专利名称：使用次烟道气将水性尿素气化成氨蒸气的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及NOx排放控制领域，并且更具体地涉及将水性尿素气化以形成氨蒸气的方法和系统，氨蒸气被用来激活SCR催化剂以便高效地处理包括NOx及其它污染物的烟道气。
背景技术：
诸如发电厂、工业生产等气体涡轮机、熔炉、内燃机和锅炉中的化石燃料(例如燃 料油)的使用导致包括不期望氮氧化物(NOx)的烟道气的产生，通常是以氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)的组合的形式。在某些操作条件下，可以通过使NOx与氨气反应以产生无害水和氮气作为产物来降低烟道气流中的NOx水平。在称为选择性催化还原(SCR)的过程中，此反应可以在存在某些催化剂的情况下发生。通常通过将水性尿素充分地加热以形成气态氨来供应用于SCR的氨。使用烟道气的足够热的旁通流的焓来将所供给的尿素转换成氨气在本领域中也是已知的。例如
授予 Hofmann 等人的名称为 “Combined catalytic/non-catalytic process fornitrogen oxides reduction”的美国专利号4，978, 514公开了一种“用于将燃烧流出物中的氮氧化物还原的过程”，其“涉及在有效条件下将氮处理剂引入到流出物中以产生具有降低的氨氧化物浓度的已处理流出物，使得在已处理流出物中存在氨；并且然后在有效条件下接触已处理流出物以用氮氧化物还原催化剂来减少流出物中的氮氧化物”。授予Luftglass等人的名称为“Catalytic/non-catalyticcombination processfor nitrogen oxides reduction”的美国专利号5，139，754公开了一种“用于将燃烧流出物中的氮氧化物还原的过程”，其“涉及在有效条件下将氮处理剂引入到流出物中以产生具有降低的氨氧化物浓度的已处理流出物，使得在已处理流出物中存在氨；并且然后在有效条件下接触已处理流出物以用氮氧化物还原催化剂来减少流出物中的氮氧化物”。授予Sun 等人的名称为 “Selective catalytic reduction of NOx enabled byside stream urea decomposition”的美国专利号7，090，810公开了一种“优选过程装置”，其“利用在必要时能够被补充的烟道气的焓来将尿素(30)转换成用于SCR的氨。在140°C以上的温度下被分解的尿素(30)被注射(32)到在换热器(22)之后被分离出来(28)的烟道气流中，所述换热器(22)诸如为主过热器或节约器。理想地，侧流将在不需要进一步加热的情况下使尿素气化；但是，当要求热量时，其远比将整个流出物(23)或尿素(23)加热将需要的少。通常小于烟道气的3%的此侧流提供用于尿素(30)的完全分解的要求温度和停留时间。可以使用气旋分离器来去除颗粒并将试剂与烟道气完全混合。然后可以使用吹风机(36)将此流引导至在SCR前面的注射栅(37)。由于与穿过氨-SCR过程中的通过AIG注射的相比高了一个数量级的侧流质量，促进了与烟道气的混合”。授予Sun 等人的名称为 “Highly efficient hybrid process for nitrogenoxides reduction”的美国专利号5，286，467描述了 “一种用于减少燃烧流出物中的氮氧化物的过程”，其“涉及向流出物中引入除氨之外的氮处理剂以产生具有降低的氮氧化物浓度的已处理流出物；将氨气源引入流出物中；以及使已处理流出物与氮氧化物还原催化剂接触”。
发明内容
然而，需要的是用于提供足够的停留时间以有效地允许尿素转换到氨气的系统和方法。因此，本发明是用于使得能够通过允许足够热的烟道气的次流有必需停留时间以将反应组件中的水性尿素气化成氨蒸气来实现NOx的高效选择性催化还原的新型系统和方法。然后将氨和次烟道气的混合物反馈到在SCR反应器系统上游的主烟道气流中。本发明的目的是使得能够实现存在于通过燃烧锅炉、气体涡轮机、内燃机、熔炉等 中的化石燃料(共同地称为燃烧系统)所产生的燃烧产物中的NOx的高效选择性催化还原(SCR)。并且，本发明的目的不限于其在从燃烧得到的热排出气体中的适用性，而是可适用于其中将SCR过程用于NOx的还原的任何地方。本发明的另一目的是允许足够热的燃烧气体的次流有必需的停留时间以将包含诸如水性尿素、水性氨和醇基的大量液体的流体高效地气化。在一个实施例中，本发明的系统和方法允许源自于锅炉的足够热的烟道气的次流有必需的停留时间以将反应组件中的水性尿素气化成氨蒸气。然后将氨和次烟道气的混合物反馈至在SCR反应器系统上游的主烟道气流以使得能够实现存在于主烟道气流中的NOx的还原。因此，依照本发明的一个实施例的尿素至氨蒸气反应器系统包括被封闭在旁通流管道中的尿素反应器壳体，其接收在分流点处被从主烟道气流分离出的次烟道气流。主烟道气流源自于燃烧燃料、导致包括氮氧化物(NOx)的燃烧烟道气的产生的锅炉。水性尿素以雾状或非雾状形式且可选地在诸如压缩空气的载流流体的帮助下被注射到被封闭在旁通流管道中的反应器壳体中。旁通流管道允许次烟道气流流过封闭的反应器壳体，其中，在主烟道气在已被通过选择性催化还原(SCR)反应器设备处理之后被排出到大气之前，注射的水性尿素被气化成氨蒸气，并且随后使得所得到的氨、其副产物和次烟道气流的气体混合物能够重新加入主流。