還原煙道氣中氮氧化物的方法和設備的製作方法
2023-10-11 11:47:04
專利名稱：還原煙道氣中氮氧化物的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃燒系統例如鍋爐、熔爐、焚燒爐和其它大型燃燒系統(在此統稱為「鍋爐」)的氮氧化物(NOx)排放控制。更具體而言，本發明涉及通過選擇性地將氮氧化物還原為分子氮來減少NOx排放。
背景技術：
採用過燃空氣(overfire air)(OFA)技術來消除或至少大大減少來自鍋爐的煙氣的排放。OFA將燃燒空氣分級，使得大部分空氣流入鍋爐的初級燃燒室，並且一部分燃燒氣轉入火焰下遊的完全燃燒區。OFA空氣促進煙塵粒子和煙塵粒子前體的燃燒。
由燃燒產生的其它類型的空氣汙染物包括氮氧化物，主要是NO和NO2。因為其毒性和其作為酸雨以及光化學成霧過程的前體的作用，氮氧化物(NOx)成為越來越受關注的對象。長期需要節約成本的技術來減少鍋爐產生的NOx排放。
一種傳統的NOx還原技術是選擇性非催化還原法(SNCR)，該技術是在引起非催化反應從而選擇性地將NOx還原為分子氮的條件下將氮劑注入煙道氣。NOx還原是選擇性的，因為煙道氣中大量的分子氧並不被還原。在SNCR中，將一種含氮試劑例如HN3、尿素或胺化合物，在能使NH2和NH基團與NO反應將其還原為分子氮的最佳溫度下注入煙道氣流中。這種反應的最佳溫度集中在大約1800°F。在基本上更高的溫度下，該試劑能夠被氧化為NO。在基本上更低的溫度下，該試劑可能在不發生反應的情況下通過煙道氣，導致氨逃逸。使用SNCR方法還原NOx的最佳溫度範圍較窄，一般為大約1600°F至大約2000°F，在此「大約」是指正負25度的溫度差異。
煙道氣溫度達到了2000°F以上，但是當其流過鍋爐時會冷卻下來。為使煙道氣在釋放氮劑之前冷卻，已經開發了將大的試劑液滴或顆粒分別注入煙道氣的方案，例如隨著過燃空氣一起注入。設定大液滴和顆粒的尺寸以在煙道氣冷卻之後釋放氮劑。參見美國專利No.6280695。大液滴延遲煙道氣流中試劑的釋放直到煙道氣的整體溫度冷卻至大約1600°F至2000°F的溫度段。
發明內容
在一個實施方式裡，本發明提供了一種通過將還原劑注入氣流之中，同時使氨逃逸最小化的去除氮氧化物的方法。在第一實施方式裡，本發明是一種減少燃燒煙道氣中氮氧化物濃度的方法，包括以下步驟在燃燒區形成燃燒煙道氣；在完全燃燒區內提供過燃空氣和選擇性還原劑的溶液滴或氣體，該液滴具有小的平均尺寸以促進氮氧化物的快速還原；在高於煙道氣中氮氧化物還原的最佳溫度範圍的溫度下，將在完全燃燒區中的過燃空氣和選擇性還原劑與燃燒煙道氣混合；當燃燒煙道氣將過燃空氣和選擇性還原劑加熱至最佳溫度範圍時，由還原劑將氮氧化物還原，並且由煙道氣繼續將過燃空氣和選擇性還原劑的溫度升高至超出最佳溫度範圍。
本發明也可以作為減少燃燒煙道氣中氮氧化物濃度的方法，包括在燃燒區形成燃燒煙道氣，該燃燒煙道氣包括氮氧化物；在完全燃燒區提供過燃空氣和選擇性還原劑的水溶液滴或氣體，液滴或氣體具有小於50微米的初始平均尺寸；以及使燃燒煙道氣同完全燃燒區中的過燃空氣和選擇性還原劑接觸以降低那裡的氮氧化物的濃度。
