專利名稱：提供改善的脲氣化以形成含氨氣體的選擇性催化還原NO_x的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及為各種目的例如NOx選擇性催化還原(SCR)而有效利用脲，且更 具體地說，本發(fā)明涉及將脲進(jìn)料到設(shè)計(jì)用于使所述脲有效且完全地氣化(通過熱解和/或 水解)的室中，從而向SCR單元進(jìn)料。
背景技術(shù)：
存在許多其中可在經(jīng)加熱的氣體流中使用氨的方法。在空氣污染控制的情況中， 實(shí)例有，其中注入有少量氨的煙道氣調(diào)節(jié)，和依賴相對大量的氨的SCR系統(tǒng)。無論在熱氣體 流中需要怎樣的氨，都希望避免氨本身處理的危險和費(fèi)用。已經(jīng)證明，SCR在NOx還原中是高度有效的，且SCR單元可通?？s放到所需尺寸。但 是，SCR單元典型地需要使用氨作為還原試劑，且通常的問題是，儲存氨是困難以和危險的， 尤其是在居民區(qū)。因而，經(jīng)常有效地使用脲和氨產(chǎn)生器(例如Sim等人的美國專利7090810 和Cooper等人的美國專利6077491中所述的)，但如果未正確使用的話，以根據(jù)需要的形式 使脲進(jìn)行充分氣化的能力可引起問題。當(dāng)引入用于這樣的氣化室的脲或者用于其它工業(yè)單元的其它類似化學(xué)品時，設(shè)備 的有效運(yùn)行及不結(jié)垢要求均勻分配和快速地進(jìn)行熱解和/或水解。對于這樣的氣化室的運(yùn) 行來說，在脲的引入之前和之后的熱空氣的適當(dāng)速度的分配是關(guān)鍵的。雖然已經(jīng)提出多孔 板的概念以提供在注入脲之前的均勻流動，從而給脲分配提供所需的氣體模式，但實(shí)際上 這些裝置可導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)脑噭┗亓骰蛟傺h(huán)，這可產(chǎn)生結(jié)殼于多孔板、室壁上或噴嘴附近 的固態(tài)脲，導(dǎo)致結(jié)垢以及相關(guān)的問題。期望避免結(jié)垢，尤其是在噴嘴上的結(jié)垢。目前，需要為了各種目的例如NOx的選擇性催化還原(SCR)而有效利用脲的方法、 裝置和系統(tǒng)，更具體地說，需要能夠?qū)㈦暹M(jìn)料到設(shè)計(jì)用于使所述脲有效且完全地氣化(通 過熱解和/或水解)的室中從而向SCR單元進(jìn)料的氣化裝置、方法和系統(tǒng)。尤其需要這樣的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將脲轉(zhuǎn)化為氨，并仍保持充分控制氨產(chǎn)生且無設(shè)備 結(jié)垢或不使用過多的試劑或不降低污染控制有效性的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了用于在實(shí)際上沒有以大量的形式儲存或處理氨的情況下將氨引入 到經(jīng)加熱的氣體流中的方法。本發(fā)明提供了使脲氣化以降低燃燒氣體中的氮氧化物濃度的方法、裝置和系統(tǒng)。
在一方面中，提供了包括下列步驟的方法將脲進(jìn)料到氣化室中；在通過能夠使 所述脲作為細(xì)小顆?；蛞旱畏峙涞淖⑸淦餮b置引入所述脲的位置的上游，將經(jīng)加熱的氣體 進(jìn)料到所述氣化室中；在所述室中靠近所述注射器裝置提供氣體分配板；在所述氣體分配 板上提供孔的排列和間隔以使所述注射器裝置附近的氣體速度高于所述室壁附近的氣體 速度；和有效地調(diào)節(jié)所述脲和所述經(jīng)加熱的氣體的進(jìn)料速度以使所述脲在離開所述室之前 氣化。優(yōu)選地，所述脲作為水溶液使用。在另一方面中，提供一種裝置，其包括具有頂部、底部和側(cè)壁的氣化室；注射器 裝置，其用于將脲進(jìn)料到所述氣化室中并能夠使所述脲作為細(xì)小顆?