用于有效運行熱反應器的設備的制作方法
【專利摘要】一種用于有效運行熱反應器的設備，該熱反應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，該設備通過使熱反應器能在需要氣化尿素時快速起動來有效運行該熱反應器。它包括：使含水尿素受熱一定時間以實現含水尿素的氣化并形成含NH3和HNCO的熱氣化產物流的氣化反應器；將熱氣體引入氣化反應器中的導管裝置；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；再循環回路，它包括導管、風扇、加熱器和關閉或打開再循環回路與反應器的連通的閥；由閥組成的隔離裝置，用于關閉或打開由用于將尿素氣化的輸入熱氣體對氣化反應器的供應；操作再循環回路和隔離裝置以使反應器能按需提供氣化尿素并在不需要氣化尿素時保持反應器的熱量的裝置；和將由尿素溶液與熱氣體在氣化反應器中接觸而產生的產物氣體輸送至使用它的單元例如SCR中的導管裝置。
【專利說明】用于有效運行熱反應器的設備
【技術領域】
[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 來有效運行熱反應器的設備，該熱反應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】 [0002]
[0003] 存在大量其中氨用在熱氣流中的工業應用。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節以及依賴于相對大量氨的SCR系統。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，因為當電力需要 使得它是必須的時，需要快速打開該系統。
[0004] 對于需要快速起動能力的應用例如燃氣輪機、組合循環設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熱時間或用于儲存氣化尿素的罐的實際方 法。然而，經常需要能快速起動，有時在少至10分鐘的響應時間內起動。保持系統就緒操 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。在常規尿素氣化系統中，使 所有組件達到合適溫度的加熱時間根據設備的尺寸、加熱系統的能力和所用設備的類型可 能要數小時。
[0005] 在能將尿素轉化成氨的技術中，已知高溫設備和系統，例如授予Sun等人的美國 專利No. 7, 090, 810,其描述了可產生復雜產物氣流的熱設備。需要高溫以將尿素氣化并保 持為氣體而不會冷凝或產生副產物。
[0006] 需要能夠快速起動以支持按需單元如渦輪機的設備。
[0007] 實用新型內容
[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器的方法和設備，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 熱反應器的設備，包括：氣化反應器，其用于使含水尿素(尿素水溶液）受熱一定時間以實現 含水尿素的氣化并形成含有NH3和HNC0的熱氣化產物流；用于將熱氣體引入氣化反應器中 的導管裝置；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；再循環回路，該再循環回路包括導管、風扇、加熱器和閥，所述閥用于關閉或打開該再 循環回路與所述氣化反應器的連通；由閥組成的隔離裝置，它用于關閉或打開對所述氣化 反應器的、用于將尿素氣化的輸入熱氣體的供應；用于操作所述再循環回路和所述隔離裝 置以使反應器能被按需供應氣化尿素并在不需要氣化尿素時保持反應器的熱量的裝置；和 用于將由尿素溶液與熱氣體在氣化反應器中接觸而產生的產物氣體輸送至使用它的設備 如SCR中的導管裝置。
[0010] 下文描述本實用新型的其它和優選方面。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 結合在說明書中并構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的部件。
[0012] 圖1為使用本實用新型的產氨設備的動力設施的示意圖。
[0013] 圖2為更詳細地示出本實用新型的產氨設備的示意圖。
【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選實施方案。 下文描述附圖和它們代表的設備，而適當地引用授予Sun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容并入本文中。
[0015] 術語"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選的并且在本實用新型方法中具有數個優點。 該方法有效地使用尿素，但也可使用在加熱時能夠產生含氨反應物的其它NOx還原試劑。 供應給該方法的尿素優選是濃度為約30%至約70%的水溶液，其中最優選約45%至約60%。
[0016] 當尿素通過熱處理氣化時，反應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物的溫度歷程的、來自副反應的副產物。通過術語"氣化"，我們意 指基本上所有的尿素轉化成氣體，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能快速響應于使用SCR技術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分鐘內從待機模式快速起動至完全運行。 在標準尿素氣化系統、例如Sun等人的專利所述那些系統的任意一個中，存在用以使所有 組分達到合適溫度的熱身（升溫，加熱）時間，視設備的尺寸、加熱系統的能力和所用設備的 類型而定，該熱身時間可從約20分鐘至2小時。
[0018] 如上所述，當尿素通過熱處理氣化時，反應物氣體不僅含有氨和異氰酸，還可能含 有取決于熱分解產物的溫度歷程的、來自副反應的副產物。
