處理廢氣的方法和裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及廢氣處理技術領域，特別是涉及包含氮氧化物的廢氣的處理。
[0002] 本發(fā)明特別涉及以除去和/或分離氮氧化物為目的，和/或以通過化學還原氮氧 化物的方式減少氮氧化物含量為目的，來處理來自工藝過程的含氮氧化物廢氣（例如，煙 氣）的方法。特別地，本發(fā)明涉及來自大型技術設備，例如發(fā)電廠，特別是熱電聯(lián)產(chǎn)廠或垃 圾焚燒設備的廢氣的脫硝方法。
[0003] 此外，本發(fā)明涉及以除去和/或分離氮氧化物為目的，和/或以通過化學還原氮氧 化物的方式減少氮氧化物含量為目的，處理來自工藝過程的含氮氧化物廢氣（例如煙氣） 的裝置。
[0004] 此外，本發(fā)明涉及從來自工藝過程的含氮氧化物廢氣（特別是煙氣）中除去和/ 或分離氮氧化物的裝置的應用，并涉及選擇性冷卻來自工藝過程的廢氣，特別是煙氣的裝 置的應用。
[0005] 最后，本發(fā)明涉及處理來自工藝過程的廢氣，特別是煙氣的方法。優(yōu)選處理冷卻 氣體的目的，特別是作為從來自工藝過程的廢氣中除去和/或分離氮氧化物的方法的一部 分。
【背景技術】
[0006] 在空氣存在的燃燒反應中，會形成亞穩(wěn)態(tài)的、通常有毒的和有活性的氧化氮，即所 謂的氮氧化物。正如大型燃燒裝置如熱電聯(lián)產(chǎn)廠或廢物焚燒裝置中所發(fā)生的一樣，氮氧化 物的形成能夠通過有機和無機含氮化合物的燃燒、熱解或高溫分解而加劇。
[0007] 氮氧化物，特別是已知屬于"亞硝氣"且簡稱為NOx的一氧化氮和二氧化氮，不僅 有毒且能夠刺激呼吸器官和導致?lián)p傷，而且當它們與水分反應時可形成酸，促進了酸雨的 形成。
[0008] 然而，氮氧化物的排放仍是環(huán)保問題的原因。首先，其能夠促進煙霧和危險的地面 臭氧的形成；其次其可作為溫室氣體，加劇全球變暖。
[0009] 因為氮氧化物對健康和環(huán)境的不利影響，以及由此導致的經(jīng)濟損失，人們長時間 以來已經(jīng)嘗試最小化，或阻止燃燒過程中氮氧化物的釋放。例如，在客運汽車中，已通過使 用催化轉換器來實現(xiàn)，其能夠允許氮氧化物幾乎能夠完全地從廢氣中除去。
[0010] 為減少來自大型設備，特別是大型工業(yè)燃燒設備的氮氧化物排放，出于對各地法 律狀況和商業(yè)的考慮，已開發(fā)出了多種不同的用于脫氮或脫硝（DeNOx)的方法，脫氮或脫 硝方法的單獨使用或結合使用可有效的減少或者消除廢氣（特別是煙氣）中的氮氧化物。
[0011] 在此情況下，減少廢氣（特別是煙氣）中氮氧化物含量的方法和措施可分成主要 措施和次要措施：
[0012] 在主要措施中，通過控制燃燒過程以使廢氣中氮氧化物的最終含量盡可能低；事 實上，首要目的是使氮氧化物不出現(xiàn)。主要措施包括：例如煙道氣體再循環(huán)，將煙道氣體再 次導入燃燒區(qū)域以及空氣和燃料平臺，其中，控制燃燒以便實現(xiàn)不同的燃燒區(qū)域中氧氣濃 度不同。此外，也可通過加入添加劑或通過淬火，也就是說通過注射水達到在燃燒過程中降 溫的目的，減少煙氣中氮氧化物的形成。
[0013] 與旨在阻止氮氧化物形成的主要措施相比，使用次要措施旨在減少廢氣（特別是 煙氣）中氮氧化物的濃度。次要措施包括：例如分離的方法，通過化學反應結合或減少煙道 氣流中的氮氧化物。然而，分離方法的缺陷是會產(chǎn)生大量廢棄物，如工藝水，其通常進一步 的被煙氣成分污染并須用昂貴的代價處理。
