專利名稱：共軸rofa注射系統的制作方法
技術領域：
本發明大體而言涉及化學注射設備，且更尤其涉及一種使用高速氣體的共軸化學注射設備。
背景技術：
化學注射設備已為眾人皆知。一些現有技術中的設備實例包括關于用于將化學劑引入廢氣中的Lance型注射裝置的1994年8月30日頒予Peter-Hoblyn等人的美國專利5,342,592，所述專利教示了通過在氣流中以特定分布模式供應反應物來增強從燃燒排放物中對硫氧化物(SO.sub.x)和氮氧化物(NO.sub.x)的移除。為達成特定分布模式且為避免反應物對燃燒器的熱交換器管道的撞擊，使用一種包含一冷卻套和復數個隔開的注射口的細長注射槍。所述冷卻套保護供應至注射口的反應物免受燃燒氣體的高溫影響。
關于用于降低排放物中污染物濃度的方法和注射器的1991年1月15日頒予DeVita的美國專利4,985,218中教示了用于降低來自燃料或廢料燃燒的排放物中污染物濃度的方法和裝置。所述方法和裝置使得以低處理流體流速注射排放物處理流體成為可能，其還提供處理流體在排放物通道中的平均分散而幾乎沒有堵塞現象。一共軸地安置在一處理流體供應導管內的霧化導管延伸到排放物中，且供應如蒸汽或空氣的霧化流體。經由一供應導管且經由霧化導管壁內的至少一個噴射器以介于每秒2-60英尺的速度供應處理流體以使得處理流體在噴嘴內霧化。
關于用于降低排放物中污染物濃度的鍋爐和注射器的1990年4月10日頒予DeVita的美國專利4,915,036中教示了用于降低來自燃料或廢料燃燒的排放物中污染物濃度的方法和裝置。所述方法和裝置使得以低處理流體流速注射排放物處理流體成為可能，其還提供處理流體在排放物通道中的平均分散而幾乎沒有堵塞現象。一共軸地安置在一處理流體供應導管內的霧化導管延伸到排放物中，且供應如蒸汽或空氣的霧化流體。經由一供應導管且經由霧化導管壁內的至少一個噴射器以介于每秒2-60英尺的速度供應處理流體以使得處理流體在噴嘴內霧化。
關于用于降低排放物中污染物濃度的方法的1989年6月27日頒予Burton的美國專利4,842,834教示了用于降低來自燃料燃燒的排放物中污染物濃度的方法和裝置。所述方法和裝置使得在排放物通道內以獨立可變的液滴尺寸和廣泛多種分布模式的注射距離注射排放物處理流體成為可能。一共軸地安置在一處理流體導管周圍的霧化導管延伸到排放物中且供應霧化流體。所述供應導管相對于所述霧化導管是可軸向滑動的且經由供應導管供應處理流體。對供應導管與霧化導管的相對軸向位置進行調整且對霧化流體的流速進行選擇以在通道內注入對于所要距離為有效尺寸的液滴。
在現有技術中已知尿素和產生NH3的化合物的用途。尿素和產生NH3的化合物的用途實例包括關于經由使用尿素溶液減少氮基和碳基污染物的1991年2月12日頒予Bowers的美國專利第4,992,249號及關于減少氮基和碳基污染物的由Bowers發明的1990年5月22日頒予的美國專利第4,927,612號，后者教示了使用尿素水溶液分散液、將其注入排放物中以減少來自碳質燃料燃燒的排放物中氮氧化物的方法。
