СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОГО ВЫХЛОПА ОКИСЛОВ АЗОТА, HOИ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ Российский патент 2012 года по МПК B01D53/56 B01D53/86 

Родственная заявка

[000] Данная заявка является продолжением временной заявки SN 60986917, находящейся одновременно на рассмотрении патентного ведомства, зарегистрированной 9 ноября 2007 г., раскрытие которой полностью представлено в данном документе.

Область техники

[001] Изобретение, в целом, относится к эффективному использованию мочевины в процессе селективного каталитического восстановления NO_x, а более конкретно к подаче газифицированной формы мочевины на несколько турбинных силовых агрегатов от одного модуля, в котором мочевина преобразуется в аммиаксодержащие реактивы для избирательного каталитического восстановления, а также обеспечивает возможность полного контроля отдельных модулей ИКВ без избыточного использования реагентов или потери эффективности контроля выбросов.

Уровень техники

[002] Использование турбин для выработки электроэнергии является экономичным способом во многих ситуациях, когда нельзя рассчитывать на более удобные электростанции. Их достоинством является работа, в целом, при минимальном выделении NO_x и использование таких видов топлива, как газ вторичной переработки и биогаз. Однако они выделяют нормативное значительное количество NO_x, при этом обязательно прилагать усилия по снижению выбросов до равномерного более низкого уровня.

[003] Газ вторичной переработки и биогаз являются газообразными побочными продуктами, состоящими в основном из метана и диоксида углерода, анаэробного разложения органических материалов со станций обработки сточных вод и мусорных свалок. Эти виды топлива не являются чистыми по критериям, в соответствии с которыми обычно рассматриваются энергетические среды. В газах обычно присутствуют агрессивные соединения в следовых концентрациях, часто содержится сероводород, аммиак и кислый газ, которые образуют смеси. Кроме того, известно, что некоторые соединения, присутствующие в газе, блокируют действие каталитических восстановителей NO_x и сокращают срок службы турбин. Совокупный эффект для компании-владельца состоит в том, что использование данного дешевого топлива может привести к дополнительным затратам за счет снижения срока службы турбины, коррозии трубопроводов и загрязнения катализатора.

[004] В случае если эти расходы не оправданы с учетом получения преимуществ в виде теплоты сгорания этих видов топлива, то данное использование приводит только к негативному влиянию на окружающую среду, при этом требуемые значения теплоты сгорания могут быть получены и при использовании импортной нефти. В этой связи целесообразно, чтобы все затраты были покрыты владельцами объектов, использующих энергию сгорания, таких как турбины либо для выработки электричества, либо непосредственно приводящие в движение оборудование, и обработанные по соответствующей технологии восстановления NO_x, самой лучшей из которых является ИКВ, если это можно сделать эффективно без хранения опасного аммиака в системе, которая гибка настолько же, насколько электрическая сеть реагирует на спрос на электроэнергию.

[005] Была доказана высокая эффективность ИКВ при восстановлении NO_x, при этом модуль ИКВ, как правило, можно выполнить такого размера, который требуется для турбин. Однако модули ИКВ обычно требуют использования аммиака в качестве реагента для восстановления, при этом общая проблема заключается в том, что аммиак сложно и опасно хранить, особенно в населенных районах. С учетом сказанного, нередко возникает необходимость в использовании генераторов аммиака, например, в соответствии с Патентом США №7090810, выданном г-ну Сану (Sun) и др., и Патентом США №.6077491, выданном г-ну Куперу (Cooper) и др., но их регулирование при наличии нескольких турбинных модулей не рассматривалось, при этом в некоторых установках, таких как турбины, работающие на газе вторичной переработки и биогазе, оно может быть более затратным или более сложным, чем могут позволить экономические соображения.

[006] Газ вторичной переработки и биогаз, которые обычно сжигались в факеле из-за своего низкого качества, могут привести к издержкам, которые сложно компенсировать. Для этих газов проблема экономичности особенно важна. Установки, требующие более одной турбины, в настоящее время не могут приносить прибыль при работе с одним блоком ИКВ, использующим аммиак, полученный из мочевины. К сожалению, было продемонстрировано, что самым практичным подходом является использование одного модуля преобразования мочевины для каждой турбины.

