōu)選約為5至25bar。即步驟(d)在維持壓力在至少2bar的大于大氣壓力的條件下進(jìn)行。步驟(d)還通過在引入壓力容器之后基本上立即降低氣體的速率進(jìn)一步實(shí)施，以使其速率為引入壓力容器之前氣體速率的約1/10-1/1000；即步驟(d)進(jìn)一步實(shí)施，以使氣體在流經(jīng)過濾器表面時(shí)及步驟(e)之前以約1-50cm/s(優(yōu)選約1-10cm/s)的流率流動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，是提供一種從熱氣體中除去氣體雜質(zhì)和顆粒的系統(tǒng)，它包括下列部件有一個(gè)氣體入口和一個(gè)氣體出口的高于大氣壓力的壓力容器。與氣體入口相連接的PCFB。在入口和出口之間，安裝在壓力容器內(nèi)部的多組過濾器元件，每一個(gè)過濾元件都有一種過濾器表面，其中有一個(gè)濾餅在其上生成，并與氣體入口相連的臟側(cè)，以及一個(gè)與氣體出口相連的清潔側(cè)。和至少一個(gè)注射器，用于將還原劑注入位于過濾表面清潔側(cè)和氣體出口之間的壓力容器中。
該系統(tǒng)還包括降低引入氣體入口的氣體速率的裝置，以使氣體流經(jīng)過濾器表面的速率為約1-50cm/s(優(yōu)選1-10cm/s)。降低氣體速率為的裝置可以包括壓力容器內(nèi)部氣體入口和過濾器元件之間的一個(gè)引入導(dǎo)管，例如提供一個(gè)比氣體進(jìn)入氣體入口前所用導(dǎo)管大得多的體積，以使氣體速率大幅度下降。透平或類似的氣體膨脹裝置也與氣體出口相連。
上述的至少一個(gè)注射器可以包括一個(gè)與每個(gè)過濾元件相連的注射器；和/或一個(gè)在或剛好先于氣體經(jīng)氣體出口流出壓力容器時(shí)將還原劑注入氣體的注射器，氣體出口的構(gòu)造使得氣體流出氣體出口的速率至少加倍，以使還原劑與氣體很好地混合。過濾器元件可以包括任何能經(jīng)受住氣體高溫(典型地總是在300℃以上，可以高達(dá)1200℃)的適當(dāng)?shù)倪^濾器元件；可以使用的適當(dāng)?shù)默F(xiàn)有過濾器元件包括陶瓷燭式過濾器元件和陶瓷蜂窩式過濾器元件，兩者均為常規(guī)型。
在過濾表面上形成的濾餅的合并、高于大氣壓的壓力以及流經(jīng)濾餅時(shí)較小的氣體速率等因素，增加了與還原劑有關(guān)的或與還原劑接觸的氣體雜質(zhì)的停留時(shí)間，延長(zhǎng)了凈化化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間，并且使還原劑與氣體雜質(zhì)有效混合。
本發(fā)明的主要目的是提供一種凈化由高壓流化床反應(yīng)器系統(tǒng)中出來(lái)的熱廢氣的有效方法，特別是以有效的方式從中除去NOx而基本上不增加N2O、CO、或NH3的排放量。由本發(fā)明詳述和所附的權(quán)利要求中可以清楚地看出本發(fā)明的這一目的和其它目的。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是描繪本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案的高溫變壓(HTHP)過濾系統(tǒng)的過濾元件表面的流程圖；圖2是描繪實(shí)施本發(fā)明熱氣體處理程序的示范性壓力容器實(shí)施方案的流程圖；圖3-7是類似于圖2的、描繪實(shí)施本發(fā)明的其它示范性壓力容器的流程圖；和圖8是描繪與實(shí)施本發(fā)明熱氣體處理程序的壓力容器相連的高壓循環(huán)流化床燃燒反應(yīng)系統(tǒng)的流程圖。