；蛞旱畏峙湓谒鍪?內(nèi)；輸送管裝置，其用于將經(jīng)加熱的氣體在所述注射器裝置的上游進(jìn)料到所述氣化室中； 氣體分配板，其位于所述室中且靠近所述注射器裝置，所述板具有有效地使所述注射器裝 置附近的氣體速度高于所述室側(cè)壁附近的氣體速度的孔的排列和間隔；以及氣體排出裝 置，其用于引導(dǎo)來自所述室的含有經(jīng)氣化的脲的經(jīng)加熱的氣體。優(yōu)選地，所述方法和裝置與用于NOx選擇性催化還原的催化劑組合使用。還提供了采用所公開的方法和裝置的系統(tǒng)。在下面描述了本發(fā)明的其它方面和優(yōu)選方面。


結(jié)合到本說明書中并構(gòu)成本說明書一部分的

了目前優(yōu)選的本發(fā)明實(shí)施 方案，而且，所述附圖與前面給出的總體描述以及下面給出的優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述一 起用于解釋本發(fā)明的原理。如所有附圖所顯示的，相同的附圖標(biāo)號表示相同或相應(yīng)的部件。圖1為本發(fā)明方法和系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案的示意性側(cè)視圖。圖2為圖1中所示的系統(tǒng)的示意性俯視圖。圖3為用于圖1中所示系統(tǒng)的優(yōu)選分配板設(shè)計(jì)的俯視圖。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明的描述中，參考了附圖，其中在圖1中示意性地示出了優(yōu)選實(shí)施方案。在 下文中，將對附圖以及這些附圖所表示的方法作簡要描述，且不對美國專利7090810中所 述的各種組件進(jìn)行過度的列舉，該美國專利在此全文引入。術(shù)語“脲”意指包括這樣的試劑，該試劑因在其被加熱時形成氨和HNCO而等同于 于脲，不論該試劑是否在被引入的形式下含有大量的純化學(xué)品脲；但是，該等同于脲的試劑 在其市售形式下典型地含有可測量的脲，因而包含脲?？蓺饣腘Ox-還原試劑有，包含選 自下列成員的那些三聚氰酸一酰胺、三聚氰酸二酰胺、碳酸銨、碳酸氫銨、氨基甲酸銨、氰 酸銨、無機(jī)酸(包括硫酸和磷酸)的銨鹽、有機(jī)酸(包括甲酸和乙酸)的銨鹽、縮二脲、二 縮三脲、氰尿酸、異氰酸、脲甲醛、三聚氰胺、三氰基脲、以及這些物質(zhì)中的任意種的混合物。 不形成HNCO但分解為包括烴的氣體的混合物的其它NOx-還原試劑也是可用的。這類其它 NOx-還原試劑有各種胺以及它們的鹽(尤其是它們的碳酸鹽)，包括胍、碳酸胍、碳酸甲基 胺、碳酸乙基胺、碳酸二甲基胺、六甲基胺、碳酸六甲基胺、以及得自化學(xué)過程的含有脲的副 產(chǎn)物廢料?？梢砸运尫懦龅臒N組分不妨礙NOx-還原反應(yīng)的程度使用具有高級烷基的胺。因此，術(shù)語“脲”意指涵蓋其所有市售和等同形式的脲。典型地，脲的市售形式基本上由脲組成，含有95重量％或更多的脲。該相對純的形式的脲是優(yōu)選的且在本發(fā)明方法 中具有若干優(yōu)勢。其優(yōu)選作為濃度約5% 約70%、最典型約30% 約60%的水溶液供給 到所述過程中。脲也可作為細(xì)碎固體或作為熔體使用。當(dāng)這些試劑中的一些氣化時，反應(yīng) 物氣體也含有可與水反應(yīng)以轉(zhuǎn)化為氨和二氧化碳的HNC0。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，這可在無需 進(jìn)行有堵塞噴嘴及其它設(shè)備的附帶風(fēng)險的NOx-還原試劑預(yù)先水解的情況下容易地實(shí)現(xiàn)。對 于術(shù)語“氣化”，其是指基本上所有脲轉(zhuǎn)化為氣體，不使顯著量的溶解或游離的固體或液體 與SCR催化劑接觸。