能有效還原顆粒、一氧化碳和NOx的設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種能有效還原顆粒、一氧化碳和NOx的設(shè)備，它同時(shí)為熱回收蒸汽發(fā)生提供快速再循環(huán)能力。在HRSG單元中的催化劑的布置允許以更低的PM2.5排放進(jìn)行更快的起動(dòng)。補(bǔ)充的加熱器優(yōu)選燃燒低硫天然氣，SCR和催化劑沿流動(dòng)方向以下列順序布置：尿素注射、SCR催化劑、氨解構(gòu)催化劑以及CO氧化催化劑，以允許在它們以各自的最優(yōu)溫度起作用。直接的液體尿素注射和最優(yōu)催化溫度與作為加熱器燃料的天然氣一起提供了設(shè)備成本和起動(dòng)時(shí)間的節(jié)約。
【專利說明】能有效還原顆粒、一氧化碳和NOx的設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型總體上涉及采用熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)設(shè)備來還原NOx且同時(shí)限制來自發(fā)電裝置、特別是聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的顆粒和其他污染物排放。HRSG設(shè)備設(shè)計(jì)成以具有串聯(lián)布置的N0X、NH3和CO還原催化劑的天然氣來運(yùn)行，以便沒有預(yù)先氣化地利用尿素還原N0X，同時(shí)使顆粒排放最小化。

【背景技術(shù)】
[0002]顆粒是一種特別麻煩的污染物，因?yàn)樗鼈兛赏ㄟ^它們污染的空氣減小能見度并且在吸入時(shí)它們可引起對(duì)健康不利的影響。細(xì)小的顆粒(例如，PM2.5)進(jìn)入肺部并且可引起不受化學(xué)組成影響的健康問題。
[0003]顆?？捎稍S多來源產(chǎn)生，特別大量的顆粒是由提供熱和電的發(fā)電裝置產(chǎn)生的。盡管通常認(rèn)為它們是燃煤機(jī)組的產(chǎn)物一所述燃煤機(jī)組確實(shí)產(chǎn)生大量顆粒，但顆粒還可通過燃燒含硫燃料產(chǎn)生并且甚至可通過加入至還原空氣污染物的材料、例如利用氨的選擇性催化NOx還原系統(tǒng)所引起。
[0004]在燃燒過程中燃料中的硫被氧化而主要形成二氧化硫(SO2),然而有一些被進(jìn)一步氧化成三氧化硫(SO3)。SO3傾向于以獨(dú)立地或作為顆粒一部分的硫酸液滴的形式排放。這兩種硫酸化氣體還可與從NOx還原單元中泄漏的氨反應(yīng)。選擇性催化還原(SCR)單元從其可將SO2轉(zhuǎn)化成SO3和加劇污染的角度來看是特別麻煩的。
[0005]HRSG單元提供一種用以回收來自發(fā)電的熱量一否則該熱量可能會(huì)損失一的裝置，并且經(jīng)常用于與用于產(chǎn)生電力的碳?xì)浠衔飫?dòng)力式渦輪機(jī)結(jié)合使用。燃?xì)鉁u輪機(jī)是非常有效的，然而熱的排氣可被用在HRSG設(shè)備中以產(chǎn)生更多電力并且提高總效率。HRSG單元經(jīng)常包括補(bǔ)充加熱器以使功率輸出最大化。本實(shí)用新型涉及并且解決一些已知的HRSG問題，同時(shí)提供一種高效率、低污染的設(shè)備。
[0006]采用HRSG設(shè)備的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)和簡(jiǎn)單循環(huán)單元產(chǎn)生了需要處理的污染物，并且表現(xiàn)出具有用于第二 NOx控制的SCR的大的且成長(zhǎng)的單元基部。這些SCR系統(tǒng)較大地限制于經(jīng)由密集的注氨格柵(AIG)所傳送的僅氣態(tài)試劑注射(例如，無水氨或外部氣化的氨水或尿素水溶液)。HRSG單元中沿氣流方向的設(shè)備布置首先是CO催化劑，然后是注氨格柵(AIG)，接著是SCR催化劑。這種布置通常相同的用于聯(lián)合和簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)釹CR系統(tǒng)兩者，并且在歷經(jīng)頻繁的循環(huán)變化時(shí)不是最優(yōu)的。然而，在起動(dòng)效率方面這并不理想。
