專利名稱::降低燃燒廢氣中氧化氮含量的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
:本發(fā)明涉及一種降低燃料燃燒時產(chǎn)生的含氧廢氣中的氧化氮含量的方法及設(shè)備。本發(fā)明具體涉及一種方法及設(shè)備,將一種有載氣的含氨處理氣體注入煙道氣中,不用催化劑便可降低廢氣中的氧化氮含量。燃料燃燒時使用的空氣過多,大氣中的氮便會被氧化為氮的各種氧化物,尤其是NO和NO2,一般稱為熱生NOx。此外,NOx可由燃料中的含氮化合物氧化而形成(燃料NOx),例如,燃燒煤、天然氣和生命體(biomass)等時形成。氧化氮有害,廣泛的研究工作在不斷進行著,目的是提高降低向大氣排放的廢氣中氧化氮含量的技術(shù)。但是這些努力尚未有完全令人滿意的成果。選擇性無催化劑還原法(即SNR法)的基礎(chǔ)是用NH3將NOx還原的總反應(yīng)方案,生成可向大氣排放而不造成不利效果的N2及H2O。但是在煙道氣中常見的復(fù)雜情況下,不利于直接進行HN3與NOx的反應(yīng),關(guān)于這點,科學(xué)家們提出了可能有多至99種基本反應(yīng)(參看米勒(Miller)等人文章,“燃燒與火焰43”,1981版,第81-98頁,以及《燃燒科學(xué)及技術(shù)》,第34卷第149-176頁(1983版))。可用的反應(yīng)方案的復(fù)雜性的一個示例,用下圖中的一個理論模型表示(參閱里昂等人(Lyon)文章《NH3氧化的動力學(xué)及機理;第19次(國際)燃燒學(xué)討論會;燃燒學(xué)會(1982)》)。根據(jù)這個模型,初始反應(yīng)階段是將NH轉(zhuǎn)變?yōu)镹H2根,反應(yīng)由OH及O根觸發(fā)。該初步反應(yīng)階段后來已由其他科學(xué)家肯定(參閱羅德及萊服斯(Lodder及Lefers)文,原載《化學(xué)工程雜志》,第30期(1985年)第161頁),于是今天的一個普遍的觀點,是假如使NH2根的形成加速,則NO的還原和NH3的氧化都可加速。此外,在本領(lǐng)域中已熟知,SNR法對溫度非常敏感,只在非常窄的溫度范圍內(nèi)進行。在各種因素中,尤其取決于NH3與NOx在950-960℃范圍內(nèi)的克分子比。如溫度過高,NH3可能氧化為NOx,與預(yù)期結(jié)果相反,如溫度過低,則可能將NH3隨煙道氣無變化地輸送,使氨有不利的損失。因此,應(yīng)理解為使實用鍋爐及任何其他燃燒設(shè)備中的SNR過程最佳化,要求將含氨的處理氣體,從燃燒室引入煙道氣管中的一個非常窄的區(qū)域,在該區(qū)域中的煙道氣溫度約為950-960℃。在這方面,最佳溫度區(qū)與燃燒室的距離的變化,決定于許多因素,從而更加復(fù)雜。第一個是負荷因素,因為全負荷時,最佳溫度區(qū)應(yīng)比部分負荷時更加遠離燃燒室。另一因素是換熱器表面,或設(shè)備的冷卻表面,包括煙道氣管內(nèi)表面,這些表面放熱,從而造成煙道氣流橫向區(qū)域中的溫度分布圖的變化。第三個因素是過剩的空氣,和燃料中的氮含量,因過??諝庾兓约叭剂虾趿孔兓瘯r,最佳溫度區(qū)的位置也變化。此外,煙道氣的NOx含量在各種條件中尤其取決于溫度條件,在煙道氣流的橫向上變化。此外,最佳溫度區(qū)的位置,還與具體設(shè)備相關(guān)。將各種添加劑引入含氨處理氣體中,最佳溫度范圍便被向下移,例如,參閱羅德及萊服斯的以上引文。根據(jù)這個文獻,已發(fā)現(xiàn)將天然氣CH和CO引入NH中,可能將最佳溫度范圍下調(diào)150-200℃。有類似效果的多種其他添加劑已由杜奧文里(DuoWenli)研究過,參閱《第23屈國際燃燒討論會記錄》,1991年7月22-27日在法國奧爾良大學(xué)燃燒學(xué)會舉行??稍诤碧幚須庵刑砑舆@種添加劑,其目的是調(diào)節(jié)處理氣的成份,使之可在有最利降低NOx含量的溫度條件的地點引入。在實際應(yīng)用的鍋爐設(shè)備的情況下,一般不可能在任何理想地點注入處理氣體,這是因為設(shè)備的構(gòu)造限制了可用于放置處理氣必須的供給管的位置。具體而言,在現(xiàn)有的設(shè)備中,選擇具有最佳溫度條件的引入處理氣的區(qū)域其可能性受到嚴格的限制。在美國專利第4,115,515號中,討論了上述的某些復(fù)雜情況,該專利公開了一種裝置,其中包括若干平行伸展的格柵,帶有噴射孔或噴射嘴,處理氣可從其中通過,射入煙道氣中。這些格柵可能為兩個,其配置方式為使一個柵格位置與燃燒室有一段距離,在該距離上,假設(shè)煙道氣的溫度在900-1000℃范圍內(nèi),而有另一個格柵,其位置距燃燒室較遠些,在該距離上可假定煙道氣的溫度在700-900℃范圍內(nèi)。從而可將一種僅含氨作還原劑的處理氣引入高溫區(qū),而將除氨外還含有另一種還原劑的處理氣引入低溫區(qū)。還包含一種惰性載氣的處理氣,藉助噴孔被引入,逆著煙道氣流流動,從而當形成處理氣的“氣幕”(blanket)時,可在煙道氣的全部橫斷面中使煙道氣迅速混合。為了在煙道氣流的流動方向上補償煙道氣橫斷面中的溫度分布的變化,人們提議使用并控制特制的岐管,便可避免通過噴口噴出的處理氣的溫度高于1000℃,或低于700℃。美國專利第4,115,515號公開的先有技術(shù),不可能改變處理氣輸入點的實際位置,因此不能肯定在煙道氣管中制作的格柵,其位置是否在處于最佳溫度范圍的區(qū)域之中,而可能隨上述因素變化。