用于有效運行熱反應(yīng)器的設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種用于有效運行熱反應(yīng)器的設(shè)備，該熱反應(yīng)器將尿素氣化以便為了例如NOx的選擇性催化還原而向SCR單元或其它單元供料，該設(shè)備通過使熱反應(yīng)器能在需要氣化尿素時快速起動來有效運行該熱反應(yīng)器。它包括：使含水尿素受熱一定時間以實現(xiàn)含水尿素的氣化并形成含NH3和HNCO的熱氣化產(chǎn)物流的氣化反應(yīng)器；將熱氣體引入氣化反應(yīng)器中的導(dǎo)管裝置；至少一個雙流體注射器和將含水尿素和霧化空氣供入注射器中的裝置；再循環(huán)回路，它包括導(dǎo)管、風(fēng)扇、加熱器和關(guān)閉或打開再循環(huán)回路與反應(yīng)器的連通的閥；由閥組成的隔離裝置，用于關(guān)閉或打開由用于將尿素氣化的輸入熱氣體對氣化反應(yīng)器的供應(yīng)；操作再循環(huán)回路和隔離裝置以使反應(yīng)器能按需提供氣化尿素并在不需要氣化尿素時保持反應(yīng)器的熱量的裝置；和將由尿素溶液與熱氣體在氣化反應(yīng)器中接觸而產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體輸送至使用它的單元例如SCR中的導(dǎo)管裝置。
【專利說明】用于有效運行熱反應(yīng)器的設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型總體上涉及一種通過使之能快速起動以便支持按需單元例如渦輪機 來有效運行熱反應(yīng)器的設(shè)備，該熱反應(yīng)器用于使尿素氣化以便為了例如N0X的選擇性催化 還原（SCR)而向SCR單元或其它單元供料。

【背景技術(shù)】 [0002]
[0003] 存在大量其中氨用在熱氣流中的工業(yè)應(yīng)用。在空氣污染控制的情況下，實例為其 中注入少量氨的煙道氣調(diào)節(jié)以及依賴于相對大量氨的SCR系統(tǒng)。只要氣流中需要氨，就希 望避免處理氨本身的危險性和昂貴性，但按需氨制備可能是不切實際的，因為當(dāng)電力需要 使得它是必須的時，需要快速打開該系統(tǒng)。
[0004] 對于需要快速起動能力的應(yīng)用例如燃氣輪機、組合循環(huán)設(shè)施和任何燃燒單元而 言，目前不存在提供尿素氣化并且還不需要長預(yù)熱時間或用于儲存氣化尿素的罐的實際方 法。然而，經(jīng)常需要能快速起動，有時在少至10分鐘的響應(yīng)時間內(nèi)起動。保持系統(tǒng)就緒操 作條件的成本可能過高，同時從冷停機完全加熱是不切實際的。在常規(guī)尿素氣化系統(tǒng)中，使 所有組件達到合適溫度的加熱時間根據(jù)設(shè)備的尺寸、加熱系統(tǒng)的能力和所用設(shè)備的類型可 能要數(shù)小時。
[0005] 在能將尿素轉(zhuǎn)化成氨的技術(shù)中，已知高溫設(shè)備和系統(tǒng)，例如授予Sun等人的美國 專利No. 7, 090, 810,其描述了可產(chǎn)生復(fù)雜產(chǎn)物氣流的熱設(shè)備。需要高溫以將尿素氣化并保 持為氣體而不會冷凝或產(chǎn)生副產(chǎn)物。
[0006] 需要能夠快速起動以支持按需單元如渦輪機的設(shè)備。
[0007] 實用新型內(nèi)容
[0008] 本實用新型提供了一種有效操作用于將尿素氣化的熱反應(yīng)器的方法和設(shè)備，它可 以快速起動以支持按需單元例如渦輪機。
