專利名稱：降低燃燒氣體廢流中氮氧化物的量的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及降低從燃燒系統排入大氣的廢氣中氮氧化物的量的方法，具體地講， 涉及使用測定和控制用選擇性催化還原(“SCR”)顯著降低和/或消除氮氧化物排放所必 需的精確量的氨的新方法來處理燃燒氣體廢流中氮氧化物的方法。
背景技術：
作為不完全高溫燃燒副產物的氮氧化物形式被認為是燃燒源排放的主要污染物。 這種廢氣不變地包括一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)，總NCHNO2濃度被標稱為“N0X”。近 年來，氮氧化物由于其潛在毒性已成為公眾日益關注的主題。也已知NOx成分為酸雨或光 化學煙霧的化學前體，并且導致“溫室”效應。NOx也在與哮喘和其他呼吸道疾病有關的地 面臭氧形成中起作用。因此，NOx排放已成為日益嚴格的限制排到大氣的廢氣中允許量的聯邦和州立法 規的主題。目前實行中的污染控制法規也使得工業屆有動機尋找顯著降低或消除NOx排放 的改進的較低成本方法。在理想的燃燒氣體處理系統中，NOx化合物均勻分布于廢流中，并用催化劑處理， 以產生不受管制的化合物(例如氮)，然后可將其釋放到大氣中。理論上，NOx處理方法應 使化學計量為零的NOx氣體離開催化劑床。遺憾的是，各種實際限制阻止在經處理的廢氣 中達到均勻的NOx濃度或零NOx排放。NOx轉化效率較低的一個原因是在開始引入氨時氨與 廢流中存在的其他化合物的自發的部分反應。存在此類化合物可導致氨的低效使用和/或 系統中NOx的低效還原。另外，廢氣流組成的變化可在化學計量上導致存在不正確的氨量， 從而提高NOx還原成“安全”化合物的成本，并產生過多氨(一般稱為“氨逃漏”)可能釋放 到大氣的可能性。處理廢氣流中NOx的一種已知方法用選擇性催化還原(“SCR” )用氨作為還原劑 將NOx還原成氮氣。然而，由于氨的危險性，在SCR系統中氨的使用提出了必須解決的另外 的環境問題。由于聯邦和州管理機構不斷地壓低NOx排放限制，其他法規也已降低可排入 大氣的NH3的容許水平。在SCR過程中存在未使用的氨也喚起對處理NOx排放的總成本的關注。用SCR控制NH3排放的一個困難涉及組合循環發電工廠中使用的熱回收蒸汽發生 器(“HRSG”)系統的設計。大多數HRSG系統有能力適應改變的氣體流速和/或廢氣成分 (包括NOx)的不均勻分布。然而，HRSG廢氣組成和溫度根據上游負荷有很大變化。雖然一 些SCR過程允許通過監測SCR下游的NOx濃度來調節HRSG廢氣中氨的濃度，但先前通過在 氣體接觸SCR催化劑前加入氨來處理HRSG流動型態(“空間分布”)中不均勻的NOx濃度 的努力僅獲得了非常有限的成功。因此，在基于連續法處理的廢氣流中產生和保持足夠的 氨空間分布仍然存在困難。大多數組合循環SCR裝置在高壓熱交換器的下游操作，高壓熱交換器將HRSG廢氣 溫度降低到600下至750 °F之間的水平。選擇較低廢氣溫度范圍以保證高百分比NOx還原、低氨排放(氨逃漏)并保護SCR催化劑以免由于長時間暴露于高溫而降解，例如在825下 至850下范圍，降解可導致SCR催化劑的不可逆破壞。大多數可用于還原NOx的催化劑也必 須在600 750 °F范圍操作，以避免氨的任何氧化以形成另外的N0X。生成另外的NOx的 任何此類反應必然增加SCR過程所需的氨量，并降低整個系統的NOx去除效率。較低廢氣 溫度也避免HRSG廢氣中二氧化硫氧化成SO3，進而可導致在熱回收蒸汽發生器內硫酸銨累 積。因此，盡管在處理HRSG廢氣中有一些改善，但為了減小SCR處理后寄生反應的可 能性或過量未反應氨的存在，仍需要在SCR入口保持更均勻的氨分布。