[发明专利]用于煤燃烧辅助设备的氨氧化催化剂

说明书

发明领域

本发明涉及一种通过催化氧化除去烟道气中的过量氨(NH₃)气的方法，其通过氨注射经历氮氧化物(NO_x)的选择性催化还原(SCR)。本发明进一步涉及在沉积在飘尘上之前除去烟道气中残留氨的方法。

发明背景

全世界大量家用和商用的电能产生于在锅炉中燃烧化石燃料(例如，煤、油或气)的电厂。得到的热排放气(有时也称“烟道气”)转动气体涡轮或使水沸腾来产生蒸汽，其转动蒸汽涡轮，并且涡轮配合发电机产生电能。烟道气流随后穿过空气预热器，例如旋转轮热交换器，其将烟道气中的热转移给进来的此后流向燃烧炉的空气流。局部冷却烟道气从空气预热器流向排放烟道。

当煤用作主要燃料源时，烟道气包含污染物例如硫氧化物(SO_x)、氮氧化物(NO_x)、一氧化碳(CO)和烟灰颗粒。所有这些污染物向空气的排放受制于联邦和地方的法规，其大大地限制了这些烟道气成分的水平。

为了满足降低发电站NO_x排放物水平，如环境规定所要求的，许多化石燃料燃烧电产生单元使用选择性催化还原(SCR)或选择性非催化还原(SNCR)工艺。在SCR中，使用的最常用的方法是钒氧化物催化剂存在时注射入氨或尿基试剂，此处氨反应还原氮氧化物。一般SCR比SNCR在较低的温度下完成。一般SCR系统在烟道气温度介于300℃到450℃之间操作。美国专利5,104,629图解了一种已知类型的SCR装置。

在SNCR中，使用的最常用的方法是不使用催化剂向上部炉注射氨或尿基试剂以还原氮氧化物。SNCR系统在烟道气温度介于850℃到1150℃之间操作。美国专利3,900,554、4,208,386和4,325,924图解了一种已知类型的SNCR装置。

在煤燃烧电厂，用于SCR和SNCR系统的氨注射系统一般装置在烟道气流的高温和高粉尘区，其一般在灰分收集之前。SCR和SNCR工艺的一个共同问题是有些残留氨，被称为氨流失(ammonia slip)，消极地影响下游成分和方法，例如：空气预热器污垢、飘尘污染物、和氨气排放入空气。由于SCR催化剂表面劣化和烟道气速度、温度、与氨和NO_x浓度的非均匀分布导致氨流失问题进一步恶化。

当前方法的另一问题是增加氨注射会更有效地除去氮氧化物，但是然后过量的氨会导致烟道气中氨流失的增加。此外，在煤燃烧电厂这些过量氨可以污染得到的煤基飘尘。

甚至在以天然气或油为基础的电厂，排放氨的环境影响也是不希望的。EPA已经制定了初始目的是降低NO_x的各种规则。已经决定化石燃料的燃烧是NO_x排放的主要来源。这些控制规则由EPA在1990清洁空气法案修正案(CAAA90)的IV标题所建立。在1997年7月EPA在新来源执行标准和这些基于可由SCR工艺得到执行的分区提出了另外的变化。

如上简述，锅炉等的排放气的处理存在如下缺点：

(1)在处理气中还有一些留下未除去的氨；

(2)低的NO_x分解速率；和

(3)大的氨消耗；

(1)和(2)的缺点是相互联系的。

例如，如果为了提高NO_x分解速率提高氨供应，在处理气体中残留氨的比例会高。这些残留氨可能超过现有规则允许排放到空气中的量。因此，公知方法的氮氧化物分离效率由可以排放到空气中的未反应氨量所限制。

另外，在氨的引入点，燃烧装置上载荷的变化会改变温度至一个偏离最佳温度范围的值，并且这反过来会降低分解速率，倾向于增加残留氨的比例。甚至在小比例的情况下，残留氨会迅速和排放气中的硫酸成分反应产生硫酸铵。这些产品会粘附在相对低温区的后部热转移表面，例如，空气预热器的加热表面和锅炉相关部分，引起压力损失的增加，防碍燃烧装置的操作，并且由于它们最终的腐蚀侵蚀装置物质。

如上所述，处理排放气中留下未除去的氨对实际操作方式提供了主要的障碍。因此，氨供应存在上限并且自然地NO_x分解速率低。这是高温非催化脱氮作用实施的问题。而且，高温区中引入的氨，经过分解自身的伴随的反应，导致了过量消耗氨的缺点(3)，或超过NO_x分解反应的当量。随着为了提高分解速率而增加氨注射量这种趋势会显著。对于常规获得的NO_x分解速率这是另一个限制因素。