[0009] -方面，本實用新型提供了一種通過使之能快速起動以實現(xiàn)按需氣化尿素來有效 運行用于將尿素氣化以便為了例如NOx的選擇性催化還原而向SCR單元或其它單元供料的 熱反應(yīng)器的設(shè)備，包括：氣化反應(yīng)器，其用于使含水尿素(尿素水溶液）受熱一定時間以實現(xiàn) 含水尿素的氣化并形成含有NH3和HNC0的熱氣化產(chǎn)物流；用于將熱氣體引入氣化反應(yīng)器中 的導(dǎo)管裝置；至少一個雙流體注射器，和用于將含水尿素和霧化空氣供入所述注射器中的 裝置；再循環(huán)回路，該再循環(huán)回路包括導(dǎo)管、風(fēng)扇、加熱器和閥，所述閥用于關(guān)閉或打開該再 循環(huán)回路與所述氣化反應(yīng)器的連通；由閥組成的隔離裝置，它用于關(guān)閉或打開對所述氣化 反應(yīng)器的、用于將尿素氣化的輸入熱氣體的供應(yīng)；用于操作所述再循環(huán)回路和所述隔離裝 置以使反應(yīng)器能被按需供應(yīng)氣化尿素并在不需要氣化尿素時保持反應(yīng)器的熱量的裝置；和 用于將由尿素溶液與熱氣體在氣化反應(yīng)器中接觸而產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體輸送至使用它的設(shè)備 如SCR中的導(dǎo)管裝置。
[0010] 下文描述本實用新型的其它和優(yōu)選方面。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 結(jié)合在說明書中并構(gòu)成說明書的一部分的附圖闡述了本實用新型的特定實施方 案，所述附圖與上文給出的一般描述和下文給出的具體實施方案的詳細說明一起用于解釋 本實用新型的原理。圖中類似的附圖標記表示類似或相應(yīng)的部件。
[0012] 圖1為使用本實用新型的產(chǎn)氨設(shè)備的動力設(shè)施的示意圖。
[0013] 圖2為更詳細地示出本實用新型的產(chǎn)氨設(shè)備的示意圖。

【具體實施方式】
[0014] 對本實用新型的描述參考附圖進行，其中圖1示意性示出簡化的優(yōu)選實施方案。 下文描述附圖和它們代表的設(shè)備，而適當(dāng)?shù)匾檬谟鑃un等人的美國專利No. 7, 090, 810中 描述的各種組件，該專利通過引用將其全部內(nèi)容并入本文中。
[0015] 術(shù)語"尿素"旨在包括其所有商購形式的尿素，它典型地主要包括尿素，尿素的含 量為95重量％或更多。較純形式的尿素是優(yōu)選的并且在本實用新型方法中具有數(shù)個優(yōu)點。 該方法有效地使用尿素，但也可使用在加熱時能夠產(chǎn)生含氨反應(yīng)物的其它NOx還原試劑。 供應(yīng)給該方法的尿素優(yōu)選是濃度為約30%至約70%的水溶液，其中最優(yōu)選約45%至約60%。
[0016] 當(dāng)尿素通過熱處理氣化時，反應(yīng)物氣體會不僅含有氨（NH3)和異氰酸（HNC0)，它 可能含有取決于熱分解產(chǎn)物的溫度歷程的、來自副反應(yīng)的副產(chǎn)物。通過術(shù)語"氣化"，我們意 指基本上所有的尿素轉(zhuǎn)化成氣體，不留下顯著的溶解或自由的固體或液體接觸并污染SCR 催化劑。
[0017] 本實用新型使尿素氣化系統(tǒng)能快速響應(yīng)于使用SCR技術(shù)的燃燒單元的氨需求率 的變化以控制NOx排放。本實用新型有利于在數(shù)分鐘內(nèi)從待機模式快速起動至完全運行。 在標準尿素氣化系統(tǒng)、例如Sun等人的專利所述那些系統(tǒng)的任意一個中，存在用以使所有 組分達到合適溫度的熱身（升溫，加熱）時間，視設(shè)備的尺寸、加熱系統(tǒng)的能力和所用設(shè)備的 類型而定，該熱身時間可從約20分鐘至2小時。
[0018] 如上所述，當(dāng)尿素通過熱處理氣化時，反應(yīng)物氣體不僅含有氨和異氰酸，還可能含 有取決于熱分解產(chǎn)物的溫度歷程的、來自副反應(yīng)的副產(chǎn)物。