對于給定催化劑和 反應器設計，正被使用的未反應氨的量主要取決于廢氣溫度、催化劑、廢氣流分布和局部 NH3與NOx的比率。對于大多數氨-SCR催化劑，在相對較窄溫度范圍達到最佳高NOx還原和 低氨逃漏。優選SCR控制系統應根據廢氣溫度和檢測的NO與NO2的比率調節NH3與NOx的 比率來減少氨逃漏并完成NOx破壞。如果NO與NO2的比率低于某值(通常為1. 0)，SCR在 大小上就不足以完成所需的NOx排放降低。影響NOx去除的另一個過程因素(特別在處理燃氣渦輪機廢氣中)涉及SCR催化 劑的老化和反應性。SCR催化劑提高進入SCR的進料中NOx還原成氮的反應速率，而催化劑 在反應中不消耗。因此，穩態反應的平衡產物不顯著改變。NH3和NOx擴散進入催化劑孔， 并被吸附到活性催化劑部位。然而，阻塞孔或部位的催化劑“毒物”或物質可能使催化劑部 位隨時間鈍化。現有基于氨的SCR系統的一個最近的環境關注點包括使用輔助導管燃燒器。來自 燃氣渦輪發動機的廢氣包含顯著量的熱能，此熱能可用于用蒸汽渦輪機產生蒸汽(并隨后 產生電能)。然而，如果系統的熱量需要超過了單單從燃氣渦輪機廢氣得到的熱量，則很多 工廠如今使用以位于燃氣渦輪機和廢熱鍋爐之間的下游導管燃燒器形式的輔助燃燒。為了 改善火焰穩定性并保證低NOx排放的清潔燃燒，大多數導管燃燒器設計為使渦輪機廢氣與 另外的燃料混合。然而，存在(或不存在)導管燃燒器對設計成從系統去除所有NOx的下 游SCR裝置的最終性能可能具有顯著影響。因此，燃氣渦輪機的NOx排放控制仍然有大量問題和挑戰，包括需要研究一種方 法，此方法在SCR系統中用氨作為主要還原劑，通過在任何操作條件下控制氨與NOx摩爾比 的所需空間分布使NOx還原達到最大程度，同時避免使用過量氨或形成降低SCR過程效率 的寄生氨反應。
發明內容
本發明提供一種降低燃燒氣體廢流(如來自燃氣渦輪發動機的廢氣)中氮氧化物 (NOx)的量的新的方法和系統。一種示例性方法包括以下步驟(1)分析燃燒氣體廢流，以 測定存在的NOx的量；(2)用實時分析數據或基于已知和/或預測數據值的控制模型確定使 NOx濃度降低到所需水平或更小所需的氨的化學計量量；(3)確定注氨格柵上游位置的燃燒 氣體廢流的NOx成分的流速分布(空間分布)；(4)在注氨格柵內選擇一個或多個位置以在 那些位置啟動氨閥；(5)在相應于氣流中NOx的位置的格柵位置將受控量的氨蒸氣注入氣 流；和(6)利用選擇性催化還原裝置處理含注入氨蒸氣的氣流，以使NOx的量降低到約5ppm 或更小的水平，優選降低到2ppm或更小。
一種降低燃燒氣體廢流中氮氧化物(NOx)的量的示例性系統包括一個或多個氣體 分析器，所述氣體分析器能夠測定燃燒氣體廢流中NOx的量和流速；確定使廢流中NOx降低 到某種水平(如5ppm或更小)所需的氨的總化學計量量的裝置；注氨系統，此系統為一定 大小，以將受控量的氨輸入注氨格柵；包含多個注入口的注氨格柵，注入口為一定大小，以 在規定速率和位置將氨蒸氣引入廢流；和包含能夠用氨將NOx還原成氮的催化劑的選擇性 催化還原裝置。
圖1為本發明的示例性處理步驟的示意流程圖，這些處理步驟用于監測和分析渦 輪機廢氣流動條件，據此精確控制注入SCR上游的廢氣流中的氨的量，以達到NH3的均勻空 間分布，并降低經處理廢氣中NOx的量。