[0007]許多燃?xì)鉁u輪機(jī)單元的任務(wù)需要頻繁的循環(huán)、常常每年經(jīng)歷幾百次完整的起動(dòng)和關(guān)閉。希望用于燃?xì)鉁u輪機(jī)循環(huán)和傾斜上升以滿足額定負(fù)荷的時(shí)間是迅速的。簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)快速起動(dòng)通?？蓛H耗時(shí)約十分鐘，而聯(lián)合循環(huán)單元耗時(shí)約三十分鐘。然而，當(dāng)前構(gòu)造的SCR單元不能實(shí)現(xiàn)這么快的操作狀態(tài)，并且可耽擱完全排放標(biāo)準(zhǔn)半個(gè)小時(shí)至一個(gè)小時(shí)或更多。此外，當(dāng)前的構(gòu)造可使得這變得可能:常見的SCR副產(chǎn)品氨(來自于未反應(yīng)試劑的“泄漏”)和硫酸(來自SO2到SO3的催化轉(zhuǎn)化)可顯著地導(dǎo)致PM2.5的排放。
[0008]需要一種高效率、污染較少并且能夠快速起動(dòng)的HRSG設(shè)備。實(shí)用新型內(nèi)容
[0009]本實(shí)用新型提供一種了設(shè)備，該設(shè)備能有效還原顆粒(微粒)、一氧化碳和N0X，同時(shí)為熱回收蒸汽發(fā)生(產(chǎn)生)提供快速再循環(huán)能力，該設(shè)備包括:管道件，該管道件從燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒氣體源延伸；燃?xì)饧訜崞?燃燒燃?xì)獾募訜崞?，它處于所述管道件內(nèi)以用于提供額外的熱量至管道件中的氣體；液體注射噴嘴，它用于向所述管道件中以噴霧形式引入尿素水溶液，以使尿素能完全氣化成包括氨和異氰酸的氣體；回收蒸汽發(fā)生器設(shè)備，它包括在所述管道件中的熱交換器，該熱交換器用于將來自管道件中氣體的熱量轉(zhuǎn)移至所述管道件外的蒸汽渦輪機(jī)；處于所述管道件中的一系列催化劑，它按順序包括選擇性催化還原催化劑、氨解構(gòu)催化劑以及一氧化碳催化劑，所述選擇性催化還原催化劑利用由于將尿素注射至所述管道件的氣體中而產(chǎn)生的尿素氣化產(chǎn)品來還原NOx，所述氨解構(gòu)催化劑用于還原所述管道件中的所述氣體中的氨；以及排氣煙囪，它用于將來自所述管道件的氣體排放至大氣。
[0010]在一個(gè)方面中，所述設(shè)備可包括控制器，該控制器基于感測(cè)到的對(duì)加熱所述管道件中的氣體的需求、選擇性還原催化劑的溫度以及所述管道件中的所述氣體中的N0X、CO或NH3的濃度來控制由所述燃?xì)饧訜崞鳟a(chǎn)生的熱量和向所述管道件中注射尿素水溶液的速率。
[0011]下面將描述本實(shí)用新型的其他和優(yōu)選的方面。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]包含在說明書中并組成說明書的一部分的附圖示出本實(shí)用新型的當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例，該附圖與下文所給出的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明一起用于解釋本實(shí)用新型的原理。如所有附圖所示出的，相同的附圖標(biāo)記指代相同的或相應(yīng)的部件。
[0013]圖1為一個(gè)設(shè)備構(gòu)型的示意圖，所述設(shè)備構(gòu)型示出了采用根據(jù)本實(shí)用新型的HRSG設(shè)備的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)單元，所述HRSG設(shè)備具有包括SCR能力的特別構(gòu)造的催化單
J Li ο

【具體實(shí)施方式】
