用于控制以及減少NO_x排放物的系統和方法

專利名稱：用于控制以及減少NO_x排放物的系統和方法
技術領域：
本發明大體在NOx排放物減少的領域中。更具體而言，本發明涉及用于減少來自 NOx產生源的NOx排放物的系統和方法。
背景技術：
NOx排放物是許多行業尤其是動力產生行業所關心的問題。NOx的產生在高溫燃燒應用中和/或對于含氮燃料的燃燒是普遍的。在高的燃燒溫度下，燃燒空氣中的雙原子氮可氧化而產生N0X。燃料中的氮也可在燃燒期間作為自由基釋放而形成N0X。普遍已知的是 NOx排放物會導致酸雨以及有害的健康副作用，因此，NOx排放物是規章審查對象。NOx減少的一種常見方法包括在催化器上注入還原劑，以將NOx轉化成隊。甚至更具體地，一起使用氨與選擇性催化還原(“SCR”)催化器目前是NOx減少的最常見的方法。 在一些應用中，此方法可有效地從氣流中去除NOx中的80%至95% ；但是，使用氨反應劑可為非常大的運行成本。因而，提供用于NOx減少的新系統和方法將是合乎需要的。提供消除對諸如氨的還原反應劑的需要或減少諸如氨的還原反應劑的使用的、用于NOx減少的新系統和方法也將是合乎需要的。

發明內容
一方面，提供了一種用于減少來自產生源所產生的氣流的NOx排放物的方法。該方法可包括通過使氣流與氧化催化器接觸來使存在于氣流中的NO氣體中的很大一部分氧化，以產生高階NxOy分子；以及之后通過溶劑吸收或反應從氣流中去除高階NxOy分子。另一方面，提供了一種用于減少NOx排放物的系統。該系統可包括構造成以便產生包含NOx的氣流的氣體產生源；定位在氣體產生源的下游的氧化催化器，其中，氧化催化器構造成以便使氣流中的NO氣體分子氧化，以產生高階NxOy分子；以及定位在氧化催化器的下游的去除裝置，其構造成以便通過溶劑吸收或反應從氣流中去除高階NxOy分子。


圖1是示出了根據本發明的一個或多個實施例的、用于減少NOx排放物的系統的圖示。部件列表10 系統12燃氣輪機發動機14熱交換器(一個或多個)16氧化催化器18熱交換器20 容器
22 排氣
具體實施例方式提供了用于減少來自NOx產生源的NOx排放物的系統和方法。該系統和方法可用于各種NOx產生應用中，包括但不限于，氣體燃燒、蒸汽發生和碳氫化合物精煉應用。該系統和方法大體可用于其中產生了包含NOx的氣流的任何應用中。在一個示例性實施例中， 本發明的系統和方法可用來減少來自燃氣輪機發動機的NOx排放物。在另一個實施例中， 本發明的系統和方法可用來減少來自鍋爐的NOx排放物。在又一個實施例中，本發明的系統和方法可用來減少來自精煉廠的NOx排放物。本發明的系統和方法可主要通過這樣的方式來實現來自氣流的NOx的減少將氣流中的NO分子氧化成高階NxOy分子，并且隨后通過溶劑吸收或反應來去除高階NxOy分子。 這種方法可有利地避免或減少對持續注入還原劑的需要。在一些實施例中，該系統可在不對氣流添加反應劑的情況下從后燃燒氣流中去除NOx中的80%至95%。類似地，這種系統可減少或消除對添加氧化劑或能量源(例如臭氧(O3))以產生具有更高的溶劑吸收或反應的NxOy類(如N2O5)的需要。如本文所用，用語“高階NxOy分子”指的是其中χ和/或y的值大于1的NxOy分子。這些分子可為NO氧化的產物。例如，用語高階NxOy分子包含NO2和隊05。該用語還包含比NO高階的其它氮氧化物，包括N20、N2O3和N204。方法一方面，提供了用于減少來自產生源所產生的氣流的NOx排放物的方法。該方法可包括通過使氣流與氧化催化器接觸來使存在于氣流中的NO氣體中的很大一部分氧化， 以產生高階NxOy分子(例如NO2和/或N2O5)，以及之后通過水吸收或反應從氣流中去除NO2 氣體。