Способ селективного каталитического восстановления nox и устройство, обеспечивающее повышенную газификацию карбамида для образования аммиаксодержащего газа

Изобретение относится к способу газификации карбамида для уменьшения концентрации оксидов азота в газообразных продуктах сгорания, а также к соответствующему устройству для этого. Способ включает подачу карбамида в газификационную камеру и подачу нагретых газов в камеру перед точкой ввода карбамида при помощи инжекторного устройства. Инжекторное устройство выполнено с возможностью распределения карбамида в виде мелких частиц или капель, причем температура нагретых газов перед точкой ввода карбамида составляет, как минимум, 204°С. В камере предусмотрено наличие перфорированной газораспределительной пластины, которая снабжена центральным отверстием и группой меньших отверстий, которые расположены так, чтобы создать более высокую скорость газа поблизости от инжекторного устройства по сравнению с пространством около боковых стенок камеры. Газораспределительная пластина расположена таким образом, чтобы позволить газу течь через центральное отверстие пластины и между инжекторным устройством и пластиной. В результате достигается равномерное распределение газа без засорения оборудования. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.

 

Перекрестные ссылки на родственные заявки

Данная заявка испрашивает приоритет и частично является продолжением заявки на Временный патент США №61056121, зарегистрированный 27 мая 2008 г., полное раскрытие которого включено посредством ссылки.

Область техники

Изобретение, в основном, относится к эффективному использованию карбамида для таких целей, как селективное каталитическое восстановление (SCR) NO_x, а более конкретно, к подаче карбамида в камеру, предназначенную для эффективной и полной газификации (путем пиролиза и/или гидролиза) карбамида для подачи в установку SCR.

Уровень техники

Существует множество способов, в которых используется аммиак в потоке нагретого газа. В случае борьбы с загрязнением воздуха примерами являются обработка газообразных продуктов сгорания, включающая впрыскивание небольшого количества аммиака, и система SCR, зависящая от аммиака в относительно больших количествах. Вместе с тем, следствием использования аммиака в горячем газовом потоке является потребность в снижении опасности и расходов, связанных с обращением с аммиаком как таковым.

Способ SCR доказал свою высокую эффективность при восстановлении NO_x, при этом установки SCR в большинстве случаев можно свести к масштабу, соответствующему требуемым размерам. Для установок SCR в качестве восстановительного реагента обычно требуется аммиак, при этом общей их проблемой являются сложность и опасность хранения аммиака, особенно в населенных районах - использование карбамида и генераторов аммиака согласно патенту США №7090810 (Сан и др.), патенту США №6077491 (Купер и др.) часто является эффективным, однако возможность полной газификации карбамида на стандартной основе при ненадлежащем выполнении работ может вызвать проблемы.

При использовании карбамида в газификационной камере или другого аналогичного химического вещества в иной промышленной установке для эффективной эксплуатации без засорения оборудования требуется однородное распределение и быстрый пиролиз и/или гидролиз. Надлежащее распределение скоростей горячего воздуха перед и после введения карбамида очень важно для работы такой газификационной камеры. Несмотря на то что для обеспечения однородности потока перед инжекцией карбамида для обеспечения желаемого характера подачи газа при распространении карбамида была предложена идея перфорированного листа, на практике такие устройства могут вызвать ненадлежащий обратный поток или рециркуляцию реагента, что может привести к оседанию твердого карбамида на листе, стенках камеры или около насадок, вызывая закупорку и аналогичные проблемы. Следовательно, было бы желательно избежать закупорки, особенно насадок.

В настоящее время существует потребность в способе, оборудовании и системе для эффективного использования карбамида для таких целей, как селективное каталитическое восстановление (SCR) NO_x, а более конкретно, в газификационном оборудовании, способе и системах, которые обеспечивают подачу карбамида в камеру, предназначенную для эффективной и полной газификации карбамида (путем пиролиза и/или гидролиза) для обеспечения подачи аммиака в установку SCR.

Существует особенная необходимость в такой системе, которая преобразует карбамид в аммиак, а также обеспечивает возможность полностью контролировать выработку аммиака без закупорки оборудования или избыточного потребления реагентов или потери эффективности борьбы с загрязнением окружающей среды.

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение распространяется на способ введения аммиака в поток нагретого газа без фактического хранения или обращения с аммиаком в объемном виде.

Настоящее изобретение распространяется также на способ, установку и систему для газификации карбамида с целью уменьшения концентрации оксидов азота в газообразных продуктах сгорания.

