CN101066520B - 通过支流尿素分解实现的NOx的选择催化还原 - Google Patents

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Abstract

一种优选的工艺布置利用燃料气的焓(需要时可补充)使尿素(30)转化成氨用于SCR。将在高于140℃的温度下分解的尿素(30)注射(32)至在换热器(22)如主过热器或节热器之后分出的燃料气流(28)中。理想地，所述支流在不需进一步加热的情况下使所述尿素气化；而需要加热时，比加热全部废气(23)或所述尿素(30)所需热量低得多。此支流(典型地低于所述燃料气的3％)提供使尿素(30)的完全分解所需温度和时间。可用旋风分离器除去颗粒并使试剂与燃料气充分混合。然后用鼓风机(36)使此气流通向SCR之前的注射格栅(37)。由于支流的质量比传统氨-SCR法中通过AIG注射的量高一个数量级，从而有利于与燃料气混合。

Description

通过支流尿素分解实现的NOx的选择催化还原
本申请是中国发明申请(发明名称：通过支流尿素分解实现的NOx的选择催化还原，申请日：2001年12月3日；申请号01807289.5)的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种新的NOx的选择催化还原，能通过从主流中分离出的支气流或用于使尿素分解成其活性组分包括氨的热空气的支流而实现。
背景技术
许多管辖范围内已努力减少氮的氧化物(NOx)的排放。所述技术包括更改燃烧条件和燃料的那些(称为主要措施)和处理燃烧后废气的那些(称为辅助措施)。采用有效的主要措施时，仍可采用辅助措施进一步降低。看来要最好地减少NOx，主要措施和辅助措施都是必要的。
已知的辅助措施是选择催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)。这两种方法都已用氨和尿素进行。参见例如US3900554，其中Lyon公开了燃烧废气中一氧化氮(NO)的SNCR，通过向燃烧废气中注射氨、特殊的氨前体或其水溶液在1600至2000°F范围内的温度下与一氧化氮混合。Lyon还建议使用还原剂如氢或各种烃，从而可在低至1300°F的废气温度下有效利用氨。但这些温度通常太高而无法有效处理，难以安全地处理氨，而且SNCR不如SCR有效。Arand，Muzio，and Sotter在US4208386中和Arand，Muzio，andTeixeira在US4325924中教导了针对尿素的类似方法。温度也很高，不能使用较低的温度。
SCR可在较低温度(一般在100至900°F范围内)下用氨操作。在此方面，参见US3032387和3599427。SCR(选择催化还原)在某些范围内用于减少NOx已有多年。但迄今为止，SCR依靠使用氨，它有与储存、操作和运输相关的安全问题。尿素更安全，但对于许多SCR应用尚不可行，因为难以使之由固体或水溶液形式转化成可在催化剂床上反应用于NOx还原的活性气态物质。而且，在试剂的经济性方面，无水氨优于尿素。在“A SelectiveCatalytic Reduction of NOX from Diesel Engines Using Injection of Urea”(Ph.D.thesis，1995年9月)中，Hultermans描述了柴油发动机方面的许多技术课题，同时给出了宽阔的技术背景。