圖2為典型燃氣渦輪機廢氣(如7FA+e廢氣流)中NO和NO2的平衡比率相對于 用標準熱平衡代碼(STANJAN)測定的平衡氣體溫度值作圖的圖示；圖3為顯示通過使用SCR催化劑并根據本發明應用注氨控制因素對于典型燃氣渦 輪機廢氣流的基本硬件部件和所得NOx負荷的流程圖；圖4a顯示用本發明的控制因素控制氨的量和分布來處理燃氣渦輪機廢氣流并有 效消除NOx所用的示例性SCR氨格柵和相關處理部件；圖4b顯示如圖4a所示的注氨格柵(“AIG”)的一部分，具有進行受控注氨過程的 示例性閥結構的額外細節；圖5為SCR催化劑對燃氣渦輪機廢氣溫度的依賴性關系的圖示，顯示根據本發明 用氨和不同的催化劑去除NOx以達到控制功能的示例性操作窗；圖6為在不同燃氣渦輪機廢氣溫度下用已知氨-NOx比率以精確控制正被注入的 氨的量的NOx轉化和氨逃漏百分數的圖示；圖7顯示在不同燃氣渦輪機廢氣溫度下用固定的廢氣組成和流速控制到SCR的氨 進料的NOx去除效率的圖示；圖8圖示了根據本發明用固定的廢氣組成和流速控制到SCR的氨進料的基于不同 燃氣渦輪機廢氣流速的NOx去除效率；圖9顯示根據本發明的具有導管燃燒器的示例性燃氣渦輪機“熱電聯產系統”，導 管燃燒器導致起初用于確定且然后控制注氨的因素改變。
具體實施例方式如上提到，本發明提供一種基于模型的控制系統，此系統用于將氨注入廢氣流以 有效消除燃氣渦輪機廢氣流中的NOx化合物，同時降低用于處理廢氣進料的氨和SCR催化 劑的量和成本。優選利用能夠讀取輸入數據(例如氣體、溫度、組成和流速)并且如下所 述作出處理決定的具有適當構造的軟件的微處理器執行監測和控制功能。控制用SCR消除氮氧化物排放所需的氨的量并有效消除SCR下游的氨逃漏的基本 因素通常分成以下種類(1) SCR氣體入口速度分布；(2) SCR氣體入口溫度變化；(3) NOx負 荷的量和空間分布(輸入到SCR的實際NOx或預測NOx) ； (4)用注氨格柵(AIG)注入廢氣的 氨的量和分布的變化；和(5)SCR催化劑活性隨時間的預測降低和實際降低。以上五個一般因素包括也在下文中確定和討論的多個不同子因素。1. SCR氣體入口諫度分布.在確定由AIG注入HRSG下游和SCR上游的廢氣中的氨 的精確量和位置時，必須確定待處理的廢氣的精確流動特性，特別是離開HRSG和進入SCR 的氣體的組成(如NO和NO2)；每分鐘進入SCR的氣體的總量(英尺3)；通過HRSG橫截面 的氣體流速差(若有的話)，即氣體速度分布，以確定在HRSG中心的速度與接近側壁的速度 相同還是不同；和進入SCR的氣流中具體成分的分布特性(空間分布)(某些化合物可能在 HRSG邊緣更濃)。根據實時經驗數據(例如進行中的流量測量)或使用往日在已知操作條件和氣體 組成下的性能數據預測(“模型”)速度分布值，可精確預測SCR氣體入口速度分布。所述 數據可包括例如燃氣渦輪發動機操作條件(例如滿發動機負荷的百分比)、入口氣體條件 (如發動機進料的組成、溫度、壓力和濕度)、燃氣渦輪發動機所用烴燃料的組成、發動機廢 氣組成和HRSG的任何相關操作變化(例如，可能影響標準流速、增加或降低出口氣體溫度 等的設計修改)。2. SCR氣體入口溫度分布變化.用于控制注入HRSG廢氣的氨的量和位置的第二 種一般因素使用反映從HSRG進料到SCR的氣體溫度變化的數據。這些溫度變化(升高或 降低)可能由于HRSG提取的熱量的改變(例如，由于來自燃氣渦輪發動機的流速變化)， HRSG上游的廢氣流溫度的測量差異，或上述導管燃燒器操作(導管燃燒器可能將另外的 熱量加到在HRSG下游正被使用的氣體)的存在或不存在。3.到SCR的氨進料變化.用AIG加料到SCR的氨的量可根據不同的子因素隨時間 變化，子因素如在注氨格柵中的實際污垢或預測污垢的量；影響氨流速的AIG注入口的孔 尺寸變化(由于侵蝕、污垢或腐蝕)；氨進料自身的品質(例如液氨或空氣進料中存在或不 存在污染物)。4. SCR NOzi負荷因素.可能影響有效消除氮氧化物污染物而不導致氨逃漏所需的 氨量的第四組數據點包括進入SCR時HRSG廢氣中NO和NO2的量。如上討論，NOx成分的測 定(或預測)體積和重量比可根據燃氣渦輪發動機的操作特性、發動機消耗的燃料、發動機 設計變化等隨時間變化。