本發明可以進一步作為一種用於燃燒的燃燒設備，包括限定了封閉的煙道氣通路的鍋爐，其具有燃燒區和完全燃燒區，包含氮氧化物的燃燒煙道氣形成於燃燒區中；燃料注射器與燃燒區相連並將燃料引入其中，燃燒氣注射器與燃燒區相連並將空氣引入其中；過燃空氣系統與包含過燃空氣孔的完全燃燒區相鄰，該孔與完全燃燒區相鄰並且過燃空氣通過該孔流入完全燃燒區；一個氮劑注射器，其具有與過燃空氣系統相鄰的出口，並且將氮劑氣體或小液滴注入所述過燃空氣，在此所述的小液滴具有不大於50微米的平均直徑。
附圖1是一個在過燃空氣口內有氮劑注射器的燃燒系統的側視示意圖。
附圖2是燃燒煙道氣溫度相對於時間的圖表。
附圖3至6是表示以不同化學計量比和不同煙道氣溫度注入的氣態氮劑(NH3)對NOx排放量產生的影響的圖表。
附圖7是計算機對在各種氮劑液滴尺寸、煙道氣溫度和其他鍋爐操作參數影響下NOx排放減少量的預測表。
附圖8是計算機對在各種氮劑液滴尺寸和煙道氣溫度影響下NOx排放減少量的預測圖表。
具體實施例方式
氣態的或小液滴的(直徑小於50微米)含氮試劑(「氮劑」)隨著分級的燃燒空氣例如OFA空氣，引入初級燃燒區的下遊，以還原鍋爐煙道氣中的NOx。在分級燃燒中，將完全燃燒所需的部分空氣(過燃空氣)被注入初級燃燒過程的下遊，例如初級燃燒過程的煙道氣產物已經冷卻至大約2400°F至2600°F之處。將氣態形式的或溶液中小液滴(小於約50微米)形式的氮劑與分級空氣一起引入非常熱的煙道氣中。分級燃燒空氣和氮劑被迅速地加熱到2000°F以上的煙道氣溫度。
已經令人驚奇地發現，通過將氣態的或者小液滴的氮劑釋放入OFA注射器的區域或其附近區域，能夠用SNCR法實現NOx還原，儘管在該區域中煙道氣整體溫度相對於最優化的SNCR法而言過高。將氣態氨或例如平均直徑小於50微米的小液滴氮劑在與OFA空氣和包含NOx的煙道氣的混合物進行混合之前或同時注入OFA系統。氮劑氣體或小液滴提供氮劑的快速釋放，例如在少於0.1至0.3秒的時間內。在溫度相對較低的氮劑和過燃空氣混合物被煙道氣加熱經過對於SNCR法最佳的溫度範圍並升到更高的溫度時，發生氮劑釋放。氮可能只有在短暫的一段時間例如0.1至0.3秒內處於最佳溫度範圍。通過以氣體或小液滴引入氮劑，試劑可在處於最佳溫度範圍的短暫時間內快速釋放出來。快速釋放保證了氮劑在處於最優溫度範圍內時與煙道氣中的NOx接觸。此外，釋放發生在過燃空氣注射器出口附近，在此處過燃空氣噴射流和煙道氣流之間發生劇烈的混合。
優選地，調節試劑的液滴尺寸以使煙道氣和OFA中的平均液滴壽命約等於其處於最佳溫度範圍的時間和/或過燃空氣與燃燒煙道氣相混合的時間。一般而言，注入過燃空氣中的液滴的適宜初始平均尺寸為直徑約小於50微米。優選的液滴尺寸是液滴注入過燃空氣中時的尺寸，例如，液滴在蒸發之前的尺寸。優選地，平均液滴壽命小於約十分之一(0.1)至0.3秒。
附圖1是一個燃燒系統10的示意圖，該系統例如用於燃煤鍋爐並改造以適用於本發明的方法。燃燒系統10包括燃燒區12，再燒區14和完全燃燒區16。燃燒區12裝有至少一個，優選多個，主燃燒器18，該主燃燒器經由燃料輸入口20供給煤炭之類的主燃料，並經由空氣輸入口22供給空氣。主燃料在燃燒區12燃燒形成燃燒煙道氣24，該煙道氣以「下遊方向」從燃燒區流入完全燃燒區16。