關于用于降低排放物中污染物濃度的多階段方法的由Epperly等人發明且轉讓于Fuel Tech，Inc.的1990年5月22日頒予的美國專利第5,057,293號教示了一種用于降低來自碳質燃料燃燒的排放物中氮氧化物濃度的方法，所述方法包含選擇復數個用于引入化學調配物的位置及于各個所述位置處引入至少一種化學調配物，所述化學調配物是從由下列各物組成的群組中選出尿素、氨、六亞甲基四胺、經氧化的烴、石蠟烴、烯烴、芳烴、碳與氮的比率大于1∶1的有機酸銨鹽、羥基氨基烴、具有至少一個環氧原子的雜環烴、具有至少一個環氮原子的5元或6元雜環烴、過氧化氫、胍、碳酸胍、雙胍、硫酸脒基脲、三聚氰胺、雙氰胺、氰氨化鈣、縮二脲、1，1′-偶氮二甲酰胺、羥甲基脲、羥甲基脲-尿素縮合產物、二羥甲基脲、甲脲、甲脲及其混合物，其在排放物溫度下有效地降低所述位置處所存在的氮氧化物的濃度，為此對各個所述位置處的注射水平的最優化導致氮氧化物水平降低到低于預定目標水平。
1980年6月17日頒予Arand等人的關于尿素減少燃燒排放物中NOx的第4,208,386號美國專利和1982年4月20日頒予Arand等人的關于尿素減少燃料充分燃燒的排放物中NO.sub.x的第4,325,924號美國專利教示了用于減少燃燒排放物中的NOx的方法，其包括將尿素引入燃燒排放物中。
發明內容
本發明是針對一種用于將試劑注入且分散于一反應器中的共軸注射設備，其包括一用于高速氣體注射的外部管道、一具有至少一個噴嘴以用于液體注射的外中間注射器、一用于低速氣體注射的內中間管道，及一具有噴嘴以用于液體注射的內部注射器；其中所述外部管道是由一插入物內壁和所述外中間注射器外壁形成并定位于所有其它注射器和管道的外部且環繞于其周圍；所述外中間注射器是由兩個具有端板和注射器噴嘴的同心圓柱體形成；所述內中間管道是由所述外中間注射器內壁和所述內部注射器外壁形成；所述內部注射器是由一具有一端板的圓柱體形成，所述端板具有一噴嘴；由此確保將液體和氣體混合入且分散于所述反應器中以增加反應均勻性、反應效率、反應器效率并減少副產物形成。
本發明另一方面利用經由所述外中間注射器而注射的氣體。
本發明進一步針對一種多重共軸注射器系統，其包括至少兩個共軸注射設備和至少一個反應參數探針；其中將所述共軸設備沿著反應器長度定位于隔開的位置處且將所述反應參數探針定位于所述注射器系統的下游。
本發明更進一步針對一種用于操作所述多重共軸注射器系統的方法，其包括以下步驟對反應參數進行取樣；選擇最適于注射試劑的共軸注射單元；及經由所選共軸注射單元注射試劑。
因此，本發明的一個方面為提供一種用于將試劑注入且分散于一反應器中的共軸注射設備，其包括一用于高速氣體注射的外部管道、一具有至少一個噴嘴以用于液體注射的外中間注射器、一用于低速氣體注射的內中間管道及一具有噴嘴以用于液體注射的內部注射器；其中所述外部管道是由一插入物內壁和所述外中間注射器外壁形成；并定位于所有其它注射器和管道的外部且環繞于其周圍；所述外中間注射器是由兩個具有端板和注射器噴嘴的同心圓柱體形成；所述內中間管道是由所述外中間注射器內壁和所述內部注射器外壁形成；所述內部注射器是由一具有一端板的圓柱體形成，所述端板具有一噴嘴；由此確保將液體和氣體混合入且分散于所述反應器中以增加反應均勻性、反應效率、反應器效率并減少副產物形成。
本發明的另一方面是提供一種多重共軸注射器系統，其包括至少兩個共軸注射設備和至少一個反應參數探針；其中將所述共軸設備沿著反應器長度定位于隔開的位置處且將所述反應參數探針定位于所述注射器系統的下游。
本發明的又一方面是提供一種用于操作所述多重共軸注射器系統的方法，其包括以下步驟對反應參數進行取樣；選定最適于注射試劑的共軸注射單元；及經由所選共軸注射單元注射試劑。