[0019] 圖1為利用本實用新型的燃燒設備的示意圖，用以通過使含水尿素熱氣化來提供 不含任何固體或液體的氣化尿素流。該燃燒設備包含燃燒室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器20,在該反應器中可將燃燒期間產生的NOx用 氨或氣化的尿素(包括氨和HNC0)處理以將NOx轉化成氮氣和水。或者，作為反應器20的 附加或者不需要該反應器20,許多設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所教導的。如果需要的話，可 在合適的位置提供催化劑以將HNC0轉化成氨，如例如美國專利No. 8, 470, 277中所述，該專 利通過引用全部結合進本文中。
[0020] 在SCR反應器20之后，燃燒氣體流過空氣-空氣換熱器22,所述換熱器用于預熱 由管道24提供的外部空氣，以用于經由管線14輸送至燃燒區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備如袋濾室）中時被 顯著冷卻，其中顆粒被收集然后經過氣體上升煙道（stack) 30中。這是實際工業或實用燃 燒器和流出物處理設備的非常簡化的形式，但示出了主要組件和它們的相互關系。
[0021] 尿素氣化系統40整體地示于圖1中，它包括工藝氣體供應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。經由管線43的霧化空氣供 應與經由導管44的含水尿素供應同心并在其外部，所述含水尿素供應將尿素溶液供入反 應室46內的噴嘴裝置45中。室46內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器20內的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。熱氣化反應器46使含水 尿素能持續一定時間地經受氣化溫度，該時間有效地確保含水尿素的氣化和形成熱氣化產 物流，所述產物流經由導管60取出并且含有NH3和HNC0,然后經由注氨格柵64進入SCR反 應器20中。
[0023] 經由導管裝置32進入尿素氣化系統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40中的氣體在入口處優選為至少450 °F并 且優選在700-1200 °F的范圍內，并足以在尿素水溶液處于氣化反應器中的時間內將該尿 素水溶液完全氣化，以提供包含氨和異氰酸的氣流。可將該氣流從尿素氣化系統40中取出 并保持在450 T以上的溫度下以供使用。
[0024] 通過導管裝置32提供的氣體優選在大于800 T的溫度下，并可借助于輔助加熱器 47加熱，然后在其中它們應當保持高于至少450 T的溫度下被引入尿素氣化反應器46中。 850-1200 T的進入氣體溫度是典型的。根據需要，可將補充熱量供入該室中。優選尿素氣 化系統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器46之前 的停留時間會有效地實現完全氣化。
[0025] 可以理解，重要的是裝置足夠熱以實現氣化并且不具有可能導致問題的冷點。本 實用新型提供在圖1中整體以50示出并結合圖2更詳細地描述的裝置，在本文中稱為再循 環回路，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。在運 行期間，隔離閥51和52關閉溫度保持導管57以容許分解室46的正常運行。這優選通過 控制器70和相關致動器(未示出）自動實現。當不需要氨時，閥51和52打開，閥53和54 關閉以將室46與主加熱器47和下游的注氨格柵64隔離。
[0026] 再循環回路50與分解室46關聯并使用高溫風扇55和第二加熱器56,所述高溫風 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關閉以導致在室46與導管57之間由風扇55驅動的再循環流通過 加熱器56。在待機模式下，該第二風扇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運行期間沉積于分解室46中并在正常系統清除循環期間沒 有完全除去的任何可能的雜質。所述清除循環理想地自動地處理，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
【權利要求】
1. 一種用于有效運行熱反應器的設備，該熱反應器用于將尿素氣化以便向SCR單元 或其它單元供料，該設備通過使熱反應器能快速起動以實現按需氣化尿素來運行該熱反應 器，其特征在于，該設備包括： a. 氣化反應器（46)，用于使含水尿素受熱一定時間以實現含水尿素的氣化并形成氣 化尿素流； b. 向該氣化反應器中引入熱氣體的第一導管裝置（32); c. 至少一個雙流體注射器（41)，該雙流體注射器分別經由管線（43)和導管（44)接收 含水尿素和霧化空氣的供應并且將尿素溶液供入氣化反應器（46)內的噴嘴裝置（45)中； d. 與該氣化反應器（46)關聯的再循環回路（50)，它包括連通該氣化反應器的導管 (57)以及設置在該導管上的風扇（55)、加熱器（56)和用于關閉或打開該再循環回路與所 述氣化反應器的連通的閥（51，52); e. 隔離裝置，它包括用于關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 器的供應的閥（54); f. 用于操作所述再循環回路和所述隔離裝置以使該氣化反應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器中接觸而產生的產物氣體輸送至所述 SCR單元或其它單元中的第二導管裝置（60)。
2. 根據權利要求1的設備，其特征在于，該設備還包括用于將氣化尿素流中的HNCO轉 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 優先權日:2013年7月8日
【發明者】P·G·卡爾米納尼, J·M·鮑伊爾 申請人:燃料技術公司