用于利用尿素使NOx还原的催化剂的使用是有效的，但对可能污损催化剂的颗粒和未分解的尿素敏感。在此方面，必须记住所述SCR处理温度范围下端的温度将不足以使尿素完全气化。此外，SCR要求在与催化剂接触之前非常均匀地混合活性气态物质，而使尿素或其分解产物与大量需要处理的废气均匀混合很难。近来授予Hug等的几篇专利包括US5431893中描述了尿素SCR用于固定和移动源如柴油发动机的有限尝试。为防止催化剂污损，Hug等提出了能用尿素处理所有废气的庞大设备。不管物理形式如何，尿素需要时间在热的废气中分解，在最益于气化的温度下可能导致喷嘴堵塞。突出的问题是必须使尿素溶液保持在低于100℃的温度下以防止在注射设备中水解。它们提出在供给尿素时用使用适度的尿素压力，发现进料管被堵塞时需要有替换手段向进料管中引入高压空气。Hug等所用喷嘴利用辅助空气辅助分散。而且，它采用稀溶液，需要大量供热使所述水蒸发。还参见WO97/01387和EP487886A1。
EP615777A1中描述了一种装置，将固体尿素供入含有废气的通道中，据说在催化剂存在下使之水解。该文献中指出为成功地操作，必须使用水解催化剂、用于分散细固体的压缩空气、将尿素研磨成细固体的装置和防止尿素颗粒粘连在一起的涂料。该文献提到如果仅催化器内和喷嘴出口端涂有催化剂，将发生腐蚀和沉积。尽管达到从所述工艺中除去水的目的，但该说明书将固体尿素引入气流中-可能使尿素沉积在SCR催化剂上。
US6146605(Spokoyny)中描述了一种SCR/SNCR联合法，在多级法中涉及在SCR步骤之前使尿素水解的独立步骤。US5985224和6093380(Lagana等)中公开了一种类似的方法，描述了涉及使尿素水解然后使气相与液体水解产物相分离的方法和设备。Copper等在US6077491中也公开了一种尿素水解产生氨的方法。所有这些方法中，在水解期间和之后都需要处理大量含有氨的高温高压气相和液相。此额外处理需要购买和维护附加的设备、发生工艺故障情况下的应急计划和装备，需要有更安全、简单和有效地操作的***。
本领域期待开发可简单、可靠、经济且安全地在SCR法中使用尿素的方法和设备。
发明内容
本发明提供一种实现用于用尿素作试剂通过SCR使NOx还原的活性气态反应物的均匀混合的实用方法，和确保所述气体处于适合于有效NOx还原的适当温度下的新工艺布置。
本发明的新设计能使尿素气化并与含NOx的燃烧气充分混合，可有利地利用所述燃料气的焓(需要时可补充)使尿素转化成SCR试剂如氨。将尿素(在高于140℃的温度下分解)注入支流，在其中使之气化并与其它气体混合。一种很有效的布置中，所述支流是在主过热器或节热器之后分出的燃料气流。理想地，所述支流在不需进一步加热的情况下使所述尿素分解；而需要加热时，比加热全部废气所需热量低得多。取决于温度，此支流(典型地低于所述燃料气的3％)为尿素的完全气化和所述含试剂的支流充分混入主流提供所需焓和动量。
混合装置如旋风分离器、静态混合器或鼓风机可在再注入主流之前更充分地混合所述试剂和燃料气。旋风分离器的优点在于它还可除去可能存在的颗粒。然后可用高温鼓风机使含有气化尿素的支流射向SCR催化剂之前的注射格栅。涡流混合器或其它类型的静态混合器可安装在注射格栅下游使支流与主流充分混合。由于支流的质量比传统氨-SCR法中通过AIG注射的量高一个数量级，从而有利于与燃料气混合。
此新方法和完成此方法的设备在不需试剂载体空气或单独用于加热和使尿素水解的附加热源的情况下利用尿素试剂的易处理特征，用支流气体提供高度的NOx还原所需充分混合。
根据本发明一实施方案，从来自燃烧室的主废气流中分出支流，在足以使尿素完全分解或以其它方式气化成活性气体物质的温度下将尿素注入所述支流中。
根据本发明另一实施方案，在最终处理之后从来自燃烧室的主废气流中分出支流，在足以使尿素充分气化成活性气体物质的温度下将尿素注入所述支流中。
根据本发明再另一实施方案，从燃烧室之外的源引入支流，在足以使尿素充分气化成活性气体物质的温度下将尿素注入所述支流中。
根据本发明另一实施方案，从来自燃烧室的主废气流中分出支流并向其中注入尿素，然后两物流混合通过旋风分离器实现完全混合和颗粒分离。
本发明另一实施方案中，从来自燃烧室的主废气流中分出支流，在加热和注入尿素之前通过旋风分离器。
本发明再另一实施方案中，从来自燃烧室的主废气流中分出支流，将所述支流加热，在通过旋风分离器之前注入尿素。