參考圖1，其顯示了具有氣體入口 12、氣體出口 14、氣體分配板16和注射器18的 氣化室10，其中，所述注射器18用于將通過管線20進(jìn)料的脲水溶液作為細(xì)顆粒(在固體脲 的情況中)或液滴(在液體脲的情況中)的噴霧19引入。通過將圖1和圖2結(jié)合，可知曉 氣體入口 12和氣體出口 14相對于室10的優(yōu)選布置。室10顯示為包括頂板102、底板104 和側(cè)壁106。在圖3中示出了分配板的一種實(shí)施方式的詳情。在該圖中，圖示出了中心孔160以 及較小的孔162和164的八個環(huán)形陣列。中心孔160的尺寸足以允許注射器通過該孔引入 脲并且使脲以防止氣體回流的速度在室10中與經(jīng)加熱的氣體相遇。注射器優(yōu)選與分配板 并列布置。根據(jù)噴嘴設(shè)計(jì)和流速，注射器開口可在該板之上、之下或與該板同一高度。優(yōu)選 地，噴嘴與該板隔開以允許流過孔160，并在注射器18和板16之間流動。在圖中示出了一 組優(yōu)選尺寸。對于該示例性類型和尺寸的孔，脲溶液(35%的溶液)的流速可為約0. 1升/ 分鐘 約10升/分鐘，且氣體流速可為約50立方英尺/分鐘 約1000立方英尺/分鐘。脲注射器18引入細(xì)分散的顆?；蛞旱?。噴霧模式19優(yōu)選設(shè)計(jì)為圓錐形或其它提 供均勻分布的形式?？刹捎萌魏芜m宜的注射器或噴嘴，例如，可利用空氣輔助的、無空氣的 和機(jī)械的霧化器。期望小于500微米、但典型地小于100微米、和優(yōu)選低于50微米的液滴或 顆粒尺寸以快速蒸發(fā)任何水并使脲分解。此外，考慮到容器尺寸，由例如超聲噴嘴產(chǎn)生的小 且慢的液滴可以是比大且快的液滴更合乎期望的。如果期望，可將蒸汽用作霧化流體。脲 進(jìn)料管線20可為脲提供中心通道，并為霧化流體提供圍繞的環(huán)形通道，所述霧化流體可防 止脲在離開注射器18之前在管線20內(nèi)分解。經(jīng)由入口 12進(jìn)入室10的經(jīng)加熱的氣體將通過熱解和/或水解使脲氣化，含有氣 化的脲的氣體經(jīng)由出口 14離開室10。所述氣體優(yōu)選地在至少400° F、優(yōu)選超過500° F、 且更優(yōu)選約600° F 約1300° F(例如約700° F 約1200° F)的溫度下引入到室10 中。所述氣體的溫度以及在離開室10之前的停留時間將有效地實(shí)現(xiàn)充分氣化。進(jìn)入溫度 也應(yīng)足夠高以保持至少約350° F且優(yōu)選至少450° F的離開溫度。來自進(jìn)入的氣體或脲 溶液的水分的存在將促進(jìn)水解，這是期望的但不是必要的。本發(fā)明通過使用具有有效地防 止脲或副產(chǎn)物向噴嘴倒流和噴嘴的固體結(jié)殼的不同尺寸的開口的多孔板進(jìn)行氣體速度限 定(shaping)，提供了改進(jìn)的脲分解室設(shè)計(jì)。作為對離開所述室的固體或液體對下游SCR單元產(chǎn)生損害的可能性的預(yù)防，可采 用元件15。元件15可為篩網(wǎng)、系列擋板或葉片、過濾器等，其設(shè)計(jì)成捕集來自任意來源的固 體或液體。所述元件可任選地含有用于將HNCO或脲或副產(chǎn)物水解為氨的催化劑。在引入脲之前和之后的熱空氣的適當(dāng)速度分布對于分解室10的運(yùn)行是關(guān)鍵的， 并且通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明提供了使脲注入期望的熱空氣流動模式，以實(shí)現(xiàn)有效氣化且不導(dǎo)致噴嘴結(jié)垢及相關(guān)問題的脲的分配。通過使用特別設(shè)計(jì)的多孔板16以及注射器18出 口的適當(dāng)定位，獲得了有效的氣體速度限定，產(chǎn)生了使氣體與注射器附近的脲顆?；蛞旱?的速度幾乎相匹配且在壁106附近提供降低的氣體速度的氣體速度分布。