Одним из объектов изобретения является способ, который включает в себя подачу карбамида в газификационную камеру, подачу нагретых газов в газификационную камеру перед точкой ввода карбамида при помощи инжекторных устройств, способных распылять карбамид в виде мелких частиц или капель, наличие газораспределительной пластины в камере рядом с инжекторными устройствами, расположение отверстий и промежутка между ними в газораспределительной пластине таким образом, чтобы обеспечить более высокую скорость газа рядом с инжекторными устройствами по сравнению со стенками камеры, и эффективную регулировка интенсивности подачи карбамида и нагретых газов для газификации карбамида перед выходом из камеры. Карбамид предпочтительно использовать в виде водного раствора.

Другим из объектов изобретения является устройство, которое включает в себя газификационную камеру с нижней, верхней и боковыми стенками, инжекторные устройства для подачи карбамида в газификационную камеру, способных распылять карбамид внутри камеры в виде мелких частиц или капель, каналы для подачи нагретых газов в газификационную камеру перед инжекторными устройствами, газораспределительную пластину в камере рядом с инжекторными устройствами, при этом в указанной пластине отверстия расположены и отстоят друг от друга таким образом, чтобы эффективно обеспечивать более высокую скорость газа рядом с инжекторными устройствами по сравнению со стенками камеры, и устройство для выхода газа для отвода из камеры нагретых газов, содержащих газифицированный карбамид.

Предпочтительно, чтобы способ и установка для селективного каталитического восстановления NO_x использовались в сочетании с катализатором.

Также предусмотрены системы, в которых используется способ и устройство, раскрытое в данном изобретении.

Прочие и предпочтительные варианты изобретения описаны ниже.

Описание чертежей

Прилагаемые чертежи составляют неотъемлемую часть описания, иллюстрируют предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения, и вместе с общим описанием, представленным выше, и подробным описанием, представленным ниже, служат для объяснения принципа реализации изобретения. Как видно из чертежей, одинаковые номера обозначают одинаковые или соответствующие детали.

На Фиг.1 показан схематичный вид сбоку предпочтительного осуществления способа и системы по данному изобретению.

Фиг.2 - схематичный вид сверху системы, изображенной на Фиг.1.

Фиг.3 - схематический вид сверху предпочтительной конструкции распределительной пластины для использования в системе, изображенной на Фиг.1.

Подробное изложение сущности изобретения

В описании данного изобретения ссылка делается на чертежи, если имеется предпочтительное с изобретение, изображенное схематично на Фиг.1. Чертежи и способ, которые они представляют, будут сокращенно описаны ниже без избыточного перечисления различных компонентов, описанных в патенте США №7090810, который полностью включен в состав данной заявки и описывает газификацию карбамида, использующую воздух или комбинацию газов.

Термин "карбамид" подразумевает под собой реагенты, которые приравниваются к карбамиду в том смысле, что они при нагревании выделяют аммиак и HNCO, вне зависимости от того, содержат ли они большое количество химически чистого карбамида в представленных формах; однако реагенты, которые приравниваются к карбамиду, обычно содержат заметные количества карбамида в торговых сортах и, таким образом, образуют карбамид. Среди восстановителей NO_x, которые могут быть газифицированы, находятся восстановители, которые выбирают из группы, в состав которой входят: аммелид; аммелин; карбонат аммония; бикарбонат аммония; карбомат аммония; цианат аммония; соли аммония от неорганических кислот, включая серную и фосфорную кислоту; соли аммония от органических кислот, включая муравьиную и уксусную кислоту; биурет, триурет и циануровая кислота; изоциануровая кислота; карбамид-формальдегид; меламин; трицианокарбамид и смеси этих веществ в любых количествах. Кроме того, имеются другие восстановители, которые не образуют HNCO, а разлагаются на смесь газов, включая углеводороды. В состав этой группы входят различные амины и их соли (в особенности карбонаты), включая гуанидин, карбонат гуанидина, метил амин карбонат, этил амин карбонат, диметил амин карбонат, гексаметиламин, карбонат гексаметиламина; и побочные продукты химической промышленности, содержащие карбамид. Амины с высоким содержанием алкилов могут быть применены в объеме, при котором высвобождающиеся компоненты не угнетают реакцию восстановления NO_x.