在另一实施例中，将本发明的多个尿素至氨蒸气反应器系统串联地连接以形成级联布置，使得从第一级得到的氨蒸气和次烟道气的混合物形成到第二级的输入，以此类推。在又一实施例中，将本发明的多个尿素至氨蒸气反应器系统以一定的构造连接，使得每个系统从各分流点接收独立体积的次烟道气流，同时将源自于所述多个系统中的每一个的所得到的气态氨和烟道气混合物独立地反馈到主烟道气流中。通过使用吹风机、压缩机、孔口、喷嘴、阀、管径变化、管道弯曲和/或其组合产生并保持通过本发明的系统的所述多个级的气体的期望流速。例如，对于锅炉应用而言，(一个或多个)分流点可以取决于所使用的锅炉的类型和不同点处的烟道气的温度。在一个实施例中，(一个或多个)分流点可以位于锅炉的对流烟道内并优选地在节约器的上游，如果使用了的话。在一个实施例中，本发明是用于将水性尿素转换成蒸气氨的反应器，包括Ca)外壳，具有用于接收第一气流的气流进口、用于输出第三气流的气流出口以及一个或多个外壳壁，所述一个或多个外壳壁限定设置在所述气流进口和所述气流出口之间的第一内部空间；(b)设置在所述外壳内的反应器，其中，所述反应器包括(i )壳体，其具有限定第二内部空间并进一步限定被暴露于所述第一内部空间的第一外表面的一个或多个反应器壁，其中，所述第一外表面具有在所述第二内部空间和所述第一内部空间之间产生压力差区域的形状；所述壳体中的第一开口，其中，所述第一开口(在本文中也称为“窗口”)在所述第一外表面中，具有小于所述第一外表面的约35%的截面积，并被设置为接近于所述压力差区域；以及(ii)与所述第二内部空间流体连通的水性尿素进口。可选地，从所述第一气流的所述第一部分中的至少一些和所述第一气流的所述第二部分中的至少一些产生第二气流。氨蒸气通过第二窗口离开所述反应器壳体并与所述第二气流混合而产生所述第三气流。氨蒸气通过所述第二窗口离开所述反应器壳体并与所述 第二气流混合而产生再循环气流。该再循环气流通过第一窗口进入所述第二内部空间。氨蒸气通过所述第二窗口从所述第二内部空间的离开、所述再循环气流的产生以及所述再循环气流到所述第二内部空间的进入形成对流回路。再循环/对流回路是增加停留时间的方法。反应器还包括突出部件，其中，所述突出部件定位成接近于所述第一窗口并从所述反应器的外表面延伸且进入所述第一内部空间。所述第二内部空间被热能从所述第一气流到所述反应器壳体的传递加热。第二内部空间的加热足以在不要求附加热能的输入的情况下将水性尿素气化成氨蒸气。在另一实施例中，本发明针对一种用于向包含NOx的排出气流中引入氨蒸气的系统，包括(a)反应器，其用于如本文所述将尿素转换成氨；(b)水性尿素流，其被持续地注射到所述水性尿素进口中；(c)第一流，其包括持续地流入所述气流进口的被加热气体，在所述反应器壳体的至少一部分周围；(d)第二流，其主要包括所述氨蒸气，其中，所述第二流跨所述第一开口而存在；(e)第三流，其包括所述被加热气体和所述氨蒸气的混合物，其中，所述第三流跨所述气流出口而存在；以及(f)端口，其用于将所述第三流引入到第四流中，所述第四流包括包含NOx的所述排出流，其中，所述端口在SCR催化剂的上游。在另一实施例中，本发明是一种用于产生氨蒸气的方法，包括(a)使加热烟道气侧流在反应器的至少一部分周围流动以对流地将所述反应器加热到至少约700 T ;(b)将水性尿素注射到所述被加热的反应器中，其中，步骤(b)是与步骤(a)同时执行的；(c)将所述被加热的反应器中的所述水性尿素热分解，直至所述尿素的主要部分被转换成氨蒸气，其中，步骤(C)是与步骤(a)同时执行的；(d)从所述被加热的反应器抽取所述氨蒸气，其中，步骤(d)是与步骤(a)同时执行的；以及(e)将所述被抽取的氨蒸气与所述加热气体的一部分混合。
将认识到本发明的这些及其它特征和优点，因为通过在结合附图考虑时参考以下详细说明，它们将被更好地理解，在所述附图中图Ia示出本发明的尿素至氨蒸气反应器系统的实施例；
图Ib示出本发明的多个尿素至氨蒸气反应器系统的串联布置；
图Ic示出本发明的多个尿素至氨蒸气反应器系统的另一构造；
图2a是依照本发明的一个实施例的尿素至氨蒸气反应器组件的三维视 图2b是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的反应器组件的第一侧视 图2b’是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的反应器组件的第一侧视 图2c是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的反应器组件的第二侧视图； 图2c’是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的反应器组件的第二侧视 图2d是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的反应器组件的顶视平面 图2d’是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的反应器组件的顶视平面 图3a是本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的实施例的分解 图3a’是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例；