如果所述系統包括在HRSG下游的如上所述的導管燃燒器，所述導 管燃燒器改變了到SCR的進料，例如增加了也必須由SCR處理的NO和NO2成分，則負載到 SCR的NOx也會不同。導管燃燒器可在注氨格柵前增加不均勻空間分布的NO和N02。5. SCR催化劑類型和降解.控制到SCR的氨進料的第五個因素涉及催化劑組成隨 時間降解的速率。根據燃氣渦輪發動機和HRSG的操作條件，降解速率可甚至隨時間增加。 同樣，此因素在確定和控制AIG注氨中的使用可基于催化劑降解的量和速率的實時經驗數 據或模型預測。在應用以上控制因素時，用NH3通過SCR催化劑使NOx還原成氮和水的主要反應如 下4N0+02+4NH3 — 4N2+6H20 (快)N0+N02+2NH3 — 2N2+3H20(快，Ν0/Ν02 ≥ 1· 0)6N02+8NH3 — 7N2+12H20 (慢)假定廢氣主要包含一氧化氮，則涉及NO的第一個反應對于NOx去除為占優勢的 “快”反應。對于給定的SCR催化劑，在NO與NO2的摩爾比高于1.0時，第二個反應可能更高，并且可為支配性反應。較高摩爾比的NO2在慢得多的、需要較高空速和較長催化反應 床的反應中經歷還原。與第二個反應相比，第三個反應需要多1/3的氨來還原NO2,因此在 相同時間段增加總氨消耗。如果不仔細監測和控制SCR裝置的操作條件(如進入SCR的廢氣流速、氣體溫度、 氨進料速率等)，就會存在通過催化劑發生寄生反應的不同的可能性，包括以下反應4NH3+502 — 4N0+6H20 (產生 NO)2S02+02 — 2SO3 (不需要的前體反應)2NH3+S03+H20 — (NH4) 2S04 (污染 SCR 裝置)
NH3+S03+H20 — (NH4) SO4 (污染 SCR 裝置)以上寄生反應顯示，如果不進行控制，經歷處理的氣流的組成如何可能是決定SCR 催化劑的使用壽命和預測活性水平的重要因素。影響氨進料控制的其他SCR催化劑因素包括作為反應劑擴散速率的函數的還原 NOxK需的停留時間、催化劑部位總數、反應劑濃度、SCR中的反應溫度、每單位幾何學表面 積的活性催化劑部位數、總幾何學表面積和總反應速率。對于給定的一組操作條件和具體 SCR催化劑，經處理氣體的停留時間也可根據氣體速度和總催化劑體積(共同地定義為“空 速”)變化，“空速”即總廢氣流量(英尺7小時)除以催化劑體積(英尺3)的比率。以上控制因素還把燃燒產物中的不平衡考慮進去，特別是與從燃氣渦輪發動機進 入SCR的可導致不均勻(非空間)流動條件的廢氣流相關的那些。如上所示，常規注氨系 統不響應廢氣流條件的改變提供足夠氨空間分布。因此，不能容易地調節已知設計(特別 是響應實時分析數據)來適應NOx濃度水平的改變。例如，典型的一次性注入氨使用經歷 處理的總廢氣負荷的數據。最終結果是在SCR過程中氨不均勻分布，并導致NOx組分的不 均勻轉化。因此，本發明提供一種根據經驗數據和/或控制模型在SCR中處理之前在特定的 上游位置確定和控制氨的空間注入的新方法。因此，本發明提供一種基于模型的連續更新 的“學習型”控制系統，此系統為了在可變操作條件下提供均勻、受控的氨濃度啟動多個氨 流動控制閥(“調節閥”)，從而顯著降低消除該系統中NOxW成本。在以下各附圖中描述的一個實施方案中，控制閥布置在AIG或歧管中，以允許根 據當前操作條件和/或在特定位置檢測的NOx的量，控制氨以規定流速和格柵中的位置引 入系統。各閥也可單獨調節，以根據在SCR系統上游取得的NOx測量結果或者根據基于已 知燃氣渦輪機操作條件的預測NOx濃度實時控制氨流。本發明也考慮使用基于模型的控制參數用于注氨歧管閥，注氨歧管閥已通過在不 同位置微擾(遞增調節)各閥、監測來自系統的廢氣NOx的所產生變化并計算最佳NH3設置 以得到目標廢氣流讀數來校準。