本发明的一种备选实施方案利用空气流、通过燃料气-空气换热器预热的空气、或预热的燃烧空气流，将所述气流进一步加热并与尿素混合，然后所得气流通过混合器(需要时)和注射格栅，与来自燃烧室的废气流混合通过SCR反应器。
这些实施方案中，都可用水蒸汽确保氨的产量最高和作为补充热源用于气化或保持催化剂的温度。而且，在这些实施方案中含有活性SCR试剂的支流都可通过传统氨-SCR法中适当设计的注氨格栅(AIG)再引入主燃料气流中。此外，在所要求的温度下适用于供应空气或燃烧气的鼓风机可位于尿素注射之前或之后(无论哪个更适于应用)以提供足够的压力将所述支流再引入主燃料气流中。
下面描述本发明的许多优选方面。预料等效的组合物。
本发明的目的通过以下实现：
1.一种降低燃烧气流中氮的氧化物的浓度的方法，包括：
提供至少140℃温度的气体支流；
将尿素水溶液在能使所述尿素水溶液气化的条件下加入所述支流中；
将含有所述尿素气化所得气体的所述气体支流加入体积比所述支流大的含NOx的气体主流中产生混合气流；和
使所述混合气流在能降低所述混合气流中NOx浓度的条件下通过NOx还原催化剂。
2.条目1的方法，其中所述支流包括从燃烧气流中分出的燃烧气以产生所述支流和所述主流。
3.条目1的方法，其中所述支流包括外部空气。
4.条目1的方法，其中所述支流包括在所述混合气流通过所述NOx还原催化剂之后从所述混合气流中取出的气体。
5.条目1-4之任一的方法，其中加入所述尿素水溶液之前将所述气体支流加热至至少200℃的温度。
6.条目1-4之任一的方法，其中所述尿素溶液以使NSR为0.1至2.0的相对于通过所述NOx还原催化剂之前所述混合气流中NOx浓度的一速率加入。
7.条目1-4之任一的方法，其中所述尿素水溶液的浓度为5至70％。
8.条目1-4之任一的方法，其中用水蒸汽加热所述支流以促进所述尿素的气化。
9.条目1-4之任一的方法，其中将含有所述尿素气化所得气体的所述气体支流加入所述含NOx的气体主流中产生混合气流之前，使所述支流通过混合装置。
10.条目1-4之任一的方法，其中在所述支流中的气体通过减少颗粒装置之后向所述支流中加入尿素。
11.条目1-4之任一的方法，其中所述尿素为固体试剂。
12.条目1-4之任一的方法，其中以使NSR为0.1至2.0的相对于通过所述NOx还原催化剂之前所述混合气流中NOx浓度的一速率加入浓度为5至70％的尿素水溶液之前将所述气体支流加热至至少200℃的温度，将含有所述尿素气化所得气体的所述气体支流加入所述含NOx的气体主流中产生混合气流之前使所述支流通过混合装置。
13.条目1-4之任一的方法，其中所述气体支流占标准条件下所述混合气流体积的10％以下。
14.一种降低燃烧气流中氮的氧化物的浓度的方法，包括：
提供至少200℃温度的气体支流，所述支流包括从燃烧气流中分出的燃烧气以产生所述支流和主流，其中所述气体支流占标准条件下所述燃烧气体体积的10％以下；
将尿素水溶液在能使所述尿素水溶液气化的条件下加入所述支流中，所述尿素的浓度为5至70％，以使NSR为0.1至2.0的相对于通过所述NOx还原催化剂之前所述混合气流中NOx浓度的一速率加入；
将含有所述尿素气化所得气体的所述气体支流加入体积比所述支流大的含NOx的气体主流中以产生混合气流；和
使所述混合气流在能降低所述混合气流中NOx浓度的条件下通过NOx还原催化剂。
15.一种降低燃烧气流中氮的氧化物的浓度的方法，包括：
提供至少200℃温度的气体支流，所述支流包括从燃烧气流中分出的燃烧气以产生所述支流和主流，其中所述气体支流占标准条件下所述燃烧气体体积的10％以下；
将尿素水溶液在能使所述尿素水溶液气化的条件下加入所述支流中，所述尿素的浓度为5至70％，以使NSR为0.1至2.0的相对于通过所述NOx还原催化剂之前所述混合气流中NOx浓度的一速率加入；
将含有所述尿素气化所得气体的所述气体支流加入体积比所述支流大的含NOx的气体主流中以产生混合气流；和
