專利名稱：氨噴射系統的制作方法
技術領域：
本文公開的主題涉及氨噴射系統。
背景技術：
諸如碳氫化合物燃料的燃料的燃燒產生各種排放產物。例如，壓縮點燃式發動 機(例如，柴油發動機)、火花點燃式內燃發動機和燃氣渦輪發動機典型地排放二氧化碳 (CO2)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、微粒物質和/或一氧化碳(CO)。此外，特定排放產 物的量和/或濃度可能受規章的限制。因此，特定系統包括構造成將排放產物的排放降至 規定水平的排放處理設施。不幸的是，這些系統為各種構造成降低排放的構件消耗了相當 多的空間。此外，各構件典型地消耗能量。因此，各種構件的空間和能量消耗增加了設施的 成本和復雜性。
發明內容
以下概述了范圍與原始主張權利的發明相稱的特定實施例。這些實施例并非旨在 限制主張權利的發明的范圍，相反，這些實施例僅旨在提供本發明的可能形式的簡要概述。 實際上，本發明可包含與以下闡述的實施例相似或不同的各種形式。在第一實施例中，一種系統包括氨噴射系統，該氨噴射系統包括構造成將氨噴射 到來自燃燒過程的排氣中的氨噴射格柵(grid)。該氨噴射系統還包括與氨噴射格柵成流體 連通的氨混合罐。該氨噴射系統還包括與氨混合罐成流體連通的壓縮機。壓縮機構造成輸 出空氣流，該空氣流具有使氨混合罐內的氨蒸發的溫度和經由氨噴射格柵將蒸發的氨噴射 到排氣中的壓力。在第二實施例中，一種系統包括構造成向氨混合罐提供空氣流的氨噴射格柵 (AIG)。該空氣流的溫度配置成使氨混合罐內的氨蒸發，而該空氣流的壓力配置成將蒸發的 氨噴射到燃燒反應的排氣中。在第三實施例中，一種系統包括減排系統，該減排系統包括與催化劑混合罐成流 體連通的壓縮機。該壓縮機構造成輸出空氣流，該空氣流配置成將催化劑從催化劑混合罐 輸送至催化劑噴射格柵。空氣流的溫度僅由壓縮機增加。
當參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其它特征、方面和優點將變得 更好理解，全部附圖中同樣的符號代表同樣的零件，其中圖1是按照本技術的特定實施例的渦輪機系統的框圖，該渦輪機系統包括由在壓 縮機中加熱和加壓的空氣驅動的氨噴射系統；圖2是按照本技術的特定實施例如圖1中所示的氨噴射系統的框圖，該氨噴射系 統采用流量控制閥來調節壓縮機輸出；圖3是圖2的氨噴射系統的第一備選實施例的框圖，該氨噴射系統采用進口壓力控制閥來調節壓縮機輸出；以及 圖4是圖2的氨噴射系統的第二備選實施例的框圖，該氨噴射系統采用馬達控制 器來調節壓縮機輸出。部件列表
10渦輪機系統
12燃氣渦輪發動機
14排放處理系統
16吸氣區段
18壓縮機
20燃燒器
22渦輪
24空氣
26排氣
28下游方向
30上游方向
32氨噴射格柵
33氨噴射系統
34氨混合罐
35氨儲存罐
36壓縮機
37泵
38空氣
40選擇性催化還原系統
42排氣管
44流動方向
46已處理的排氣流
48連續排放監視系統
50電馬達
52流量控制閥
54控制器
56進口壓力控制閥
具體實施例方式
下面將描述本發明的一個或多個特定實施例。為了提供這些實施例的簡明描述， 說明書中可能不描述實際實施方案的所有特征。應當理解的是，在任何此類實際實施方案 的開發過程中，與任何工程或設計方案一樣，必須做出許多實施方案特定的決定以實現開 發者的既定目標，例如遵循可能因實施方案而異的系統相關和商業相關的約束。此外，應當 理解的是，此類開發努力可能是復雜和耗時的，但對于受益于本公開內容的普通技術人員 來說卻是一項日常的設計、制作和制造工作。
當介紹本發明的各種實施例的元件時，用詞“一 ”、“ 一個”、“該，，和“所述，，意指存
