[发明专利]控制含硫的气体流中的NOx排放的选择性催化还原系统和方法

说明书

本申请要求申请日为2012年2月13日的第61/589,010号美国临时申请的权益，并以引用的方式将其整体并入本文。

关于联邦政府资助研发的声明

本发明的研发部分得到美国能源颁发的第DE-FC26-05NT42644号合同的部分支持。相应地，美国政府可以享有本发明一定的权利。

技术领域

本发明涉及使用氨(NH₃)作为还原剂通过选择性催化还原(SCR)来减少燃烧废气中氮氧化物(NO_x)的方法和系统。本发明还涉及发电领域，并且更具体地说，涉及控制来自发电所用的含氢燃料的燃烧，例如来自煤气化工厂(coal gasification plant)的燃气轮机(gas turbine)的废气中的NO_x的排放和铵盐的形成。然而，本发明还可以应用于从其它来源，例如从制造硝酸的过程中产生的排放、内燃机内部产生的排放等中减排(abatement)NO_x。

发明背景

基于煤的整体煤气化联合循环发电系统(integrated gasification combined cycle，IGCC)技术能够使用利用富含氢和CO以及有限量的CO₂的燃料的燃气轮机来发电。燃料燃烧需要氧化源，例如包含氮气(N₂)的空气。其结果是，由含氢燃料燃烧所产生的废气中的副产物为显著量的NO_x和一定量的CO和SO₂。在IGCC发电系统启动过程中和还有在气化炉(gasifier)气化炉停工期间，通过使用天然气燃料使IGCC发电系统运行。由此，燃烧废气包含NO_x、CO和烃。通过使用选择性催化还原(SCR)系统以及燃气轮机中的低NO_x的燃烧炉可以减少废气中的NO_x。特别是当使用氨气作为还原剂时，SCR是非常有效的NO_x控制装置。在这样的系统中，通过混合废气和无水氨气、并在排放进大气之前于150～550℃间的温度使废气流过合适的还原催化剂来实现选择性催化还原。氨气不是燃烧废气流中的固有部分(natural part)，而是被注射进催化剂单元上游的废气流中，以用于支持一个或多个以下还原反应的特定目的：

(1)4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O

(2)4NH₃+2NO+2NO₂→4N₂+6H₂O

(3)8NH₃+6NO₂→7N₂+12H₂O

(4)2NH₃+NO+NO₂→2N₂+3H₂O

还可以使用除氨气之外的还原剂，例如肼、甲肼、单甲基胺和尿素及其混合物或其与氨气的混合物。

如上所述，IGCC废气包括高含量的SO₂也是众所周知的。商用方法，例如方法(由Linde AG和Lurgi AG共同注册)、Selexol(目前由UOP LLC注册)等，能够从受试气体(subject gas)中除去超过97％的硫。然而，硫的浓度仍旧能够高达20ppm。考虑到会由氮气稀释，IGCC燃气轮机废气中的SO₂的浓度能够处于5～10ppm的水平。在隔离(sequestration)CO₂和燃烧H₂-燃料之后，废气中的H₂O浓度能够高达20～25体积％，而氧含量能够达到10～18体积％。在这些条件下，研发一种用于减少NO_x、CO和烃排放的燃料灵活的方法(fuel flexible process)是极具挑战性的。

严格来说，废气中的高硫含量促发了以下与过量氨气(氨逸流(slip))的反应，特别是在高浓度水的存在下：

(5)NH₃+SO₂+H₂O+1/2O₂→NH₄HSO₄