[007] Однако, т.к. спрос на мощность турбины колеблется в зависимости от времени - колебания имеют суточный и сезонный характер - использование одиночных генераторов аммиака становится неудобными. В модулях ИКВ обычно применяются сетки впрыска аммиака (AIG), которые, по сути, представляют собой комплект распределительных труб с выполненными в них отверстиями, через которые аммиак впрыскивается предпочтительно с газом-носителем для придания газу достаточной кинетической энергии в каждой точке и, таким образом, для достижения равномерного распределения аммиака. В случае низкой потребности, немедленное снижение потребления аммиака в одном модуле ИКВ для одной турбины создаст временное избыточное количество аммиака для других модулей. Без применения резервуаров для хранения аммиака, использования которых, однако, следует избегать по соображениям безопасности, в настоящее время не существует надежных способов сглаживания колебаний - либо ухудшится распределение, либо в систему будет подано избыточное количество аммиака, что приведет к его утечке.

[008] В настоящее время существует потребность в процессе, оборудовании и системе эффективного использования мочевины для избирательного каталитического восстановления (ИКВ) NO_x, более конкретно для подачи газифицированной формы мочевины на несколько турбинных силовых агрегатов от одиночной установки газификации мочевины.

[009] Существует особая потребность в системе, которая преобразует мочевину в аммиак и обеспечивает способность полностью контролировать отдельные модули ИКВ без избыточного использования реагентов или потери эффективности контроля над выбросами.

Краткое изложение сущности изобретения

[010] Данное изобретение предусматривает процесс снижения концентрации оксидов азота в газообразных продуктах сгорания от нескольких турбин или других систем сгорания, в каждой из которых имеется соответствующий катализатор для избирательного каталитического восстановления NO_x, эффективный при использовании газифицированной мочевины, процесс включает в себя: нагрев водосодержащей мочевины при температуре и давлении в течение времени, достаточного для газификации мочевины и воды путем смешивания водосодержащей мочевины с потоком нагретого газа в количестве, соотносимом с количествами мочевины и воды для получения первого потока газифицированного восстановителя, включающего в себя аммиак в определенной заранее массе и концентрации; контроль потребности в мочевине на каждой из совокупности турбин; подача первого потока газифицированного восстановителя на каждую турбину со скоростью, достаточной для подачи газифицированного восстановителя на катализатор для избирательного каталитического восстановления NO_x, связанных с каждой турбиной; определение количества газа-носителя, необходимого для достижения заранее заданной степени смешивания газифицированного реагента с газообразными продуктами сгорания, которые вырабатываются на каждой турбине; на основе этого определение примешивания определенного количества газа-носителя к первому потоку газифицированного восстановителя для создания подающего потока катализатора, связанного с каждой турбиной; и на каждой турбине введение соответствующего потока подачи катализатора при помощи сетки впрыска аммиака в газообразные продукты сгорания до катализатора при условиях, которые эффективны для снижения концентрации NO_x в выхлопных газах каждой турбины.

[011] Изобретение также включает в себя систему и оборудование, описанные и проиллюстрированные с целью выполнения описанного процесса и приемлемых вариантов его осуществления.

Описание чертежей

[012] Сопровождающие чертежи, которые включены в состав описания и являются его необъемлемой частью, иллюстрируют предпочтительные в настоящее время осуществления изобретения и совместно с общим описанием, приведенным выше, и подробным описанием предпочтительных осуществлений, приведенным ниже, служат для объяснения принципов данного изобретения. Как показано на чертежах, одинаковые номера позиций обозначают одинаковые или подобные детали.

[013] На Фиг.1 дана структурная схема предпочтительного осуществления процесса и системы, заявленных в изобретении.

[014] На Фиг.2 дано схематическое изображение одной турбины с модулем ИКВ, на который подается газифицированный восстановитель в соответствии с изобретением.

[015] На Фиг.3 дано схематическое изображение одной разновидности сетки впрыска аммиака, работающей в системе ИКВ, которая может быть усовершенствована по данному изобретению.