例如可在工廠試運轉過程中確定初始控制設置。隨后，在 裝置在不同廢氣流負荷下操作時，歧管中的各閥可基于已首先“學習了”最佳設置范圍的控 制器單獨啟動和控制。不同的廢氣負荷包括滿足所需NOx和NH3排放要求所必需的周圍條 件。AIG閥控系統還能夠用預定降解因數補償SCR催化劑隨時間降解并相應地作出注氨調 節。用于進行本發明的示例性SCR催化劑包括V205、Ti02和WO3的組合，所述催化劑可 施用到擠出的均勻蜂窩形式的金屬單塊基材或陶瓷材料的一部分。通常具有催化劑的SCR裝置位于燃氣渦輪機廢氣中這樣的位置，該位置的氣體溫度根據催化劑類型接近550下和 825下之間的操作窗。也可用以上因素具體設計和/或改變實際催化劑制劑和載體結構，以 減少SO2氧化、提供稍高的溫度耐久性或者使任何不需要的NH3氧化最大限度地減小。本方法也能夠在瞬時操作期間確定最佳下游氨設置和閥位置，例如需要減小“黃 色煙流”時，“黃色煙流”即，在首次啟動燃氣渦輪發動機時從工廠的排氣煙囪排出的可見污 染物。通常在啟動期間產生的二氧化氮的量超過約IOppm時出現黃色煙流。雖然啟動氣體 產生可見的黃色排放物，但這些情況在一定時間內通常是臨時的，并且隨著燃氣渦輪發動 機達到正常操作條件而消失。用于進行本發明的另一個控制變量包括導管燃燒器操作中的變化，其改變進入 SCR的廢氣流量，使廢氣溫度催化劑改變，或者使與氨進料反應的NOx和不受管制的化合物 的量和分布變化。此控制模型通過監測所述燃燒器條件并隨后基于“學習型”模型改變(“調 節”)注氨格柵補償導管燃燒器操作中的變化。在一個單獨的實施方案中，可利用區域反應 模型，此模型考慮導管燃燒器質量流量和SCR催化劑床中特定位置(區域)的廢氣溫度變 化的影響。來看本申請中的附圖，圖1為根據本發明的示例性處理步驟的示意性流程圖，這 些處理步驟可用于監測和分析渦輪機廢氣流動條件，以用注氨格柵(標為“AIG”)控制注入 HRSG廢氣流的氨的量。如上所示，主要目的是達到NH3的均勻空間分布，并將廢氣流中NOx 的量降低到為零的理論化學計量值。圖1還反映用于消除SCR下游的氨逃漏的示例性控制模型。該模型包括4個基本 控制級。在第一級，從燃氣渦輪發動機下游的不同點得到具體數據和過程信息，即，待根據 基于模型預測或實時操作數據處理的廢氣流的組成和流動條件(參見圖1流程圖中標為1 至7的處理步驟)。通常在此第一級必需測定燃氣渦輪機廢氣流中NO和NO2的平衡比，此 比可在較高燃氣渦輪機廢氣溫度下改變。在第二級，確定降低和/或消除NOx以滿足或超過容許聯邦或州立排放控制標準 (例如2ppm)所需的氨的精確量和在AIG中的注入位置(可使用微處理器和軟件)(見圖1 中步驟8和9)。在第三級，運行該系統以評價和控制注入SCR裝置上游的廢氣中的氨的精 確量(見步驟10和13)。第三級還包括在注氨后檢查廢氣流，以確定氣體流速、溫度、進入 SCR的NO和NO2進料，主要用于幫助評價AIG和SCR裝置隨時間的特性。圖1的第三級也描 述了一種示例性系統，所述示例性系統對SCR下游的廢氣提供最終分析，以測定還原的NOx 水平(步驟14)，并帶有到AIG的反饋回路12以根據最終廢氣中殘余未反應的氨和NOx的 檢測量改變氨注入(如果必要)。關于第一控制級，圖1顯示不同的過程控制參數，該參數用于確定(a)將NOx水平 降低到容許水平必需的氨的量和(b)在廢氣流進入SCR前在廢氣流內用于氨注入的最有 效位置。