[0014]對(duì)本實(shí)用新型的描述參照附圖進(jìn)行，其中可見圖1示意性地示出的簡(jiǎn)化的優(yōu)選實(shí)施例。下面將簡(jiǎn)略地描述附圖和所示出的設(shè)備。圖1示出了采用根據(jù)本實(shí)用新型的HRSG設(shè)備的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)單元，所述HRSG設(shè)備具有包括SCR能力的特殊構(gòu)造的催化劑單元。盡管是高度簡(jiǎn)化的，這些示意圖代表了根據(jù)本實(shí)用新型的設(shè)備，并且還具有可利用本實(shí)用新型的其他構(gòu)型和修改。
[0015]總體由標(biāo)號(hào)10示出的燃?xì)鉁u輪機(jī)在燃燒器12中燃燒適當(dāng)?shù)奶細(xì)浠衔锖蛠碜詨嚎s機(jī)14的壓縮空氣，以將熱的燃燒氣體供應(yīng)至輸出渦輪機(jī)16。離開該渦輪機(jī)16的燃燒氣體通常包含過剩熱，該熱量不能被渦輪機(jī)利用，但可由合適的熱回收蒸汽發(fā)生(HRSG)設(shè)備回收，該設(shè)備總體由標(biāo)號(hào)20示出，該設(shè)備可根據(jù)本實(shí)用新型操作以便在變化的負(fù)荷之間為快速循環(huán)提供高效率。本實(shí)用新型的設(shè)備使得有效地還原顆粒、一氧化碳和NOx成為可能，同時(shí)為熱回收蒸汽發(fā)生提供快速的再循環(huán)能力。
[0016]管道件一通常包括多個(gè)部段(在此以18、21和41示出)一從燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒氣體源延伸直至排氣煙? 40。在管道件部段21中示出有燃?xì)饧訜崞?2，以根據(jù)需要向氣體提供附加的熱。液體注射噴嘴設(shè)置在23和/或23a處，以便將尿素水溶液作為噴霧引入所述管道件中，使得尿素能完全氣化成包含氨和異氰酸的氣體。如有需要，可設(shè)置混合器24。
[0017]HRSG設(shè)備20包括在所述管道件中的熱交換器25，其用于將來自管道件中氣體的熱傳送至所述管道件外側(cè)的蒸汽渦輪機(jī)30。與渦輪機(jī)30相關(guān)聯(lián)的是發(fā)電機(jī)31，該發(fā)動(dòng)機(jī)以從渦輪機(jī)30、冷凝器32、泵33和通向熱交換器25的導(dǎo)管34以及從該熱交換器延伸至渦輪機(jī)30的導(dǎo)管35提供的能量產(chǎn)生電能。
[0018]在所述管道件中設(shè)有一系列催化劑26、27、28，所述催化劑按順序包括:選擇性催化還原劑26，其用于利用通過將尿素注射至所述管道件中的氣體而產(chǎn)生的尿素氣化產(chǎn)品來還原NOx ;氨解構(gòu)催化劑27，其用于還原所述管道件中的氣體中的氨；以及一氧化碳氧化催化劑28。在穿過所有所述催化劑后，氣體經(jīng)由管線41通向用于將來自所述管道件的氣體排向大氣的排氣煙囪40。
[0019]提供由催化劑26、27以及28所提供的每種催化功能是必要的，以使得氣態(tài)的和顆粒的排放物降低至標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。使SCR單元26處于序列第一位的布置確保了盡可能快地開始完全污染控制。
[0020]采用本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電裝置的高效率，還能滿足非常嚴(yán)格的PM2.5限制，這是當(dāng)前SCR技術(shù)不容易實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)用新型使得以SCR催化劑還原CO和NOx的較低溫度操作成為可能，并因此使得SO2轉(zhuǎn)變成SO3過程中的還原成為可能。
[0021]在優(yōu)選的形式中，控制器50設(shè)置成基于感測(cè)到的對(duì)加熱所述管道件中的氣體的需求、選擇性還原催化劑的溫度以及所述管道件中的所述氣體中N0x、C0或NH3的濃度，通過控制由所述燃?xì)饧訜崞鳟a(chǎn)生的熱和注入所述管道件中的尿素水溶液的速率來操作該設(shè)備。所述控制器50可以響應(yīng)于感測(cè)到的對(duì)包含氨的NOx還原氣體的需求來提供尿素。
