用于有效运行热反应器的设备的制作方法
【专利摘要】一种用于有效运行热反应器的设备，该热反应器将尿素气化以便为了例如NOx的选择性催化还原而向SCR单元或其它单元供料，该设备通过使热反应器能在需要气化尿素时快速起动来有效运行该热反应器。它包括：使含水尿素受热一定时间以实现含水尿素的气化并形成含NH3和HNCO的热气化产物流的气化反应器；将热气体引入气化反应器中的导管装置；至少一个双流体注射器和将含水尿素和雾化空气供入注射器中的装置；再循环回路，它包括导管、风扇、加热器和关闭或打开再循环回路与反应器的连通的阀；由阀组成的隔离装置，用于关闭或打开由用于将尿素气化的输入热气体对气化反应器的供应；操作再循环回路和隔离装置以使反应器能按需提供气化尿素并在不需要气化尿素时保持反应器的热量的装置；和将由尿素溶液与热气体在气化反应器中接触而产生的产物气体输送至使用它的单元例如SCR中的导管装置。
【专利说明】用于有效运行热反应器的设备
【技术领域】
[0001] 本实用新型总体上涉及一种通过使之能快速起动以便支持按需单元例如涡轮机 来有效运行热反应器的设备，该热反应器用于使尿素气化以便为了例如N0X的选择性催化 还原（SCR)而向SCR单元或其它单元供料。
【背景技术】 [0002]
[0003] 存在大量其中氨用在热气流中的工业应用。在空气污染控制的情况下，实例为其 中注入少量氨的烟道气调节以及依赖于相对大量氨的SCR系统。只要气流中需要氨，就希 望避免处理氨本身的危险性和昂贵性，但按需氨制备可能是不切实际的，因为当电力需要 使得它是必须的时，需要快速打开该系统。
[0004] 对于需要快速起动能力的应用例如燃气轮机、组合循环设施和任何燃烧单元而 言，目前不存在提供尿素气化并且还不需要长预热时间或用于储存气化尿素的罐的实际方 法。然而，经常需要能快速起动，有时在少至10分钟的响应时间内起动。保持系统就绪操 作条件的成本可能过高，同时从冷停机完全加热是不切实际的。在常规尿素气化系统中，使 所有组件达到合适温度的加热时间根据设备的尺寸、加热系统的能力和所用设备的类型可 能要数小时。
[0005] 在能将尿素转化成氨的技术中，已知高温设备和系统，例如授予Sun等人的美国 专利No. 7, 090, 810,其描述了可产生复杂产物气流的热设备。需要高温以将尿素气化并保 持为气体而不会冷凝或产生副产物。
[0006] 需要能够快速起动以支持按需单元如涡轮机的设备。
[0007] 实用新型内容
[0008] 本实用新型提供了一种有效操作用于将尿素气化的热反应器的方法和设备，它可 以快速起动以支持按需单元例如涡轮机。
[0009] -方面，本实用新型提供了一种通过使之能快速起动以实现按需气化尿素来有效 运行用于将尿素气化以便为了例如NOx的选择性催化还原而向SCR单元或其它单元供料的 热反应器的设备，包括：气化反应器，其用于使含水尿素(尿素水溶液）受热一定时间以实现 含水尿素的气化并形成含有NH3和HNC0的热气化产物流；用于将热气体引入气化反应器中 的导管装置；至少一个双流体注射器，和用于将含水尿素和雾化空气供入所述注射器中的 装置；再循环回路，该再循环回路包括导管、风扇、加热器和阀，所述阀用于关闭或打开该再 循环回路与所述气化反应器的连通；由阀组成的隔离装置，它用于关闭或打开对所述气化 反应器的、用于将尿素气化的输入热气体的供应；用于操作所述再循环回路和所述隔离装 置以使反应器能被按需供应气化尿素并在不需要气化尿素时保持反应器的热量的装置；和 用于将由尿素溶液与热气体在气化反应器中接触而产生的产物气体输送至使用它的设备 如SCR中的导管装置。
[0010] 下文描述本实用新型的其它和优选方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图阐述了本实用新型的特定实施方 案，所述附图与上文给出的一般描述和下文给出的具体实施方案的详细说明一起用于解释 本实用新型的原理。图中类似的附图标记表示类似或相应的部件。
[0012] 图1为使用本实用新型的产氨设备的动力设施的示意图。
[0013] 图2为更详细地示出本实用新型的产氨设备的示意图。
【具体实施方式】
