[发明专利]用于发电设备的废气系统

说明书

一种用于发电设备的废气系统，该废气系统包括热源，该热源用来在空气中燃烧燃料以产生电力，该废气系统适合于接收流动的废气并且包括用来处理废气的催化剂系统，该催化剂系统包括第一氧化催化剂和第二氧化催化剂，其中第一氧化催化剂布置在热源下游，使得流动的废气在第二氧化催化剂之前接触第一氧化催化剂。

技术领域

本发明涉及用于诸如气体涡轮机的发电设备的废气系统，该废气系统适合于接收流动的废气并且包括用来处理废气的催化剂系统，该催化剂系统包括氧化催化剂的系统。具体地说，本发明涉及使用这种系统来减少在发电设备的启动和满负荷之间从发电设备的废气排放的方法。

背景技术

在正常操作中，作为燃烧过程的一部分，气体涡轮机电厂产生大量的二氧化碳(CO₂)、水、一氧化碳(CO)、挥发性有机化合物(VOC) 和氮的氧化物(NOx)。全球的各种监管机构(诸如美国环境保护局) 承担减少废气排放的监管职责。

气体涡轮发动机典型地通过将空气吸入压缩机中以增大气体压力而操作。碳氢化合物燃料(典型地为天然气)使用压缩空气被燃烧。该燃烧通常在相对“贫的”条件下进行，其中多于碳氢化合物燃料成分的完全燃烧所必要的化学计算量的氧被使用。这有助于维持相对低的燃烧温度，这可以提高用于制造涡轮机的材料的耐久性。

来自燃烧器的高温高压气体被供给到气体涡轮机发动机中，在该气体涡轮机发动机中，气体膨胀并且气体的温度降低。在大多数应用中，气体涡轮机驱动压缩机，以及产生电力的发电机。离开涡轮机的气体处于相对高的温度并且在下游操作中被排出或处理之前可以用于在热回收蒸汽发生器(“HRSG”)中产生蒸汽以减少不合需要的排放。由热回收蒸汽发生器产生的蒸汽可以用作联合循环电厂的一部分以驱动蒸汽涡轮机。这提高使用HRSG的电厂的发电效率。

这种系统的一个问题是，废气包含一氧化碳(CO)、挥发性有机碳氢化合物(VOC)和氮的氧化物(NOx)，所有这些受到各种监管机构的控制。

两种基本类型的催化技术被用于减少电厂的排放：使用氧化催化剂来转化CO和VOC，和使用选择性催化还原(“SCR”)催化剂来转化NO_x。对于来自于可移动式发动机(例如，汽车发动机)的排放而言，使用氧化和SCR催化剂、并结合以在发动机的操作参数中的其它技术和变化，来减少排放。然而，气体涡轮机与可移动式发动机的不同之处在于，一旦气体涡轮机达到它们的满负荷操作状态，系统的操作参数就保持相对不变，这与可移动式发动机不一样：在可移动式发动机中，动态驱动条件引起对发动机的载荷需求的变化，这导致可改变的废气温度。可移动式发动机的工作周期的不同阶段(例如，在冷启动时)也会影响接触废气后处理催化剂的废气的温度。操作参数的这些差异，使得用于可移动式发动机的一些技术不能被用于气体涡轮机。

在NOx被处理之前，氧化催化剂用于处理CO和VOC。已知许多氧化催化剂。氧化催化剂的选择基于许多因素，所述许多因素包括但不限于该催化剂将被使用的温度、催化剂的负载、被燃烧的燃料、废气的流率、所需的还原的百分比，等等。在高温下的氧化催化剂的使用已知用来影响产生的不同氮氧化物的浓度，因为在这些条件下存在NO到NO₂的较少转化。在进入SCR催化剂的废气中具有太多NO₂是有问题的，因为SCR催化剂的活性受到影响，并且它也可能参与棕色烟流的形成(可能由所谓的Wisconsin Process引起)。

存在于气体涡轮机废气流中的NOx的量经常使用选择性催化还原(SCR)或选择性非催化还原而被控制。SCR依靠使用氨的NOx 的选择性还原。基本反应可以被表达为：

4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O(快) (1)；

4NH₃+2NO₂+O₂→3N₂+6H₂O(慢) (2)；以及