在一個或多個該元件。用語“包含”、“包括”和“具有”意圖是包括性的并意味著可存在有 別于所列元件的另外的元件。在特定的基于燃燒的系統如燃氣渦輪系統中，采用氨噴射系統來將氨蒸氣噴射到 排氣中，從而降低NOx的排放。不幸的是，操作此類氨噴射系統由于用來將氨輸送至排氣的 動力而是昂貴的。例如，特定氨噴射系統包括構造成加壓和加熱空氣的鼓風機和熱交換器。 空氣然后被發送到容納由氨儲存罐提供的氨的氨混合罐。熱加壓空氣使氨蒸發并將它噴射 到排氣中。該氣流的溫度和壓力可特別地配置以形成足以將排放減至規定水平的氨流率。 用來操作鼓風機和熱交換器以提供此類氨流率的能量顯著增加了與操作燃氣渦輪機系統 相關的成本。本公開內容的實施例可通過采用壓縮機來既加熱又加壓將氨輸送至排氣的空氣 而顯著降低氨噴射系統的操作成本。可以理解，壓縮機(即，單個單元)代替了鼓風機和熱 交換器二者(即，兩個獨立單元)以降低設施的空間消耗和復雜性，同時還通過提供加壓空 氣而增加了性能。具體而言，氨噴射系統可包括構造成將氨噴射到來自燃燒過程(例如，燃 氣渦輪發動機的操作)的排氣中的氨噴射格柵。該氨噴射系統還可包括與氨噴射格柵成流 體連通的氨混合罐。此類構造可包括壓縮機，該壓縮機與氨混合罐流體連通并且配置成輸 出氣流，該氣流具有配置成使氨混合罐內的氨蒸發的溫度和配置成經由氨噴射格柵將蒸發 的氨噴射到排氣中的壓力。由于壓縮機既加熱又加壓空氣，所以可避免使用單獨的熱交換 器。此類構造可由于構件的減少而降低維護成本，并且充分減少或消除與將熱交換器升至 操作溫度相關的熱滯。此外，該壓縮機可提供比采用鼓風機的構造更高的空氣壓力。壓力 更高的空氣可有利于氨和排氣以低于由鼓風機提供的空氣的流率而有效混合。由于較低的 空氣流率，可利用較少的能量來加熱和加壓空氣，從而減少操作成本。現在來看附圖，圖1是包括燃氣渦輪發動機12和排放處理系統14的示例性渦輪 機系統10的框圖。在特定實施例中，渦輪機系統10可為動力發生系統。渦輪機系統10可 使用液體或氣體燃料如天然氣和/或富氫合成氣體來運行渦輪機系統10。在進一步的實施 例中，排放處理系統14可與另一種發動機構造(例如，往復式柴油發動機)或其它排出排 氣的燃燒設備(例如，燃燒器)聯接。在本實施例中，燃氣渦輪發動機12包括吸氣區段16、壓縮機18、燃燒器區段20和 渦輪22。渦輪22可經由軸以驅動方式聯接到壓縮機18上。在操作中，空氣通過吸氣區段 16 (由箭頭24表示)進入渦輪發動機12并在壓縮機18中被加壓。壓縮機18可包括聯接 到軸上的多個壓縮機葉片。軸的旋轉引起壓縮機葉片的旋轉，從而將空氣吸入壓縮機18并 且在空氣進入燃燒器區段20之前壓縮空氣。燃燒器區段20可包括一個或多個燃燒器。在一個實施例中，多個燃燒器可圍繞軸 周向地定位成大致圓形或環形構造。當壓縮空氣離開壓縮機18并進入燃燒器區段20時， 壓縮空氣可與燃料混合以便在燃燒器內燃燒。例如，燃燒器可包括一個或多個燃料噴嘴，該 燃料噴嘴可以適合最佳燃燒、排放、燃料消耗、動力輸出等的比率將空燃混合物噴射到燃燒 器內。空氣和燃料的燃燒可產生熱加壓排氣，該熱加壓排氣隨后可被用來驅動渦輪22內的 一個或多個渦輪葉片。在操作中，流入和流經渦輪22的燃燒氣體撞擊渦輪葉片并在它們之 間流動，從而驅動渦輪葉片，并因此使軸旋轉以驅動負載，例如動力裝置中的發電機。如上所述，軸的旋轉還引起壓縮機18內的葉片吸入并加壓由吸氣區段16接收的空氣。流經渦輪22的燃燒氣體可作為沿大致下游方向28流動的排氣流26離開渦輪22。 由于渦輪發動機12大致定位在排放處理系統14的上游(即，沿著上游方向30)，所以渦輪 發動機12沿下游方向28排出的排氣26流入排放處理系統14。