Подробное описание изобретения

[016] При описании данного изобретения ссылка делается на чертежи, где показано предпочтительное осуществление, изображенное схематически на Фиг.1. Чертеж и процесс, который он отображает, кратко описан ниже, без излишнего упоминания датчиков, насосов, индикаторов, преобразователей, клапанов и аналогичного оборудования, о котором хорошо известно специалистам в данной области техники. В чертежах используются следующие обозначения: ТЕ = температурный элемент/сенсор, LT = преобразователь/датчик уровня, VFD = частотно-регулируемый привод, SC = регулирование скорости, Pl = индикатор/датчик давления, Tl = индикатор/датчик температуры, FT = преобразователь расхода, I/P = преобразователь тока в давление, FIT = преобразователь расхода с индикацией, М = расходомер, PLC = программируемый логический контроллер.

[017] Со ссылкой на Фиг.1 линия подачи 12 идет в емкость с мочевиной 14 для обеспечения достаточной подачи водного раствора мочевины или аналогичного химического вещества, как описано в Патенте США №7090810, раскрытие которого содержится в данной заявке посредством ссылки. Процесс является результативным при использовании мочевины, но в нем могут быть применены другие восстановители NO_x, которые способны при нагревании выделять газообразный реактант, содержащий аммиак. Как будет понятно из нижеследующего, при газификации некоторых из этих реагентов, газообразный реактант будет также содержать HNCO, который реагирует с водой с получением аммиака и углекислого газа. Преимущество данного изобретения заключается в том, что этого можно легко достичь без предгидролиза NO_x-восстановителя, при котором имеется сопутствующий риск засорения насадок и другого оборудования. Под термином «газификация» мы понимаем то, что практически вся мочевина превращается в газ, не оставляя значительной части нерастворившихся или свободных твердых частиц или жидкости, которые вступают в контакт и загрязняют катализаторы ИКВ.

[018] Термин «мочевина» включает в себя реагенты, которые эквивалентны мочевине в том смысле, что они при нагреве образуют аммиак и HNCO, независимо от того, содержат ли они большое количество химически чистой мочевины в форме, представленной в газообразных продуктах сгорания, или нет; однако реагенты, которые эквивалентны мочевине, обычно включают в себя умеренные количества мочевины в ее технических разновидностях и, таким образом, содержат мочевину. Среди NO_x-восстановителей, которые могут быть газифицированы, имеются такие, которые включают в себя соединения из группы, состоящей из: аммелида, аммелина; карбоната аммония; бикарбоната аммония; карбамата аммония; цианата аммония; солей аммония от неорганических кислот, включая серную и фосфорную кислоты; солей аммония от органических кислот, включая муравьиную и уксусную кислоты; биурета; триурета, циануровой кислоты; изоциановой кислоты; мочевинного формальдегида; меламина; трицианистой мочевины и смеси этих веществ в любом количестве. Кроме того, имеются другие NO_x-восстановители, которые не образуют HNCO, а разлагаются до смеси газов, включая углеводороды. В этой группе присутствуют различные амины и их соли (в особенности, их карбонаты), включая гуанидин, карбонат гуанидина, карбонат метил амина, карбонат этил амина, карбонат диметил амина, гексаметиламин; карбонат гексаметиламина; и отходы побочных продуктов химических процессов, содержащие мочевину. Амины с более высоким содержанием алкилов могут быть применены в пределах, при которых освобожденные углеводородные компоненты не мешают реакции восстановления NO_x. Таким образом, термин «мочевина» охватывает мочевину во всех ее технических и эквивалентных формах. Обычно технические формы мочевины, главным образом, состоят из мочевины, содержащей 95% или более процентов мочевины по весу. Эта относительно чистая форма мочевины является предпочтительной и имеет несколько преимуществ в ходе процесса по данному изобретению. Ее предпочтительно подавать в емкость 14 при концентрации от 10% (примерно) до 50% (примерно), с 30 (примерно) до 35% (примерно).