使所述混合气流在能降低所述混合气流中NOx浓度的条件下通过NOx还原催化剂；
其中包含在所述支流中的所述燃烧气是从通过所述NOx还原催化剂之后的所述混合气流中分出的。
16.一种降低燃烧气流中氮的氧化物的浓度的方法，包括：
提供至少200℃温度的气体支流，其中所述气体支流占标准条件下所述燃烧气体体积的10％以下，由所述燃烧气之外的来源供应；
将尿素水溶液在能使所述尿素水溶液气化的条件下加入所述支流中，所述尿素的浓度为15至70％，以使NSR为0.1至2.0的相对于通过所述NOx还原催化剂之前所述混合气流中NOx浓度的一速率加入；
将含有所述尿素气化所得气体的所述气体支流加入体积比所述支流大的含NOx的气体主流中以产生混合气流；和
使所述混合气流在能降低所述混合气流中NOx浓度的条件下通过NOx还原催化剂。
17.一种用于降低燃烧气流中氮的氧化物的浓度的设备，包括：
用于输送至少140℃温度的气体支流的导管；
用于将NOx还原剂的水溶液在能使所述NOx还原剂水溶液气化的条件下加入所述支流中的装置；
用于将含有所述NOx还原剂气化所得气体的所述气体支流加入体积比所述支流大的含NOx的气体主流中以产生混合气流的装置；和
用于使所述混合气流在能降低所述混合气流中NOx浓度的条件下通过NOx还原催化剂的装置。
18.条目17的设备，其中设有用于从燃烧气流中分出支流产生所述支流和所述主流的装置。
19.条目17的设备，其中设有用于加入外部空气作为所述支流的装置
20.条目17的设备，其中设有用于从通过所述NOx还原催化剂之后的所述混合气流中取出气体形成所述支流的装置。
21.条目17-20之任一的设备，其中设有在加入所述尿素水溶液之前将所述气体支流加热至至少200℃的温度的装置。
22.条目17-20之任一的设备，其中设有以使NSR为0.1至2.0的相对于通过所述NOx还原催化剂之前所述混合气流中NOx浓度的一速率加入尿素溶液的装置。
23.条目17-20之任一的设备，其中设有加入浓度为5至70％的尿素溶液的装置。
24.条目17-20之任一的设备，其中设有用水蒸汽加热所述支流促使所述NOx还原剂气化的装置。
25.条目17-20之任一的设备，其中所述气体支流中设有混合装置。
26.条目17-20之任一的设备，还包括颗粒去除装置，所述支流取自所述颗粒去除装置下游的废气。
27.条目17-20之任一的设备，其中尿素为固体试剂。
附图说明
从以下详细描述特别是结合附图理解时将更好地理解本发明，而且其优点将更显而易见，其中：
图1为本发明一实施方案的示意图，其中从来自燃烧室的主废气流中分出支流，在足以使尿素完全分解成活性气体物质的温度下将尿素注入所述支流中。鼓风机(可位于尿素注射之前或之后)提供足够的压力以将所述支流引入所述主流。用注射格栅或传统的注氨格栅使所述试剂在SCR反应器之前彻底分布在所述主流中。
图2为本发明另一实施方案的示意图，其中从来自燃烧室的主废气流中分出支流，设置燃烧器或加热燃料气的其它装置使所述支流升温足以使尿素完全分解成活性气体物质，向所述支流中注入尿素，在所述支流中使尿素分解或以其它方式气化。
图3为本发明另一实施方案的示意图，其中从来自燃烧室的主废气流中分出支流，将尿素注入所述支流中并可选地加热，然后两物流混合通过旋风分离器实现完全混合和颗粒分离。
图4为本发明另一实施方案的示意图，其中从来自燃烧室的主废气流中分出支流，在加热和注入尿素之前通过旋风分离器，借助鼓风机使所述支流前进通过注射格栅。
图5为本发明另一实施方案的示意图，其中从来自燃烧室的主废气流中分出支流，在通过旋风分离器之前加热并注入尿素。
图6为本发明另一实施方案的示意图，其中将空气流加热并向其中注入尿素，然后使所得物流通过混合器(需要时)和注射格栅，与来自燃烧室的废气流混合，通过SCR反应器。
图7为与图6相似的本发明另一实施方案的示意图，其中用水蒸汽作为热源。
图8为与图7相似的本发明另一实施方案的示意图，其中在引入尿素之前引入水蒸汽。