附圖詳述在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的加壓流化床燃燒(PFBC)系統(tǒng)的高溫變壓(HTHP)過濾系統(tǒng)1的過濾元件表面中，過濾表面2(見圖1)的安裝方式使加壓流化床反應(yīng)器中出來(lái)的HTHP煙道氣流經(jīng)過濾表面2。過濾表面2必須構(gòu)造成保證耐高溫，至少約300℃，或許高達(dá)1200℃。根據(jù)現(xiàn)有知識(shí)，用于此目的時(shí)優(yōu)選陶瓷過濾表面。本發(fā)明對(duì)高溫條件下的過濾作了詳盡的研究，因此很明顯，相當(dāng)于或優(yōu)于常規(guī)陶瓷的新材料在將來(lái)會(huì)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
當(dāng)氣體流經(jīng)過濾表面2時(shí)，固體材料(顆粒)從煙道氣中分離，以使在過濾表面2上游側(cè)4的煙道氣中所含固體顆粒多于在過濾表面2的下游測(cè)5的煙道氣中所含固體顆粒。因此過濾器表面的臟(上游)側(cè)形成，而下游側(cè)仍保持清潔。由于其分離效果，臟側(cè)的固體趨向于集中在過濾元件的臟側(cè)表面，而且形成一層固體材料3，典型地是指濾餅。
根據(jù)本發(fā)明，煙道氣與氮氧化物還原劑接觸，它基本上與使用系統(tǒng)1在高壓條件下分離固體相關(guān)聯(lián)。通過在流經(jīng)過濾表面2和濾餅3之前將氮?dú)膺€原劑引入(如注入)煙道氣，氮氧化物的還原反應(yīng)由于濾餅3給氮氧化物和還原劑相互反應(yīng)提供另外的機(jī)會(huì)得以增強(qiáng)。以這種方式；氧化氮的有效還原在高壓高溫環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。
某些情況下，可以優(yōu)選將氮氧化物還原劑諸如NH3、供氮?jiǎng)?、CO、CH4或含氮化合物注入過濾表面2的清潔側(cè)5的煙道氣中，作為在過濾表面2之前注入還原劑的附加或替代?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在加壓條件下，過濾表面的優(yōu)選設(shè)計(jì)應(yīng)使得氣體流經(jīng)表面的速率低，例如數(shù)量級(jí)為約1-50cm/s，優(yōu)選約1-10cm/s。這令人驚奇而有利地延長(zhǎng)了氣體和氧化氮還原劑在過濾表面2緊靠清潔側(cè)5的區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)間，并因此使煙道氣中氧化氮化合物的排出在高于大氣壓的壓力條件下(如至少2bar，優(yōu)選約5至25bar)顯著降低。
圖2說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，它表示出一個(gè)高于大氣壓的壓力下處理氣體的系統(tǒng)，包括實(shí)施加壓循環(huán)流化床(PCFB)燃燒器(未示于圖2)熱廢氣處理程序的壓力容器21。將由加壓流化床燃燒產(chǎn)生的含有氣體雜質(zhì)和顆粒的氣體如煙道氣經(jīng)至容器21的第一送氣室24的入口22引入壓力容器21。過濾系統(tǒng)支撐板215將容器21分為兩部分臟側(cè)(24)和清潔側(cè)，如室25，該側(cè)與清潔氣體出口23相連。過濾系統(tǒng)包括多個(gè)在容器21的臟側(cè)24相互垂直分隔的過濾元件210的組群29。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，可以在容器中包含優(yōu)選是水平分隔(未示于圖2中)的幾個(gè)過濾系統(tǒng)。過濾元件210優(yōu)選一端封閉，另一端開口的中空管狀元件，即陶瓷燭式過濾器。每一過濾元件210的開口端與支持系統(tǒng)28相連，與容器21的清潔側(cè)室25相連，因此形成一個(gè)收集流經(jīng)每個(gè)過濾器元件210過濾表面(2)的氣體的送氣室。每一組29有一個(gè)送氣室27，經(jīng)支持系統(tǒng)28與容器21的清潔側(cè)室25相連，使清潔氣體經(jīng)出口23流出容器21。