图3b是本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的实施例的组装三维视 图3b’是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例；
图3c是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的实施例的立视纵向剖面 图3c’是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的实施例的立视纵向剖面 图3c"是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例；
图3d是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的实施例的流管盖的顶视平面 图3d’是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的实施例的流管盖的顶视平面 图3e是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的实施例的流管盖的第二顶视平面 图3e’是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的实施例的流管盖的第二顶视平面 图4a示出反应器壳体的三维组装视 图4a’是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例；
图4b示出反应器壳体的分解 图4b’是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例；
图4c示出反应器组件被用于第一类型的锅炉时的反应器壳体的侧视剖面 图4c’示出反应器组件被用于第二类型的锅炉时的反应器壳体的侧视剖面 图4c"是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例；
图4d示出反应器组件被用于第一类型的锅炉时的反应器壳体的第一嵌板的立视图； 图4d’示出反应器组件被用于第二类型的锅炉时的反应器壳体的第一嵌板的立视图； 图4d"是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例；
图4e示出反应器组件被用于第一类型的锅炉时的反应器壳体的第二嵌板的立视图； 图4e’示出反应器组件被用于第二类型的锅炉时的反应器壳体的第一嵌板的立视图；图4e"是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例；
图4f是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的组装反应器壳体的顶视平面 图4f是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的组装反应器壳体的顶视平面 图4g是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的被放置在流管内的组装反应器壳体的顶视平面 图4g’是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的被放置在流管内的组装反应器壳体的顶视平面 图5a是顶盖的三维视图； 图5b是顶盖的底部的三维视 图5c是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的注射器-盖组件的剖面立视 图5c’是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的注射器-盖组件的剖面立视 图5d是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的注射器-盖组件的从下侧看的视图； 图5d’是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的注射器-盖组件的从下侧看的视图； 图6是侧流和氨蒸气气流在反应器壳体内和通过反应器壳体时的其不意性表不；
图7示出根据本发明的一个实施例的通过外壳的侧流烟道气的一般流动方向；
图8是具有反应器壳体的外壳的截面图，示出根据本发明的一个实施例的侧流烟道气和氨蒸气在包含气流进口和气流出口的平面上的流动；
图9a是具有反应器壳体的外壳的截面图，示出根据本发明的一个实施例的侧流烟道气和氨蒸气在包含气流进口的平面上的流动；
图％是具有反应器壳体的外壳的截面图，示出根据本发明的一个实施例的侧流烟道气和氨蒸气的混合物在包含气流出口的平面上的流动；以及图10是方框图，示出本发明的实施例的原理性功能的顺序。