图9为本发明另一实施方案的示意图，其中所述支流由在所述SCR反应器中处理后的燃烧气形成，所得气流被加热并注入尿素。
图10为本发明另一实施方案的示意图，其中所述支流由在SCR反应器和颗粒收集装置如ESP、袋滤器或旋风分离器中处理之后的燃烧气形成，所得气流被加热并注入尿素。
图11为图6的尿素注射的改型，其中代替注射尿素水溶液，用风动空气载气注***细地研磨、粉碎或微粉化的固体尿素。
具体实施方式
本发明提供一种尿素基SCR法，可有利地利用燃料气的焓(需要时可补充)使尿素转化成氨。有几种实施方案，将以其优选形式描述。但所述实施方案的各种特征可与除具体详述的那些特征之外的实施方案组合使用。所有附图中相同元件和附图特征将有相同的标记。
此新方法利用尿素试剂易处理的特征，用支流气体提供完全气化和良好的混合以提供高度NOx还原所需充分混合。在特别有利的实施方案中，气化所需热量来自所述燃烧气的焓。
该方法可用尿素实施，但也可利用加热时能产生含氨反应物气体的其它NOx还原剂。如后面所显示，某些此试剂气化时，所述反应物气体还含有与水反应转化成氨和二氧化碳的HNCO。本发明的优点在于可在不使有堵塞喷嘴和其它设备的危险的所述NOx还原剂预先水解的情况下容易地实现。本文中术语“气化”意指基本上所有尿素都转化成气体，未留下显著的溶解的或游离的固体或液体与SCR催化剂接触而使之污损。
术语“尿素”意指包括在加热时生成氨和HNCO的意义上与尿素等效的试剂，不论引入燃烧气的形式中是否含有大量纯化学尿素；但与尿素等效的试剂在其商购形式中典型地含有可测量的尿素因而包括尿素。可气化的NOx还原剂是包括选自以下的那些：氰尿酰胺；氰尿二酰胺；碳酸铵；碳酸氢铵；氨基甲酸铵；氰酸铵；无机酸包括硫酸和磷酸的铵盐；有机酸包括甲酸和乙酸的铵盐；缩二脲；三脲，氰尿酸；异氰酸；脲甲醛；蜜胺；三氰基脲及其混合物。不生成HNCO但分解成包括烃的气体混合物的其它NOx还原剂也可使用。此组中是各种胺及其盐(特别是其碳酸盐)，包括胍、碳酸胍、碳酸甲胺、碳酸乙胺、碳酸二甲胺、六甲胺；碳酸六甲胺；和来自化学过程的含有尿素的副产废物。在释放的烃组分不干扰所述NOx还原反应的情况下可使用有较高烷基的胺。
因此术语“尿素”意指包括所有商购和等效形式的尿素。典型地，商购形式的尿素主要由尿素组成，含有95％(重)或更多尿素。此较纯形式的尿素是优选的，有本发明中的几个优点。
本发明另一优点在于在根本不需使用氨的情况下，本文所述设备改善了SCR试剂包括氨的引入，从而即使其储存问题还未完全解决也使其使用更可行。
所述尿素溶液以相对于通过所述NOx还原催化剂之前所述混合气流中NOx浓度的一速率引入使NSR为约0.1至约2(取决于许多因素)，但更典型地在0.5至1.1的范围内。术语“NSR”意指尿素或其它NOx还原剂中氮当量与待处理燃烧气中NOx中氮当量之比。
术语“燃烧室”意指广义地包括燃烧碳质燃料提供热量例如直接或间接转化成机械或电能的所有燃烧室。这些碳质燃料可包括常用作燃料的烃以及可燃烧废物如城市固体废物、工业废物等。燃烧器和锅炉以及奥图、狄塞尔和涡轮型内燃发动机都包括在术语燃烧室的定义中，都可得益于本发明。但由于用氨作还原剂在燃烧室上成功实现可靠的NOx还原的问题和优点如此显著，此描述中以大规模燃烧室为例。但包括所有类型的静止和移动燃烧室。但本发明不限于燃烧燃料气。可得益于通过用于NOx还原的SCR反应器的任何热燃料气都可得益于本发明。
图1为本发明一实施方案的示意图，其中从来自燃烧室的主废气流中分出支流，在足以使尿素完全分解或以其它方式气化成活性气体物质的温度下将尿素注入所述支流中。大规模燃烧室20燃烧燃料，导致产生氮的氧化物(NOx)必须至少部分地除去。在燃烧气通过通道23及下游设备排放至大气之前用所述燃烧气加热换热器列22中的水。将尿素试剂加入支流中和使所述支流与主燃烧气流(如后面所解释)混合之后，混合装置24是可选的。本文中术语“支流”用于意指相对于要用气化的尿素和NOx还原催化剂26、26’和26”处理的燃烧气的总体积而言体积较小的气流。所述支流可通过从通道23中的全部燃烧气流中分出支流部分28留下燃烧气的主流29获得。各实施方案中所述分离将在处理之前或之后进行。此外，所述支流可通过从燃烧室外部的来源中吸入空气流形成。