有人提出,為相對最佳溫度區(qū)調(diào)節(jié)位置,可將這種或其他類的格柵上下移動。但在實際運作中,設(shè)計能耐受連接燃燒室的煙道氣管中主流溫度及環(huán)境條件的耐用活動裝置,是非常復(fù)雜的。增加格柵數(shù)目或其他供料裝置的數(shù)目,便較易使處理氣供入?yún)^(qū)適合最佳溫度條件,但這種解決辦法非常昂貴。并且,使用可用于補償處理氣供入?yún)^(qū)非最佳移位的添加劑,使成本增高,注射這種添加劑使技術(shù)過程復(fù)雜化,并且NOx的還原情況不能向在最佳溫度條件中僅注射氨的NOx還原情況看齊。德國專利申請公開第3,606,535號公開了一種降低廢氣流中氧化氮含量的方法和設(shè)備,將含氨處理氣通過噴射管隨廢氣流注入,這些噴射管具有噴嘴,在廢氣流中配置在溫度低于950℃的地點上,設(shè)想該溫度是降低氧化氮含量的最佳溫度。這種結(jié)構(gòu)不設(shè)調(diào)節(jié)廢氣流中的引入?yún)^(qū)設(shè)施,使之適應(yīng)最佳溫度區(qū)位置可能的轉(zhuǎn)移。本發(fā)明提出一種用于降低燃料燃燒時產(chǎn)生的含氧廢氣中的氧化氮含量的方法,其中,將含氨和載氣的處理氣注入廢氣流中,該方法的特點在于將處理氣作為逆廢氣流的噴流,其速度足以使處理氣噴流,以射束的形式穿過廢氣流一個預(yù)定的行程長度。本文中的含氧廢氣,指的是有剩余空氣的燃料燃燒中產(chǎn)生的任何廢氣。廢氣一般含氧占體積的百分之4至10,具體在5%至7%之間,更具體為約6%。廢氣可由任何型式的燃燒產(chǎn)生,無論燃燒是在移動式或靜止式設(shè)備中進行的,也無論燃燒的目的。燃料可以是任何可在空氣中燃燒的物質(zhì),例如煤、油、褐煤、泥炭、生物體或天然氣等固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料。本文中的含氨處理氣,應(yīng)理解為包括含有氨、產(chǎn)氨母體或氨的衍生物的處理氣,可在相關(guān)的條件下釋放氨,其形式為經(jīng)適當激發(fā),可產(chǎn)生NH根。氨的這種衍生物的實例為硫酸氨和亞硫酸氨,可通過將溶液在處理氣中霧化將其引入廢氣中。將處理氣作為噴流,逆廢氣流向注入,處理氣可作為噴束那樣輸入,在有控制下穿透廢氣流,達到在當時條件下的最佳溫度范圍內(nèi)的區(qū)域。達到該區(qū)時,噴流將失去動量,從而使其在廢氣中被混合,以利發(fā)生要求氧化氮的還原。假如由于上述的任何因素,最佳溫度范圍區(qū)轉(zhuǎn)移,可將噴流按不同速度引入,在噴流失去動量以前,使其以不同行程長度穿透廢氣流,與廢氣混合。本文中的噴流,指的是一個集中的窄束狀噴流,可以穩(wěn)定的流型逆廢氣流動一個預(yù)定的行程長度。根據(jù)本發(fā)明的一個理想實施方案,處理氣通過若干在廢氣流橫斷面上分布、與廢氣流的流向垂直的噴流注入。這樣便可能將廢氣在廢氣流的全部斷面上均勻分布,每一噴流按一定流速噴入,使之可穿透廢氣,達到要求的區(qū)域,在該區(qū)中噴流將失去動量,而在廢氣流中均勻分布。根據(jù)另一實施方案,可將噴流按不同速度噴入,使各噴流穿透廢氣流不同的長度。這樣便可能使噴流各有特定形式,以適應(yīng)廢氣流斷面上變化的溫度。廢氣流斷面上的溫度分布有變化,這是由于熱量向廢氣流管道的內(nèi)表面以及向配置在管道內(nèi)的任何換熱器表面消散造成的??咳舾蓢娏靼床煌俣葒娙胩幚須庵?,也可能在廢氣流的任何斷面上,有利于使噴流適合NOx含量的分布型式。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案,可在不同階段沿廢氣流注入噴流,使各階段中的廢氣流的整個橫斷面上的溫度變化和NOx含量變化得以補償,而各噴流的注入基本等速度。關(guān)于這些調(diào)節(jié)設(shè)施的細節(jié),下文中將就本發(fā)明設(shè)備的理想實施方案的詳細說明詳細討論。從前面的說明中可明顯地看出,本發(fā)明方法很大程度上消除了現(xiàn)有技術(shù)方法所固有的缺點。由于噴流具有一定的速度,處理氣可被輸送到不同的距離處,以便正好達到有降低氧化氮含量的最佳條件的區(qū)域。如前面已提及,噴流的速度應(yīng)足以使處理氣作為流束穿透廢氣流預(yù)定的行程長度。該速度應(yīng)足夠大,以形成穩(wěn)定的束狀窄噴流。該速度還應(yīng)足夠使注入的處理氣具有一定的動量,足以以流束逆流穿透廢氣流要求的行程長度,從而使處理氣的主要部分僅在達到有理想溫度的區(qū)域時才在里面混合。廢氣的速度可隨設(shè)備不同而變化,典型在20至30米/秒范圍內(nèi)。為得到足夠的穿透力,最好處理氣的噴射速度最低為75米/秒理想最低速度為100米/秒,更理想最低速度為200米/秒。用本發(fā)明的方法,用超聲速注射處理氣,例如約為344-700米/秒,已取得令人滿意的結(jié)果。速度為370米/秒時,大致圓柱形處理氣流束,可穿透速度約20至30米/秒的逆向廢氣流4至5米。用噴嘴提供噴流,靠調(diào)節(jié)壓力便可很易調(diào)節(jié)速度,下文中將更詳細敘述。據(jù)信,將束狀噴流形式的處理氣體注入并穿透廢氣流一個預(yù)定的行程長度,對產(chǎn)生NH2根的可能性有有利效果,據(jù)信產(chǎn)生NH2根對有效減少氧化氮很重要。