若沒有再燒區，那麼將所有的熱源例如煤炭穿過主燃燒器18注入燃燒區。當一個再燒區14處於該燃燒系統之中時，通常總輸入熱量的70％～95％通過主燃燒器18提供，而剩餘的5％～30％的熱量由通過再燒燃料輸入口26注射的再燒燃料例如天然氣，煤炭或石油提供。在燃燒和再燒區下遊，通過一個過燃空氣輸入口30將過燃空氣(OFA)28注入OFA完全燃燒區16。在完全燃燒區下遊，燃燒煙道氣24通過一系列熱交換器32和一個將例如飛塵之類的固體顆粒從煙道氣中除去的微粒控制設備(未示出)，例如靜電集塵器(ESP)或袋濾除塵器。
燃燒煙道氣24是在任何一種常規燃燒系統中通過燃燒例如煤炭之類的常規燃料而形成的。通過將過燃空氣28注入燃燒系統下遊即以燃燒煙道氣從燃燒區流動的方向形成完全燃燒區16。作為一種減少NOx排放的手段，可改造包括用於氧化可燃性燃料的燃燒區以及完全燃燒區的燃燒設備以接收氮還原劑和過燃空氣的混合物。例如，燃燒和完全燃燒區可在發電站、鍋爐、熔爐、磁流體(MHD)燃燒室、焚化爐、發動機、或其它燃燒設備之內來提供。
在過燃空氣28注入完全燃燒區16之前或同時將選擇性還原劑(氮劑或N-劑)34注入過燃空氣之中。氮劑可通過中心噴嘴36或其它注射系統例如與煙道氣流連接的OFA入口端30，注入OFA氣流的中心。OFA埠30可以包括位於鍋爐角落的埠，這種情形下埠處於鍋爐內相同高度上。噴嘴36可以在OFA入口處，或者在入口端足夠上遊的位置並且正好在OFA同煙道氣混合之前將氮劑注入煙道氣流。可通過使用通常用於產生小液滴的常規注射系統將選擇性還原劑的水溶液注入OFA空氣。可用氣-液注射器例如各種噴霧器來注射氮劑。合適的噴霧器包括用空氣或蒸氣流作為霧化介質的雙流體噴霧器，以及設計適當的壓力噴霧器。
氮劑注射系統36能夠提供可調節平均尺寸的液滴。液滴的初始平均尺寸分布可能基本上是單分散的，例如低於約10％的液滴其尺寸(即直徑)約小於平均液滴尺寸的一半，而低於10％的霧滴其尺寸約大於平均液滴尺寸的1.5倍。通過選擇霧滴尺寸，使液滴具有最佳的從氮劑上蒸發的時間，能確定注入OFA中的液滴平均尺寸。
術語氮氧化物和NOx是通用的，均指代化合物種類一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。其它氮氧化物也是已知的，例如N2O，N2O3，N2O4和N2O5，但是這些物類從固定燃燒源的排出並不顯著(除了一些燃燒系統中的N2O)。通常用術語氮氧化物(NOx)涵蓋所有的二元N-O化合物，然而，NOx也特指NO和NO2。
術語選擇性還原劑和氮劑是通用的，均指代在燃燒系統中能夠在有氧情況下選擇性還原NOx的化學種類中的任何一種。一般而言，合適的選擇性還原劑包括尿素、氨、氰尿酸、肼、乙醇胺，縮二脲、二縮三脲、氰尿醯胺、有機酸銨鹽、無機酸銨鹽及其類似物。具體的銨鹽還原劑包括硫酸銨、硫酸氫銨、亞硫酸氫銨、甲酸銨、碳酸銨、碳酸氫銨及類似物。也可使用這些選擇性還原劑的混合物。選擇性還原劑可以溶液形式，優選水溶液，或以氣體形式提供。一個優選的選擇性還原劑是尿素水溶液。
將氣態或小液滴SNCR注射系統與過燃空氣注射系統定位在一起通常是便利的並且避免在鍋爐或熔爐中的初級燃燒區形成狹窄而又高溫的空間。用過燃空氣來引入氮劑使得氮劑溶液氣體和/或液滴被注入包含NOx的煙道氣，然後被迅速加熱至對SNCR法還原NOx合適的溫度，而沒有由於在鍋爐、熔爐或其它燃燒系統的高溫區域安裝注射系統帶來的開支和停工期。