例如，渦輪22可流體地聯 接到排放處理系統14上，并且特別是聯接到催化劑噴射格柵上，比方說氨噴射系統33的氨 噴射格柵(AIG) 32或其它減排系統。如上所述，由于該燃燒過程，排氣26可包括特定副產 品，比方說氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、碳氧化物(COx)和未燃燒的碳氫化合物。由于 特定規章要求，排放處理系統14可用來在將排氣流釋放到大氣中之前充分降低此類副產 品的濃度。一種用于去除或減小排氣流中NOx的量的技術是通過使用選擇性催化還原(SCR) 處理。例如，在用于從排氣流26去除NOx的SCR處理中，氨(NH3)經由氨噴射系統33噴射 到排氣流中并與NOx反應以產生氮(N2)和水(H20)。氨噴射格柵32可構造成將氨(NH3) 噴射到排氣流26中。在一個實施例中，氨噴射格柵32可包括具有用于將氨噴射到排氣流 26中的孔口的管網。如以下詳細論述，氨噴射系統33包括AIG 32、氨或其它催化劑混合罐34、氨或其 它催化劑儲存罐35、泵37和壓縮機36。來自氨儲存罐35的氨通過氨泵37傳輸至氨混合 罐34。此外，空氣如由箭頭38所示進入其中它被壓縮的壓縮機36。如將會理解的，壓縮空 氣的過程既增加它的溫度又增加它的壓力。從壓縮機36輸出的空氣流入容納氨水的氨混 合罐34。來自壓縮機36的熱加壓空氣流使氨蒸發或氣化，稀釋蒸發的氨，并且將氨蒸氣傳 送至AIG 32。在本實施例中，壓縮機36構造成輸出空氣流，該空氣流具有在沒有外部熱源 的情況下足以使期望量的氨蒸發的溫度的空氣流。例如，從壓縮機36輸出的空氣的溫度可 大約介于300至600，350至550，400至500華氏度之間或約450華氏度。又例如，輸出空 氣流的溫度可大于約300，350，400，450，500，550或600華氏度。高溫空氣與氨之間的相互 作用使氨氣化并與空氣流混合，從而形成氨蒸氣和空氣的稀釋混合物。如將會理解的，由于 氨水蒸發的潛熱，氨/空氣混合物的溫度將隨著氨氣化而降低。例如，離開氨混合罐34的 氨/空氣混合物可大約介于200至300，225至275華氏度之間或約250華氏度。此類氨溫 度范圍可增強氨與排氣之間的反應。相反，鼓風機僅可在大約150至250，175至225華氏 度之間或約200華氏度排出空氣。因此，可采用單獨的熱交換器來使空氣溫度升高至足以 使氨蒸發并在理想溫度范圍向AIG 32提供氨/空氣混合物的水平。在本實施例中，由于壓 縮機能夠單獨形成期望的氨/空氣混合物溫度，所以可消除在采用鼓風機的構造中存在的 熱交換器。因此，渦輪機系統維護成本可由于構件的減少而降低，并且可充分減少或消除與 使熱交換器升溫至理想溫度相關的熱滯。另外，壓縮機36( S卩，單個構件)可利用比鼓風機 和熱交換器(即，兩個構件)更小的空間。另外，來自壓縮機36的空氣流的壓力可高于從采用鼓風機的構造輸出的壓力。例 如，鼓風機可在大約介于15至25，16至22，17至19psi之間或約17psi的絕對壓力提供空 氣。相反，壓縮機36配置成提供大約介于30至80，35至70，40至60psi或約45psi的輸 出絕對空氣壓力。又例如，輸出絕對空氣壓力可大于大約30，40，50，60，70或80psi。因此， 壓縮機36提供至少比鼓風機大大約1. 5，2，2. 5，3，3. 5，4倍或更多倍的輸出壓力。如以下 詳細論述，額外的壓力可在AIG 32內形成良好混合的排氣和氨的流，同時流動比采用鼓風