催化剂26、26’和26”用在构成反应器的排列中，是本领域已知用于利用各种水解、气化、热解等形式的氨或尿素使NOx还原的SCR催化剂。适用的SCR催化剂是能在氨存在下使降低废气的氮氧化物浓度的那些。这些包括例如活性炭、沸石、氧化钒、氧化钨、氧化钛、氧化铁、氧化铜、氧化锰、氧化铬、贵金属如铂族金属如铂、钯、铑和铱、或其混合物。本领域常用和本领域技术人员已知的其它SCR催化剂材料也可使用。这些SCR催化剂材料典型地安装在载体如金属、陶瓷、沸石或均质整体结构，但其它已知载体也可使用。
适用的SCR催化剂是下面所述那些典型的现有技术方法。用于使NOx还原的选择催化还原法是公知的，利用各种催化剂。例如，在EP210392中，Eichholtz和Weiler论述了在加氨的情况下用活性炭作催化剂除去氮的氧化物。Kato等在US4138469中和Henke在US4393031中公开了NOx的催化还原，用铂族金属和/或其它金属如钛、铜、钼、钒、钨或其混合物在加氨的情况下实现要求的催化还原。还参见EP487886，其中指定V2O5/WO3/TiO2催化剂，工作范围为220至280℃。其它铂基催化剂可有甚至更低例如低至约180℃的操作温度。
CA1100292(Knight)公开了另一种催化还原法，涉及使用沉积在耐火氧化物上的铂族金属、金、和/或银催化剂。Mori等在US4107272中论述了NOx的催化还原，在加入氨气的情况下使用钒、铬、锰、铁、铜和镍的氧硫、硫酸盐、或亚硫酸盐化合物。
在多相催化体系中，Ginger在US4268488中公开使含有氮氧化物的废气在氨存在下接触包含铜化合物如硫酸铜的第一催化剂和包含担载在载体之上的金属组合物如钒和铁或钨和铁的硫酸盐的第二催化剂。
最优选在包括气化尿素或其它试剂的燃烧气处于至少约100℃、典型地在约180和约650℃之间、优选至少约250℃以上的温度的同时使含反应物气体的废气经过SCR催化剂。这样因所述试剂溶液气化而存在于废气中的活性物质最有效地促进氮的氧化物的催化还原和控制水的冷凝。所述废气典型地含有过量的氧，例如高达使碳质燃料充分氧化所需氧的约15％。在上述任何SCR催化剂(引入本文供参考)的情况下利用本发明减少或消除运输、储存和处理大量氨或氨水的需要。
图1中，使导管23中的全部燃烧气流分流形成支流28和体积大于所述支流的主流29。在高于140℃的温度下分解的尿素从存储器30通过有适合阀34和控制器(未示出)的喷嘴32注入在主过热器或节热器(一般地表示为换热器22)之后分出的燃料气流28中。为达到使尿素或与尿素有关的NOx还原剂气化的目的，典型地用高于约300℃的温度实现气化。
要求使尿素溶液保持在适合于储存和处理而没有沉淀或其它问题的浓度下。在有一定实用性的情况下可采用约5至70％的浓度，但更典型的是约15至约50％的浓度。本发明的优点在于尿素溶液中的水量可单独改变或随着为适当控制支流中气体温度所加入的蒸汽改变。
此组中通过试剂气化产生的气体的温度应保持在防止其冷凝的水平。典型地所述温度应保持在至少约150℃、优选至少200℃的温度下。用于所述气化和所述试剂产生气体的传递的优选温度范围是约300至约650℃。理想地，所述支流28在不需进一步加热的情况下使尿素分解成活性物质。此支流(例如所述燃料气的0.1至25％)，典型地低于总燃烧气(燃料气)体积的10％、通常低于3％、例如0.1至2％，提供尿素完全分解所需焓和足以使支流28与主流29混合的动量，同时所述主流29可用于进一步换热。