不純的氣體經(jīng)通至容器21的臟側(cè)24的氣體入口22導(dǎo)入容器21。容器21的構(gòu)造使得容器21中的氣體速率與在連接入口22的導(dǎo)管中相比大幅度下降。入口22中的平均速率可以是容器21中速率的10至1000倍，如，使流經(jīng)過濾器元件210的氣體流速為約1-50cm/s(如1-10cm/s)。
元件210分離顆粒后，條件有利于通過經(jīng)導(dǎo)管211在214、213和212位置注入NOx-還原劑(優(yōu)選NH3)進(jìn)行的NOx的有效還原反應(yīng)。每個(gè)位置214、213和212優(yōu)選位于緊靠收集來(lái)自過濾元件組群29的清潔氣體的送氣室27處。由于有期望的長(zhǎng)停留時(shí)間和基本上無(wú)顆粒的氣體條件(即氣體是清潔的)，位置212-214的條件有利。另外在每一位置注入還原劑的量可以調(diào)整至達(dá)到最小“還原劑逃逸量”(即引入的還原劑量剛好是還原所需量；過量是不希望并要避免的)。
圖3表示出根據(jù)本發(fā)明的壓力容器的另一實(shí)施方案，即在高于大氣壓和高溫條件下實(shí)施熱氣處理程序的容器31。圖3中的參考號(hào)與圖2類似，只是第1個(gè)數(shù)字用“3”代替。
圖3中，將從加壓流化床燃燒器中排出的含有雜質(zhì)的煙道氣經(jīng)通至該容器的第一送氣室34的入口32引入容器31。過濾系統(tǒng)支撐板315將容器31分為兩部分臟側(cè)(送氣室34)和清潔側(cè)；室35(與清潔氣出口33相連)。過濾系統(tǒng)包括過濾元件310的多組群39，過濾元件310在容器的臟側(cè)34垂直分隔安置。過濾元件310優(yōu)選類似于與圖1和2相聯(lián)系的所述元件例如陶瓷燭式過濾器。每個(gè)過濾元件310的開口端與導(dǎo)管系統(tǒng)38有操作上的連接關(guān)系，導(dǎo)管系統(tǒng)38的作用是將送氣室37中的清潔氣體送至容器31的清潔側(cè)室35中。每個(gè)組群39都有一個(gè)經(jīng)導(dǎo)管系統(tǒng)38連接到容器31的清潔側(cè)室35上的送氣室37。
不純凈的煙道氣經(jīng)通至容器31的臟側(cè)34的氣體入口32引入容器31。容器31的構(gòu)造使得氣體在容器31中的速率與在通入氣體入口32的導(dǎo)管中的速率相比大幅度下降。NOx還原劑，優(yōu)選NH3，經(jīng)導(dǎo)管311和注入噴嘴312導(dǎo)入容器31的清潔側(cè)室35。在圖3的實(shí)施方案中，與入口32相連的加壓流化床燃燒反應(yīng)器中的工藝參數(shù)，如用過的燃料，其設(shè)定使得通過剛好在氣體經(jīng)出口33流出容器31之前，在清潔側(cè)室35中注入還原劑的方法，使煙道氣獲得充足的還原條件。在這一方式中，還原劑注射導(dǎo)管311的安裝相對(duì)簡(jiǎn)單。清潔后的煙道氣流出容器時(shí)，其速率快速增加(至少加倍)，使得還原劑引入后立即基本上有效混合。
圖4圖解說(shuō)明了與圖3類似的本發(fā)明的另一實(shí)施方案，但還原劑的注入位置不同。圖4中的參考號(hào)類似于圖3，只是第一數(shù)字用“4”代替。