[019] Устройство датчика уровня и подающего насоса обеспечивает постоянное наличие достаточного количества раствора мочевины в емкости 14, чтобы выполнить программные требования. Из емкости 14, которая может иметь подогрев для облегчения работы при низких температурах, раствор мочевины подается по трубопроводу 16 при помощи дозирующего насоса 18 и расходомера 20 в трубопровод 22 для введения через насадку инжектора 24, которая посредством воздуха из трубопровода 26 распыляет раствор водосодержащей мочевины для ее газификации в газификационной камере 28. Газификация мочевины облегчается за счет подогретого воздуха из трубопровода 34, который доставляет воздух к нагревателю 36 и трубопроводу 38 и вспомогательному нагревателю 39 для подачи в камеру 28. В камере 28 раствор водосодержащей мочевины нагревается при температуре (например, от 175°С (примерно) до 650°С (примерно)) и давлении (например, приблизительно при атмосферном, приблизительно от 0,5 (приблизительно) до 1,5 атм (приблизительно)) в течение времени, которое требуется для газификации мочевины и воды путем смешивания водосодержащей мочевины с потоком нагретого газа из трубопровода 38 в количестве, связанном с количеством мочевины и воды для получения первого потока газифицированного восстановителя, содержащего аммиак в заранее установленной концентрации. Типовой поток газа содержит аммиака от 0,5% (примерно) до 5% (примерно) по весу. В некоторых осуществлениях воздухопровод 30 может быть использован для продувки насадки 24 во время очистки. Газифицированный раствор мочевины, называемый также газифицированным восстановителем, уходит из камеры 28 по трубопроводу 40 для распределения в качестве первого потока газифицированного восстановителя в подающие трубопроводы 42, обслуживающие модули ИКВ, связанные с каждой из турбин, как будет более подробно описано ниже.

[020] Потребность в мочевине контролируется датчиками на каждой из совокупности турбин путем отслеживания как минимум одного контролируемого параметра газообразных продуктов сгорания турбины, который служит признаком NO_x в газообразных продуктах сгорания и определяет потребность при помощи программируемого логического контроллера 43 или иного аналогичного устройства. Контроллер может быть опережающим с обратной связью или без нее. Первый поток газифицированного восстановителя подается на каждую турбину по отдельному трубопроводу 42 с использованием регулирующих клапанов и расходомеров, показанных в общих чертах как 44 и 44' соответственно, со скоростью, достаточной для подачи газифицированного восстановителя, чтобы обеспечить контролируемую потребность в катализаторе для избирательного каталитического восстановления NO_x, предназначенном для каждой турбины. Поскольку турбины будут иметь различную потребность в восстановлении NO_x вследствие их нагрузки, подаваемом топливе или других факторах, а также потому что газифицированный восстановитель должен быть равномерно распределен в газообразных продуктах сгорания, обычные сетки впрыска аммиака, AIG, не обеспечат желаемого распределения с эффективным использованием реагента.

[021] На Фиг.2 дано схематическое изображение одиночной турбины с модулем ИКВ, на которую подается газифицированный восстановитель по данному изобретению. На турбину 70 подается топливо из трубопровода 72 и воздух из трубопровода 74, при этом она производит газообразные продукты сгорания 76, которые подаются в модуль ИКВ 78, где они обрабатываются в соответствии с изобретением, а затем выходят наружу через трубу 80.

[022] На Фиг.3 показана одна форма AIG, сетки впрыска аммиака 62, которая работает в системе ИКВ, которую можно усовершенствовать согласно данному изобретению. Такие сетки в общем случае будут иметь совокупность труб 63 с совокупностью отверстий 64, через которые газифицированный реагент распределяется в газообразных продуктах сгорания от соответствующей турбины. Модуль ИКВ включает в себя AIG, сетку впрыска аммиака 62, в которую подается газифицированный реагент через трубопровод 60.

[023] Встроенное перемешивающее устройство 65 обычно предусматривается для обеспечения хорошего перемешивания газифицированного реагента с газообразными продуктами сгорания. Затем газы проходят через ряд катализаторов, эффективных в ходе селективного каталитического восстановления NO_x при расчетных температурах системы в данной точке.