运送支流28的容器提供尿素分解所需时间和气速。注射后，典型地提供1至10秒的停留时间使尿素完全分解并促进HNCO与水蒸汽之间的反应形成氨。整个容器中保持至20ft/s的支流气速以优化容器尺寸，实现活塞流，增强支流中尿素滴的分散、蒸发和分解，减少液滴对容器壁的撞击。内通道和多壁是优选的以达到最佳气速并减小至外部环境的热损失。所述优化容器设计尤其可用公认的设计工具如计算的流体-动态模型导出。
尿素注射喷嘴32引入界限分明的液滴。可使用空气辅助的雾化器或机械雾化器。为使尿素液滴迅速蒸发和分解要求液滴大小小于500微米但典型地小于100微米并优选小于50微米。考虑到容器大小，由例如超声喷嘴产生的小而慢的液滴可能比大而快的液滴更理想。需要时，可加入蒸汽(此方面参见图7-9)。然后使支流通向含有催化剂例如26、26’和26”的SCR反应前面的注射格栅37(或其它适合的进料装置如传统的注氨格栅)。此实施方案中，用高温鼓风机36为注氨格栅37提供适合的注射压力例如约1psig或更低，此外也导致混合。或者，代替所示位置，高温鼓风机36可位于尿素喷嘴32上游。
有密布喷嘴的传统注氨格栅37要求低达全部燃烧室燃料气的0.1％作为所述支流。需要时可使用静态混合器24。或者，注射格栅37可包括较少的稀疏地放置的喷嘴或孔，利用位于下游的静态混合器24获得均匀分布。此备选设计可降低与注射格栅关联的费用和维护。由于支流(例如所述燃料气的1至2％)的质量比传统氨SCR法中通过注氨格栅(AIG)注射的高一个数量级，因而有益于与燃料气的混合。因此，此实施方案提供了根据应用需要选择注射格栅类型的灵活性。
本发明此实施方案和其它实施方案的优点在于：因较大量的支流气体在所述气体引入SCR催化剂之前与尿素溶液混合，不需要明显的混合步骤。许多情况下，特别是气体体积波动较大的情况下，利于设置分一或多级混合气体的装置。适用的混合装置是静态混合器、旋风分离器、鼓风机和其它设计或实现气体混合的工艺设备。
本发明此实施方案的另一优点在于：通过使用由充分热交换之前的燃烧气组成的支流，利用所述气体的焓通过与尿素水溶液直接换热实现气化。意外地，计算显示仅在低载荷条件下(NOx还原的需要也低)需要用补充热量以此方式直接换热比冷气流中用补充热量使尿素气化的效率高得多。有利地，向所述支流中加入补充热量可能是控制用于尿素分解和SCR催化剂的所述支流的温度和使两温度都保持在其有效温度范围内的有效手段。
图2示出与图1类似的一种实施方案，但设有加热器38能根据需要使所述支流28的温度升高足以确保尿素分解。锅炉的输出量低时这特别适用。此布置的优点在于：需要加热时，所需热量比加热全部废气或仅加热尿素所需热量低得多。位于尿素喷嘴32下游的高温鼓风机36可代替所示位置位于加热器38上游。可用蒸汽盘管加热器、换热器或向支流28传热的其它装置代替以燃烧器形式示出的加热器38。
图3是本发明另一实施方案的示意图，其中支流28从来自燃烧室的主废气流中分出，在向其中注射尿素之前根据需要加热。两物流(23和28)混合，通过旋风分离器40实现颗粒分离和完全混合。位于尿素喷嘴32下游的高温鼓风机36可位于加热器38上游。可用蒸汽盘管加热器、换热器或向支流28传热的其它装置代替加热器38。
图4是本发明另一实施方案的示意图，其中支流28从来自燃烧室20的主废气流23中分出，通过旋风分离器40(或其它颗粒分离装置)，然后根据需要由加热器38加热，通过注射器32注入尿素。位于尿素喷嘴32下游的高温鼓风机36可位于加热器38或旋风分离器40上游。可用蒸汽盘管加热器、换热器或向支流28传热的其它装置代替加热器38。
图5是与图4类似的本发明一实施方案的示意图，其中支流28从来自燃烧室22的主废气流23中分出，紧邻旋风分离器40(或其它颗粒分离装置)之前或在之中注入尿素。所得处理物流经过鼓风机36通过SCR反应器之前的注射格栅37(或其它适用的进料装置)。还示出可选的静态混合器39。位于旋风分离器40下游的高温鼓风机36可位于加热器38上游。可用蒸汽盘管加热器、换热器或向支流28传热的其它装置代替加热器38。