不純凈的氣體經(jīng)通至容器41的臟側(cè)的氣體入口42引入容器41。容器的構(gòu)造使得容器41中的氣體速率與通入入口42的導(dǎo)管中的速率相比顯著降低。NOx還原劑，優(yōu)選NH4，經(jīng)導(dǎo)管411和注入噴嘴412引入容器41中清潔側(cè)室45中的清潔氣體出口43中。當(dāng)工藝條件允許僅注入清潔氣體出口位置，而且煙道氣有足夠的還原條件時(shí)，圖4的實(shí)施方案會(huì)有其優(yōu)點(diǎn)。煙道氣導(dǎo)出容器41時(shí)，速率快速增加，因此導(dǎo)致基本上與還原劑的注入同時(shí)發(fā)生還原劑和氣體有效的混合。另外，這一構(gòu)造還使得導(dǎo)管411和噴嘴412的安裝和維護(hù)易于進(jìn)行。
圖5圖解說(shuō)明了實(shí)施超過大氣壓力下熱氣體處理程序的容器51。將從加壓流化床燃燒系統(tǒng)出來(lái)的含有雜質(zhì)的煙道氣，經(jīng)通至容器51的第一送氣室54的入口52引入容器51。過濾系統(tǒng)支撐板515將容器分為兩部分臟側(cè)和清潔側(cè)，“清潔”室55與清潔氣體出口53相連。過濾系統(tǒng)包括在支持導(dǎo)管551中垂直分隔的多個(gè)過濾元件510，支持導(dǎo)管551使得氣體能夠從每個(gè)過濾元件510的清潔側(cè)流到容器51的清潔側(cè)室55中。支持導(dǎo)管551懸掛在支撐板515上。正如圖解所示，可以有多個(gè)支持導(dǎo)管551，每個(gè)導(dǎo)管都有幾個(gè)過濾元件510。也可以有幾個(gè)在同一高度環(huán)繞支持導(dǎo)管水平分隔的過濾元件。過濾元件510優(yōu)選具有常規(guī)的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有多個(gè)中空管道或小室貫穿其中，這種結(jié)構(gòu)是薄層多孔互聯(lián)壁整體或部分構(gòu)成，待過濾的氣體在其中流動(dòng)。每個(gè)過濾元件510都與支持導(dǎo)管551相連，其連接方式使得清潔氣體進(jìn)入支持導(dǎo)管551。每個(gè)導(dǎo)管551因此形成一個(gè)收集流經(jīng)每個(gè)過濾元件510的過濾表面的氣體所用的送氣室。
不純凈的煙道氣經(jīng)通至容器51的臟側(cè)的氣體入口52導(dǎo)入容器51。容器的構(gòu)造使得氣體進(jìn)入容器51時(shí)速率顯著下降(如為其先前速率的1/10-1/1000)。NOx還原劑，優(yōu)選NH3經(jīng)導(dǎo)管511在512位置導(dǎo)入。每個(gè)位置512優(yōu)選位于支持導(dǎo)管511的最低部。在位置512存在著還原反應(yīng)的有利條件。在支持導(dǎo)管551中，還原劑可以發(fā)生還原反應(yīng)，然后繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，至到達(dá)清潔側(cè)室55，其中由于室55中存在的空間，停留時(shí)間又有所增加。另外，在每一位置上被注入的還原劑的量，可以調(diào)節(jié)至達(dá)到最小“還原劑逃逸”量。
圖6為另一實(shí)施方案，除還原劑注入位置不同外，它類似于圖5。圖6中的參考號(hào)與圖5類似，但第1個(gè)數(shù)字用“6”代替。NOx還原劑，優(yōu)選NH3經(jīng)導(dǎo)管611和注射噴嘴612引入容器61的清潔側(cè)室65。圖6實(shí)施方案在工藝允許還原劑在清潔氣流出容器61之前，在收集室65中注入的情況下有其優(yōu)點(diǎn)。清潔后的煙道氣流出容器時(shí)，其速率快速增加，因此使還原劑注入后基本上立即有效混合。