具体实施例方式虽然可以以不同的形式来体现本发明，但为了促进对本发明的原理的理解，现在将对图中所示的实施例进行参考并将使用特定语言来对其进行描述。然而，应理解的是并不从而意图限制本发明的范围。如本发明相关领域的技术人员正常地将想到，可以预期所述实施例的任何变更和进一步修改以及如本文所述的本发明的原理的任何进一步应用。图Ia示出依照本发明的一个实施例的尿素至氨蒸气反应器系统100。系统100包括被封闭在旁通流管105中的尿素反应器壳体(未示出)，其在一个实施例中接收在分流点110处被从主烟道气流115分离出的次烟道气流112。主烟道气流115源自于燃烧化石燃料、烃类燃料的系统。如对本领域普通技术人员来说显而易见的，此类系统可以包括锅炉、气体涡轮机、内燃(IC)机、熔炉或燃烧化石、烃类燃料或任何其它燃料的任何其它系统，所述任何其它燃料导致包括氮氧化物的燃烧产物的产生。另外，本发明的系统不限于其在从燃烧得到的热烟道/排出气体中的使用，而是可以在将选择性催化还原(SCR)过程用于还原NOx的任何地方使用。出于说明的目的，参考锅炉来描述本发明，然而，本发明的系统和方法可以同样用于燃烧化石、烃类燃料或生物质燃料以产生燃烧气体或作为燃烧的结果不一定产生烟道/排出气体但其中将SCR过程用于还原NOx的任何其它系统。因此，在一个实施例中，主烟道气流115源自于燃烧燃料130、导致包括氮氧化物(NOx)的燃烧/烟道气体的产生的锅炉125。如本领域普通技术人员所已知的，燃烧/烟道气体115通常被用来在烟道气115在已被通过选择性催化还原(SCR)反应器设备135处理之后被排出到大气之前在多个换热器管127中的水加热。使用尿素注射器120将水性尿素以雾状或非雾状形式直接注射到被封闭在旁通流管105内的反应器壳体。旁通流管105允许次烟道气流112流过所封闭的反应器壳体，其中，所注射的水性尿素被气化成氨蒸气，并且随后使得所得到的氨、其副产物和次烟道气流的气体混合物能够重新加入主流115。在操作期间，‘ X %’体积(诸如在主烟道气的从1%至5%范围内)的次烟道气流112进入旁通流管105以与雾状或非雾状尿素相互作用，其在到达稳态条件之后具有接近次气流112的温度。次烟道气流112到流管105中的引入流速受到诸如锅炉的类型和尺寸、来自锅炉的蒸汽的产生速率以及所使用的燃料类型的因素的影响。本领域普通技术人员将认识到随着次气流112进入旁通流管105，其流动速度/速率减小。因此，在一个实施例中，旁通流管105产生独立的且与在管道外面的流相比不同的气流模式。此相对较慢的气流模式是有利的，因为在存在足够热的输入次气流112的情况下，其允许雾状或非雾状尿素在稳态条件下变成氨蒸气及其副产物。再循环/对流回路是增加停留时间的一种方式，这进一步使得能够实现尿素至氨的有效转换。次烟道气流112在700至950华氏度的温度范围内 是优选的以使得反应器壳体(被封闭在旁通流管105中)能够被充分地加热。并且，停留时间在0. 5至5秒范围内。本领域普通技术人员应注意的是由本发明的系统100实现的必需停留时间的益处能够不仅被有利地用于使水性尿素气化，诸如在本实施例中，而且在替代实施例中用于将诸如水性氨和含羟基的有机化合物的其它流体高效地气化。虽然图Ia在单级中示出了本发明的尿素至氨蒸气反应器系统100的使用，但本领域普通技术人员应认识到的是根据本发明的方面且如图Ib所示，可以将多个系统100串联地连接以形成级联布置，使得从第一级141得到的氨蒸气和次烟道气的混合物形成到第二级142的输入，以此类推。因此，替代实施例使得系统100被连接在多级中。图Ic示出依照本发明的另一实施例的多个系统100的使用的另一构造。在本实施例中，使用多个系统100，诸如图Ic所示的第一 141和第二 142，使得每个系统100从分流点110接收独立体积的次烟道气流112，同时将源自于第一和第二系统141、142中的每一个的所得到的气态氨和烟道气混合物被反馈到主烟道气流115中。本领域普通技术人员应认识到的是在连接管道内利用风扇/吹风机的明智使用以产生并保持气体通过系统100的多个级的期望速率。返回参考图la，在一个实施例中，源自于流管105的氨和烟道气的混合物借助于接近于SCR反应器设备135的吹风机(未示出)被馈送到主烟道气流115中。在一个实施例中，氨和烟道气的混合物被指引到在SCR反应器135的上游的注射栅。在另一实施例中，静态混合器被安装于在系统100的下游的旁通连接管道中以进一步使得能够实现氨蒸气与次烟道气的适当混合。在一个实施例中，由风扇或商店压缩机来提供气流以提供用于尿素注射器喷嘴的冷却以及以提供密封空气以防止热流体回流到喷嘴上。并且，(一个或多个)分流点110的位置是可定制的并取决于所使用的锅炉的类型和不同点处的烟道气的温度。在一个实施例中，(一个或多个)分流点110位于锅炉的对流烟道内并优选地在节约器的上游，如果使用了的话。图2a是依照本发明的一个实施例的尿素至氨蒸气反应器组件200的三维视图。图2b和2c是侧面图，而图24是反应器组件200的顶视平面图，其全部示出组件200被用于第一类型的锅炉时的根据本发明的第一实施例的示例性尺寸。类似地，图2b’和2c’是侧面图，而图2d’是反应器组件200的顶视平面图，其全部示出组件200被用于第二类型的锅炉时的根据本发明的另一实施例的示例性尺寸。现在同时地参考图2a至2d和图2b’至2d’，使得相同的附图标记参考相同的元件，反应器组件200包括具有用于允许次烟道气流208进入反应器组件的进口 207和用于允许氨蒸气和次烟道气210的混合物离开反应器组件200的出口 209。如在图2c和2c’中可见的，尿素反应器壳体215被封闭在流管205内。通过使用尿素注射器220在反应器壳体215内引入尿素,尿素注射器220在一个实施例中被附着于流管205的顶盖225。注射器220包括直接在水性尿素在反应器壳体215的引入点上游的三通阀。在一个实施例中，尿素注射器220从顶部、从而利用重力将雾状或非雾状水性尿素注射到反应器壳体215中。然而，在替代实施例中，从流管205的侧面或顶部提供尿素馈送。在一个实施例中，进口和出口 207、290包括管道延伸部分211、212，其分别从各端口向外延伸以在反应器组件200被连接以接收锅炉的旁通次烟道气流时促进端口到进口和出口旁通管道(未示出)的连接。排放管230通过流管205的底盖235。