過燃空氣中選擇性還原劑的量和被處理的煙道氣中NOx的量的化學計量比為約0.4至約10，優選約0.7至約3。化學計量比是選擇性還原劑中氮原子的摩爾數與NOx中氮原子的摩爾數之比。
可以將選擇性還原劑以水溶液的最佳液滴形式，或以氣體形式在過燃空氣注射到再燒區之前或其同時注入過燃空氣，或者兩者均可。也可以將氮劑溶液或氣體注射到無再燒過程燃燒系統的OFA中。氮劑水溶液可包括任何合適濃度的選擇性還原劑，例如從約5重量％至約90重量％。尿素的優選濃度範圍是大約10重量％至約50重量％。
氮劑可與OFA一起注入，而不需要在此之前將再燒燃料注入煙道氣。而且，氮劑可與循環煙道氣一起注入，該煙道氣可起到與OFA相同的作用。例如，富集了氧或空氣的循環煙道氣可通過相同或單獨的注射器與氮劑一起注入。
附圖2是一個圖表50，表示氮劑在OFA和煙道氣中相對於氣體溫度的停留時間。如小於50微米的氮劑液滴的平均OFA溫度曲線52所示，氮劑和OFA空氣的混合物在其從OFA埠30進入煙道氣大約0.4秒內溫度從約600°F上升至2500°F。當過燃空氣，氮劑和煙道氣混合時，氮劑被加熱穿過SNCR法的最佳溫度範圍54，例如1600°F至2000°F。這一溫度範圍很短，例如大約0.1或0.2秒。
在這一短暫的SNCR法中最佳溫度範圍54中，氣態的或小直徑的氮劑將煙道氣中的NOx大量還原。若OFA和煙道氣在氮劑被加熱穿越該最佳溫度範圍的同時劇烈混合，則會進一步促進NOx的還原。一般在過燃空氣從OFA入口30進入煙道氣時發生劇烈混合以及快速的OFA加熱。因此，在過燃空氣進入並與煙道氣混合的地方發生由SNCR引起的NOx還原。而且，通過噴嘴36將氮劑注入到OFA入口處或其附近和/或對準過燃空氣流的中央，似乎會促進煙道氣中NOx的還原。屏蔽氮劑的OFA空氣最開始和所有殘留的一氧化碳(CO)發生反應，否則該一氧化碳可能干擾SNCR化學處理。
氮劑和OFA被由煙道氣(見曲線55)迅速加熱至超出最佳SNCR範圍54的溫度。當OFA和所有剩餘氮劑被加熱至對最佳SNCR而言過高的2500°F煙道氣溫度時(見OFA曲線52與煙道氣曲線55的結合處)，煙道氣中大量的NOx已經被還原。當煙道氣55冷卻至2000°F及以下時，其已經流出例如鍋爐的燃燒系統的前端部(nose plane)56，並且到達過飽和汽(SSH)單元58和接收流出鍋爐的煙道氣的流體再熱(RH)單元60。
在1.0MMBTU/hr鍋爐模擬器(BSF)中進行氣態氨注入過燃空氣對NOx的性能的測試，該模擬器對於全尺度鍋爐中的煙道氣溫度和組成提供了一個準確的小規模模擬。該BSF記載在美國專利No.6280695中。在這些試驗中，BSF燃燒天然氣。一個特殊結構的過燃空氣注射器在一特定煙道氣溫度處安置。該注射器包括一個ID為1.875英寸的軸向輸氮管，其被一個內徑(ID)為0.25英寸的環形過燃空氣管圍繞。將氨加至氮載體或過燃空氣流，用於減少NOx排放。該注射器對準BSF中心線並且指向下方(即與煙道氣流同向)。