圖7表示實(shí)施高于大氣壓的壓力下PCFB燃燒器中出來(lái)的熱氣體處理程序的容器71。將從加壓流化床燃燒系統(tǒng)中出來(lái)的含雜質(zhì)的煙道氣，經(jīng)通至第一送氣室74的入口72引入容器71。容器71內(nèi)部垂直分隔的隔板771。772和773將其分為幾部分75和75’。隔板771-773帶有分隔的開口，這種分隔方式使得基本上垂直的中空過濾件710的裝配件貫穿開口。中空過濾件710因此將室74號(hào)74’相互連接。含有雜質(zhì)的氣體由送氣室74流入過濾件710，經(jīng)每個(gè)過濾元件710的過濾表面流至室75和75’，而固體顆粒則由氣體中分離出，附著在中空分離件710的內(nèi)表面上。氣體經(jīng)導(dǎo)管73’由室75和75’被輸送至氣體出口導(dǎo)管73中。
NOx的還原劑，優(yōu)選NH4，經(jīng)導(dǎo)管711導(dǎo)入在每個(gè)導(dǎo)管73’中的712。在每個(gè)小室75緊鄰處收集來(lái)自過濾元件710的清潔氣體。在每個(gè)位置712處注入還原劑的量調(diào)節(jié)到使得達(dá)到最小“還原劑逃逸”量。這種方式能實(shí)現(xiàn)有效混合，因?yàn)闅怏w在引入氣體出口導(dǎo)管73之前，在導(dǎo)管73’內(nèi)流動(dòng)了一段距離，使流動(dòng)的型式尚未充分發(fā)展起來(lái)。氣體的引入導(dǎo)致又一混合效應(yīng)，因此增強(qiáng)了還原化學(xué)反應(yīng)。
圖8表示了一個(gè)加壓循環(huán)流化床反應(yīng)器系統(tǒng)80。該加壓循環(huán)流化床反應(yīng)系統(tǒng)，即PCFB反應(yīng)系統(tǒng)80，包括氣體壓縮裝置81，如氣體壓縮機(jī)，內(nèi)裝循環(huán)流化床反應(yīng)器83的壓力容器82、旋風(fēng)分離器84和氣體膨脹裝置(如透平)85。氣體壓縮至大于大氣壓的壓力(如2-100bar)，被送至壓力容器82內(nèi)部的流化床反應(yīng)器83，在加壓循環(huán)流化床反應(yīng)系統(tǒng)80中造成大于大氣壓的壓力條件。固體的循環(huán)流化床用本領(lǐng)域已知的方法在流化床反應(yīng)器83中得以維持。來(lái)自循環(huán)流化床中化學(xué)反應(yīng)的熱氣體，挾帶著固體材料進(jìn)入旋風(fēng)分離器84進(jìn)行固體分離。基本上不含大顆粒固體，但含有氣體雜質(zhì)和小顆粒的煙道氣，經(jīng)導(dǎo)管86輸送至壓力容器87中，進(jìn)行熱氣體超大氣壓的處理程序。
壓力容器87可以采取圖2-7中的任一種構(gòu)造。根據(jù)本發(fā)明，氣體處理程序包括將氣體經(jīng)導(dǎo)管86由流化床反應(yīng)器83輸送至大于大氣壓力的壓力容器87中的熱氣顆粒分離裝置88中，從熱氣中分離部分顆粒材料產(chǎn)生清潔氣體，并將清潔氣體輸送至氣體膨脹裝置85中。實(shí)施處理程序時(shí)，氣體雜質(zhì)還原劑如NH3經(jīng)導(dǎo)管89和/或90注入，與熱加壓氣體中的氣體雜質(zhì)反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明，進(jìn)行固體分離時(shí)，煙道氣與氧化氮還原劑接觸。煙道氣在位置89流經(jīng)分離裝置88之前，將氮還原劑注入煙道氣，可使一氧化氮的還原反應(yīng)得以加強(qiáng)。按此方法，在大于大氣壓的壓力和高溫(即約300℃-1200℃)條件下，可實(shí)現(xiàn)氧化氮的有效的還原。在PCFB中(通常)可以有蒸氣產(chǎn)生表面；蒸發(fā)壁結(jié)構(gòu)或管束設(shè)計(jì)，如在爐中；用于控制燃燒反應(yīng)。正常操作時(shí)，壓力不被故意降低，并且在第一和第二壓力下容器82、87之間，氣體溫度通常不被故意降低。一般在容器82和87之間壓力基本上也不被故意降低。