[0019] 圖1為利用本實用新型的燃燒設(shè)備的示意圖，用以通過使含水尿素?zé)釟饣瘉硖峁?不含任何固體或液體的氣化尿素流。該燃燒設(shè)備包含燃燒室10,該燃燒室具有燃燒器，所 述燃燒器通過燃燒來自未示出的源的燃料與由管道14提供的空氣而在燃燒區(qū)12中提供熱 量。熱的燃燒氣體將沿塊箭頭所示的方向通過爐子10并且源自燃燒的熱量傳遞至換熱器 16和18中，然后進入選擇性催化還原反應(yīng)器20,在該反應(yīng)器中可將燃燒期間產(chǎn)生的NOx用 氨或氣化的尿素(包括氨和HNC0)處理以將NOx轉(zhuǎn)化成氮氣和水?；蛘撸鳛榉磻?yīng)器20的 附加或者不需要該反應(yīng)器20,許多設(shè)備可獲益于在較高溫度下單獨使用尿素的選擇性非 催化還原（SNCR)，例如由Epperly等的US專利No. 5, 057, 293所教導(dǎo)的。如果需要的話，可 在合適的位置提供催化劑以將HNC0轉(zhuǎn)化成氨，如例如美國專利No. 8, 470, 277中所述，該專 利通過引用全部結(jié)合進本文中。
[0020] 在SCR反應(yīng)器20之后，燃燒氣體流過空氣-空氣換熱器22,所述換熱器用于預(yù)熱 由管道24提供的外部空氣，以用于經(jīng)由管線14輸送至燃燒區(qū)12中。離開換熱器22的燃 燒氣體在通過管道26進入靜電除塵器（ESP) 28 (或其它顆粒物控制設(shè)備如袋濾室）中時被 顯著冷卻，其中顆粒被收集然后經(jīng)過氣體上升煙道（stack) 30中。這是實際工業(yè)或?qū)嵱萌?燒器和流出物處理設(shè)備的非常簡化的形式，但示出了主要組件和它們的相互關(guān)系。
[0021] 尿素氣化系統(tǒng)40整體地示于圖1中，它包括工藝氣體供應(yīng)32和至少一個注射器 41，此處為了便于闡述顯示一個。圖2更詳細地示出注射器42。經(jīng)由管線43的霧化空氣供 應(yīng)與經(jīng)由導(dǎo)管44的含水尿素供應(yīng)同心并在其外部，所述含水尿素供應(yīng)將尿素溶液供入反 應(yīng)室46內(nèi)的噴嘴裝置45中。室46內(nèi)的氣體分布和從注射器41流動的液滴的噴射可通過 合適的建模確定以避免液體接觸室壁。噴嘴45可產(chǎn)生含水尿素的液滴（500微米以下)，并 在以在低至約0. 1-10秒的時間內(nèi)將所述含水尿素有效氣化的條件下將其引入熱氣體中， 不留下顯著溶解的或自由的固體或液體與反應(yīng)器20內(nèi)的SCR催化劑接觸并且從而污染所 述SCR催化劑。
[0022] 分解室46通過從管線32到達的氣體保持在正壓力下。熱氣化反應(yīng)器46使含水 尿素能持續(xù)一定時間地經(jīng)受氣化溫度，該時間有效地確保含水尿素的氣化和形成熱氣化產(chǎn) 物流，所述產(chǎn)物流經(jīng)由導(dǎo)管60取出并且含有NH3和HNC0,然后經(jīng)由注氨格柵64進入SCR反 應(yīng)器20中。
[0023] 經(jīng)由導(dǎo)管裝置32進入尿素氣化系統(tǒng)40中的熱氣體會使尿素主要氣化成氨和異氰 酸，基本不留下液體或固體。進入尿素氣化系統(tǒng)40中的氣體在入口處優(yōu)選為至少450 °F并 且優(yōu)選在700-1200 °F的范圍內(nèi)，并足以在尿素水溶液處于氣化反應(yīng)器中的時間內(nèi)將該尿 素水溶液完全氣化，以提供包含氨和異氰酸的氣流?？蓪⒃摎饬鲝哪蛩貧饣到y(tǒng)40中取出 并保持在450 T以上的溫度下以供使用。
[0024] 通過導(dǎo)管裝置32提供的氣體優(yōu)選在大于800 T的溫度下，并可借助于輔助加熱器 47加熱，然后在其中它們應(yīng)當(dāng)保持高于至少450 T的溫度下被引入尿素氣化反應(yīng)器46中。 850-1200 T的進入氣體溫度是典型的。根據(jù)需要，可將補充熱量供入該室中。優(yōu)選尿素氣 化系統(tǒng)40是良好隔熱的，以幫助溫度保持。氣體的溫度和在離開尿素氣化反應(yīng)器46之前 的停留時間會有效地實現(xiàn)完全氣化。