當處理氣在噴流束中短時駐留時,有熱廢氣包圍,處理氣被加熱,大致達到廢氣的溫度,從而形成游離根,甚至在處理氣接觸NOx分子前,已可能觸發(fā)NH3轉(zhuǎn)變?yōu)镹H2根。觸發(fā)這種轉(zhuǎn)變的游離根的實施例是OH及O根,據(jù)信最重要的反應(yīng)如下M表示所謂的第三體,即可吸收動量和能量的惰性分子。這些反應(yīng)式說明處理氣中存在有氧,便可能按公式(1)形成O根;便可按公式(3)與氨結(jié)合,形成NH2及OH根。這種OH根可與氨反應(yīng),形成NH2根及H2O。因此,據(jù)信一種含氧的載氣和一個第三體,有利于在處理氣與煙道氣接觸前,形成游離NH2根。這已在試驗環(huán)境大氣中的空氣是否適合作載氣的結(jié)果中證明,大氣中的氮可作第三體。根據(jù)反應(yīng)式(2),H2O也可形成游離OH根,然后可以之與氨反應(yīng),形成NH2根,這證明了在實施本發(fā)明的方法時,蒸汽也是適當?shù)妮d氣。溫度大致超過1050℃時,可按下式將氨氧化因此,將處理氣輸入廢氣溫度肯定低于1050℃的區(qū)域是重要的。采用本發(fā)明的方法可對此作保證。上述可能形成游離根的理論,不應(yīng)理解為是對本發(fā)明有任何方面的限制,但相信是解釋了用本發(fā)明的方法取得特別有效的減少氧化氮的可能性。以此與上述的美國專利第4,115,515提出的方法相比較,該先有技術(shù)的文獻提出,作處理氣使用惰性載氣,則注入時便馬上與廢氣混合。因此,似乎僅在將處理氣注入廢氣后,即在NH3還可能與廢氣中各種成份作竟爭反應(yīng)的階段中,各種NH2根才形成。動力載荷降低時,最佳溫度區(qū)向燃燒室,即廢氣流向的上游靠近。使用本發(fā)明的方法時,增高噴流噴入速度,便可能補償這種移動。另一種補償對策,是噴入添加劑,諸如天然氣、二甲胺、乙烷、甲烷或其他現(xiàn)有技術(shù)中的已知添加劑(參閱上文引述之杜奧文里文),造成相當于最佳溫度區(qū)順廢氣流向遷移的最佳溫度范圍下降。這些添加劑可隨處理氣注入,或作為單獨噴流隨載氣噴入。使用本發(fā)明的方法時,一般不希望使用添加劑,因為有使過程復(fù)雜化的傾向,而取得的NOx的減少并不及理想。雖然在關(guān)于本發(fā)明的方法的敘述中,包括將處理氣逆廢氣流向噴入,但不應(yīng)理解為處理氣噴入方向只與廢氣流向正對。也可將處理氣斜角射入,即僅一部分與廢氣方向相反,也可實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的和取得優(yōu)點,這種形式的噴射也可認為包括在本發(fā)明內(nèi),因?qū)儆趶U氣流的逆流。在本發(fā)明中假如發(fā)現(xiàn)有利于取得理想效果,還可將輔助處理氣相對于廢氣流從另一方向注入,例如垂直穿過,或?qū)⑵淙炕虿糠峙c廢氣順流??筛鶕?jù)需要的NOx還原的程度、廢氣流量、廢氣中的NOx含量以及載荷因素等這些關(guān)系最大的因素,對處理氣的含氨量進行調(diào)節(jié)或控制。NOx的還原,隨處理氣中氨含量的增高而增加,直到NH3與NOx的克分子比達到約為2,克分子比再增高對NOx的還原的提高很少。在另一方面,NH3注入量的增高,隱含著未反應(yīng)氨的逸出的可能性。本發(fā)明的方法可以控制,靠保持NH3與NOx的克分子比約在1至3范圍內(nèi),以1.5至2.0為理想,最理想為約1.6,則可使得向周圍環(huán)境逸出的氨保持最低。假如考慮的NOx的最大還原量為主要目的,則NH3/NOx克分子比以接近上限為理想,例如克分子比在2與3之間,在這種情況下可將未反應(yīng)氨清除,以免向周圍環(huán)境逸出,例如將廢氣冷卻,并使氨與廢氣中的SO2或SO3反應(yīng),形成亞硫酸氨或硫酸氨,可將其由洗滌塔清除,或用本領(lǐng)域常見的方法,隨同過剩的氨過濾清理,從而可將其回收作再循環(huán)用。假如載荷下降,則應(yīng)加長噴流行程,意味著需增高噴流速度。意即增高處理氣注入速率,而以降低處理氣的氨含量作補償。在典型實例中,廢氣可含NOx500至600ppm。在該實例中,處理氣中的理想含氨量,應(yīng)約為3-9體積百分數(shù),以約6體積百分數(shù)較理想。理想的添加劑為天然氣,理想的量約為2-6%(體積),較理想為約4%(體積)。天然氣的注入量與NOx的克分子比,應(yīng)以0-3為理想,0.9-1.1更理想,而最理想約為1.0。本發(fā)明還提出一種用于燃料燃燒的設(shè)備,它包括一個用于減少含氧廢氣中的氧化氮含量的裝置,并包括將有載氣的含氨處理注入廢氣的裝置,該設(shè)備的特點為該注射裝置具有噴嘴,用于將處理氣的噴射流,逆廢氣流向注入,該噴嘴與含氨處理氣的供給管連接。于是,有效反應(yīng)區(qū),即處理氣與廢氣混合的區(qū)域,將與噴嘴有一段距離。因此可將噴嘴布置在煙道氣管的一段上,該段的溫度低于在反應(yīng)區(qū)中的管段。在本發(fā)明的理想實施方案中,設(shè)有裝置以控制載氣壓力,并設(shè)有裝置以控制氨的壓力。于是,無論注入的載氣的量如何,可將氨的劑量調(diào)節(jié)到理想數(shù)值。設(shè)置單獨的裝置以控制載氣壓力,便可能按選定的壓力,隨通過噴嘴產(chǎn)生的速度變化,產(chǎn)生不同長度的噴流。這樣便提供了控制處理氣與廢氣混合的區(qū)域的幾何位置的最適當?shù)目赡苄?。還可能將混合區(qū)移動,使之永遠處在有最有利的溫度范圍的區(qū)域中,甚至當該區(qū)域隨燃燒設(shè)備中當時的載荷因素變化而位置有變化之時。