图6为本发明另一实施方案的示意图，其中空气流被迫进入导管128并被加热，通过注射器32注入尿素。所得物流通过混合器和注射格栅，与来自燃烧室的废气流混合，通过SCR反应器。此实施方案示出换热器45和燃烧器38，但其任一或两者可根据需要使用。其它向支流28传热的装置可代替所述换热器45或燃烧器38。
此实施方案适用于燃烧室20的构型不易构造燃烧气的支流因而需要附加热量的情况。可用公用锅炉中常用的预热燃烧空气减少此附加热量。
图7是与图6类似的本发明另一实施方案的示意图，其中通过作为热源的装置50引入蒸汽。
图8是与图7类似的本发明另一实施方案的示意图，其中所述蒸汽源50位于引入尿素之后。
图9是与图6类似的本发明另一实施方案的示意图，其中支流228由在所述SCR催化剂反应器中处理之后的燃烧气组成。此实施方案的优点在于所述气体有相当大的热值，特别是用其预热燃烧空气之前取出时。
图10是与图9类似的本发明另一实施方案的示意图，其中支流328由在SCR催化剂反应器和下游颗粒收集装置60如静电沉淀器、袋滤器或旋风分离器中处理之后的燃烧气组成。虽然气体有比前一实施方案更低的热值，但此方案具有用于烧固体或液体的燃烧室时基本上不含颗粒的优点。低颗粒含量减少维护需要。
图11中，示出图6中尿素注射的的改型。代替注射尿素水溶液，通过管线31和来自管线234的喷嘴232用风动空气载气注***细地研磨、粉碎或微粉化的固体尿素。此固体尿素注射可适用于上述所有实施方案。没有水，固体尿素有降低加热需求的优点。
以上描述是要使本领域技术人员能够实施本发明。不是要详述阅读说明书时对技术人员来说是显而易见的所有可能的修改和改变。但所有这些修改和改变都要包括在以上描述和由以下权利要求书限定的本发明的范围内。除非上下文明确指出相反，这些权利要求意欲覆盖能满足本发明目的的任何排列或顺序的所述元件和步骤。

Claims (10)

1.一种用于降低燃烧气流中氮的氧化物的浓度的设备，包括：
用于从所述燃烧气的至少一部分除去颗粒的颗粒分离装置；
用于输送至少300℃温度的由外部空气和/或燃烧气构成的且占总燃烧气的小于3％体积的气体支流的导管；
用于产生尿素NOx还原剂的水溶液的小于500微米的液滴和将它们在有效使所述尿素NOx还原剂水溶液气化的条件下加入所述支流中的包括喷嘴的装置；
用于保持温度大于300℃以保证在所述液滴中基本上所有的尿素在1-10秒内转化为气体、未留下显著的溶解的或游离的固体或液体与SCR催化剂接触而使之污损的加热装置；
用于将含有所述尿素NOx还原剂气化所得气体的所述气体支流加入体积比所述支流大的含NOx的气体主流中以产生混合气流的包括注氨格栅的装置；和
用于使所述混合气流在有效降低所述混合气流中NOx浓度的条件下通过NOx还原催化剂的装置。
2.权利要求1的设备，其中设有用于从燃烧气流中分出所述气体支流产生所述气体支流和所述气体主流的装置。
3.权利要求1的设备，其中设有用于加入外部空气作为所述气体支流的装置。
4.权利要求1的设备，其中设有用于从通过所述NOx还原催化剂之后的所述混合气流中取出气体形成所述气体支流的装置。
5.权利要求1-4中任一项的设备，其中设有在加入所述尿素水溶液之前将所述气体支流加热至至少200℃的温度的装置。
6.权利要求1-4中任一项的设备，其中设有以相对于通过所述NOx还原催化剂之前所述混合气流中NOx浓度的有效提供0.1至2.0的尿素NOx还原剂中氮当量与待处理燃烧气中NOx中氮当量之比的速率加入尿素溶液的装置。
7.权利要求1-4中任一项的设备，其中设有加入浓度为5至70％的尿素溶液的装置。
8.权利要求1-4中任一项的设备，其中设有用水蒸汽加热所述气体支流促使所述NOx还原剂气化的装置。
9.权利要求1-4中任一项的设备，其中所述气体支流中设有混合装置。
10.权利要求1-4中任一项的设备，其中所述颗粒去除装置包括旋风分离器，和所述气体支流取自所述颗粒去除装置下游的废气。
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