[024] Снова со ссылкой на Фиг.1 видно, что газифицированный реагент идет по трубопроводу 40 к индивидуальным трубопроводам 42, чтобы быть смешанным с достаточным количеством газа-носителя таким образом, чтобы можно было использовать нужную дозу газифицированных реагентов и смешать ее с достаточным количеством газа-носителя для получения нужного массового расхода и профиля скоростей для восстанавливающего газа при введении в модуль ИКВ 78 посредством сетки впрыска 62.

[025] Для доставки газа-носителя к каждой отдельной турбине предусмотрена отдельная система подачи. На Фиг.1 показан воздух, подаваемый посредством трубопровода 45 и воздуходувки 46 в нагреватель 48 и трубопровод 50. Скорость подачи и степень нагрева могут контролироваться соответствующими датчиками через контроллер 43 при помощи приборного воздуха 43' или аналогичного. Поскольку нагрузка одной или более турбин может не быть настолько высокой, чтобы потребовать достаточное количество аммиака, чтобы поток через трубопровод подачи 42 обеспечивал его надлежащую температуру, важно, чтобы для обеспечения температуры газифицированного реагента в трубопроводе 60 использовался нагреватель 48.

[026] Чтобы воспользоваться преимуществами изобретения контроллер 43 или другое логическое устройство определяют количество газа-носителя, необходимого для получения предварительно заданной степени смешивания газифицированного реагента с газообразными продуктами сгорания, вырабатываемыми каждой турбиной. Затем на основании этого определения заданное количество газа-носителя от подающего трубопровода 50 и отдельных трубопроводов 52 примешивается к первому потоку газифицированного восстановителя из трубопроводов 40, 42 для обеспечения подачи потока катализатора, связанного с каждой турбиной, который может быть подан на турбину по трубопроводу 60. Затем на каждой турбине 70 соответствующий поток подачи катализатора 60 вводится посредством сетки впрыска аммиака 62 в газообразные продукты сгорания перед катализатором 66 при условиях, эффективных для снижения концентрации NO_x в выхлопных газах каждой турбины. Аналогично подаче первого потока газифицированного восстановителя через отдельные трубопроводы 42, в трубопроводах 52 могут быть использованы регулирующие клапаны и расходомеры, показанные в общем как 54 и 54' соответственно, для регулирования скорости, достаточной для создания потока подачи катализатора с необходимой массой и расходом к каждой турбине.

[027] Преимущество изобретения состоит в том, что газифицированная форма мочевины может быть подана с возможностью полного контроля отдельных модулей ИКВ без избыточного использования реагентов или потери эффективности контроля выбросов. Контроллер 43 может определить количество реагента, необходимое для каждой турбины с целью контроля выбросов NO_x и затем непосредственно смешивать газифицированную мочевину с надлежащим количеством газа-носителя для эффективной работы каждого отдельного модуля ИКВ несмотря на разность потребностей турбин. Таким образом, модуль газификации может надлежащим образом регулироваться для получения мочевины в соответствии с потребностью без необходимости хранения больших запасов аммиаксодержащих газов для корректировки колебаний потребности. Несмотря на то что в описании приведен пример турбин вследствие особой эффективности и важности данного изобретения в этом контексте, специалисту в данной области техники понятно, что его преимущества могут быть распространены на другие типы систем сгорания, включая печи, котлы, двигатели, мусоросжигательные печи и пр. Другое преимущество изобретения заключается в том, что температуру газифицированного реагента в трубопроводе 60 можно поддерживать на достаточном уровне для предотвращения конденсации или химических реакций, даже когда нагрузка на одну или более турбин может не быть настолько высока, чтобы создать достаточный массовый расход через трубопровод подачи 42.

[028] Вышеупомянутое описание предназначено для того, чтобы обучить среднего специалиста, как использовать изобретение. Оно не предназначено для детализации всех очевидных модификаций и вариаций, которые будут понятны опытному специалисту после прочтения описания. Однако все такие очевидные модификации и вариации включены в объем данных по изобретению, который определяется нижеследующими положениями. Положения освещают компоненты и шаги в любой последовательности, которая будет эффективной в выполнении намеченных целей, если из контекста не следует обратное.