在本發(fā)明的一個理想實施方案中,設(shè)有裝置分別控制至少一種添加劑的壓力。如以上所述,在某些情況下,添加劑可能有利于降低NOx還原的最佳溫度范圍。這些添加劑可隨處理氣噴入,或另外用單獨的噴嘴載氣噴入,單獨的噴嘴與主處理氣噴嘴的類型相似。在一個理想實施方案中,噴嘴上形成一個圓錐形約束區(qū),頂角約為5至20度,最好為8至14度。圓錐形約束區(qū)長度可為50至100mm,最好為60至80。通過這種結(jié)構(gòu),從噴嘴強制出來的氣體,因進出口側(cè)的壓力差異便在通過約束區(qū)時逐漸加速,從而噴流的噴出速度超過氣體介質(zhì)中的音速,例如在空氣中約達700米/秒,這速度在壓力差為1至3巴時可達到。噴嘴孔在噴嘴口的最窄部分中形成,有一個短段,例如長2至10mm,最好為4至6mm長,其孔為圓柱形。圓柱形孔有制造較簡單的優(yōu)點。但在性能上則有缺點。噴嘴孔外面的噴氣流傾向于膨脹,假如噴嘴的進口側(cè)出口側(cè)的壓力差超過臨界比率,對于實際應(yīng)用氣體一般約為1-7,便可能導(dǎo)致形成渦流、旋渦和壓力的不規(guī)則波動。將噴嘴孔形成略帶圓錐形的擴張,頂角在1至10度之間,最好在1至2度之間,流型的上述不穩(wěn)定性便可避免。這樣使噴流較穩(wěn)定,帶有銳邊,從而在噴流與周圍介質(zhì)混合前,行程可達到最大的長度。將沿表面的噴流混合保持最少特別重要。在一個理想實施方案中,將噴射器安裝在噴射器支持管中,支持管又作載氣導(dǎo)管,包圍或結(jié)合用作含氨氣體引導(dǎo)管的較細的管子。載氣和含氨氣在噴嘴中混合。這樣進行了注射前的各種成分的最佳混合,使載氣壓力與氨的劑量可有最佳的控制反應(yīng),并保證各不同噴射器噴出均勻的相等劑量。輸送氨的包圍管有屏蔽,防止通過側(cè)壁受熱。噴射器支持管及噴射管的最好制造材料,應(yīng)具有高溫穩(wěn)定性,例如AvestaZ53MA型鋼材。在一種理想方案中,一個噴射器支持管包圍若干小管,各供給一個噴射器或一小組噴射器,并且各具有單獨的可控含氨氣供源。這樣可使噴射器有比較簡單的分段,使氨的劑量可在各分段中分別控制,使之可調(diào)節(jié)劑量,以適應(yīng)整個煙道氣管中不同的條件,例如NOx的含量變化。在一種理想實施方案中,噴射器的布置,當燃燒設(shè)備作全載荷運轉(zhuǎn)時,應(yīng)使每一噴射器的噴流可逆廢氣流穿透廢氣流,以達到廢氣溫度范圍為950℃到960℃的區(qū)域。這樣可保證NOx還原的最佳條件,同時可將噴射器配置在溫度較低于NOx還原最佳溫度的煙道氣的管段中,這意味著可稍微降低加在噴射器及噴射器支持管上的熱應(yīng)變。在一個理想實施方案中,將噴射器煙道氣管沿著一個橫貫煙道氣管的形狀或輪廓布置,以適應(yīng)廢氣流中恒定溫度的輪廓形狀。因此,甚至在通常的橫過煙道氣管的溫度分布有變化的情況下,在煙道氣管的全部斷面中可有最佳的反應(yīng)條件。下文將參照附圖對本發(fā)明作較詳細敘述。如下圖1為通過發(fā)電設(shè)備鍋爐各部分的垂直縱剖視圖,圖2示出沿圖1中線2-2的水平剖視圖,圖3示出沿圖2中線3-3的垂直橫剖視圖,圖4示出通過噴射器支持管的垂直縱剖視圖,圖5為噴射器管部件的局部側(cè)視圖,圖6為噴射器支持管垂直橫剖視圖。全部附圖均為概示圖,不按比例,僅示出理解本發(fā)明所必要的部件,其他部件則省略。全部附圖中,相同元件有相同的標號。首先參看圖1,圖中示出用標號1表示其整體的鍋爐,鍋爐用于發(fā)電設(shè)備或類似的動力設(shè)備中。圖中左下方示出一燃燒室2,帶有燃燒器3,供引入燃料及空氣的混合物。燃燒室2由耐熱外壁5和一個隔壁圍成,一般用耐火磚和用內(nèi)有冷卻管的壁板按公知方式砌出。燃燒產(chǎn)生的廢氣通過大致垂直的煙道管4上升,經(jīng)過煙道氣管4的上部,通過隔壁7上的孔9,進入向下的煙道氣管10,然后通過大致水平的煙道氣管段11。隔壁7將向上的煙道氣管4與向下的煙道氣管10分隔開,兩個管由外壁5和耐火隔熱材料制成的頂板50包圍,頂板50按公知方式設(shè)有內(nèi)冷卻板。廢氣在其行程中與若干換熱器板相遇,從而在煙道氣達到水平管11前,其中的熱可傳遞到諸如蒸汽或水等其他介質(zhì)中。在向上的煙道氣管4的上部,配置有多個懸垂的換熱器板,這些換熱器板一般用作過熱器板12、13。在向下的煙道氣管10中,廢氣通過多個換熱器表面,圖1象征表示配置在過熱器板后面的蒸發(fā)器環(huán)管14,然后在蒸發(fā)器環(huán)管14后面配置一個預(yù)熱器環(huán)管15。如上所述,壁5和隔壁7中還包括多個成一體的換熱器管,有雙重的目的,其一是保持壁內(nèi)的溫度低至對元件安全的水平,以對壁作保護,另一目的是回收在這些表面中消散的熱。隔壁7在煙道氣孔9下面一個區(qū)域中的一部分,有格柵形式放置的管子,稱為格屏8,由輸送冷卻介質(zhì)的管子構(gòu)成,互相間有通孔。在實際使用的設(shè)備中,換熱器表面和換熱板的數(shù)目多很多,圖中只是象征表示,只為了解發(fā)明的基本原理所需。上面敘述過的元件細節(jié),全部被認為屬于先有
技術(shù)領(lǐng)域:
。在本發(fā)明的一實施方案中,向下的煙道氣管10的上部,在蒸發(fā)器環(huán)管14的上方,設(shè)有橫伸的管子,稱為載體桿20、21,在圖1中所示是由系桿22吊在頂板上。該載體桿設(shè)有若干噴射器支持管16、17、18,從格屏8的通孔中通過,達到過熱板12、13的區(qū)域。每一噴射器支持管16、17、18設(shè)有若干噴射器23,可將通過載體桿20、21的流體從噴射器23中噴出,達到向上的煙道氣管4的過熱板12、13的區(qū)域。現(xiàn)參看圖3,圖中示出通過向上的煙道氣管4的垂直橫剖視圖,以便更詳細示出載體桿20、21與過熱板12、13之間的空間關(guān)系。在圖3中,過熱板被概示為若干薄板懸掛在向上煙道氣管4的頂板上,以基本等間距互相平行。該圖顯示如何使靠近向上煙道氣管4的相對兩側(cè)配置的兩過熱板13略長,即,兩過熱板的下緣,低于配置在兩板間的其他板12的下緣。這種結(jié)構(gòu)具有優(yōu)點,因為廢氣的溫度在管的中間都較高,而在靠兩側(cè)表面處較低,因此,在安排與兩側(cè)壁相鄰的過熱板時,使之比其他過熱板略向下伸,能更好適應(yīng)溫度分布。圖3示出六塊短板12,兩塊長板13,但應(yīng)理解,在實際的鍋爐設(shè)備中,過熱板的數(shù)目要多很多。廢氣可在過熱板之間向上流過,并向過熱板傳熱,然后煙道氣如前面所述那樣繼續(xù)通過孔9。在圖3中將格屏8完全刪去,以求清楚繪示載體桿20、21的結(jié)構(gòu)。圖3詳示載體桿包括兩個圓柱形管件在共同的中心線上前后排列,管件20有載體桿的第一部分,穿過圖3左部的煙道氣管壁,管件21有載體桿21的第二部分,相對于第一載體桿同心伸展,通過煙道氣管4的相對的側(cè)壁。載體桿件20、21用系桿22懸掛在頂板50上,提供機械強度高的結(jié)構(gòu)。如上所述,有若干噴射器支持管,在圖3中,左載體桿20上有四根,右載體上有五根,它們以懸臂式安裝,伸入過熱器板間的空間中,基本沿其中間平面。圖3又示出五根噴射器支持管16大致圍繞中部,配置在與載體桿20、21的同高度上、下兩根噴射器支持管17(每側(cè)一根)配置在比載體桿20、21略低的高度上,而最外側(cè)的噴射器支持管18配置在更低的高度上。現(xiàn)參看圖2,圖中示出在載體桿20、21的高度上通過煙道氣管4及煙道氣管10的水平剖視圖。圖2左側(cè)顯示向上的煙道氣管4,右側(cè)顯示向下的煙道氣管10,該兩管由隔壁7隔開,并由耐高溫外壁5圍繞。在向上的煙道氣管4中,過熱器板12及13的配置情況如上文所述,而向下的煙道氣管10內(nèi)具有蒸發(fā)環(huán)管14的板。圖2還示出兩個載體桿20、21,連續(xù)從向下的煙道氣管10一側(cè)或相對的兩側(cè)上分別伸出。載體桿20及21設(shè)若干噴射器支持管16、17、18,圖2示出噴射支持管怎樣從載體桿上垂直伸出并通過隔壁7上的開口40,具體而言,則為通過隔壁7的標號為8(參看圖1)的格屏的部分,伸入過熱器板12、13的空間中,以便使每一空間中有一個噴射器支持管,在向上的煙道氣管4中幾乎一直伸到對側(cè)壁上。每一噴射器支持管16、17、18上設(shè)有五個間隔均勻的噴射器23,使向上煙道氣管4的幾乎全部面積可由通過噴射器引入的流體所均勻覆蓋。兩載體桿的外端伸到耐熱壁5的外側(cè),其上設(shè)有若干管接頭,在圖2中象征表示,以便將流體送入載體桿。載體桿被設(shè)計為基本上是金屬圓柱形管,具有相當大的直徑,以便將若干較細的管子裝入其中。在一個理想實施方案中,每一細管伸入一個噴射器支持管中。因此,在圖2上部中的載體桿20,裝有四個噴射器支持管,其中包圍四個直徑較小的內(nèi)管,而在圖2下部中的載體桿21,設(shè)有五個內(nèi)管,每一內(nèi)管分別伸入一個與這載體桿固定的噴射器支持管中。在向下的煙道氣管10的外面,細管從載體桿上伸出,進入單獨的管路39中,圖2示出每一這種管路伸到一個接合點41,每一個這種接合點41,與兩個供給管路連接,每一個這種供給管設(shè)有控制閥,分別與岐管31、36連接,使每一管路39可由任一岐管,按可充分控制方式供給流體。載體桿的內(nèi)部空間,但在細管的外部,可由圖2下部中所示的空氣壓縮機25供給壓縮空氣,并通過壓縮空氣管27及空氣控制閥26與載體桿連接。圖2下部示意示出一個介質(zhì)貯箱28,最好為氨貯箱,該貯箱通過氨管29和主控制閥30,與供氨岐管31連接。從而可將氨供給岐管31,并通過管路控制閥32,按可控方式供給每一管路39,從而可將氨以可控方式,計時供給每一噴射器支持管16、17、18。圖2的下部還示出如天然氣之類的其它添加劑的第二貯箱33,該貯箱通過供氣管路34和氣體控制閥35與供氣岐管36相連,使每一管路39,從而使噴射器支持管,可按類似的方式從貯箱33供給添加劑,添加劑向每一管路的流動,也可靠氣體管路控制閥37進行控制?,F(xiàn)參看圖4,圖中示出通過噴射器支持管的縱剖視圖。圖4所示的噴射支持管,與載體桿的結(jié)構(gòu)相似,也有直徑較大的管子,以使若干直徑較小的管子可配置在噴射器支持管內(nèi)。圖4的左部示出如何將上述伸過其中一個載體桿的管路39伸入噴射器支持管內(nèi),以達到噴射器支持管內(nèi)的分配箱41,再將氣流向若干噴管42分配,本例中有五個噴管,各伸到相應(yīng)的噴射管23。通過這種結(jié)構(gòu),通過管路39輸送的流體,被配置在噴射器支持管下側(cè)的五個噴射器23中均勻分配。在未用圖示的另一種實施方案中,每一噴射器的單獨的導(dǎo)管通過載體桿及噴射器支持管伸展。每一導(dǎo)管與閥連接,從控制送入的氨和添加劑。