測試中初級燃燒化學計量比(SR1)為1.0和1.05。注入足夠的OFA以維持最終SR(SR3)恆定在1.20，該比值對應於煙道氣中有約3％的過量氧。將這些條件定義為基線。處於分別等於1.0和1.05的SR1與0％的O2的基線條件下，該BSF鍋爐系統產生出185ppm和205ppm的初始NOx含量，SR1是初級燃燒區12中化學計量的空氣與燃料的比率；SR2是再燒區14中的相同比率；SR3是完全燃燒區16中的化學計量比率。OFA在2450°F和2350°F的煙道氣溫度處注入。氣態氨以濃度比(NSR)為1.5注入。濃度比(NSR)是氨和NOx中氮原子的摩爾比。
示於圖表3至6中的載體NH3和OFANH3NOx的排放量基線涉及在相似條件下在BSF中所進行的試驗，不同之處在於基線條涉及沒有氮劑情況下所進行的試驗；載體NH3條涉及氮劑氣體(NH3)伴隨著作為載體的氮氣沿著中心管注射器的注入，該注射器在氮劑和過燃空氣氮氣都進入煙道氣時將試劑排入過燃空氣的中央，而OFANH3條涉及在氮劑氣體和過燃空氣同煙道氣混合之前將氮劑隨過燃空氣注入。
附圖3-6表示氣態氨通過OFA埠注射對NOx排放產生的影響。SR1等於1.0時的基線NOx濃度低於SR1等於1.05時的，如對比附圖3所示的在SR1＝1.0時所得的試驗數據條形圖表與附圖4所示的在SR1＝1.05時所得的試驗數據條形圖表的對比所示。附圖5和6也給出了相似的比較。試驗結果表明將氣態氨(NH3)注入OFA引起20％至45％的NOx減少，取決於在過燃空氣注射點的煙道氣溫度和主燃燒器的化學計量比(SR1)。當過燃空氣在較低煙道氣溫度時注入，可獲得更好的結果。用氮氣作為載體通過OFA埠中心注射NH3，相對於在OFA氣流同煙道氣混合之前將氨(NH3)注入過燃空氣而言，可得到略好一些的NOx減少(reduction)。
進行計算機流體力學(CFD)分析來預測SNCR效果。CFD模型對連續性，動量，能量以及物料的傳遞方程進行求解。採用恰當的模型對湍流，輻射，分散相軌跡和燃燒進行求解。對於該CFD研究，在不同操作條件下將氮劑注入過燃空氣注射器，從而對一個160MW的切向燃燒鍋爐進行估算。在模擬氮劑注射過程之前，用基線值的現場試驗數據和來自用於全負荷工況的內部熱量模型的平均溫度分布對CFD模型進行驗證。進入模型注射區域的煙道氣流分布圖是基於物理流動模擬試驗結果而得的分布圖。
CFD模型在各種操作條件下運行以研究試劑液滴尺寸、OFA注射器正下方的氣體溫度所反映的燃燒速率、OFA注射器下方的CO濃度、和試劑氮原子與基線NOx氮原子(NSR)的化學計量比對SNCR法中NOx消減效果的影響。在此，NOx消減是指超過單純的過燃空氣工況下的NOx減少量。
附圖7和8表示由CFD模型在不同鍋爐工況下預測出的NOx消減(排放減少)效果。對於OFA注射埠的煙道氣溫度低於約2500°F以及CO濃度為零的情況，NOx還原過程最為有效。對於煙道氣溫度(在OFA埠)低於2500°F以及CO濃度為200ppmv及其以下，隨著氮劑液滴尺寸降低，NOx消減量增加(其中發生NOx排放減少)，意味著氮劑在煙道氣/OFA混合區(例如完全燃燒區16)的OFA注射器附近的釋放在還原NOx中是有效的。
小規模的試驗結果和CFD結果都表明相對於尺寸大於約50微米的液滴，將小液滴(具有小於約50到60微米的平均直徑)注入過燃空氣使得試劑可以在改進NOx消減的煙道氣/過燃空氣混合前沿釋放出來，從而提高了NOx消減量。