[0022]控制器50可具有與各種閥(未示出)和用于感測(cè)流量、壓力、氣體組分(例如，NOx, SO3> NH3等)濃度等的傳感器之間的有線的或無線的連接。用于任何這些參數(shù)的傳感器會(huì)發(fā)送表征感測(cè)到的狀態(tài)的信號(hào)至控制器50，該控制器會(huì)將它們與預(yù)定值比較、計(jì)算差值并且發(fā)送一控制信號(hào)至用于所述閥中的一個(gè)或多個(gè)的致動(dòng)器。
[0023]本實(shí)用新型的設(shè)備提供了一種在HRSG單元中的催化劑的布置，以允許更快的起動(dòng)和更低的PM2.5排放。補(bǔ)充的加熱器優(yōu)選燃燒低硫天然氣(主要為甲烷)，SCR和催化劑沿流動(dòng)方向按以下順序布置:尿素注射、SCR催化劑、氨解構(gòu)催化劑以及CO氧化催化劑。這些改進(jìn)提供了以下優(yōu)點(diǎn):直接的液體試劑注射(尿素)通過消除氨儲(chǔ)存設(shè)備或消除對(duì)單獨(dú)的尿素氣化單元的需求節(jié)省了設(shè)備成本和起動(dòng)時(shí)間。氨泄漏(逸出未用的氨)被極大地降低，這減少了顆粒和設(shè)備污染，這兩種污染均源自硫酸氫銨的產(chǎn)生。此外，由于所有三種催化劑類型均能以它們的最優(yōu)溫度起作用，催化劑體積(和成本)較低。
[0024]起動(dòng)時(shí)間變得更快是因?yàn)閮蓚€(gè)原因。第一，沒有要加熱的試劑蒸發(fā)系統(tǒng)，因?yàn)槟蛩卦噭┦橇⒓纯捎玫?。第二，SCR催化劑處于操作溫度下的第一催化劑。在常規(guī)布置中，在SCR催化劑經(jīng)歷任何溫度之前加熱CO催化劑。
[0025]上文的描述的目的是示教本領(lǐng)域技術(shù)人員如何實(shí)施本實(shí)用新型。它并不意在詳盡所有那些明顯的修改和變型，通過閱讀所述描述，這些修改和變型對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是明顯的。然而，其意圖在于，所有的這樣明顯的修改和變型都包括在由下面的權(quán)利要求書限定的本實(shí)用新型的范圍中。所述權(quán)利要求書意在涵蓋所要求的部件和任意順序的步驟，除非文中特別地給出不同的指示，所述部件和所述任意順序的步驟可有效的滿足預(yù)期的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種能有效還原顆粒、一氧化碳和N0X的設(shè)備，它同時(shí)為熱回收蒸汽發(fā)生提供快速再循環(huán)能力，其特征在于，所述設(shè)備包括: a.從燃?xì)鉁u輪機(jī)的燃燒氣體源延伸的管道件； b.處于所述管道件內(nèi)的燃?xì)饧訜崞?，它向該管道件中的氣體提供額外的熱量； c.將尿素水溶液以噴霧形式引入所述管道件中的液體注射噴嘴，用以使尿素能完全氣化成包括氨和異氰酸的氣體； d.回收蒸汽發(fā)生器設(shè)備，它包括在所述管道件中的熱交換器，以用于將來自所述管道件中的氣體的熱量轉(zhuǎn)移至所述管道件外的蒸汽渦輪機(jī)； e.處于所述管道件中的一系列催化劑，該系列催化劑按順序包括選擇性催化還原催化齊IJ、氨解構(gòu)催化劑以及一氧化碳氧化催化劑，所述選擇性催化還原催化劑利用通過將尿素注射至所述管道件內(nèi)的氣體中產(chǎn)生的尿素氣化產(chǎn)品來還原N0X，所述氨解構(gòu)催化劑用于還原所述管道件內(nèi)的所述氣體中的氨；以及 f.將來自所述管道件的氣體排放至大氣的排氣煙囪。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括控制器，該控制器基于感測(cè)到的對(duì)加熱所述管道件中的氣體的需求、所述選擇性還原催化劑的溫度以及所述管道件的所述氣體中N0X、CO或NH3的濃度，來控制由所述燃?xì)饧訜崞鳟a(chǎn)生的熱量以及向所述管道件中注入尿素水溶液的速率。
【文檔編號(hào)】F01K23/10GK204140170SQ201420463202
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】S·A·拜布爾, V·魯門赫勒 申請(qǐng)人:燃料技術(shù)公司