Таким образом, термин "карбамид" охватывает карбамид во всех его торговых и эквивалентных видах. Обычно торговые сорта карбамида в основном состоят из карбамида на 95% по весу и более. Такие относительно чистые виды карбамида являются предпочтительными и имеют несколько преимуществ при использовании в способе, описанном в данном изобретении. Его предпочтительно подавать в процесс в виде водного раствора с концентрацией приблизительно 5-70%, при наиболее типичной концентрация приблизительно 30-60%. Карбамид также можно использовать в виде мелкодисперсных частиц или в виде расплава. Когда какой-то из этих реагентов газифицирован, газ, участвующий в реакции, также будет содержать HNCO, который может реагировать с водой с получением аммиака и двуокиси углерода. Преимущество изобретения заключается в том, что этого можно легко достичь без предварительного гидролиза восстановителя NO_x, которому сопутствует риск засорения насадок и другого оборудования. Под термином «газификация» следует подразумевать, что практически весь карбамид превращается в газ, не оставаясь в значительном количестве в растворе или в виде свободных частиц или в виде жидкости для контакта с катализатором SCR.

На Фиг.1 представлена газификационная камера 10, с отверстием для входа газа 12 и отверстием для выхода газа 14, газораспределительной пластиной 16 и инжектором 18 для впрыска водного раствора карбамида, подаваемого по линии 20, в виде аэрозоля 19 из мелкодисперсных частиц (для твердого карбамида) или капель (в случае жидкого карбамида). Предпочтительное расположение отверстия для входа газа 12 и отверстия для выхода газа 14 относительно камеры 10 возможно представить составлением вместе Фиг.1 и Фиг.2. Показана камера 10, состоящая из верхней стенки 102, нижней стенки 104 и боковой стенки 106.

Подробно одно из осуществлений распределительной пластины показано на Фиг.3. На фигуре изображено центральное отверстие 160 и восемь кольцевых групп отверстий меньшего диаметра, 162 и 164. Центральное отверстие 160 имеет диаметр, достаточный для того, чтобы инжектором через него вводить карбамид и чтобы через него проходили нагретые газы в камере 10 со скоростью, которая предотвращает рециркуляцию газа. Предпочтительно, чтобы инжектор был расположен рядом с пластиной. Отверстие инжектора может быть расположено выше, ниже или на уровне пластины в зависимости от конструкции насадок и расхода. Предпочтительно, чтобы насадка была расположена на расстоянии от пластины, чтобы обеспечить прохождение потока сквозь отверстие 160 и между инжектором 18 и пластиной 16. Одно из предпочтительных сочетаний размеров предполагает наличие центрального отверстия диаметром 2¹/₂ дюйма, 6 групп по 16 крупных отверстий 162, расположенных на концентрических окружностях и 4 группы по 36 мелких отверстий 164 диаметром по 1/4 дюйма каждое, равномерно расположенных на концентрических окружностях. Мелкие отверстия 164 расположены со смещением относительно отверстий на соседних окружностях с углом смещения примерно 5°. Угол смещения крупных отверстий 162, расположенных со смещением относительно отверстий на соседних окружностях, составляет 10°. Для типов и размеров отверстий в данном примере осуществления расход раствора карбамида (для 35% раствора) может находиться между приблизительно 0,1 и приблизительно 10 л в минуту, а расход газа может быть между приблизительно 50 и приблизительно 1000 кубических футов в минуту.

Инжектор 18 для карбамида впрыскивает мелкодисперсные частицы или капли. Предпочтительно распыл 19 реализовать конической формы или иной, обеспечивающей равномерное распределение. Для этого могут быть применены подходящие инжекторы или насадки, например, с использованием воздуха, безвоздушные и механические распылители. Для быстрого испарения любой воды и разложения карбамида желательно иметь размеры капель или частиц менее 500 микрон, но обычно их размер составляет менее 100 микрон, а предпочтительно менее 50 микрон. Также при выборе размеров сосуда более желательны капли малого размера, движущиеся медленно, созданные, например, ультразвуковыми насадками, чем большого размера, движущиеся быстро. В качестве распыленного флюида, по желанию, можно использовать пар. Линия для подачи карбамида 20 может образовывать центральный канал для карбамида и окружной кольцевой канал для распыленного флюида, который может защитить карбамид от разложения в линии 20 до выхода из инжектора 18.