在第一級中的控制因素包括，例如，(1)根據燃氣渦輪發動機操作條件分析(或預 測)的NOx濃度(具體為Ν02/Ν0之比)；(2)進料到HRSG的廢氣溫度；(3)導管燃燒器貢獻 的實際(或預測)NOx水平；(4)到HRSG的燃氣渦輪機廢氣進料的實際(或基于模型)的進 料速率(立方英尺/分鐘)；(5)關于SCR裝置中催化劑類型的信息，包括在不同氣體溫度 下催化劑的實際(或預測)活性水平；(6)進入AIG的氣體流動型態中NOx成分分布的差異 (若有的話)(例如，進入SCR裝置的進料的邊緣部分的NOjK平較高)；和(7)在AIG中注氨口的狀態(例如，閥打開或關閉的程度)。圖2圖示典型的燃氣渦輪機廢氣(如7FA+e廢氣流)中NO與NO2的平衡比率，NO/ NO2比率相對于用標準熱平衡代碼(STANJAN)測定的平衡氣體溫度值繪圖。在圖2的情況 下，已發現由于用于消除NOx的SCR催化劑體系的固有溫度限制，高于1. 0的Ν0/Ν02比率對 本發明的SCR系統是優選的。S卩，如果進入SCR的氣體的平衡溫度超過約800下，則SCR催 化劑壽命就可能隨時間受到不利影響(即，比希望的情況更快地降低活性)。附圖3包括流程圖，該流程圖顯示使用SCR催化劑在根據本發明應用注氨控制因 素后對于典型的燃氣渦輪機廢氣流的關鍵硬件部件和所得NOx負荷。圖3也確定了當燃氣 渦輪機廢氣從發動機自身通過系統移到排氣煙囪時的示例性操作溫度和組成，針對各階段 如所示確定了變化的溫度和NOx水平(包括二氧化氮的量)。圖中顯示氨蒸氣緊在“注NH3 格柵”上游并且在組合的廢氣與氨流進入SCR裝置之前加到系統。為了滿足或超過NOx排 放要求，SCR使NOx水平顯著降低(通常降到或低于2ppm的水平)，并且自SCR的排出流包 含殘余量未反應的氨(通常為5ppm或更小)。如上提到，本發明的基于模型的氨分布方 法的一個目的是使SCR下游的未反應氨的量降低，優選化學計量值隨時間接近0，從而減少 NH3排放和降低操作成本。附圖4a顯示示例性SCR、氨格柵和處理部件，這些用于根據本發明控制氨的量和 分布以處理燃氣渦輪機廢氣流，即用基于模型的控制因素消除NOx和/或使NOx量降低到容 許水平。SCR注入系統總稱為20，并且包括注氨格柵(AIG) 25，注氨格柵包括U形注氨歧管， 即具有平行的垂直歧管區段21和23及整體水平歧管區段22。AIG 25還包括垂直集氨管 24和26，集氨管24和26的一側與U形注入歧管流體連通，另一側與AIG 25的平行區段流 體連通(通常形成隔開約1至2英尺的平行陣列)。AIG 25的各節段(例如顯示為AIG節段27)設計成根據以上討論的分析結果和 控制參數接收獨立受控量的氨進料。在此實施方案中，到AIG 25的不同平行節段的流量可 通過多個注入口用關閉閥控制，關閉閥例如表示為24a，24b，26a和26b。因此AIG 25的各 節段(例如AIG節段27)設計成根據以上討論的分析結果和控制參數接收獨立受控量的氨 進料。即，控制系統調節至各AIG節段的閥以控制氨分布。在圖4a描繪的實施方案中，AIG 25包括兩個主要的平行格柵區段，各區段與其自身的垂直歧管流體連通。在操作中，自罐車32的液體氨水通過卸料站進入儲氨罐31，儲氨罐31進而用流 量控制裝置28和裝在滑動底板上的泵30送入氨水。在該處，液體氨水進料通過與熱空氣 混合被蒸發(氨/空氣貧乏限度小于約15%，以避免任何爆炸危險)。在小心控制的流動 條件和上述特定格柵位置下將氨加料至AIG 25。隨后，混合的燃氣渦輪機廢氣/氨進料通 入含SCR催化劑(總體而言表示為33)的催化劑載體結構34，以形成選擇性催化還原裝置 34。通常AIG 25和內部催化劑載體結構34之間的混合空間(mixing space)為約10至20 英尺。圖4b顯示圖4a中所繪注氨格柵(“AIG”)的一部分，具有根據本發明用于進行 小心控制的注氨過程的示例性閥結構的另外細節。