這種方案有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu),要求載體桿有較大的直徑,同時允許有靈活性的布署,因可以分別控制的方式,在噴束中計量加入介質(zhì)。在圖示的實施方案中,有一個與壓縮空氣共用的系統(tǒng)與之相連,向全部噴射器供給等壓力的空氣??蓪嚎s空氣系統(tǒng)明顯分為若干段,配以單獨的壓力控制閥,使噴束的壓力可單獨控制或按小組控制,以提供較靈活的計量布署?,F(xiàn)參看圖5,該圖示出屬于一個噴射器管42的某些元件的放大比例圖,顯示如何將噴射器彎成大致的L形,并顯示如何將管子外端附近的一小部分分裂開,以形成若干突出部,各占圓周的1/4。突出部略向外按圓錐形表面擴大,其間有裂口44。有一個環(huán)45,其直徑與厚度與擴張突出部的外緣配合,配置在外擴突出部的下方。請記住,圖5所示為最后組裝前的元件,噴射器通過將環(huán)46焊在外擴的突出部43的外緣上來完成,使噴管有圓錐形膨脹或擴張形的端部,并有向外的裂口?,F(xiàn)參看圖6,該圖示出通過噴射器支持管的橫截面。噴射器支持管的最下段設(shè)有與焊接在該處的環(huán)45相配合的孔。圖6的下部示出基本為圓柱體形的噴射器,它具有軸向通孔,其中有約束區(qū)47,和一個大致為圓柱形的孔或噴嘴開口段46。圓錐形約束區(qū)的伸展長度可為50至100mm,最好為60至80mm,而大致圓柱形的孔,長度可在2至10mm之間,最好為4至6mm。圓錐形約束區(qū)的頂角約為10度,這種形狀的噴射器在有較緩和的,例如為2巴的過壓氣體供給時,通過孔口的氣體速度可達超聲速范圍。通過噴射孔噴出的氣體噴束傾向于膨脹,造成渦流、旋渦、壓力不規(guī)則的波動,尤其當噴射器進口側(cè)壓力約超過出口側(cè)壓力的1.7倍時。這種不利的效果,可通過將噴射器孔形成略帶圓錐形膨脹的形式予以避免。假如壓力差不太大,或允許有某些渦流形成時,則孔46最好制成為圓柱形。壓力差較大時,或要求噴束有較大的行程時,則噴射孔應(yīng)制成略帶圓錐形,向外收窄,例如頂角在1至10度之間,最好在1至2度之間。因此,可噴射出有銳邊緣、而沿表面有最少量湍流的噴流。通過噴射器管42端部的裂口44,不僅可將內(nèi)管路39的流體介質(zhì),而且可將管路39外面空間中但在噴射器支持管內(nèi)的流體介質(zhì),送入噴射噴嘴。將兩個來源的氣體供入,氣體將在噴孔中混合。在一個實際的實施方案中,將壓縮空氣從空壓機25供給載體桿20、21和噴射器支持管,其壓力可控制在超過大氣壓1至3巴范圍內(nèi),最好為超過大氣壓1.7巴。壓力可調(diào)節(jié)或控制,從而改變噴射器23的混合氣噴射速度,使噴射器的噴流24具有可控的動量。氨貯箱28內(nèi)盛放冷卻狀態(tài)的氨,壓力大于大氣壓6巴,供氨管29的氨總閥30和分閥32可控制,使氨的排出流量約為壓縮空氣的流量的10%。添加剖貯箱可存放壓力為3巴的天然氣,相應(yīng)送氣管中的總閥35和氣體控制閥37使添加剖可控制,例如使流量相當于輸入壓縮空氣流量的5%。在實際的實施方案中,向上的煙道氣管4中的廢氣上升,速度為絕對值20至30米/秒。將壓縮空氣、氨和添加劑的混合體通過逆廢氣主流方向的噴流注入,其速度為例如在噴流壓力比大氣高1.7巴時的300至400米/秒之間。因此,每一噴射器23噴出的噴流24,在其動量消失之前以該速度行進約4.5米。明顯可見,從噴射器23的噴孔開始,噴流24有一個表面與廢氣流接觸,但是注入的混合氣的大部分,在達到噴流失去其動量、從而其特點破壞并消失的區(qū)域之前,與廢氣沒任何很大程度的混合??刂茐嚎s空氣中的壓力,就有可能控制噴流的有效行程,以便使混合氣與廢氣有效混合的區(qū)域可按有控制的方式,處在離噴射器的不同距離上。由于噴入的氨和添加劑的量,與噴流比較是很小的,因此,為了保持加入的氨和添加劑的量不變,可不顧壓縮空氣的量的控制而控制混合比,甚至在注入的壓縮空氣的量隨噴流速度變化而變化時。雖然上面的敘述提及用空氣作傳載介質(zhì)或載氣,但其他介質(zhì)也同樣可使用,例如蒸汽。在鍋爐設(shè)備的設(shè)計中,使廢氣通過過熱表面的一個比較小的面積,以有控制的方式冷卻廢氣,使之達到950℃至960℃的溫度范圍,然后最好在煙道氣管的一部分中不布置冷卻表面,廢氣在這部分中基本恒溫通過,而在這部分中可注入處理氣,使其與廢氣中的NOx反應(yīng),使廢氣在接觸其他冷卻表面而使氣體溫度降低到適合作反應(yīng)的范度范圍以下之前完成反應(yīng),這樣便也許可能達到理想的反應(yīng)條件。但是在多數(shù)情況下,按此方式改造鍋爐設(shè)備在經(jīng)濟上是不可行的,因此需要有一種NOx還原方法,可以較簡單的方式應(yīng)用于現(xiàn)有的鍋爐設(shè)備。用本發(fā)明的方法便可達此目的。在現(xiàn)有的鍋爐設(shè)備中,需要鑒別出一個區(qū)域,其中的廢氣溫度正好適合處理氣與NOx作理想的反應(yīng),然后設(shè)計將處理氣噴入這些區(qū)域的系統(tǒng)。這些適宜的區(qū)域一般處于過熱表面之間,但其中的廢氣的溫度梯度比較陡直,意即煙道氣的溫度變化迅速,亦即臨界區(qū)的幾何范圍很窄。一個更麻煩的因素是臨界區(qū)隨鍋爐的運轉(zhuǎn)載荷變化而轉(zhuǎn)移,意即在任何固定的區(qū)域中,適合作反應(yīng)的條件,僅存在于載荷因素的一個狹窄范圍內(nèi)。在本發(fā)明中,噴射器理想的配置,應(yīng)使注入的載氣,混合有氨而無添加劑,以便在最高鍋爐載荷下取得最佳反應(yīng)條件,然而在減少載荷的運轉(zhuǎn)中,并且噴射器附近的溫度降底時,可通過增高噴流速度,并且還可任意地將添加劑隨氨噴入予以補償。