板16上的孔設(shè) 計(jì)以及脲和熱氣體的流動參數(shù)可通過計(jì)算流體動力學(xué)或冷流建模、或者難度更高的試錯法 (trial and error) — 0有利的是，本發(fā)明提供了氣體和液體速度限定，其避免了注射器18附近的回流 區(qū)。過去出現(xiàn)的注射器附近的回流是不期望的，因?yàn)槠淇蓪?dǎo)致液滴沉積在注射器本體上。一 旦有沉積，則試劑固化并隨著時間的推移而積聚。該固體物質(zhì)往往朝著注射器噴霧處生長 并最終干擾噴霧模式，導(dǎo)致可碰撞在室壁上的大顆粒或液滴。在壁上的碰撞在壁上產(chǎn)生固 體沉積物。通過使氣體速度與噴霧速度幾乎相匹配，避免了所述回流區(qū)及其不利影響。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于，速度限定降低了通過室10的氣體流速的大小。均勻的高 氣體速度可降低注射器附近的回流；但是，這將要求更大量的熱氣體，從而提高對加熱和鼓 風(fēng)機(jī)的需求。本發(fā)明優(yōu)選提供壁附近接近零的氣體速度以及在中心的注射器處的高氣體速 度，其中凈減少了所需的氣流量。因此，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可在不增加室的高度的情況下獲 得有效的流速。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于，速度限定使室10中的流動模式穩(wěn)定化。如果氣體僅在注 射器附近進(jìn)料，則注射器附近的回流區(qū)將消失，但下游流動模式將變得不穩(wěn)定。穩(wěn)定的高速 核心不在中央位置，而是移動到更接近于壁，從而提高脲碰撞的可能性。本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)在于，速度限定允許大的注射橫截面積。用于使流動穩(wěn)定的 另一種方法是將室成型為倒置的漏斗狀，以迫使所述核心在中央。但是，這將顯著減小化學(xué) 品注射的面積，從而提高液滴在壁上碰撞的可能性。本發(fā)明避免了該問題并同時提供了大 的注射橫截面積。優(yōu)選地，所述方法和裝置與以下催化劑組合使用用于NOx選擇性催化還原的催化 劑、用于NOx選擇性非催化還原的催化劑、以及用于其它目的如煙道氣調(diào)節(jié)的催化劑等。采用所述方法和裝置的系統(tǒng)結(jié)合有所公開的特征，并納入各種工業(yè)應(yīng)用所需的詳 細(xì)特征。以上說明的目的在于教導(dǎo)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員如何實(shí)踐本發(fā)明。不旨在詳述所有 那些通過閱讀本說明對于本領(lǐng)域技術(shù)人員明晰的各種明顯的調(diào)整和變形。但是，所有這些 明顯的調(diào)整和變形旨在包括在由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。所述權(quán)利要求書 旨在涵蓋有效滿足在此所預(yù)期的各種目的的任意順序的所要求保護(hù)的組件和步驟，除非上 下文有相反的具體說明。
權(quán)利要求
1.對脲進(jìn)行氣化以降低燃燒氣體中氮氧化物濃度的方法，包括a.將脲進(jìn)料到氣化室中，b.在通過能夠使所述脲作為細(xì)小顆?；蛞旱畏峙涞淖⑸淦餮b置引入所述脲的位置的 上游，將經(jīng)加熱的氣體進(jìn)料到所述氣化室中，c.在所述室中靠近所述注射器裝置提供氣體分配板，d.在所述氣體分配板上提供孔的排列和間隔，以使所述注射器裝置附近的氣體速度高 于所述室壁附近的氣體速度，和e.有效地調(diào)節(jié)所述脲和所述經(jīng)加熱的氣體的進(jìn)料速率以使所述脲在離開所述室之前氣化。