如本文所用，用語“氧化催化器”大體指的是使NO分子氧化以產生高階NxOy分子 (例如NO2和/或N2O5)的裝置。氧化催化器可為具有涂有化學催化劑的內部蜂窩結構的流過裝置。在一個實施例中，氧化催化器可為CO催化器。在一些實施例中，氧化催化器構造成以便使氣流中的足夠量的NO分子氧化，從而使得離開該氧化催化器的氣流中的大多數NxOy 分子是NO2分子。在一些實施例中，在氣流與氧化催化器接觸之前，氣流中的大多數NOx分子是NO分子。優選地，可將氧化催化器放置在沿著氣流流徑的位置處，此處氧化催化器將暴露于在約350° F到約700° F的范圍中的氣流溫度。已經發現，由于更低的工作溫度的原因，氧化催化器在這種溫度范圍下工作可有利地允許催化器在熱力學上有利于產生NxOy， 同時提供足夠的溫度以在催化器表面上實現期望的速率動力學。還已經發現，在排氣流中出現SOx可使最佳溫度轉移到更高的值。在一個示例性實施例中，傳統的燃氣輪機發動機可產生其中NOx分子中的大約 90%是NO的氣流。氧化催化器可構造成以便產生這樣的氣流在該氣流中，NOx分子中的大約50%或更多是高階NxOy分子(例如NO2和或N2O5),或者更優選地，NOx分子中的大約 70%或更多是高階NxOy分子，或者甚至更優選地，NOx分子中的大約80%或更多是高階NxOy 分子。對于未經NOx抗氧化劑處理的CO催化器來說，可在約700° F或以下的溫度下實現在NOx中大于80%是高階Nx0y。使用鉬基氧化催化器可在約350° F至約700° F的范圍
4中實現約85%的氧化效率。范圍可取決于催化器組分、催化器表面處理和催化器表面積而改變。在一些實施例中，該方法可進一步包括燃燒燃料以產生氣流，其中，氣流包含燃料燃燒的反應產物。例如，燃料可包括碳氫化合物燃料、非碳氫化合物燃料或它們的組合。在示例性實施例中，燃料可包括天然氣、油或煤。氣流可由多種產生源產生，包括但不限于，燃氣輪機、鍋爐、爐子、精煉廠或化學處理裝置。可通過溶劑吸收(例如通過水吸收)或反應在氧化催化器的下游去除氣流中的高階NxOy分子。高階NxOy分子，尤其是NO2和N2O5分子，在水中是可溶解的，并且可通過對氣流應用水來從氣流中去除高階NxOy分子。例如，可把水噴射到氣流中，以吸收氣流中的高階 NxOy分子。水和高階NxOy分子之后可從氣流中分離出來。在某些實施例中，適于使氣流中的水蒸汽冷凝的水收集器可放置在氧化催化器的下游。在另一個實施例中，水薄膜或其它溶劑薄膜支承在高表面積結構(例如去霧器墊)上，而且NxOy轉移到薄膜上。冷凝水可吸收氣流中的高階NxOy分子，并且水和高階NxOy分子之后可從氣流中分離出來。在其它實施例中，高階NxOy分子可通過高階NxOy分子與反應劑的反應而分離出來。例如，NO2分子可與例如石灰基水溶液中的堿石灰接觸和反應。在某些實施例中，以對從氣流中去除NOx分子中的至少40%有效的方式執行將NO 分子氧化成高階NxOy分子以及高階NxOy分子的水吸收和/或反應。在一個優選實施例中， 以對從氣流中去除NOx分子中的至少75%有效的方式執行將NO分子氧化成高階NxOy分子以及高階NxOy分子的水吸收和/或反應。可在不添加氨的情況下有利地實現這種水平的 NOx減少。系統另一方面，提供了用于減少NOx排放物的系統。該系統可包括構造成以便產生包含 NOx的氣流的氣體產生源；定位在氣體產生源的下游的氧化催化器，該氧化催化器構造成以便使氣流中的NO氣體分子氧化，以產生高階NxOy分子；以及定位在氧化催化器的下游的去除裝置，其構造成以便通過水吸收或反應從氣流中去除NxOy分子。在一些實施例中，系統可包括構造成以便燃燒燃料以產生包含燃料燃燒的反應產物的氣流的氣體產生源。