在另一種實施方案中,基本保持噴流速度恒定,而載荷減小時的溫度下降,可僅靠注入添加劑作補償。曾經(jīng)在一個額定功率為135MW的發(fā)電廠鍋爐上進行過實際試驗。該發(fā)電廠鍋爐設(shè)有一組噴射器,沿?zé)煹浪蜌夤軝M向上的水平面伸展,放置的高度相當于圖3所示最下層的噴射器支持管18的高度,另有一組噴射器配置在煙道氣管橫向的水平面上,放置高度相當于圖3所示中層噴射器支持管17的高度。通過這些噴射器,將混合有氨的壓縮空氣注入,注入量為每小時約5噸空氣,每小時400公斤NH。試驗進行了若干次,取得的結(jié)果列于下表。在全部試驗中,NO2及N2O有最低含量,因此表中僅列出還原前后的NO含量。</tables>在全部試驗中,在壓力比大氣壓高1.7巴的壓縮空氣中混入氨,使氨與NO的克分子比約為2.0,通過載體桿噴入。廢氣中氧含量約為7%。試驗結(jié)果應(yīng)謹慎解釋,一部分原因是計量不精確,另一部分原因是燃燒過程中的其它不可控制的變化,可能影響試驗結(jié)果。由于發(fā)電設(shè)備中的噴射器的數(shù)目頗受限制,混合或覆蓋至少有一部分不完全,意即可能有些區(qū)域其中的還原劑施用量過度或不足。在第一號試驗中,發(fā)電設(shè)備的運行為全載荷的60%,通過下層噴射器注入含NH3的載氣,噴射器高度相當于圖3中噴射器支持管18的高度。廢氣中的NOx含量約降2/3,NH3的逃逸程度非常低,意味著試驗結(jié)果令人滿意。在第五號試驗中,發(fā)電設(shè)備全載荷運行,噴射器的溫度極高,與用本方法進行的NOx還原的溫度范圍比較,溫度可能太高。在本試驗中,將載氣與NH3通過上層噴射器注入,噴射器高度相當于圖3中的噴射器支持管17的高度。NH3的逸出為10ppm,可以允許,而廢氣的NOx含量,是未經(jīng)還原的NOx的含量的50%以上,這被認為不太令人滿意。相信本例中的溫度,至少在一部分噴射器上太高,這意味著注入的一部分NH3已氧化或燃燒,而未與NOx反應(yīng)。在第2、3及4號試驗中,鍋爐在75%載荷下運行,僅由下層噴射器(第2號試驗)或僅由上層噴射器(第3號試驗)注入NH。兩次試驗中的NOx還原都被認為可以接受,但從NH3的使用量考慮,則結(jié)果未如預(yù)期。第3號試驗的NH3逸出量為46ppm,不能認為合格。為提高效果,進行了另一次試驗,NH3的注入是通過與側(cè)壁相鄰的下層噴射器,并通過中間區(qū)中的高層噴射器。這次試驗對NOx還原取得了明顯的改進。但是NH3逸出量超過合格程度。估計NH3的逸出,是因為在煙道氣管的橫斷面上NH3的施加量不均勻,這通過重新安排噴射嘴的位置可能得到糾正。由于在第4號試驗中NOx有顯著的下降,估計NH3的施加量可減少,從而估計NH3的逸出量也可減少。本發(fā)明的設(shè)備與試驗使用的設(shè)備不同,因為噴射器如圖3所示,配置在三個高度上,使之較能適應(yīng)煙道氣管橫斷面上的近似鐘形的溫度分布圖。中層的噴射器配置在比實驗設(shè)備較高的高度上。因此,在全部運行條件下,全部噴射器配置在臨界溫度區(qū)19上方的一個距離上。臨界區(qū)19是NH3與廢氣中NOx能進行良好反應(yīng)的區(qū)域,當發(fā)電設(shè)備全載荷運行時區(qū)域的位置較高,于是注入的載氣的壓力比較低,使帶有添加劑的噴流24的行程比較短,以便在噴流24失去將成分與廢氣混合的動量前,正好達到臨界區(qū)。在減低鍋爐載荷時,臨界區(qū)向下轉(zhuǎn)移,處于離開噴射器較大距離處。為對這種距離增大作補償,將空氣壓力增高,使噴流24可行進一個較大的距離。使NH量適應(yīng)廢氣流量變化的含義是在部分載荷時,NH3相對于壓縮空氣的含量將下降。當噴射器如圖6所示,空氣壓力大于大氣壓1.7巴時,噴流行程從噴嘴起可達到4.5米。當鍋爐在更低的載荷下和在使噴流不能達到臨界區(qū)的載荷下運行時,處理氣將在溫度低于其與NH3理想反應(yīng)的溫度范圍的位置上與廢氣混合。但是,如上所述,隨NH3注入添加劑,仍可能使NOx有令人滿意的降低。在溫度范圍為700℃至900℃時,按NH3重量的50%注入天然氣,便可使NOx的還原合格。顯然本發(fā)明提出了一種有極大靈活性的將燃燒設(shè)備廢氣中NOx還原的裝置,可在鍋爐設(shè)備中的比現(xiàn)有技術(shù)可能的更寬廣的載荷范圍內(nèi)使NOx的還原取得滿意的結(jié)果。權(quán)利要求1.一種降低燃料燃燒時產(chǎn)生的含氧廢氣中的氧化氮含量的方法,其中,將有載氣的含氨處理氣,作為至少一個逆廢氣流向,或至少部分逆廢氣流向的噴流,在足以使處理氣作為基本相干的流束穿透廢氣預(yù)定行程長度的速度下,注入廢氣中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于將處理氣作為在廢氣流橫斷面的橫向上分布的若干噴流,垂直于廢氣流向注入,并且最好在沿廢氣流的不同高度上噴入。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于處理的注入速度至少為75米/秒,最好至少為100米/秒,特別至少為200米/秒,尤其為聲速。4.根據(jù)權(quán)利要求1,2或3所述的方法,其特征在于處理氣中包含至少一種成分,在溫度約為700℃至1000℃時,形成一類游離根,在所述溫度范圍內(nèi)觸發(fā)NH3轉(zhuǎn)變?yōu)镹H2根。