Нагретые газы, входящие в камеру 10 через входной отверстие 12 газифицируют карбамид путем пиролиза и/или гидролиза, при этом газы, содержащие превращенный в газ карбамид, выходят из камеры 10 через выходное отверстие 14. Газы предпочтительно вводить в камеру 10 при температуре, по меньшей мере, 400°F, а предпочтительно, чтобы температура была выше 500°F, а еще более предпочтительно, чтобы температура была приблизительно от 600°F до приблизительно 1300°F, например, от приблизительно 700°F до приблизительно 1200°F. В этом случае, температура газов и время до выхода из камеры 10 будут наиболее эффективны для достижения полной газификации. Температура на входе также должна быть достаточно высока, чтобы поддерживать температуру на выходе по меньшей мере приблизительно на уровне 350°F, а предпочтительно по меньшей мере 450°F. Присутствие влаги от входящих газов или раствора карбамида способствует гидролизу, что является желательным, но не обязательным. В изобретении представлена усовершенствованная конструкция камеры разбиения карбамида посредством формирования кривой изменения скорости газа при помощи перфорированной пластины, конструкция которой предусматривает отверстия различных размеров, эффективные для предотвращения обратного потока карбамида или побочных продуктов в направлении насадки и образования корки на насадках.

Для предотвращения выхода из камеры твердых частиц или жидкости, наносящих вред установке SCR, расположенной далее, может быть применен элемент 15. Указанный элемент 15 может быть экраном, группой перегородок или лопаток, фильтром или аналогичным устройством, которое предназначено для задержки твердых частиц или жидкостей при выходе из источника любого характера. Он может дополнительно содержать катализатор для превращения HNCO или карбамида или побочного продукта путем гидролиза в аммиак.

Надлежащее распределение скорости горячего воздуха до и после введения карбамида критично для работы камеры разложения 10 и достижения согласно изобретению. По изобретению предусматривается ввод карбамида в желаемую структуру потока горячего газа для распределения карбамида с целью эффективной газификации, не вызывая при этом засорения насадок и связанных с этим проблем. Эффективное формирование кривой изменения скорости газа достигается за счет использования перфорированной пластины 16 специальной конструкции и надлежащего позиционирования выходного отверстия инжектора 18 для создания графика скорости газа, который почти совпадает с графиком скорости газа с частицами или каплями карбамида около инжектора и обеспечивает уменьшенную скорость газа около стенки 106. Конструктивное решение для отверстий в пластине 16 и параметры потока карбамида и горячих газов могут быть получены путем вычислительной гидродинамики или моделирования холодного потока, или более сложным методом проб и ошибок.

Преимуществом является то, что изобретение обеспечивает формирование кривой изменения скорости газа или жидкости, которая предотвращает возникновение зоны рециркуляции потока вблизи инжектора 18. Рециркуляция около инжектора, возникавшая ранее, является нежелательной, поскольку может вызывать осаждение капель на корпусе инжектора. После осаждения реагент отверждается и со временем накапливается. Эта твердая масса имеет тенденцию к наращиванию в направлении распыления инжектора и в итоге нарушает форму распыла, вызывая появление крупных частиц или капель, которые могут ударяться о стенки камеры. Удары о стенку вызывают образование твердых отложений на стенках. Благодаря приблизительному соответствию скорости газа и скорости распыления, можно избежать появления зоны рециркуляции и ее негативного воздействия.

Другим преимуществом изобретения является то, что формирование кривой изменения скорости уменьшает величину расхода газа через камеру 10. Равномерно высокая скорость газа могла бы уменьшить рециркуляцию около инжектора; однако это потребовало бы большего объема горячего газа, увеличения требований к нагреву и газодувке. Предпочтительно, чтобы изобретение создавало скорость газа, приблизительно равную нулю около стенки, и высокую скорость газа у инжектора в центре, с общим уменьшением требуемого расхода газа. Таким образом, преимущество изобретения состоит в том, что можно получить эффективные величины расхода без увеличения высоты камеры.

Кроме того, другим преимуществом изобретения является то, что формирование кривой изменения скорости стабилизирует режим течения внутри камеры 10. Если подавать газ только около инжектора, то зона рециркуляции около инжектора исчезает, но режим течения ниже по потоку становится нестабильным. Вместо сердцевины со стабильной высокой скоростью в центре, поток будет двигаться ближе к стенке, увеличивая вероятность соударения карбамида со стенкой.

Еще одно преимущество изобретения заключается в том, что формирование кривой изменения скорости позволяет использовать для инжекции большую площадь поперечного сечения. Альтернативным способом стабилизации потока будет формирование камеры в виде перевернутой воронки для того, чтобы принудительно поместить сердцевину в центр. Однако это существенно уменьшило бы зону для химической инжекции и таким образом увеличило бы вероятность столкновения капель со стенкой. Изобретение позволяет избежать проблем с предоставлением зоны для инжекции с большой площадью поперечного сечения.