如圖4b所示，用氨格柵形式的平行注入 管(或“注入口”)的水平陣列將至SCR的氨進料與SCR催化劑上游的空氣混合，所述格柵 包括多個位于格柵內的單獨控制閥用于精確調節和控制到水平注氨口的相應陣列的氨流。 因此，AIG在SCR上游的燃氣渦輪機廢氣流的所選部分產生均勻得多和受控的氨分布。各陣列中的實際管幾何形狀、注入孔尺寸、注氨口數目和AIG中注入口的精確間距可取決于 格柵設計和適用于具體設計的廢氣操作條件的范圍。圖4b也顯示了根據系統具體要求用 于將氨注入格柵的噴嘴的示例性設計和可操作以控制氨分布的各控制閥相對于歧管和格 柵的位置。圖5為顯示SCR催化劑對燃氣渦輪機廢氣溫度的依賴性關系的圖示，其中NOxR 化百分數相對于溫度作圖。圖5還描繪了 NOx轉化成N2對廢氣溫度的示例性依賴性關系， 根據本發明，基于均勻氨分布使用氨和不同的候選催化劑，即鉬、沸石、V205/Ti02和改性的 鉬催化劑。在圖5所示的不同催化劑中，只發現沸石不可接受，原因是由于存在水蒸氣在處 理燃氣渦輪機廢氣流中隨時間缺乏耐久性。圖6為用于確定和控制使NOx水平降低到容許水平所需氨量在不同燃氣渦輪機廢 氣溫度下基于已知氨-NOx比率的NOx轉化和氨逃漏百分數的圖示。圖6對于0. 9和1. 0的 氨/NOxK率繪制NOx轉化率和未反應氨(氨“逃漏”)百分數對溫度的曲線圖。圖6的曲線 圖證明，對于給定催化劑和反應器設計，未轉化氨“逃漏”的量取決于廢氣溫度和NH3與NOx 的比率。存在一窄范圍，在此范圍對此催化劑在約360°C和380°C之間出現高N0x還原和接 近0的氨逃漏。圖6也表明如所示NOx去除效率隨廢氣溫度上升至約700 增加，隨后 減小。圖7為在不同燃氣渦輪機廢氣溫度下用固定廢氣組成和流速以控制到SCR的氨進 料的NOx去除效率的圖示。圖7表明，響應在一定所需范圍內改變SCR入口廢氣溫度，NOx 去除發生變化。與廢氣溫度相比，流速變化對NOx還原的影響較小。氨逃漏的量通常隨時 間增加。圖7也表明在低于575 °F和高于700下下NOx去除率隨著降低的廢氣溫度快速降 低。圖8描繪了為了確定和控制到SCR的氨進料用固定廢氣組成和流速作為參照點基 于不同燃氣渦輪機廢氣流速的NOx去除效率。圖8中的數據基于在15%重量氧并且對于給 定的基礎金屬SCR催化劑利用696 T的燃氣渦輪機廢氣溫度和15ppm NOx的實際操作條件。 因此，圖8將預測的廢氣流速(磅/小時)對于預測的NOx去除效率作圖，并舉例說明根據 本發明執行控制模型可用的數據類型。最后，圖9顯示本發明的具有導管燃燒器的示例性燃氣渦輪機“熱電聯產”系統， 導管燃燒器導致控制因素和注氨改變。即，圖9顯示在燃氣渦輪發動機下游和熱回收蒸汽 發生器上游使用導管燃燒器。如上討論，存在導管燃燒器產生另外的NOx的可能性，在確定 用于AIG上游受控氨注入的在HRSG中的量和精確位置時這也必須考慮在內。NOx排放在接 近排氣煙囪出口和其他位置測定，例如在SCR催化劑之前(參見圖9中的“廢氣排放測定系 統”)。盡管本發明結合目前被認為是最實際的優選實施方案進行了描述，但應了解，本 發明不限于所公開的實施方案，相反，本發明旨在覆蓋附加權利要求的精神和范圍中所包 含的不同修改和相當方案。部件清單SCR注入系統20注氨格柵(AIG)25垂直歧管區段21和23
11[0071 [0072 [0073 [0074 [0075 [0076 [0077 [0078 [0079 [0080 [0081
水平歧管區段22 注氨格柵25 垂直集氨管24和26 注氨格柵節段27 控制閥(24a, 24b, 26a, 26b) 罐車32 儲氨罐31 流量控制裝置28 裝在滑動底板上的泵30 催化劑載體結構34 SCR催化劑3權利要求