Изобретение относится к снижению концентрации оксидов азота в газообразных продуктах сгорания. Способ уменьшения концентрации оксидов азота в газообразных продуктах сгорания от совокупности турбин включает подогрев водосодержащей мочевины для ее газификации, путем смешивания водосодержащей мочевины с потоком нагретого газа, для получения потока газифицированного восстановителя, включающего в себя аммиак, контроль потребности в мочевине для каждой турбины, подача потока газифицированного восстановителя на каждую турбину для избирательного каталитического восстановления оксидов азота, определение количества газа-носителя, необходимого для заданной степени смешивания газифицированного реагента с газообразными продуктами сгорания, примешивание газа-носителя к потоку газифицированного восстановителя для создания потока катализатора, связанного с каждой турбиной, и введение потока катализатора на каждой турбине при помощи сетки впрыска аммиака в газообразные продукты горения до катализатора. Изобретение позволяет эффективно использовать мочевину для избирательного каталитического восстановления оксидов азота. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ уменьшения концентрации оксидов азота в газообразных продуктах сгорания от совокупности турбин, каждая из которых имеет соответствующий катализатор для селективного каталитического восстановления NO_x, эффективный для использования газифицированной мочевины, включающий в себя:
a) подогрев водосодержащей мочевины при температуре и давлении в течение времени, достаточного для газификации мочевины и воды, путем смешивания водосодержащей мочевины с потоком нагретого газа в количестве, соотносимом с количествами мочевины и воды для получения первого потока газифицированного восстановителя, включающего в себя аммиак в заранее заданной массе и концентрации;
b) контроль потребности в мочевине для каждой турбины из совокупности турбин;
c) подачу первого потока газифицированного восстановителя на каждую турбину со скоростью, достаточной для подачи газифицированного восстановителя на катализатор для избирательного каталитического восстановления NO_x, связанный с каждой турбиной;
d) определение количества газа-носителя, необходимого для достижения заранее заданной степени смешивания газифицированного реагента с газообразными продуктами сгорания, которые вырабатываются каждой турбиной;
e) примешивание определенного количества газа-носителя к первому потоку газифицированного восстановителя на основе этого определения для создания подающего потока катализатора, связанного с каждой турбиной; и
f) введение соответствующего потока подачи катализатора на каждой турбине при помощи сетки впрыска аммиака в газообразные продукты горения до катализатора при условиях, которые эффективны для снижения концентрации NO_x в газообразных продуктах сгорания от каждой турбины.

2. Способ уменьшения концентрации оксидов азота в газообразных продуктах сгорания от совокупности систем сгорания, каждая из которых имеет соответствующий катализатор для селективного каталитического восстановления NO_x, эффективный для использования газифицированной мочевины, включающий в себя:
a) подогрев водосодержащей мочевины при температуре и давлении в течение времени, достаточного для газификации мочевины и воды путем смешивания водосодержащей мочевины с потоком нагретого газа в количестве, соотносимом с количествами мочевины и воды для получения первого потока газифицированного восстановителя, включающего в себя аммиак в заранее заданной массе и концентрации;
b) контроль потребности в мочевине на каждой системе сгорания из совокупности систем сгорания;
c) подачу первого потока газифицированного восстановителя на каждую систему сгорания со скоростью, достаточной для подачи газифицированного восстановителя на катализатор для избирательного каталитического восстановления NO_x, связанный с каждой системой сгорания;
d) определение количества газа-носителя, необходимого для достижения заранее заданной степени смешивания газифицированного реагента с газообразными продуктами сгорания, которые вырабатываются в каждой системе сгорания;
e) примешивание определенного количества газа-носителя к первому потоку газифицированного восстановителя на основе этого определения для создания подающего потока катализатора, связанного с каждой системой сгорания; и
f) введение соответствующего потока подачи катализатора на каждой системе сгорания при помощи сетки впрыска аммиака в газообразные продукты горения до катализатора при условиях, которые эффективны для снижения концентрации NO_x в газообразных продуктах сгорания от каждой системы сгорания.