[发明专利]用选择性催化还原控制NOx的燃气涡轮燃烧排气喷射冷却

说明书

技术领域

本发明涉及减少燃烧排气中的氮氧化物(NO_x)，且更具体而言，涉及使用选择性催化还原(SCR)系统来还原简单循环燃气涡轮排气中的NO_x。 

背景技术

在燃气涡轮燃烧器的操作中，在燃烧期间，所使用的燃料中和来自大气固氮作用的含氮化合物导致在燃烧器排气(也称作烟气)中存在NO_x。由于世界各地NO_x控制的法规变得越来越严格，对于燃烧涡轮而言，重要的是将NO_x排放降到最低。 

用于降低NO_x排放的一个解决方案是SCR系统，其向排气流添加还原剂，通常为氨或尿素，之后使其通过催化床，催化床选择性地吸附氮氧化物和还原剂。所吸附的组分在催化剂表面上经历化学反应，并且反应产物被解除吸附。使用氨进行NO_x还原通常通过以下化学计量反应来发生： 

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O 

2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O 

NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O 

对于SCR系统，催化剂的反应性取决于进入催化剂反应器的烟气温度。燃气涡轮出口处的烟气温度通常高于大约1200°F，而SCR通常被设计成在大约600°F到大约850°F之间高效地操作。当燃气涡轮出口处的烟气温度落在所设计的温度范围之外时，SCR催化转换效率降低。因此，可能需要更多的氨或催化剂量来维持NO_x的转换率，从而导致更高的成本。 

已流行将排气冷却到处于SCR的操作温度范围内的两种设计。一 种这样的设计使用排气管道中的热交换器来冷却烟气，在美国专利4,353,207中描述了其代表性实例。热交换器通过提取热而将排气温度降低到反应范围内，然后所提取的热用来产生用于燃气涡轮中其它地方的应用的蒸汽。这种类型的布置对于用于基础负荷操作的组合循环燃气涡轮而言是可接受的，但不太适用于通常在峰值负荷操作中所用的、其中空间和成本更有限制性的简单循环燃气涡轮。 

适用于简单循环涡轮和组合循环涡轮两者的另一设计是通过将排气与周围空气混合来冷却排气。使用空气扇和喷射开口，周围空气克服排气流所形成的背压而被吹入到排气管道内。为了将排气温度降低到反应范围内，所需空气的量通常为排气体积的大约40％至50％。大量的冷却剂提高了安装和操作成本，同时由于系统上更大的压降而降低了涡轮效率。大量体积的空气与排气之间较差的混合还可造成催化剂床上不均匀的温度分布，从而降低总体催化活性。此外，空气流率可能需要宽范围的调整，以适应变化的周围条件和排气温度，从而导致较大的操作变动。 

因此，需要更高效的系统来将燃烧器排气冷却到适合在SCR中进行NO_x还原的温度范围。 

发明内容

为解决上述问题，本公开内容所涵盖的实施例提供了一种用于减少来自燃烧排气的氮氧化物的系统，该系统大体包括：包括用于接收燃烧排气流的催化剂床的选择性催化反应器(SCR)组件；用于将排气喷射到SCR组件的排气管道；用于在燃烧排气离开选择性催化反应器组件前将冷却水引入到燃烧排气中的至少一个喷嘴；以及用于在燃烧排气离开选择性催化反应器组件之前将至少一种还原剂引入到燃烧排气中以形成还原剂/排气混合物的至少一个还原剂管道。 

本发明还涵盖了一种用于减少排气流中的氮氧化物的方法，该方法包括：将燃烧排气引入到包括催化剂床的SCR组件中，在燃烧排气离开选择性催化反应器组件之前将冷却水引入到燃烧排气中，在燃烧 排气离开SCR组件之前降低燃烧排气的温度，以及在燃烧排气离开SCR组件之前将至少一种还原剂引入燃烧排气中以形成还原剂/排气混合物。 

附图说明

图1是具有用于冷却水和还原剂的单独喷嘴的NO_x还原系统的示意图。 

图2是具有多部段排气管道的NO_x还原系统和喷嘴定位备选实施例的示意图。 

图3是具有多个温度传感器和NO_x传感器以及控制器的NO_x还原系统的示意图。