某些情況下，優(yōu)選地將氧化氮還原劑注入分離裝置88清潔側(cè)的煙道氣中，即經(jīng)導(dǎo)管90，代替(或除了)在分離裝置88之前在89注入外。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在大于大氣壓力條件下，過濾表面可以設(shè)計(jì)得使氣體流經(jīng)時(shí)的速率低(如1-50cm/s，優(yōu)選1-10cm/s)。這樣就驚人而且有利地延長(zhǎng)了氣體和氧化氮還原劑在鄰近過濾表面清潔側(cè)區(qū)域的停留時(shí)間，并因此降低了煙道氣中氧化氮化合物的排放量。如果停留時(shí)間增加，注入氨的最佳溫度也有一定程度的降低。因此將還原劑注入分離裝置清潔側(cè)所提供的停留時(shí)間是非常有利的。
在某些情況下，除了將還原劑注入安排在位置89和90進(jìn)行外，為進(jìn)一步注入反應(yīng)器83和/或旋風(fēng)分離器84而提供導(dǎo)管91和/或92有其優(yōu)點(diǎn)。這樣，還原劑的注入可以被控制，使得注入的量和位置可根據(jù)諸如加壓循環(huán)流化床反應(yīng)系統(tǒng)80的負(fù)荷而選擇，以便NOx的最佳停留時(shí)間和還原反應(yīng)在系統(tǒng)80的所有操作條件下都能達(dá)到。
與圖2至8所有實(shí)施方案有關(guān)的過濾元件表面，基本上可與圖1有關(guān)的更為詳細(xì)敘述的過濾元件表面相媲美。
系統(tǒng)80還可以包括其它常規(guī)組件，如安全系統(tǒng)、清洗分離器88的回洗脈沖系統(tǒng)、獨(dú)立的顆粒去除系統(tǒng)(如與顆粒排出94相關(guān)的)等等。
盡管本發(fā)明結(jié)合目前被認(rèn)為最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施方案得以敘述，但應(yīng)該認(rèn)識(shí)到本發(fā)明并不限于公開的實(shí)施方案，與此相反，本發(fā)明意在涵蓋各種包括在所附權(quán)利要求的精神和范疇內(nèi)的各種修改和相當(dāng)?shù)难b置。
權(quán)利要求
1.一種凈化加壓流化床反應(yīng)器系統(tǒng)熱廢氣的方法，其中該反應(yīng)器系統(tǒng)包括壓力容器中的流化床反應(yīng)器、分離廢氣中顆粒的分離器，以及分離顆粒后膨脹氣體的氣體膨脹裝置(如透平)，該方法包括下列步驟(a)將氣體壓縮至高于大氣壓力；(b)將高于大氣壓的氣體送入流化床反應(yīng)器和壓力容器，以使壓力容器中的壓力也高于大氣壓力；(c)在高于大氣壓力下在流化床反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生含有氣體雜質(zhì)和顆粒的熱廢氣；(d)維持高于大氣壓的壓力條件，將廢氣輸送至分離器，用分離器實(shí)現(xiàn)顆粒從廢氣中的分離，產(chǎn)生潔凈的氣體，并將潔凈的氣體輸送至氣體膨脹裝置；和(e)進(jìn)行步驟(d)的過程中，將還原劑引入廢氣使廢氣中至少相當(dāng)部分的氣體雜質(zhì)有效還原。
2.權(quán)利要求1的方法，其中廢氣中的氣體雜質(zhì)包括氮氧化物，步驟(e)是引入氮氧化物還原劑。
3.權(quán)利要求2的所述方法，其中步驟(e)還引入NH3、含氮化合物、CO、CH4或產(chǎn)生氮的化合物作為還原劑。
4.權(quán)利要求2的所述方法，其中顆粒分離器包括過濾表面，濾餅在其上生成，并且其中步驟(e)在流化床和濾餅之間進(jìn)行。