反应器元件的尺寸取决于多种因素，诸如锅炉的类型、锅炉容量、要作为试剂而生成以用于烟道气污染物的催化还原的氨的量、烟道气的流速、烟道气的温度、被馈送到反应器中的水性尿素溶液的流速和组成，仅举几个例子。在一个实施例中，流管205的长度与外径比为约2.5，并且可以根据上述因素在2至4范围内变化。例如，图2b’至2d’的流管205被示为较大(42英寸的示例性长度和18英寸的外径，具有2. 33的长度与外径比)，由于第二类型锅炉相对大于第一类型的锅炉，具有相应地直径分别大于图2b至2d的流管尺寸的进口和出口 207、209 (30英寸的示例性长度和12英寸的外径，具有2. 5的长度与外径比)。图3a是本发明的尿素至氨蒸气反应器组件300的实施例的分解图，并且图3b是组装三维视图。图3c是立视纵向截面图，图3d是定时平面图，而图3c是流管的顶视图，全部示出尿素至氨蒸气反应器组件300被用于第一类型的锅炉时的根据本发明的实施例的示例性尺寸。本领域普通技术人员应认识到的是此类尺寸绝不是限制性的，并且至少根据锅炉的类型或对尿素至氨容量的需求而变。因此，图3c’是立视纵向截面图，图3d’是顶视平面图，而图3e’是流管的顶视图，全部示出尿素至氨蒸气反应器组件300被用于第二类型的锅炉时的根据本发明的另一实施例的示例性尺寸。现在同时地对图3a至3c和图3c’进行参考，使得相同的附图标记参考相同的元件。在一个实施例中，流管305是圆形截面的管道，其具有封闭底部335，包括从其中通过的孔328以容纳反应器壳体排放管330以及开放顶部345。孔328的放大视图365示出在其顶端处被连接到尿素反应器壳体315的底部350的排放管330和通过孔328并进入排放连接器332的排放端331。排放塞334被拧入排放连接器332中以充当节流阀。流管305的顶部开口 345具有圆形凸缘347以借助于多个螺栓和螺母348顶盖325与之固定。分别被用于第一类型和第二类型锅炉时的用于组件300的图3d、3e和3d’、3e’示出了根据一个实施例的螺栓和螺母348的圆形模式。顶盖325的一部分的放大视图370被使用螺栓和螺母348栓接到凸缘347。在凸缘347和盖325之间使用垫圈349以用于螺栓和螺母348的牢固上紧和邻接表面的适当封装。凸缘347在其顶部开口 345周围被装配在流管305上。
根据一个实施例，本发明的反应器壳体315被由三个侧板340制成为具有三角形截面。如对于本领域普通技术人员而言将有利地显而易见的，然而，在替代实施例中，反应器壳体315是圆形截面管、正方形截面壳体、矩形截面壳体或任何其它适当截面壳体。尿素反应器壳体315被引入到流管305中，使得其被全封闭在流管305内。在底部处，反应器壳体315被附着于底板335,同时,在顶部处,反应器壳体315被借助于套筒355 (在放大视图375中示出)固定在顶盖325下面，该套筒被成形和确定尺寸而形成端口以在顶盖325被固定袋流管305的顶部开口 345上时保持反应器壳体315。顶盖325还包括中心钻出的通孔368以固定地保持集成注射器组件320并允许尿素被引入到反应器壳体315中。图4a是根据本发明的实施例的反应器壳体415的三维组装视图，而图4b是分解图。图4c是侧面首I]视图，图4d和4e分别是第一和第二嵌板的立视图，图4f和图4g是顶视平面图，全部诗句组装反应器壳体415被用于第一类型的锅炉时的根据本发明的实施例的示例性尺寸。本领域普通技术人员应认识到的池此类尺寸绝不是限制性的且至少根据锅炉的类型而变。因此，图4c’是侧面剖视图，图4d’和4e’分别是第一和第二面板的立视图， 图4f和4g’是顶视平面图，根据组装反应器壳体415被用于第二类型的锅炉时的根据本发明的另一实施例的示例性尺寸。现在同时地对图4a至4g和图4c’至4g’进行参考，使得相同的附图标记参考相同的兀件。反应器壳体415包括三个嵌板一第一嵌板471、第二嵌板472和第三嵌板473 ;具有中心钻出的排放孔493的底板474 ;三个嵌板内部拐角475和排放管430。第一嵌板471包括窗口 476和下面的两个附加窄窗口 478。机罩479在窗口476之上被附接于嵌板471，使得其仅纵向地覆盖窗口 476的一部分，但是伸出以完全覆盖窗口 476的宽度。根据本发明的实施例，三个嵌板471、472、473具有相同的高度‘h’。嵌板472和473具有相同的宽度‘w2’，其大于第一嵌板471的宽度VI’。并且，第二和第三嵌板472、473具有底板切口 480和带有从其中通过的孔483的凸缘482。嵌板471还可以根据需要使底部的一部分被去除以容纳烟道气通路。底部嵌板474具有凹陷拐角以在其上面容纳嵌板内部拐角475。图4f和4f示出三个嵌板471、472和473被使用嵌板内部拐角475附着于三个拐角底部嵌板474时的反应器壳体415的顶视平面图。放大视图490示出了内部拐角475如何被用来连接任何两个嵌板。排放管430将底部嵌板474的排放孔493与在流管405的底板435中所钻的孔相连。如图4g和4g’的放大视图495所示，反应器壳体415停留在流管405的底板435的顶部上，并且可以借助于紧固件被固定在第二和第三嵌板472、473的凸缘482的孔483中。