一種降低燃燒氣體廢流中氮氧化物(NOx)的量的方法，所述方法包括以下步驟測定所述燃燒氣體廢流中存在的NOx的量；確定所述燃燒氣體廢流中NOx濃度降低到所需水平或更小所需的氨的總化學計量量；確定在注氨格柵(25)上游的位置處所述燃燒氣體廢流中NOx成分的空間分布；在所述注氨格柵(25)內確定一個或多個用于啟動一個或多個氨閥的區域；在相應于NOx成分的所述空間分布的格柵位置將受控量的氨蒸氣注入所述燃燒氣體廢流；并且利用選擇性催化還原用注入的氨處理所述燃燒氣體廢流，以使NOx的量降低到所需水平或更小。
2.權利要求1的方法，所述方法進一步包括以下步驟，分析所述選擇性催化還原下游 的氣體，以測定未反應的NOx的量，并調節注入所述燃燒氣體廢流的氨的量。
3.權利要求1的方法，其中所述測定所述燃燒氣體廢流中存在的NOx的量的步驟包括 測定所述注氨氣格柵上游的燃氣渦輪機廢氣進料速率。
4.權利要求1的方法，其中所述用注入的氨處理所述燃燒氣體廢氣流的步驟使用反映 所述選擇性催化還原中催化劑的具體類型、組成和老化的數據。
5.權利要求1的方法，其中所述燃燒氣體廢流通過燃氣渦輪發動機產生。
6.權利要求1的方法，其中所述將受控量的氨蒸氣注入所述燃燒氣體廢流的步驟使用 反映所述注氨格柵(25)中注入口的位置、老化、打開或關閉狀態的數據。
7.權利要求5的方法，其中所述確定所述燃燒氣體廢流中NOx成分的流速分布的步驟 使用關于操作條件和所述燃氣渦輪發動機燃燒的烴燃料的數據。
8.權利要求1的方法，所述方法進一步包括監測所述注氨格柵(25)上游的所述燃燒氣 體廢流的溫度的步驟。
9.權利要求5的方法，所述方法進一步包括測定由所述燃氣渦輪發動機下游的導管燃 燒器貢獻給所述燃燒氣體廢流的NOx的量的步驟。
10.權利要求1的方法，其中所述測定所述燃燒氣體廢流中存在的NOx的量的步驟包括 測定NO與NO2的相對量和摩爾比。
11.一種降低燃燒氣體廢流中氮氧化物(NOx)的量的系統，所述系統包括一個或多個氣體分析器，所述氣體分析器能夠測定所述燃燒氣體廢流中存在的NOx的 量和流速；確定使所述燃燒氣體廢流中存在的NOx降低到所需水平或更小所需的氨的總化學計量 量的裝置；輸氨泵裝置，輸氨泵裝置為一定大小，以將受控量的氨輸入注氨格柵(25)；包含多個注入口的注氨格柵(25)，注入口為一定大小，以在規定速率和位置將氨蒸氣 引入所述燃燒氣體廢流；和包含能夠用氨將NOx還原成氮的催化劑(33)的選擇性催化還原裝置(34)。
12.權利要求11的降低燃燒氣體廢流中氮氧化物的量的系統，所述系統進一步包括在 所述選擇性催化還原裝置(34)下游的NOx分析器。
13.權利要求11的降低燃燒氣體廢流中氮氧化物的量的系統，所述系統進一步包括一 個或多個控制閥(24a，24b，26a，26b)用于根據在所述選擇性催化還原裝置(34)下游檢測的NOx的量調節由所述注氨格柵(25)注入的氨的量。
14.權利要求11的降低燃燒氣體廢流中氮氧化物的量的系統，其中所述氣體分析器測 定NO與NO2的相對量和摩爾比。
全文摘要
一種通過以下步驟降低燃燒氣體廢流中氮氧化物(NOx)的量的方法和系統，這些步驟包括(1)分析廢流，以測定NOx的量；(2)確定使NOx濃度降低到所需水平或更小所需的氨的化學計量量；(3)確定注氨格柵(25)上游的燃燒氣體廢流的NOx成分的流速分布；(4)在注氨格柵(25)內的特定位置選擇啟動氨閥(24a，24b，26a和26b)；(5)在相應于氣流中NOx的位置的格柵位置將受控量的氨蒸氣注入氣流；和(6)利用選擇性催化還原裝置(34)處理氣流，以使NOx的量降低到可接受水平。
文檔編號B01D53/90GK101961602SQ201010244220
公開日2011年2月2日 申請日期2010年7月23日 優先權日2009年7月24日
發明者G·O·克拉梅, G·弗雷德里克 申請人:通用電氣公司