5.權(quán)利要求4的所述方法，其中步驟(e)還在濾餅和氣體膨脹裝置之間進(jìn)行。
6.權(quán)利要求2的所述方法，其中顆粒分離器包括一個(gè)過濾表面，濾餅在其上生成，并且其中步驟(e)在濾餅和氣體膨脹裝置之間的一個(gè)或多個(gè)位置進(jìn)行。
7.權(quán)利要求4的所述方法，其中壓力容器包括第一壓力容器，并且其中分離裝置安裝在第二壓力容器中，該第二容器位于第一壓力容器之外，而且與第一壓力容器截然不同；而且其中步驟(d)的進(jìn)行是為了減小第一壓力容器與分離裝置之間廢氣的流速，以使得廢氣流經(jīng)過濾裝置時(shí)的速率為離開流化床時(shí)速率的約1/10-1/1000。
8.權(quán)利要求4的所述方法，其中壓力容器包括第一壓力容器，并且其中分離裝置安裝在第二壓力容器中，該第二容器位于第一壓力容器之外，而且與第一壓力容器截然不同；而且其中步驟(d)的進(jìn)行是為了減小第一壓力容器與分離裝置之間廢氣的流速，以使得廢氣流經(jīng)過濾裝置時(shí)的速率為約1-50cm/s。
9.權(quán)利要求4的所述方法，其中壓力容器包括第一壓力容器，并且其中分離裝置安裝在第二壓力容器中，該第二容器位于第一壓力容器之外，而且與第一壓力容器截然不同；而且其中步驟(d)的進(jìn)行是為了減小第一壓力容器與分離裝置之間廢氣的流速，以使得廢氣流經(jīng)過濾裝置時(shí)的速率為約1-10cm/s。
10.權(quán)利要求6的所述方法，其中步驟(e)僅在濾餅和氣體膨脹裝置之間進(jìn)行。
11.權(quán)利要求9的所述方法，其中步驟(d)還包括通過使氣體以比排出第二壓力容器時(shí)的速率至少加倍的方式，將清潔氣體由第二壓力容器輸送至位于第二壓力容器外的某個(gè)位置的氣體膨脹裝置中，并且其中步驟(e)是在清潔氣體排出第二壓力容器時(shí)或剛好在此之前引入還原劑，以使還原劑引入之后立即清潔進(jìn)行氣體和還原劑之間的有效混合。
12.權(quán)利要求9的所述方法，其中進(jìn)行的步驟(e)是使引入還原劑的量基本上僅僅是實(shí)現(xiàn)氣體雜質(zhì)還原所需的最小量。
13.權(quán)利要求2的所述方法，其中步驟(e)分多步進(jìn)行。
14.權(quán)利要求2的所述方法，其中分離裝置包括與常用清潔氣體導(dǎo)管相連的多組過濾元件；并且其中進(jìn)行的步驟(e)是將還原劑在每組過濾元件各不相同的位置注入清潔氣體導(dǎo)管。
15.權(quán)利要求2所述方法，其中分離裝置包括多組管狀過濾元件，每組元件都有一個(gè)臟側(cè)和一個(gè)清潔側(cè)，并且其中進(jìn)行的步驟(e)是將還原劑在每個(gè)過濾元件各不相同的位置，在每個(gè)過濾元件的清潔側(cè)注入。
16.權(quán)利要求1的所述方法，其中壓力容器包括第一壓力容器，并且其中分離裝置安裝在第二壓力容器中，該第二容器位于第一壓力容器之外，而且與第一壓力容器截然不同；而且其中進(jìn)行的步驟(d)是為了減小第一壓力容器與分離裝置之間廢氣的流速，以使得廢氣流經(jīng)過濾裝置時(shí)的速率為約-50cm/s。
17.權(quán)利要求1所述方法，其中分離裝置包括多組管狀過濾元件，每組元件都有一個(gè)臟側(cè)和一個(gè)清潔側(cè)，并且其中進(jìn)行的步驟(e)是將還原劑在每個(gè)過濾元件各不相同的位置，在每個(gè)過濾元件的清潔側(cè)注入。
18.權(quán)利要求2的所述方法，其中實(shí)施全部步驟(a)-(e)的過程中，高于大氣的壓力是2-100bar。