在閱讀下列優選實施例的描述之后，當結合附圖考慮時，本發明的這些和其它方面對于所屬領域的技術人員將變得顯而易見。
圖1為根據本發明建構的共軸注射設備的側面剖視圖。
圖2為根據本發明建構的共軸注射設備的橫截面圖。
圖3為根據本發明安裝的共軸注射設備的俯視圖。
圖4為根據本發明的多重共軸設備注射系統的側面示意圖。
具體實施例方式
在下列描述中，貫穿幾個視圖，相同參考字符指定相同或相應部件。在下列描述中，也應了解如“向前”、“向后”、“前面”、“后面”、“右邊”、“左邊”、“向上”、“向下”的術語和類似術語是為便利而作的措辭且不應將其解釋為限制性術語。
現從總體上參看附圖，圖解說明是出于描述本發明優選實施例的目的而并非意欲將本發明限制于此。在實施例的描述中，術語“管道”是用于描述在端部沒有任何收縮的試劑注射通道。術語“注射器”是用于描述在端部具有一收縮孔的試劑注射通道。所述孔可為一洞或一噴嘴。一注射設備為一種并入管道或注射器或兩者的設備。
最佳由圖1和圖2中看出，一根據本發明的共軸注射設備(通常描述為10)是由一外部管道12、一外中間注射器14、一內中間管道16和一內部注射器18所構成。
將外部管道12或高速氣體管道設計為用于在反應器中注射高速氣體。例如，可將ROFA氣體經由外部管道注射入反應器中以供燃燒爐用。高速氣體使經由其它管道和注射器注射的物質混合且分散。例如，由ROFA氣體將注入燃燒氣體中以用于減少NOx的冷卻水、冷卻空氣和含氮劑溶液混合。
高速氣體使溶液分散而不需要分散噴嘴；因此反應器可使用含有微粒的溶液。這消除或減少對防止細孔阻塞所必需的純試劑的需要。例如，此設備允許將低質量水用作燃燒爐中的冷卻水，從而降低操作費用且通過減少孔堵塞來改善效能。
高速氣體管道是由插入物20內壁和外中間注射器14外壁22形成。將所述管道定位于所有其它注射器和管道的外部且環繞于其周圍，由此確保使經由設備注射的所有試劑分散。所述分散改善反應均勻性，從而減少副產物形成。
向內移動，設備的下一組件是一具有至少一個注射孔24(如洞或噴嘴)的外中間注射器14。所述外中間注射器優選具有至少8個噴嘴，如圖2中所示。所述外中間注射器是由兩個具有一連接端板30和所述端板中的至少一個注射器孔24的同心圓柱體26和28形成。此設備優選注射液體，例如可經由此注射器注射用于冷卻鄰近所注射尿素液滴的氣體的冷卻水。冷卻水減少由燃燒氣體發生的由NH3到NOx的自由基氧化。或者，可經由此注射器注射氣體。例如，可將冷卻氣體(如不能用于有效產生功率的低質量蒸汽)代替冷卻水注入燃燒爐中。除冷卻作用外，蒸汽可增加物質的流動并輔助高速氣體將其它試劑運送和分散到爐子中。
向內移動，設備的下一組件是一內中間管道16。此管道是由外中間注射器的內部圓柱體26和內部注射器18外壁形成。經由此管道優選注射第二種氣體。例如，可經由此管道注射在注射之前使所注入尿素溶液保持冷卻的冷卻空氣。冷卻空氣防止尿素在注入燃燒爐之前分解。設備最內部的組件是一具有收縮孔32的內部注射器18。所述內部注射器優選是由一具有端板的中空管、優選為一具有端板的圓柱體形成。所述端板優選具有一收縮孔，如洞或噴嘴。優選經由此注射器將液體注入反應器中。例如，可注射含氮劑濃溶液以減少燃燒爐中的NOx。由此，燃燒氣體中SNCR NOx的減少使酸的排出減少。