2.權(quán)利要求1的方法，其中，所述孔的排列和間隔由計(jì)算流體動力學(xué)或冷流建模確定。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，所述脲作為水溶液引入。
4.權(quán)利要求3的方法，其中，所述水溶液以約5% 約70%的濃度引入。
5.權(quán)利要求1的方法，其中，所述脲作為細(xì)碎固體引入。
6.權(quán)利要求1的方法，其中，在引入所述脲的位置的上游的所述經(jīng)加熱的氣體的溫度 為至少約400° F。
7.權(quán)利要求6的方法，其中，在引入所述脲的位置的上游的所述經(jīng)加熱的氣體的溫度 為約600° F 約1300° F。
8.權(quán)利要求1的方法，該方法進(jìn)一步包括使含有氣化的脲的所述氣體通過設(shè)計(jì)用于捕 集來自任意來源的固體或液體的元件，所述元件如篩網(wǎng)，系列擋板或葉片，過濾器等。
9.權(quán)利要求7的方法，其中，所述元件含有用于將HNCO或脲或副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為氨的催化劑。
10.權(quán)利要求1的方法，該方法包括使來自所述氣化室的氣體通過有效地用于NOx的選 擇性催化還原的催化劑的步驟。
11.一種裝置，其包括a.具有頂部、底部和側(cè)壁的氣化室，b.注射器裝置，其用于將脲進(jìn)料到所述氣化室中并能夠使所述脲作為細(xì)小顆?；蛞旱?分配在所述室內(nèi)，c.輸送管裝置，其用于在所述注射器裝置的上游將經(jīng)加熱的氣體進(jìn)料到所述氣化室中，d.在所述室中靠近所述注射器裝置的氣體分配板，其具有有效地使所述注射器裝置附 近的氣體速度高于所述室側(cè)壁附近的氣體速度的孔的排列和間隔，和e.氣體排出裝置，其用于引導(dǎo)來自所述室的含有經(jīng)氣化的脲的經(jīng)加熱的氣體。
12.采用所公開的方法和裝置的系統(tǒng)。
13.用于使脲氣化的方法，包括a.將脲進(jìn)料到氣化室中，b.在通過能夠使所述脲作為細(xì)小顆?；蛞旱畏峙涞淖⑸淦餮b置引入所述脲的位置的 上游，將加熱到至少400° F的氣體進(jìn)料到所述氣化室中，c.在所述室中靠近所述注射器裝置提供氣體分配板，d.在所述氣體分配板上提供孔的排列和間隔，以使所述注射器裝置附近的氣體速度高于所述室壁附近的氣體速度，和e.有效地調(diào)節(jié)所述脲和所述經(jīng)加熱的氣體的進(jìn)料速度以使所述脲在離開所述室之前氣化。
14.權(quán)利要求11的方法，其中，所述孔的排列和間隔由計(jì)算流體動力學(xué)或冷流建模確定。
15.權(quán)利要求11的方法，其中，所述脲作為水溶液引入。
16.權(quán)利要求13的方法，其中，所述水溶液以約5% 約70%的濃度引入。
17.權(quán)利要求11的方法，其中，所述脲作為細(xì)碎固體引入。
全文摘要
本發(fā)明公開了能夠?yàn)楦鞣N目的(例如NOx的選擇性催化還原(SCR))而有效地利用脲的方法和裝置，其能夠?qū)㈦暹M(jìn)料到設(shè)計(jì)成使脲有效且完全地氣化的室中以能夠獲得氨進(jìn)料。優(yōu)選地，將水性脲進(jìn)料到氣化室中，所述氣化室還進(jìn)料有經(jīng)加熱的氣體。能夠使水性脲作為細(xì)小液滴分配的注射器裝置定位于所述室中的氣體分配板的中心。氣體分配板上隔開的孔的排列使注射器裝置附近的氣體速度高于所述室壁附近的氣體速度。獲得了均勻的氣體分配且設(shè)備不結(jié)垢。
文檔編號B01D53/56GK102105208SQ200980129310
公開日2011年6月22日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月27日
發(fā)明者威廉.H.桑, 約翰.M.博伊爾, 羅納德.A.勞 申請人:燃料技術(shù)公司