19.一種凈化來(lái)自PCFB (高壓循環(huán)流化床)燃燒器的含有NOx和顆粒的熱廢氣的方法。其中采用分離器分離來(lái)自壓力容器中的廢氣中所含顆粒，該分離器有多個(gè)過濾器表面，每個(gè)表面都有一個(gè)清潔側(cè)和一個(gè)臟側(cè)，該方法包括下列步驟(a)將由PCFB燃燒器中出來(lái)的煙道氣引入壓力容器中過濾器側(cè)的臟側(cè)；(b)將固體顆粒從氣體中分離出來(lái)，使在過濾器表面的臟側(cè)形成濾餅；(c)將NOx的還原劑引入與過濾器表面的清潔側(cè)相關(guān)的氣體中；(d)給NOx的還原劑提供在氣體中的最佳停留時(shí)間，以優(yōu)化NOx的還原反應(yīng)；和(e)在步驟(c)和(d)完成后從壓力容器中排出氣體。
20.權(quán)利要求19的所述方法，其中進(jìn)行的步驟(d)是維持壓力容器在至少2bar表壓。
21.權(quán)利要求20的所述方法，其中進(jìn)行的步驟(d)還包括使氣體引入壓力容器后的流速立即降低，以使其值為引入壓力容器之前的氣體流速為約1/10-1/1000。
22.權(quán)利要求21的所述方法，其中進(jìn)行的步驟(d)還包括使氣體流經(jīng)過濾表面至步驟(e)之前，以約1-50cm/s的流率流動(dòng)。
23.權(quán)利要求21的所述方法，其中進(jìn)行的步驟(d)還包括使氣體流經(jīng)過濾表面至步驟(e)之前，以約1-10cm/s的流率流動(dòng)。
24.一種從熱氣體中除去氣體雜質(zhì)和顆粒的系統(tǒng)，包括有一個(gè)氣體入口和一個(gè)氣體出口的高于大氣壓力的壓力容器；與氣體入口相連接的PCFB；在入口和出口之間，安裝在壓力容器內(nèi)部的多組過濾器元件，每一個(gè)過濾元件都有一種過濾器表面，其中有一個(gè)濾餅在其上生成，并與氣體入口相連的臟側(cè)以及一個(gè)與氣體出口相連的清潔側(cè)；和至少一個(gè)注射器，用于將還原劑注入位于過濾表面清潔側(cè)和氣體出口之間的壓力容器中。
25.權(quán)利要求24的所述系統(tǒng)，它還包括為使氣體流經(jīng)所說(shuō)過濾表面時(shí)速率為約1-50cm/s，而降低引入所說(shuō)氣體入口的氣體流速的裝置。
26.權(quán)利要求25的所述系統(tǒng)，其中所說(shuō)的氣體速率減小裝置包括位于所說(shuō)壓力容器內(nèi)的氣體入口和所說(shuō)過濾元件之間的一個(gè)導(dǎo)管和送氣室。
27.權(quán)利要求26的所述系統(tǒng)，它還包括一個(gè)與所說(shuō)氣體出口相連的氣體膨脹裝置。
28.權(quán)利要求24的所述系統(tǒng)，其中所說(shuō)的至少一個(gè)注射器包括一個(gè)與每個(gè)所說(shuō)的過濾元件相連的注射器。
29.權(quán)利要求24的所述系統(tǒng)，其中所說(shuō)的至少一個(gè)注射器包括在氣體經(jīng)所說(shuō)氣體出口排出壓力容器時(shí)或在此之前將還原劑注入氣體的一個(gè)注射器，并且其中所說(shuō)的氣體出口的構(gòu)造使得氣體排出該氣體出口時(shí)其速率至少加倍，以使還原劑與氣體很好混合。
30.權(quán)利要求24的所述系統(tǒng)，其中所說(shuō)的過濾元件包括多組陶瓷燭式過濾元件或多組陶瓷蜂窩式過濾元件。
全文摘要
凈化由加壓流化床反應(yīng)器系統(tǒng)出來(lái)的熱氣體。在超大氣壓力的條件下，熱廢氣經(jīng)過顆粒分離器。在分離器表面生成濾餅，還原劑如NO
文檔編號(hào)F23C99/00GK1148350SQ95192980
公開日1997年4月23日 申請(qǐng)日期1995年3月21日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月22日
發(fā)明者J·伊薩克森, J·科斯吉倫 申請(qǐng)人:福斯特韋勒能源股份公司