6機的實施方式更少的空氣。例如，為了在AIG 32內形成良好混合的排氣和氨的流，鼓風機 可提供大約介于每小時30，000至50，000，35，000至45，000，35，000至40，000磅之間或約 38，000磅的空氣質量流率。相反，壓縮機36可實現良好混合的流同時僅提供大約介于每 小時 15，000 至 25，000，17，000 至 23，000，19，000 至 21，000 磅之間或約 20，000 磅的空氣 質量流率。因此，壓縮機36可流動比鼓風機至少少大約1. 5,2,2. 5,3,3. 5，4或更多倍的空 氣。壓縮機36可利用由于通過壓縮機36提供的增加的壓力而更低的流率在AIG 32 內形成良好混合的氨和排氣的流。如將會理解的，向排氣提供壓力更高的氨/空氣混合物 與通過鼓風機提供的空氣相關的更低的壓力相比增加了混合效率。具體而言，對于特定的 AIG孔口尺寸而言，壓力更高的流將以更大的速度離開孔口，從而增加排氣與氨/空氣混合 物之間的速度差。速度的差異可形成增強氨與排氣之間的質量擴散的湍流。由于壓縮機 36提供降低的空氣質量流率，所以可利用較少的能量來壓縮和加熱空氣(即，驅動壓縮機 36)，從而降低氨噴射系統33的操作成本。另外，較高壓力可提供氨和排氣的增強的混合，從而降低足以將排放減至規定水 平的氨的量。例如，在特定構造中并且假設完全混合，可將每小時大約300磅的氨噴射到排 氣中以符合與NOx的輸出有關的規定。但是，采用鼓風機的實施方式由于氨與NOx之間低效 的質量擴散而不能實現完全混合。因此，可將額外的氨噴射到排氣中以進行補償。例如，可 將超過期望的每小時300磅的另外的5%，10%，15%，20%，25%或更多的氨與排氣混合。 相反，由于與來自壓縮機36的較高壓力相關的增強的混合，本實施例可利用較少的氨(例 如，更接近理想量)來實現可接受的規定排氣的輸出。氨消耗的減少既可降低成本，又可減 少未反應的氨的排放。此外，來自壓縮機36的壓力較高的空氣可避免使用采用低壓鼓風機的實施方式 中存在的調節閥。具體而言，由于鼓風機所提供的低壓空氣，氨/空氣混合物可能不會被均 勻地分配至AIG 32的每個孔口。因此，采用鼓風機的實施方式可利用調節閥來對AIG 32的 特定區域限制流量并且對其它區域增加流量。在此類實施方式中，操作員可通過這些調節 閥中的每一個來定期調節流量以保持貫穿AIG 32的均勻的氨/空氣混合物分配。在本實施 例中，來自壓縮機36的壓力更高的空氣流可用來在不使用調節閥的情況下均勻地向各AIG 孔口分配氨/空氣混合物，從而降低制造和操作成本。在更下游處，SCR系統40可采用任何合適的幾何形狀實施，比方說蜂巢構造或板 構造。在SCR系統40內，氨實質上起到催化劑的作用并與排氣流26中的NOx反應以產生 氮(N2)和水(H2O)，從而在經排氣管42排放到大氣中之前從排氣26除去NOx，如由流動箭 頭44所示。在一些實施例中，排氣管42可包括消音器或消聲器。借助于例子并且取決于 目前的規定標準，排放處理系統14可利用SCR系統40來將由參考標號46表示的已處理的 排氣流中NOx的組分減至大約3ppm或更少。雖然本實施例大致集中在從排氣流26處理和除去NOx上，但其它實施例可提供其 它燃燒副產品的去除，比方說一氧化碳或未燃燒的碳氫化合物。由此，所供應的催化劑可根 據從排氣流26除去的組分而變化。另外，應當理解的是，本文公開的實施例并不局限于使 用一個SCR系統40，而是還可包括多個SCR系統40。更進一步地，系統10還可包括連續監 視離開排氣管42的已處理的排氣流46的成分的連續排放監視(CEM)系統48。如果CEM系統48檢測到已處理的排氣流46的組分不符合一個或多個規章要求，則CEM系統48可向適 當的監管機構(例如，環境保護局)提供通知，該監管機構可負責采用進一步行動，比方說 通知系統10的操作人員調節操作參數、進行維修或否則停止操作系統10直到可確定系統 10所產生的已處理的排氣流46符合規章要求為止。