[0025] 可以理解，重要的是裝置足夠熱以實現(xiàn)氣化并且不具有可能導(dǎo)致問題的冷點。本 實用新型提供在圖1中整體以50示出并結(jié)合圖2更詳細地描述的裝置，在本文中稱為再循 環(huán)回路，它用于總是將裝置保持在合適的溫度下(或剛剛低于它)，使得氨可按需生產(chǎn)。在運 行期間，隔離閥51和52關(guān)閉溫度保持導(dǎo)管57以容許分解室46的正常運行。這優(yōu)選通過 控制器70和相關(guān)致動器(未示出）自動實現(xiàn)。當(dāng)不需要氨時，閥51和52打開，閥53和54 關(guān)閉以將室46與主加熱器47和下游的注氨格柵64隔離。
[0026] 再循環(huán)回路50與分解室46關(guān)聯(lián)并使用高溫風(fēng)扇55和第二加熱器56,所述高溫風(fēng) 扇和第二加熱器用于將已在室46中的工藝空氣的熱保持在升高的溫度下。在運行中，閥51 和52打開且閥53和54關(guān)閉以導(dǎo)致在室46與導(dǎo)管57之間由風(fēng)扇55驅(qū)動的再循環(huán)流通過 加熱器56。在待機模式下，該第二風(fēng)扇55和加熱器56將分解室46的入口空氣溫度保持在 合適的溫度下，例如至少約600 °F。
[0027] 在一個實施方案中，定期地，例如每2-12小時、如每四個小時至少一次地，進行空 氣變化以清除可能在正常系統(tǒng)運行期間沉積于分解室46中并在正常系統(tǒng)清除循環(huán)期間沒 有完全除去的任何可能的雜質(zhì)。所述清除循環(huán)理想地自動地處理，其中小的排料可清洗注 氨格柵或者排到可選位置。這可通過用于風(fēng)扇55和閥阻尼器51、52、53和54的可編程控 制器70和合適的致動器(未示出）自動進行。可以根據(jù)需要使用合適的溫度和/或壓力傳 感器(它們的示例性位置通過符號

【權(quán)利要求】
1. 一種用于有效運行熱反應(yīng)器的設(shè)備，該熱反應(yīng)器用于將尿素氣化以便向SCR單元 或其它單元供料，該設(shè)備通過使熱反應(yīng)器能快速起動以實現(xiàn)按需氣化尿素來運行該熱反應(yīng) 器，其特征在于，該設(shè)備包括： a. 氣化反應(yīng)器（46)，用于使含水尿素受熱一定時間以實現(xiàn)含水尿素的氣化并形成氣 化尿素流； b. 向該氣化反應(yīng)器中引入熱氣體的第一導(dǎo)管裝置（32); c. 至少一個雙流體注射器（41)，該雙流體注射器分別經(jīng)由管線（43)和導(dǎo)管（44)接收 含水尿素和霧化空氣的供應(yīng)并且將尿素溶液供入氣化反應(yīng)器（46)內(nèi)的噴嘴裝置（45)中； d. 與該氣化反應(yīng)器（46)關(guān)聯(lián)的再循環(huán)回路（50)，它包括連通該氣化反應(yīng)器的導(dǎo)管 (57)以及設(shè)置在該導(dǎo)管上的風(fēng)扇（55)、加熱器（56)和用于關(guān)閉或打開該再循環(huán)回路與所 述氣化反應(yīng)器的連通的閥（51，52); e. 隔離裝置，它包括用于關(guān)閉或打開由用于將尿素氣化的輸入熱氣體對所述氣化反應(yīng) 器的供應(yīng)的閥（54); f. 用于操作所述再循環(huán)回路和所述隔離裝置以使該氣化反應(yīng)器能按需提供氣化尿素 并在不需要氣化尿素時保持該氣化反應(yīng)器的熱量的控制裝置（70);和 g. 用于將由尿素溶液與熱氣體在氣化反應(yīng)器中接觸而產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體輸送至所述 SCR單元或其它單元中的第二導(dǎo)管裝置（60)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括用于將氣化尿素流中的HNCO轉(zhuǎn) 化成氨的催化劑。
【文檔編號】B01D53/56GK204193759SQ201320797068
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月8日
【發(fā)明者】P·G·卡爾米納尼, J·M·鮑伊爾 申請人:燃料技術(shù)公司