[0014] 对本实用新型的描述参考附图进行，其中图1示意性示出简化的优选实施方案。 下文描述附图和它们代表的设备，而适当地引用授予Sun等人的美国专利No. 7, 090, 810中 描述的各种组件，该专利通过引用将其全部内容并入本文中。
[0015] 术语"尿素"旨在包括其所有商购形式的尿素，它典型地主要包括尿素，尿素的含 量为95重量％或更多。较纯形式的尿素是优选的并且在本实用新型方法中具有数个优点。 该方法有效地使用尿素，但也可使用在加热时能够产生含氨反应物的其它NOx还原试剂。 供应给该方法的尿素优选是浓度为约30%至约70%的水溶液，其中最优选约45%至约60%。
[0016] 当尿素通过热处理气化时，反应物气体会不仅含有氨（NH3)和异氰酸（HNC0)，它 可能含有取决于热分解产物的温度历程的、来自副反应的副产物。通过术语"气化"，我们意 指基本上所有的尿素转化成气体，不留下显著的溶解或自由的固体或液体接触并污染SCR 催化剂。
[0017] 本实用新型使尿素气化系统能快速响应于使用SCR技术的燃烧单元的氨需求率 的变化以控制NOx排放。本实用新型有利于在数分钟内从待机模式快速起动至完全运行。 在标准尿素气化系统、例如Sun等人的专利所述那些系统的任意一个中，存在用以使所有 组分达到合适温度的热身（升温，加热）时间，视设备的尺寸、加热系统的能力和所用设备的 类型而定，该热身时间可从约20分钟至2小时。
[0018] 如上所述，当尿素通过热处理气化时，反应物气体不仅含有氨和异氰酸，还可能含 有取决于热分解产物的温度历程的、来自副反应的副产物。
[0019] 图1为利用本实用新型的燃烧设备的示意图，用以通过使含水尿素热气化来提供 不含任何固体或液体的气化尿素流。该燃烧设备包含燃烧室10,该燃烧室具有燃烧器，所 述燃烧器通过燃烧来自未示出的源的燃料与由管道14提供的空气而在燃烧区12中提供热 量。热的燃烧气体将沿块箭头所示的方向通过炉子10并且源自燃烧的热量传递至换热器 16和18中，然后进入选择性催化还原反应器20,在该反应器中可将燃烧期间产生的NOx用 氨或气化的尿素(包括氨和HNC0)处理以将NOx转化成氮气和水。或者，作为反应器20的 附加或者不需要该反应器20,许多设备可获益于在较高温度下单独使用尿素的选择性非 催化还原（SNCR)，例如由Epperly等的US专利No. 5, 057, 293所教导的。如果需要的话，可 在合适的位置提供催化剂以将HNC0转化成氨，如例如美国专利No. 8, 470, 277中所述，该专 利通过引用全部结合进本文中。
[0020] 在SCR反应器20之后，燃烧气体流过空气-空气换热器22,所述换热器用于预热 由管道24提供的外部空气，以用于经由管线14输送至燃烧区12中。离开换热器22的燃 烧气体在通过管道26进入静电除尘器（ESP) 28 (或其它颗粒物控制设备如袋滤室）中时被 显著冷却，其中颗粒被收集然后经过气体上升烟道（stack) 30中。这是实际工业或实用燃 烧器和流出物处理设备的非常简化的形式，但示出了主要组件和它们的相互关系。
[0021] 尿素气化系统40整体地示于图1中，它包括工艺气体供应32和至少一个注射器 41，此处为了便于阐述显示一个。图2更详细地示出注射器42。经由管线43的雾化空气供 应与经由导管44的含水尿素供应同心并在其外部，所述含水尿素供应将尿素溶液供入反 应室46内的喷嘴装置45中。室46内的气体分布和从注射器41流动的液滴的喷射可通过 合适的建模确定以避免液体接触室壁。喷嘴45可产生含水尿素的液滴（500微米以下)，并 在以在低至约0. 1-10秒的时间内将所述含水尿素有效气化的条件下将其引入热气体中， 不留下显著溶解的或自由的固体或液体与反应器20内的SCR催化剂接触并且从而污染所 述SCR催化剂。
[0022] 分解室46通过从管线32到达的气体保持在正压力下。热气化反应器46使含水 尿素能持续一定时间地经受气化温度，该时间有效地确保含水尿素的气化和形成热气化产 物流，所述产物流经由导管60取出并且含有NH3和HNC0,然后经由注氨格栅64进入SCR反 应器20中。