在一些實施例中，CEM系統48還可執 行校正動作，比方說調節壓縮機容量(即，空氣壓縮程度)、溫度、流率等。圖2是氨噴射系統33的框圖，如圖1中所示，該氨噴射系統33采用流量控制閥來 調節壓縮機輸出。如前文所述，壓縮機36向氨混合罐34提供空氣流，該空氣流具有足以使 罐34內的氨蒸發的溫度以及足以使蒸發的氨流至氨噴射格柵32的壓力。本實施例可采用 任何合適的壓縮機構造。例如，特定實施例可包括離心式壓縮機、往復式壓縮機、旋轉式螺 桿壓縮機、軸流式壓縮機、渦卷式壓縮機或其它壓縮機構造。在本實施例中，壓縮機35由電 馬達50驅動而旋轉。備選實施例可采用其它驅動單元，比方說氣動馬達、液壓馬達或燃燒 發動機。在本實施例中，壓縮機36被驅動而以基本上恒定的速度旋轉。可選擇特定的速度 使得壓縮機36產生用于氨蒸發的處于期望溫度下的空氣流。然而，壓縮空氣以實現期望溫 度可導致大于期望壓力的壓力。因此，所示實施例包括設置在壓縮機36與氨混合罐34之 間的流量控制閥52。流量控制閥52配置成將進入氨混合罐34的空氣流量限制成足以使從 氨儲存罐35傳送的氨蒸發，使得適當的氨量被傳輸至AIG 32。適當的氨量取決于檢測到的 排放量或設備負荷。例如，在渦輪排放較高(例如，較高的負荷、較高的感測到的排放、較高 的溫度等)的時段，流量控制閥52可在更多的氨被供應至AIG 32時促進更大的流率。相 反，在渦輪排放較低(例如，較低的負荷、較低的感測到的排放、較低的溫度等)的時段，流 量控制閥52可將流量限制成足夠蒸發并適當加熱向AIG 32提供的氨。如所圖示的，流量控制閥52與配置成基于期望氨流率調節通過閥52的流率的控 制器54通信聯接。由于壓縮機36配置成提供比采用鼓風機的構造更高的壓力，可在AIG 32中實現氨與排氣之間增強的混合。增強的混合可減小噴射到AIG 32中的氨和/或空氣 的量(即，質量流率)以將排放減至規定水平。氨的減少可降低操作成本并減少未反應的 氨的排放。同樣，減少的空氣流量與采用鼓風機和熱交換器的實施方式中所利用的較高空 氣流量相比可消耗更少的能量來進行加熱和加壓，從而進一步降低操作成本。圖3是氨噴射系統33的第一備選實施例的框圖，該氨噴射系統采用進口壓力控制 閥56來調節壓縮機輸出。在本構造中，進口壓力控制閥56設置在壓縮機36的上游。在此 位置，外部空氣流38在進入壓縮機36之前經過閥56。通過調節經過進口壓力控制閥56的 流量，壓縮機36可在期望壓力下將空氣流排出至氨混合罐34。與前述實施例相似，控制器 54與閥56通信聯接。控制器54配置成指示閥56在其中期望來自壓縮機36的壓力較高的 時段期間促進更高的流率進入壓縮機36，而在其中期望壓力較低的時段期間限制進入壓縮 機36的流量。如前文所述，在渦輪排放較高的時段期間可采用較高的壓力，而在渦輪排放 較低的時段期間可采用較低的壓力。通過調節進入壓縮機36的空氣的流量，可實現用于將 氨供入AIG 32內的加熱的空氣的期望流率。圖4是氨噴射系統33的第二備選實施例的框圖，該氨噴射系統采用馬達控制器54 來調節壓縮機輸出。在所示實施例中，通過調節壓縮機36的轉速來調節來自壓縮機36的 壓力。如前文所述，壓縮機36聯接到驅動單元上，比方說所示的電馬達50。通過改變電馬達50的速度，控制器54可控制壓縮機36的容量(S卩，空氣壓縮程度)。例如，在特定構造 中，控制器54可為變頻驅動器(VFD)并且馬達50可為感應馬達。在此類構造中，VFD有利 于馬達轉速的連續可變調節。例如，如果馬達50為8極三相A/C感應馬達并且供電的頻率 為60Hz，則馬達50可以900RPM( S卩，馬達50的同步速度)旋轉。VFD可改變供應至馬達50 的電力的頻率，使得馬達50可以以不同的速度操作。改變馬達50的速度改變了壓縮機36 的轉速，從而調節流入氨混合罐34的空氣流的壓力和溫度。 此書面描述使用了包括最佳模式在內的實例來公開本發明，并且還使本領域的任 何技術人員能夠實施本發明，包括制造并利用任何裝置或系統并且執行任何所結合的方 法。本發明可取得專利的范圍通過權利要求來限定，并且可包括本領域技術人員所想到的 其它實例。如果此類其它實例沒有不同于權利要求的文字語言所描述的結構元件，或者它 們包括與權利要求的文字語言無實質性區別的等同結構元件，則認為此類其它實例包含在 權利要求的保護范圍內。