儘管本發明是結合目前認為最實際和最優選的實施例來描述的，但是應該理解本發明並不局限於所公開的實施方式，相反，本發明試圖涵蓋包括在所附的權利要求的思想和範圍內的各種變更和等效組合。
對附圖標記的說明
權利要求
1.一種降低燃燒煙道氣(24)中氮氧化物濃度的方法，包括a在燃燒區(12)形成燃燒煙道氣，該燃燒煙道氣包含氮氧化物；b在完全燃燒區(16)中提供過燃空氣(28)和一種選擇性還原劑(34)的溶液液滴、顆粒或氣體，該液滴或顆粒具有小的平均尺寸以促進氮氧化物的快速還原；c在高於對氮氧化物還原最佳的溫度範圍下，在完全燃燒區中將過燃空氣和選擇性還原劑與燃燒煙道氣混合(34)；d當燃燒煙道氣將過燃空氣和選擇性還原劑加熱至最佳溫度範圍(54)時，用還原劑將氮氧化物還原，並且e繼續用煙道氣使過燃空氣和選擇性還原劑的溫度上升至超出該最佳溫度範圍。
2.如權利要求1所述的方法，其中在步驟(d)中的最佳溫度範圍(54)出現在少於0.3秒的短暫時間內，並且氮氧化物的還原反應在這一短暫的時間內發生。
3.如權利要求1所述的方法，其中小液滴和顆粒(34)的小平均尺寸不超過60微米。
4.如權利要求1所述的方法，其中小液滴和顆粒(34)的小平均尺寸不超過50微米。
5.如權利要求1所述的方法，其中過燃空氣和選擇性還原劑與燃燒煙道氣混合的步驟在煙道氣處於約2500°F至約2000°F的溫度範圍時發生，並且最佳溫度範圍是約1600°F至約2000°F。
6.如權利要求1所述的方法，其中提供過燃空氣(28)和選擇性還原劑(34)的步驟包括在將過燃空氣注入完全燃燒區的燃燒煙道氣的同時，將選擇性還原劑加入過燃空氣。
7.如權利要求1所述的方法，其中提供過燃空氣(28)和選擇性還原劑(34)的步驟包括在將過燃空氣注入完全燃燒區之前，將選擇性還原劑加入過燃空氣。
8.如權利要求1所述的方法，其中將選擇性還原劑注入(36)過燃空氣流(30)的中心部位。
9.如權利要求1所述的方法，其中將選擇性還原劑(34)注入(36)過燃空氣流的上部。
10.如權利要求1所述的方法，其中當煙道氣的平均溫度高於2000°F並且煙道氣、過燃空氣和還原劑的混合物處於約1600°F至約2000°F的平均溫度時，選擇性還原劑(34)將氮氧化物還原。
全文摘要
公開了一種減少燃燒煙道氣(24)中氮氧化物濃度的方法，其中將氣態形式的、小顆粒的或者水溶液小液滴形式的氮還原劑(34)與過燃空氣(28)一起以同初級燃燒產物及過燃空氣混合的方式引入。在穿過溫度範圍(54)時氮劑將NOx還原，當過燃空氣和煙道氣的混合時該溫度範圍對NOx還原最佳。這種從低至高的溫度轉變有效地消除了氨逃逸。此外，氮劑可和過燃空氣流以能最優化的屏蔽氮劑使其避免與初級燃燒產物過早混合的方式混合，在此一部分過燃空氣同所有殘留的一氧化碳(CO)發生初始反應，否則該CO可能會干擾NOx還原化學處理過程。
文檔編號F23L9/04GK1651127SQ20041010230
公開日2005年8月10日 申請日期2004年11月12日 優先權日2003年11月13日
發明者R·佩恩, W·周, V·V·利西安斯基, V·M·扎曼斯基, L·W·斯萬森 申請人:通用電氣公司