[0023] 经由导管装置32进入尿素气化系统40中的热气体会使尿素主要气化成氨和异氰 酸，基本不留下液体或固体。进入尿素气化系统40中的气体在入口处优选为至少450 °F并 且优选在700-1200 °F的范围内，并足以在尿素水溶液处于气化反应器中的时间内将该尿 素水溶液完全气化，以提供包含氨和异氰酸的气流。可将该气流从尿素气化系统40中取出 并保持在450 T以上的温度下以供使用。
[0024] 通过导管装置32提供的气体优选在大于800 T的温度下，并可借助于辅助加热器 47加热，然后在其中它们应当保持高于至少450 T的温度下被引入尿素气化反应器46中。 850-1200 T的进入气体温度是典型的。根据需要，可将补充热量供入该室中。优选尿素气 化系统40是良好隔热的，以帮助温度保持。气体的温度和在离开尿素气化反应器46之前 的停留时间会有效地实现完全气化。
[0025] 可以理解，重要的是装置足够热以实现气化并且不具有可能导致问题的冷点。本 实用新型提供在图1中整体以50示出并结合图2更详细地描述的装置，在本文中称为再循 环回路，它用于总是将装置保持在合适的温度下(或刚刚低于它)，使得氨可按需生产。在运 行期间，隔离阀51和52关闭温度保持导管57以容许分解室46的正常运行。这优选通过 控制器70和相关致动器(未示出）自动实现。当不需要氨时，阀51和52打开，阀53和54 关闭以将室46与主加热器47和下游的注氨格栅64隔离。
[0026] 再循环回路50与分解室46关联并使用高温风扇55和第二加热器56,所述高温风 扇和第二加热器用于将已在室46中的工艺空气的热保持在升高的温度下。在运行中，阀51 和52打开且阀53和54关闭以导致在室46与导管57之间由风扇55驱动的再循环流通过 加热器56。在待机模式下，该第二风扇55和加热器56将分解室46的入口空气温度保持在 合适的温度下，例如至少约600 °F。
[0027] 在一个实施方案中，定期地，例如每2-12小时、如每四个小时至少一次地，进行空 气变化以清除可能在正常系统运行期间沉积于分解室46中并在正常系统清除循环期间没 有完全除去的任何可能的杂质。所述清除循环理想地自动地处理，其中小的排料可清洗注 氨格栅或者排到可选位置。这可通过用于风扇55和阀阻尼器51、52、53和54的可编程控 制器70和合适的致动器(未示出）自动进行。可以根据需要使用合适的温度和/或压力传 感器(它们的示例性位置通过符号
【权利要求】
1. 一种用于有效运行热反应器的设备，该热反应器用于将尿素气化以便向SCR单元 或其它单元供料，该设备通过使热反应器能快速起动以实现按需气化尿素来运行该热反应 器，其特征在于，该设备包括： a. 气化反应器（46)，用于使含水尿素受热一定时间以实现含水尿素的气化并形成气 化尿素流； b. 向该气化反应器中引入热气体的第一导管装置（32); c. 至少一个双流体注射器（41)，该双流体注射器分别经由管线（43)和导管（44)接收 含水尿素和雾化空气的供应并且将尿素溶液供入气化反应器（46)内的喷嘴装置（45)中； d. 与该气化反应器（46)关联的再循环回路（50)，它包括连通该气化反应器的导管 (57)以及设置在该导管上的风扇（55)、加热器（56)和用于关闭或打开该再循环回路与所 述气化反应器的连通的阀（51，52); e. 隔离装置，它包括用于关闭或打开由用于将尿素气化的输入热气体对所述气化反应 器的供应的阀（54); f. 用于操作所述再循环回路和所述隔离装置以使该气化反应器能按需提供气化尿素 并在不需要气化尿素时保持该气化反应器的热量的控制装置（70);和 g. 用于将由尿素溶液与热气体在气化反应器中接触而产生的产物气体输送至所述 SCR单元或其它单元中的第二导管装置（60)。
2. 根据权利要求1的设备，其特征在于，该设备还包括用于将气化尿素流中的HNCO转 化成氨的催化剂。
【文档编号】B01D53/56GK204193759SQ201320797068
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年7月8日
【发明者】P·G·卡尔米纳尼, J·M·鲍伊尔 申请人:燃料技术公司