權利要求
1.一種系統(10)，包括氨噴射系統(33)，包括構造成將氨噴射到來自燃燒過程的排氣(26)中的氨噴射格柵(32)；與所述氨噴射格柵(32)成流體連通的氨混合罐(34)；以及與所述氨混合罐(34)成流體連通的壓縮機(36)，其中所述壓縮機(36)構造成輸出 空氣流，所述空氣流具有使所述氨混合罐(34)內的氨蒸發的溫度和經由所述氨噴射格柵 (32)將蒸發的氨噴射到所述排氣(26)中的壓力。
2.根據權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，從所述壓縮機(36)輸出的所述空氣 流的溫度為至少大約300華氏度。
3.根據權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，從所述壓縮機(36)輸出的所述空氣 流的壓力為至少大約30psi。
4.根據權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述系統(10)包括設置在所述壓縮 機(36)與所述氨混合罐(34)之間并且配置成調節所述空氣流的壓力的流量控制閥(52)。
5.根據權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述系統(10)包括設置在所述壓縮 機(36)的上游并且配置成調節所述空氣流的壓力的進口壓力控制閥(56)。
6.根據權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述系統(10)包括配置成通過改變 所述壓縮機(36)的速度調節所述空氣流的壓力的控制器(54)。
7.根據權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述系統(10)包括設置在所述氨噴 射系統(33)的下游的選擇性催化還原系統(40)。
8.根據權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述系統(10)包括構造成將所述排 氣(26)輸出到所述氨噴射格柵(32)中的渦輪發動機(12)。
9.根據權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述壓縮機(36)包括離心式壓縮 機、往復式壓縮機、旋轉式螺桿壓縮機、軸流式壓縮機或渦卷式壓縮機。
10.根據權利要求1所述的系統(10)，其特征在于，所述空氣流的溫度僅由所述壓縮機 (36)增加。
全文摘要
本發明涉及氨噴射系統，具體而言，在一個實施例中，一種系統(10)包括減排系統(33)，該減排系統包括與催化劑混合罐(34)成流體連通的壓縮機(36)。該壓縮機(36)構造成輸出空氣流，該空氣流配置成將催化劑從催化劑混合罐(34)傳送至催化劑噴射格柵(32)。空氣流的溫度僅由壓縮機(36)增加。
文檔編號B01D53/94GK101994552SQ201010254938
公開日2011年3月30日 申請日期2010年8月6日 優先權日2009年8月7日
發明者D·蘭克呂爾, L·Y-M·童, 張華 申請人:通用電氣公司