所述含氮劑可由下列各物組成的群組中選出尿素、氨、氰尿酸、氨基甲酸銨、碳酸銨、氨與碳酸氫銨的混合物、一種或一種以上尿素水解產物或其混合物或絡合物、產生作為副產物的氨的化合物、甲酸銨、草酸銨、六亞甲基四胺、有機酸的銨鹽、具有至少一個環氮原子的5元或6元雜環烴、羥基氨基烴、氨基酸、蛋白質、單乙醇胺、胍、碳酸胍、雙胍、硫酸脒基脲、三聚氰胺、雙氰胺、氰氨化鈣、縮二脲、1，1′-偶氮二甲酰胺、羥甲基脲、羥甲基脲-尿素縮合產物、二羥甲基脲、甲脲、二甲脲。
含氮試劑優選為尿素。含氮試劑更優選為大于約20％w/w的尿素水溶液。或者可使用更稀的含氮試劑溶液。
優選使外中間注射器從插入物邊緣凹進去以保護注射器孔不受反應熱和反應物的影響。使內注射器凹入外中間注射器之內以進一步保護其免受反應熱和反應物的影響。
如圖3中所示，經由外部管道12注射高速氣體，經由外中間注射器14注射較高體積的液體，經由內中間管道16注射如冷卻氣體的較低體積的氣體，并經由內部注射器18注射較低體積的液體。流體離開注射器且高速氣體將液體和其它氣體分散于反應空間36中。
如此描述的系統在過程中所使用的液體特征方面允許更大的靈活性。由于高速分散氣體可有效分散大液滴尺寸的液體，因此可使用本發明將含有微粒的液體用于應用中，從而消除對于從液體中移除微粒的高效過濾系統的需要，此高效過濾系統在使用分散噴嘴以分散流體的現有技術系統中是必需的，其分散噴嘴容易被堵塞。
如圖4中所示，可將多個根據本發明的共軸注射設備10組合以形成多重共軸注射系統，其通常如200所描述。所述系統包括一系統控制器38。可操作所述多重共軸注射系統以提供更高效率的反應且減少副產物。
沿著反應器長度將多重共軸注射設備安裝于隔開的位置處。將至少一個探針40安裝在所述系統中的至少一個注射器的下游。優選將所述探針安裝在最后一個探針的下游。在示范的實施例中，沿著燃燒爐安置注射器且所述探針為一安裝在燃燒室端部的溫度探針。
使用多重共軸注射系統的方法包括下列步驟1)測量反應器參數；2)選擇最適于注射第二試劑的共軸注射設備；及3)經由所選共軸注射設備注射所述第二試劑。
一可選步驟包括以清潔流體沖洗取消選擇的共軸注射設備以防結垢。
一使用尿素以根據本發明的共軸設備減少燃燒爐中NOx的特定實例如下所述用根據本發明以一定方式在燃燒空間內部產生ROFA條件的設備裝配一在大約1300℃下操作的燃燒爐。相對于燃燒空間將所注射的高速ROFA空氣壓力調整為介于約1與約20巴之間以提供足夠的物質流量，從而確保用于混合和熱交換的充分湍流。經由內注射器以約0.1至約6.0 NH3/NOx比率的化學劑量率注射20％尿素溶液。以介于約1與約2之間的NH3/NOx比率達成較大幅度的NOx減少。以約0.5至約40的H2O/NH3比率注射冷卻水。以介于約1至約6之間的H2O/NH3比率達成較大幅度NOx減少。將冷卻空氣的溫度維持在100℃以下且將速度維持在約2m/s以上以確保尿素溶液不在內注射器中沸騰。
如此所述的系統與現有操作方案相比，成功地將NOx輸出量減少約40％。
因此，一種用于減少燃燒排放物中NOx的方法包括以下步驟提供一根據本發明的多重共軸注射系統；對排放溫度進行取樣；選擇至少一個最適于注射產生NH3的試劑的共軸注射設備；及經由所選共軸注射單元注射產生NH3的試劑。
一旦閱讀完前述描述，所屬領域的技術人員將想到某些修改和改善。例如，根據本發明的設備為用于引入替代性NH3源(如藻類，其生長于功率產生設施的冷卻池中)的大直徑孔作了準備。為簡明扼要和可讀性，本文已刪除所有修改和改善，但是這些修改和改善完全在下列權利要求書的范疇內。
權利要求