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于載氣為大氣空氣或蒸汽,所述至少一種成分為氧或H2O。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法,其特征在于將一種或多種附加添加劑隨處理氣,或作為另一噴流注入,用于與氨結(jié)合,以降低NOx還原的最佳溫度范圍。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其特征在于附加添加劑為甲烷,乙烷,二甲胺或天然氣。8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法,其特征在于處理氣中含氨占體積的3-9%,最好為6%,可任意含天然氣占體積的2-6%,最好占4%。9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法,其特征在于注入處理氣的量,為廢氣中每含1摩爾的氧化氮,則注入氨1-3摩爾,最好為1.5-2.0摩爾,特別為1.6摩爾;廢氣中每含1摩爾的氧化氮,則注入天然氣0-3摩爾,最好為0.9-1.1摩爾。10.一種燃料燃燒設(shè)備,具有降低含氧燃燒廢氣中氧化氮含量的裝置,并有噴射裝置將有載氣的一種含氨處理氣注入,所述噴射裝置包括至少一個噴嘴,用于將處理氣作為逆廢氣流向,或至少部分逆廢氣流向的噴流注入,所述噴嘴與含氨處理氣的供給管連接。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備,其特征在于噴射裝置包括控制處理氣壓力的裝置,最好形式為控制載氣壓力的裝置,和分別控制氨的壓力的裝置。12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的設(shè)備,其特征在于包括至少一個單獨的噴嘴,噴入至少一種添加劑和載氣,并最好包括單獨控制所述至少一種添加劑和所述載氣的壓力的裝置。13.根據(jù)權(quán)利要求10、11或12所述的設(shè)備,其特征在于噴嘴具有圓錐形約束段,錐形約束段的頂角約為5至20度,最好為8至14度。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備,其特征在于錐形約束段的長度為50至100mm,最好為60到80mm。15.根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的設(shè)備,其特征在于噴嘴設(shè)有孔口,具有圓錐形膨脹排出段,圓錐形膨脹排出段的頂角約為1至10度,特別為1至2度。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的設(shè)備,其特征在于排出段長度為2至10mm,最好為4至6mm。17.根據(jù)權(quán)利要求10-16中任一項所述的設(shè)備,其特征在于噴嘴配置在噴射器支持管上,處理氣通過噴射器支持管輸送。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備,其特征在于為噴射器支持管設(shè)有內(nèi)部的單獨管路,以將載氣及含氨氣可單獨輸送,并可在即將從噴嘴噴出前將其混合,最好噴射器支持管由管構(gòu)成,載氣通過管輸送,其中裝有小管,以輸送含氨氣體。19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的設(shè)備,其特征在于每一噴射器支持管基本垂直于廢氣流向而配置,噴射器支持管具有若干噴嘴,在管的長度上基本等間距放置。20.根據(jù)權(quán)利要求17、18或19所述的設(shè)備,其特征在于每一噴射器支持管裝有若干細管,各裝以一個或多個噴嘴,各單獨控制其供給的氨氣體。21.根據(jù)權(quán)利要求10-20中任一項所述設(shè)備,其特征在于噴嘴配置的方式,在燃燒設(shè)備全載荷運行時,應(yīng)使每一噴嘴可噴出一個噴流,逆向穿透煙道氣,達到一個區(qū)域,該區(qū)域中的煙道氣溫度在900-1000℃范圍內(nèi),特別是950-960℃。22.根據(jù)權(quán)利要求10-21中任一項所述的設(shè)備,其特征在于噴嘴在煙道氣管的橫斷面上基本均勻分布,最好沿一個在煙道氣管橫向上伸展的想象輪廓表面配置,該想象輪廓表面與廢氣中的恒溫分布圖相符。23.根據(jù)權(quán)利要求10-22中任一項所述的設(shè)備,其特征在于噴嘴配置在煙道氣管中的冷卻板之間。24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的設(shè)備,其特征在于噴射器支持管支持在煙道氣管的基本上沒有內(nèi)冷卻板的一部分中,并以懸壁形式伸入冷卻板之間的空間中。全文摘要本發(fā)明涉及一種降低燃料燃燒時產(chǎn)生的含氧廢氣中的氧化氮含量的方法及設(shè)備。這種方法將有載氣的含氨處理氣注入廢氣中。將處理氣作為噴流,在足以穿透廢氣預(yù)定行程長度的速度下,逆廢氣流向噴入。在有需要時,可將處理氣與可用的添加劑結(jié)合,注入有NO文檔編號B01D53/56GK1059671SQ9110523公開日1992年3月25日申請日期1991年7月27日優(yōu)先權(quán)日1990年7月27日發(fā)明者M·V·揚森申請人:阿爾堡奇塞夫國際有限公司