再次参考图4g和4g’，本领域普通技术人员应注意的是在本发明的一个实施例中，反应器壳体415被封闭在流管405内，使得由第二和第三嵌板472、473的交叉点形成的拐角492指向用于烟道气的进口 407。结果，第一嵌板(包括窗口 476和两个窄窗口 478)面对流管405的出口。嵌板的定位并且因此反应器壳体415相对于流管405的进口和出口的定位以及窗口 476和机罩479相对于出口的定位是有利的，因为其使得能够有用于注射的尿素被烟道气间接地充分地加热以变成氨蒸气的保持时间。因此，在操作期间，次烟道气通过进气口407进入流管405而冲击拐角492，从而沿着第二和第三嵌板472和473变得分叉而到达相对地定位的第一嵌板471。在烟道气拐过由嵌板472和471、以及473和471形成的拐角、准备通过出口 309离开流管405时，此类流移动在两个窄窗口 478附近导致压差环境，由此，反应器壳体内部的气化尿素至氨流体被稳定地抽出并随后被两个烟道气流夹带。在氨和烟道气的气体混合物准备通过出口 309离开反应器流管405的同时，所述烟道气的一小部分被机罩479保持并被迫通过窗口 476渗入反应器壳体415。气体的上述流动布置还允许反应器壳体415的全部三个嵌板的适当直接加热以及在反应器壳体415和流管405之间导致循环对流回路以向从顶部注射的雾状尿素微滴(或非雾状尿素)提供附加能量，促使其被气化成氨蒸气及其它副产物。此循环对流环路的建立以及通过控制烟道气通过流管405的流速，进一步保证了在反应器壳体内实现过多的尿素至氨保持时间。在一个实施例中，将水性尿素气 化成氨的唯一热能量源是输入烟道气流所包含的热能或热量。参考图6，示出了由反应器615产生且在反应器615内的对流回路。反应器气体687与再循环气体686组合，以产生反应器输出气流689，其通过第一反应器窗口 678离开。反应器输出689气体的一部分作为反应器排出气体离开系统，而反应器输出气体689的第二部分作为再循环气体686通过第二反应器窗口 676再循环回到反应器615中。应认识到的是术语“第一”和“第二”在被用来指示诸如反应器壳体窗口的类似元件时仅仅意图指示两个元件之间的差异或差别，而不是元件的顺序、绝对要求数目或要求序列。因此，当参考两个反应器壳体窗口时，可以可互换地使用术语“第一”和“第二”。返回参考图3c和3c’，应注意的是机罩379被定位为使得其略微位于出口 309的中心301下面，使得源自于下面的氨蒸气和烟道气的混合物不会无阻碍地通过出口 309直接流出。应认识到的是此特定布置虽然是有利的，但绝不是限制性的，因此在不脱离本发明的范围的情况下，替代实施例可以具有反应器壳体相对于流管的进口和出口的其它定位。图5a是包括中心钻的通孔560以容纳尿素注射器组件520的进口管506的顶盖525的三维视图。图5b是顶盖525的底部的三维视图。盖525的底部具有如图5c、即顶盖525的立视截面图所示的圆形绝缘衬里510。具有厚度T和直径‘d2’的绝缘衬里被金属板固定于盖的底部。顶盖525还向反应器壳体415提供一起感测检查口 507，允许持续地监视反应器壳体415内的诸如温度、压力和类别的操作条件。图5d注射器-盖组件500和反应器415的顶部部分的剖面底视图。图5c和5d示出注射器-盖组件500被用于第一类新的锅炉时的根据本发明的实施例的示例性尺寸。本领域普通技术人员应认识到的池此类尺寸绝不是限制性的且至少根据锅炉的类型而变。因此，图5c是剖面立视图，而图5d’是注射器-盖组件500的剖面底视图，两者都示出注射器-盖组件500被用于第二类型的锅炉时的根据本发明的另一实施例的示例性尺寸。现在同时地对图5c、5d和5c’、5d’进行参考，使得相同的附图标记参考相同的元件。如注射器-盖组件500的剖面立视图所示，在图5c和5c’中，衬里510的直径‘d2’略小于流管505的内径‘0’，而盖525的直径‘dl’等于流管505的凸缘547的直径。当注射器-盖组件500被附着在流管505上时，衬里510配合在流管505内部，而盖525停留在凸缘547之上，在其之间具有垫圈549以在盖525借助于多个螺栓和螺母被固定于凸缘547时改善邻接表面的封装。如图5b、5d和5d’所示，形成套筒555并在孔560周围附着于衬里510的底部。在一个实施例中，套筒555在形状上是三角形的以容纳反应器壳体515的顶部部分，其在一个实施例中具有三角形截面。图5d和5d’更清楚地示出被配合到由三角形套筒555形成的端口中的三角形截面的反应器壳体515。本领域普通技术人员将理解的是在替代实施例中，根据反应器壳体515的截面的形状，套筒的形状是可定制的。转到图7，示出了侧流烟道气701通过包含尿素至氨反应器(未示出)的外壳702的一般流动。第一气流703 (例如从主烟道气流导出的侧流烟道气流)经由气流进口 703进入外壳(或室)702、穿过外壳，其中，其与氨蒸气混合，并且所得到的混合物作为例如第三气流711经由气流出口 705流出外壳。在优选实施例中，外壳的至少一个外壳壁708限定设置在其气流进口和气流出口之间的第一内部空间710。在某些实施例中，外壳壁708是圆筒形的并限定第一内部空间且连同第一外壳端部706和第二外壳端部707 —起限定第一内部空间。在其它实施例中，壁是球形的、立方体等。优选地，第一端部706接近于气流进口(相对于所述气流出口)且第二端部707接近于气流出口(相对于所述气流进口)。转到图8，示出了包围具有反应器壳体830的外壳801的截面图，该视图示出侧流烟道气810和氨蒸气812的流动，根据本发明的一个实施例，该视图是在包含气流进口 804