1.一種用于將試劑注入且分散于一反應器中的共軸注射設備，其包含一用于高速氣體注射的外部管道；一具有至少一個收縮孔以用于液體注射的外中間注射器；一用于低速氣體注射的內中間管道；及一具有一收縮孔以用于液體注射的內部注射器；其中所述外部管道是由一插入物內壁和所述外中間注射器外壁形成；并定位于所有其它注射器和管道的外部且環繞于其周圍；所述外中間注射器是由兩個具有端板和注射器噴嘴的同心圓柱體形成；所述內中間管道是由所述外中間注射器內壁和所述內部注射器外壁形成；所述內部注射器是由一具有一端板的圓柱體形成，所述端板具有一噴嘴；由此確保將液體和氣體混合入且分散于所述反應器中以增加反應均勻性、反應效率、反應器效率并減少副產物形成。
2.根據權利要求1所述的設備，其中氣體是經由所述外中間注射器注射。
3.一種多重共軸注射設備系統，其包含至少兩個根據權利要求1所述的共軸注射設備和至少一個反應參數探針；其中將所述共軸設備沿著所述反應器長度定位于隔開的位置處且將所述反應參數探針定位于所述注射器系統的下游。
4.根據權利要求3所述的系統，其中所述參數探針為一溫度探針且在所述外部管道、所述外中間注射器、所述內中間管道和所述內部注射器中注入的流體分別為高速第二空氣、冷卻水、冷卻空氣和尿素溶液以用于減少燃燒過程中的NOx。
5.根據權利要求3所述的系統，其中所述參數探針為一溫度探針且在所述外部管道、所述外中間注射器、所述內中間管道和所述內部注射器中注入的流體分別為高速第二空氣、低質量蒸汽、冷卻空氣和尿素溶液以用于減少燃燒過程中的NOx。
6.一種用于操作根據權利要求3所述的系統的方法，其包含以下步驟對所述反應參數進行取樣；選擇至少一個最適于注射一第二試劑的共軸注射設備；經由所述至少一個所選共軸注射設備注射所述第二試劑。
7.一種用于減少燃燒排放物中NOx的方法，其包含以下步驟提供一根據權利要求3所述的系統；對所述排放溫度進行取樣；選擇至少一個最適于注射一產生NH3的試劑的共軸注射設備；經由所述至少一個所選共軸注射設備注射所述產生NH3的試劑。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述產生NH3的試劑為尿素。根據權利要求8所述的方法，其中在所述外部管道、所述外中間注射器、所述內中間管道和所述內部注射器中注入的流體分別為高速第二空氣、冷卻水、冷卻空氣和尿素溶液以用于減少燃燒過程中的NOx。
全文摘要
一種用于將試劑注入且分散于一反應器中的共軸注射設備(10)，其包括一用于高速氣體注射的外部管道(12)；一具有至少一個噴嘴以用于液體注射的外中間注射器(14)；一用于低速氣體注射的內中間管道(16)；及一具有噴嘴以用于液體注射的內部注射器(18)。所述外部管道(12)是由一插入物(20)內壁和所述外中間注射器(14)外壁(22)形成并定位于所有其它注射器和管道的外部且環繞于其周圍。所述外中間注射器(14)是由兩個具有端板(30)和注射器噴嘴(24)的同心圓柱體(26，28)形成；所述內中間管道(16)是由所述外中間注射器(14)內壁和所述內部注射器(18)外壁形成。所述內部注射器(18)是由一具有一端板(30)的圓柱體形成。
文檔編號F23D11/00GK1859969SQ200480023210
公開日2006年11月8日 申請日期2004年5月26日 優先權日2003年6月13日
發明者戈蘭·莫貝里 申請人:美國莫博特克公司