燃料可包括碳氫化合物燃料，例如天然氣、油或煤。氣流可由多種產生源產生，包括但不限于，燃氣輪機、鍋爐、爐子或化學處理裝置(例如精煉廠)。可通過水吸收或反應在氧化催化器的下游去除氣流中的高階NxOy分子。高階NxOy 分子在水中是可溶解的，并且可通過對氣流應用水來從氣流中去除高階NxOy分子。例如，可通過水注入裝置，例如通過一個或多個噴嘴，把水噴射到氣流中，以吸收氣流中的高階NxOy 分子。水和高階NxOy分子之后可從氣流中分離出來。在某些實施例中，適于使氣流中的水蒸汽冷凝的水收集器可放置在氧化催化器的下游。冷凝水可吸收氣流中的高階NxOy分子， 而且水和高階NxOy分子之后可從氣流中分離出來。在其它實施例中，高階NxOy分子可通過高階NxOy分子與反應劑的反應而分離出來。例如，高階NxOy分子可與堿石灰溶液接觸和反應。在某些實施例中，以對從氣流中去除NOx分子中的至少40%有效的方式執行將NO 分子氧化成高階NxOy分子以及高階NxOy分子的水吸收和/或反應。在一個優選實施例中， 以對從氣流中去除NOx分子中的至少75%有效的方式執行將NO分子氧化成高階NxOy分子以及高階NxOy分子的水吸收和/或反應。可在不添加氨的情況下有利地實現這種水平的 NOx減少。在圖1中示出了用于減少NOx排放物的系統的一個實施例。系統10可具有NOx產生源，例如燃氣輪機發動機12。燃氣輪機發動機12可產生具有約800° F至約1200° F的排氣溫度和9ppm的NOx濃度的氣流。NOx排放物中的大約10%可包含NO2，其余主要是NO。 氣流可穿過一個或多個熱交換器14，使得氣流可被冷卻到約350° F至約800° F。氣流然后可穿過氧化催化器16，在氧化催化器16中，NO分子中的很大一部分被氧化成高階NxOy分子。在圖1的實施例中，離開氧化催化器16的氣流可具有9ppm的NOx濃度，NOx排放物中的大約80%包含NO2或其它高階氮氧化物，例如N205。氣流然后可在熱交換器18中被進一步冷卻到約120° F。經冷卻的氣流然后可穿過容器20，在容器20中，NxOy在溶劑(例如水溶劑)中洗滌，并且被吸收或反應，然后被從氣流中去除。例如，容器20可包括將水或用于NxOy的其它溶劑注入氣流中的水注入裝置。在一些實施例中，容器20可包括使氣流中的水蒸汽冷凝的水收集裝置。液體水和吸收的高階NxOy分子然后可從氣流中分離出來，且該氣流然后可穿過排氣裝置22而到達大氣。排氣氣流可包含2. 5ppmvd的N0X。在另一個實施例中，容器20 可包括堿石灰或用于NO2的另一種反應劑。高階NxOy分子的水吸收和/或反應可按多種方式實現。例如，對于具有高的硫含量的燃料來說，高階NxOy分子的水吸收和/或反應可作為煙道氣脫硫(“FGD”)過程的一部分在FGD單元內執行。可使用多種類型的洗滌器來使高階NxOy分子從氣流中分離出來， 包括噴射塔、填充床洗滌器和/或文丘里洗滌器。在一個實施例中，提供了一種用于減少NOx排放物的系統，其包括構造成以便產生包含NOx的氣流的氣體產生源和定位在該氣體產生源的下游的氧化催化器。氧化催化器可構造成以便使氣流中的NO氣體分子氧化，以產生高階NxOy分子。系統可進一步包括定位在氧化催化器的下游的去除系統，其構造成以便通過水吸收或反應從氣流中去除高階NxOy分子。在一些實施例中，在氣流與氧化催化器接觸之前，存在于氣流中的NOx分子中的大多數是NO分子。例如，在燃氣輪機發動機系統中，渦輪排氣中的NOx分子中的大約90%可為NO。在一些實施例中，氧化催化器可使產生源產生的NO分子中的約50%或更多氧化。在某些實施例中，氧化催化器可使產生源產生的NO分子中的約75%或更多氧化。本書面描述使用實例來公開本發明，包括最佳模式，并且還使本領域任何技術人員能夠實踐本發明，包括制造和使用任何裝置或系統，以及執行任何結合的方法。本發明的可授予專利的范圍由權利要求書限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果這樣的其它實例具有不異于權利要求書的字面語言的結構元素，或者如果它們包括與權利要求書的字面語言無實質性差異的等效結構元素，則這樣的其它實例意圖處于權利要求書的范圍之內。