和气流出口 805的平面上。分别地，图9a和9b示出具有反应器壳体840的外壳801的截面图，示出了根据本发明的一个实施例的侧流烟道气811和氨蒸气913在包含气流进口 804的平面上的流动；以及具有反应器壳体830的外壳801的截面图，示出了侧流烟道气和氨蒸气914的混合物在包含气流出口 805的平面上的流动。这里,外壳801限定第一内部空间820。反应器壳体830具有被相互设置成用于限定第二内部空间832的关系的一个或多个壁831。反应器壳体壁831还限定了被暴露于所述第一内部空间820的第一外表面903。第一外表面还具有一个或多个开口(例如窗口)，其充当第一内部空间和第二内部空间之间的界面，并且还允许两个空间是相互流体连通的。优选地，窗口的截面积小于第一外表面的总表面面积的约35%，并且更优选地小于约10%。在某些实施例中，开口中的一个或多个各自具有主方向和次方向，并且具有矩形轮廓，其中，所述主方向平行于反应器主轴线843。在某些优选实施例中，开口中的一个或两个相对于第二反应器端部而言接近于第一反应器端部。优选地，表面903的至少一部分具有诸如角的形状，其在第一内部空间820和第二内部空间832之间产生压力差区域821。压力差区域831的位置、尺寸和取向可以随反应器尺寸和操作条件而变。其甚至还可以在系统正在稳态条件下操作时改变。优选地，该区域是在第一内部空间与第二内部空间的界面、诸如在开口(例如窗口)806处或附近形成的并被保持在该处。在某些实例中，该区域是在气流内形成的小袋。给定表面上的流分离是由于方向变化而引起的，该方向变化在气流和相邻表面之间产生压力差。由于压力是作用在表面上的力，所以在流分离的情况下，建立“逆流场”，因此，一般地可以将分离表面区域上的流动方向表征为从表面“吊离”，并且这样在整个外壳内产生最低压力点，但不一定是负的(真空)。窗口被设计并定位于最接近于该区域的特定区域中，因此第二内部空间中的加压分解尿素气体在外部逆向流的作用(夹带)下穿入第一内部空间中。因此，从尿素反应器(第二内部空间)至流管(第一内部空间)的流体在这些条件下仅是一个方向。该反应器还包含水性尿素进口 803，诸如注射器、喷嘴等，其位于用于允许包括雾状尿素的水性尿素进入第二内部空间的位置上。气流进口 804具有进口主轴线841且气流出口具有出口主轴线842。反应器壳体830具有与所述进口主轴线正交的反应器主轴线843，并且优选地具有绕着所述反应器主轴线843的三角形轮廓940。三角形轮廓优选地具有引导顶点941、第一拖曳顶点942以及第二拖曳顶点，其中，所述引导顶点相对于第一和第二拖曳顶点而言接近于气流进口 804。优选地，第一外表面903的至少一部分944与引导顶点相对。如本文所使用的术语顶点意指由物体的面或小平面的相交所形成的边缘。在某些优选实施例中，三角形轮廓940具有等腰形状，其中，所述引导顶点具有小于60°的内角946。优选地，反应器壳体具有第一反应器端部851和第二反应器端部852，其中，第一和第二端部具有沿着反应器主轴线843的质心904，并且第二反应器端部851相对于气流出口 805而言接近于气流进口 804，并且第二反应器端部852相对于气流进口 804而言接近于气流出口 805。本发明的反应器系统的有利之处在于提供了与常规尿素至氨转换系统相比相对更加紧凑的设计。因此，本发明的另一方面是一种反应器系统，除上述某些特征之外，其还具有(c)主烟道气导管；(d) SCR催化剂；以及(e)烟道气侧流导管，其具有(i )被设置在所述气流进口的上游且在第一位置处被流体连接到所述气流进口和烟道气导管的第一部分；以及(ii)在所述气流出口的下游且在第二位置被流体连接到所述气流出口和所述烟道气导管的第二部分，其中，所述第二部分相对于烟道气通过所述主烟道气导管的流动而言在 所述第一位置的下游且在所述SCR催化剂的上游；并且优选地具有所述气流进口和所述第二位置之间的直线流动距离，所述直线流动距离小于所述侧流导管的平均直径的约40倍、更优选地小于约30倍、甚至更优选地小于约25倍且最优选地小于约20倍。在不脱离本发明的本质特性的情况下，可以以其它特定型式来体现本发明。所述实施例将在所有方面仅被视为说明性而非限制性的。因此，由所附权利要求而不是前述说明来指示本发明的范围。在权利要求的等同物的意义和范围内的所有修改意图被涵盖在其范围内。
权利要求
1. 一种用于将水性尿素转换成蒸气氨的反应器，包括 a.外壳，其具有用于接收第一气流的气流进口、用于输出第三气流的气流出口以及一个或多个外壳壁，所述一个或多个外壳壁限定设置在所述气流进口和所述气流出口之间的第一内部空间； b.反应器，其被设置在所述外壳内，其中，所述反应器包括； 1.壳体，其具有 一个或多个反应器壁，其限定第二内部空间且进一步限定被暴露于所述第一内部空间的第一外表面，其中，所述第一外表面的至少一部分具有在所述第二内部空间和所述第一内部空间之间产生压力差区域的形状， 所述壳体中的第一开口，其中，所述第一开口在所述第一外表面中，具有小于所述第一外表面的约35%的截面积，并被设置为接近于所述压力差区域；以及 ii.与所述第二内部空间流体连通的水性尿素进口。