Предпочтительно, чтобы способ и установка применялись в сочетании с катализатором для селективного каталитического восстановления NO_x, для селективного некаталитического восстановления NO_x и для других целей, таких как приведение газообразных продуктов сгорания в соответствие с нормами и т.п.

Системы, в которых используется данный способ и установка, сочетают описанные особенности и включают в себя детали, которые необходимы для широкого спектра способов промышленного применения.

Вышеприведенное описание служит для наставления обычных специалистов в данной области техники тому, как использовать данное изобретение на практике. Оно не предназначено для подробного описания всех тех явных модификаций и вариантов исполнения, которые будут очевидны для опытных специалистов после прочтения данного описания. Оно, однако, предназначено для того, чтобы все такие очевидные модификации и варианты исполнения были включены в объем изобретения, который определяется в указанной ниже формуле изобретения. Формула изобретения предназначена для охвата заявленных компонентов и шагов в любой последовательности, которая действительна для достижения целей, для которых предназначено изобретение, если в контексте конкретно не указано иное.

1. Способ газификации карбамида для уменьшения концентрации оксидов азота в газообразных продуктах сгорания, включающий:
a) подачу карбамида в газификационную камеру с верхней, нижней и боковыми стенками;
b) подачу нагретых газов в газификационную камеру перед точкой ввода карбамида при помощи инжекторного устройства,
c) выполнение инжекторного устройства с возможностью распределения карбамида в виде мелких частиц или капель, где температура нагретых газов перед точкой ввода карбамида составляет как минимум 204°С;
d) наличие газораспределительной пластины в газификационной камере, где газораспределительная пластина снабжена центральным отверстием и группой меньших отверстий, при этом инжекторное устройство расположено рядом, и центрально ориентировано относительно центрального отверстия газораспределительной пластины, и снабжено отверстием, расположенным сверху, снизу или на уровне пластины, что позволяет газу течь через центральное отверстие газораспределительной пластины и между инжекторным устройством и пластиной;
e) обеспечение расположения и размещения меньших отверстий в газораспределительной пластине из условия создания более высокой скорости газа поблизости от инжекторного устройства по сравнению с пространством около боковых стенок камеры, и
f) эффективную регулировку скорости подачи карбамида и нагретых газов для газификации карбамида до выхода из камеры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расположение и размещение малых отверстий определяют путем расчетной гидродинамики или моделированием холодного потока.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что карбамид вводят в виде водного раствора.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что водный раствор вводят в концентрации от 5 до 70%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что карбамид вводят в виде высокодисперсного твердого тела.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура нагретых газов перед точкой ввода карбамида составляет от 315°С до 704°С.

7. Способ по п.1, который дополнительно включает прохождение газов, содержащих газифицированный карбамид, через элемент, такой, как решето, группа перегородок или лопаток, фильтр или аналогичное устройство, которое предназначено для задержки твердых или жидких веществ из любого источника.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что элемент содержит катализатор для превращения HNCO, или карбамида, или побочного продукта в аммиак.

9. Способ по п.1, дополнительно включающий прохождение газов из газификационной камеры через катализатор, эффективный при селективном каталитическом восстановлении NO_x.

10. Устройство для газификации карбамида для снижения концентрации оксидов азота в газообразных продуктах сгорания, включающее:
a) газификационную камеру с верхней, нижней и боковыми стенками;
b) инжекторное устройство для подачи карбамида в газификационную камеру, выполненное с возможностью распределения карбамида внутри камеры в виде мелких частиц или капель;
c) канал для подачи нагретых газов при температуре как минимум 204°С в газификационную камеру перед инжекторным устройством;
d) перфорированную газораспределительную пластину в газификационной камере, где газораспределительная пластина является перфорированной с различными размерами отверстий, включая центральное отверстие и множество меньших отверстий, а инжекторное устройство расположено рядом, и центрально ориентировано относительно центрального отверстия в газораспределительной пластине, и снабжено отверстием инжектора, расположенным сверху, снизу или на уровне газораспределительной пластины из условия протекания газа через центральное отверстие газораспределительной пластины и между инжектором и газораспределительной пластиной, которая имеет расположение и размещение меньших отверстий, эффективное для обеспечения более высокой скорости газа поблизости от инжекторного устройства по сравнению с пространством около боковых стенок камеры, и
е) устройства для выхода газа для направления нагретых газов, содержащих газифицированный карбамид, из камеры.