權利要求
1.一種減少來自產生源所產生的氣流的NOx排放物的方法，包括(a)通過使所述氣流與氧化催化器(16)接觸來使存在于所述氣流中的NO分子的一部分氧化，以產生高階NxOy分子；以及之后(b)通過溶劑吸收或反應從所述氣流中去除高階NxOy分子。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括燃燒燃料以產生氣流，其中，所述氣流包含燃料燃燒的反應產物。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述氣流與所述氧化催化器(16)接觸之前，所述氣流中的NOx分子中的大多數是NO分子。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，以從所述氣流中去除NOx分子中的至少 40%的方式執行步驟(a)和(b)。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，以在不添加氨的情況下從所述氣流中去除NOx分子中的至少40%的方式執行步驟(a)和(b)。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述產生源包括燃氣輪機(12)。
7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述產生源包括鍋爐、爐子、精煉廠處理裝置或化學處理裝置。
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，從所述氣流中去除高階NxOy分子的步驟包括對所述氣流應用水或含水溶液。
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，從所述氣流中去除高階NxOy分子的步驟包括使所述氣流與適于收集所述氣流中的水的水收集器接觸。
10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，從所述氣流中去除高階NxOy分子的步驟包括使所述氣流與石灰基水溶液接觸。
全文摘要
本發明涉及用于控制以及減少NOx排放物的系統和方法。提供了用于減少來自產生源所產生的氣流的NOx排放物的方法和系統。該方法可包括通過使氣流與氧化催化器(16)接觸來使存在于該氣流中的NO氣體的很大一部分氧化，以產生高階NxOy分子；以及之后通過溶劑吸收或反應從氣流中去除高階NxOy分子。系統(10)可包括構造成以便產生包含NOx的氣流的氣體產生源；定位在氣體產生源的下游的氧化催化器(16)，其中，氧化催化器(16)構造成以便使氣流中的NO氣體分子氧化，以產生高階NxOy分子；以及定位在氧化催化器(16)的下游的去除裝置，其構造成以便通過溶劑吸收或反應從氣流中去除高階NxOy分子。
文檔編號B01D53/56GK102233238SQ201110112738
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月21日 優先權日2010年4月23日
發明者G·A·博德曼, G·O·克雷默 申請人:通用電氣公司