2.如权利要求I所述的反应器，其中，所述气流进口具有进口主轴线，并且所述壳体具有与所述进口主轴线正交的反应器主轴线和绕着所述反应器主轴线的三角形轮廓。
3.如权利要求2所述的反应器，其中，所述三角形轮廓具有引导顶点、第一拖曳顶点以及第二拖曳顶点，其中，所述引导顶点相对于所述第一和第二拖曳顶点而言接近于所述气流进口，并且其中，所述第一外表面与所述弓I导顶点相对。
4.如权利要求3所述的反应器，其中，所述三角形轮廓是等腰的，所述引导顶点具有小于约60°的内角，并且所述进口主轴线将所述弓I导顶点二等分。
5.如权利要求I所述的反应器，其中，所述气流出口具有平行于所述进口主轴线的出口主轴线且所述气流出口相对于所述三角形轮廓的其它表面接近于所述第一外表面。
6.如权利要求5所述的反应器，其中，所述反应器壳体具有第一端部和第二端部，其中，所述第一和第二端部具有沿着所述反应器主轴线的质心，并且所述第一端部相对于所述气流出口而言接近于所述气流进口且所述第二端部相对于所述气流进口而言接近于气流出口。
7.如权利要求6所述的反应器,其中,所述第一开口具有第一主方向和第一次方向，并且所述主方向平行于反应器主轴线且邻近于所述第一拖曳顶点但与所述第一拖曳顶点分开。
8.如权利要求7所述的反应器，其中，所述第一开口相对于所述第二端部而言接近于所述第一端部。
9.如权利要求8所述的反应器，还包括在所述第一外表面中的第二开口，其中，所述第二开口具有小于所述第一外表面的约35%的截面积，具有第二主方向和第二次方向，并且所述主方向平行于所述反应器主轴线且邻近于所述第二拖曳顶点但与所述第二拖曳顶点分开。
10.如权利要求I所述的反应器，还包括 c.主烟道气导管 d.SCR催化剂；以及 e.烟道气侧流导管，其具有 i.第一部分，其被设置在所述气流进口的上游并在第一位置处被流体连接到所述气流进口和烟道气导管，和 ii.第二部分，其在所述气流出口的下游并在第二位置处被流体连接到所述气流出口和所述烟道气导管，其中，相对于烟道气通过所述主烟道气导管的流动而言，所述第二部分在所述第一位置下游且在所述SCR催化剂上游。
11.如权利要求10所述的反应器，具有所述气流进口和所述第二位置之间的直线流动距离，所述直线流动距离小于所述侧流导管的平均直径的25倍。
12.如权利要求I所述的反应器，还包括 c.在所述第一外表面中的第三开口，其中，所述第三开口具有大于所述第一和第二开口的所述截面积的截面积，并且其中，所述第三开口与所述第一和第二开口分离；以及 d.突出部件，其从所述第一外表面延伸并且位于所述第一内部空间中，在所述第二内部空间之外，并接近于所述第三开口。
13.—种用于产生氨蒸气的方法,包括 a.使加热烟道气侧流绕着反应器的至少一部分流动以将所述反应器对流地加热到至少约700 0F ； b.将水性尿素注射到所述被加热的反应器中，其中，步骤(b)是与步骤(a)同时执行的； c.在所述被加热的反应器中将所述水性尿素热分解，直至所述尿素的主要部分被转换成氨蒸气，其中，步骤(C )是与步骤(a)同时执行的； d.从所述被加热的反应器抽取所述氨蒸气，其中，步骤(d)是与步骤(a)同时执行的；以及 e.将所述被抽取的氨蒸气与所述加热气体的一部分混合。
14.如权利要求13所述的方法，其中，持续地执行步骤(a)、(b)、(C)、(d)以及(e)。
15.如权利要求14所述的方法，其中，通过分别在所述流动的加热气体和氨蒸气之间形成压力梯度来执行所述抽取。
16.如权利要求15所述的方法，其中，通过使所述加热气体绕着所述反应器的至少一部分流动来产生所述压力梯度。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述尿素的至少99%的重量在步骤(c)期间被气化。
18.如权利要求13所述的方法，其中，在外壳内执行步骤(a)、(b)、(C)、(d)以及(e)。
19.一种用于将氨蒸气引入到包含NOx的排出气流中的系统，包括 a.根据权利要求I所述的反应器； b.被持续地注射到所述水性尿素进口中的水性尿素流； c.包括持续地流入所述气流进口中的被加热气体的第一流，所述第一流在所述反应器壳体的至少一部分周围； d.主要包括所述氨蒸气的第二流，其中，所述第二流跨所述第一开口而存在； e.包括所述被加热气体和所述氨蒸气的混合物的第三流，其中，所述第三流跨所述气流出口而存在；以及 f.用于将所述第三流引入到第四流中的端口，所述第四流包括包含NOx的所述排出流，其中，所述端口在SCR催化剂的上游。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述被加热气体是从所述端口上游的所述排出气流抽取的侧流。
全文摘要
本发明是采用尿素至氨蒸气的反应系统的燃烧系统。尿素至氨的反应器壳体被封闭在旁通流管中，其在分流点处从包含源自于锅炉的氮氧化物(NOx)的主烟道气流接收次烟道气流。旁通流管允许次烟道气流流过被封闭的反应器壳体，其中，雾状或非雾状形式的注入水性尿素被气化成氨蒸气。在通过选择性催化还原(SCR)反应器设备来处理主烟道气之前，所得到的氨、其副产物和次烟道气流的气态混合物随后重新加入主流。可以通过再循环回路增加次流在旁通流管内的停留时间，使得能够在SCR设备中使用尿素至氨的有效转换。
文档编号B01D53/94GK102811796SQ201080060682
公开日2012年12月5日 申请日期2010年11月5日 优先权日2009年11月5日
发明者Y.关 申请人:约翰逊马西公司