[0014] 因此，在現(xiàn)代大型技術設備中，次要措施通常使用基于還原氮氧化物，以形成氮元 素且僅產(chǎn)生少量廢棄物的方法，其中通常僅在于催化方法和非催化的方法之間的區(qū)別。
[0015] 氮氧化物的選擇性催化還原（SCR)是在金屬催化劑的催化作用下，轉換氮氧化物 以形成氮元素的催化方法。盡管使用催化劑使得該方法費用更高、經(jīng)濟可行性降低，但通過 使用SCR方法，通常可得到最佳的脫硝效果。此外，因為敏感催化轉換器在短時間間隔內就 必須需要維護或替換，執(zhí)行SCR方法的設備不僅在購買方面，而且在維護方面都極其昂貴。 特別是在大型燃燒設備，例如垃圾焚燒設備中，燃料組合物通常不會充分精確地加以確定， 煙氣中的污染物總會使催化轉換器面臨中毒的風險。而該風險僅可通過實施額外昂貴的措 施來降低。
[0016] 與之相比，選擇性非催化還原（SNCR)是基于含氮化合物，特別是氨或尿素的熱 解，其與氮氧化物發(fā)生歸中反應形成氮元素。
[0017] 選擇性非催化還原比選擇性催化還原實施的費用低很多：SNCR設備購買和維護 的費用僅僅是相應的SCR設備費用的10%到20%。
[0018] 然而，SNCR方法的問題是其有效性無法與催化方法相匹配，導致，例如對廢氣（特 別是煙氣）中氮氧化物在法律許可的極限值進一步減少情況下，大部分SNCR設備將不允許 再繼續(xù)運行。
[0019] 基于氮氧化物選擇性非催化還原的方法，其進一步的缺點是其必須使用過量的還 原劑，而還原劑與氮氧化物不能完全反應，導致廢氣中包含一定量的氨，且一些情形下其含 量并不是微不足道的。廢氣中過量的氨必須分離，或者通過工藝措施處理減少其含量，以使 廢氣能夠釋放到環(huán)境中。
[0020] 此外，還有基于同時使用催化作用和還原劑的方法，然而在這些方法中，各方法 (使用催化方法費用高和使用還原劑情形下的有效性低）的主要缺點仍然無法克服。
[0021] 盡管最近新的SNCR設備已有所發(fā)展，其基于結合使用多種還原劑，表現(xiàn)出與催化 方法等同的有效性，但是該設備并不是在所有運行條件下均能提供最佳結果。
[0022] 特別在燃燒鍋爐改裝有SNCR設備且燃燒鍋爐滿負荷運行的情況下，通常的情況 是由于鍋爐的設計或有利于還原的溫度在加熱表面或熱交換器區(qū)域，不可能在有利于SNCR 方法的溫度范圍內注射還原劑。在這些情形下，占到煙氣體積50%的煙氣的主要部分不能 接觸到還原劑，或者還原劑必須在不宜的溫度范圍內引入廢氣流。此外，在熱交換器區(qū)域 中，使用尿素作為還原劑有氨或銨鹽沉積，從而導致腐蝕的風險。
[0023] 然而，在最佳溫度范圍內將還原劑引入或注射到廢氣流中對于氮氧化物還原以至 脫硝的有效性均是至關重要的。
[0024] 在iioo°c之上注射還原劑，還原劑逐漸被氧化形成氮氧化物，從而，首先氮氧化物 分離率下降，其次還原劑的消耗上升。相比之下，如果還原劑在過低溫度下注入，反應速率 下降，由此在廢氣（特別是煙氣）路徑上會出現(xiàn)所謂的氨滑移，導致氨或銨鹽的形成。由此 導致的繼發(fā)問題諸如，帶有氨或銨鹽的飛塵的量大大增加，且飛塵沉積變得更嚴重，導致成 本更高。
[0025] 已經(jīng)嘗試通過例如在燃燒鍋爐上布置可移動的加熱表面或熱交換器或通過相對 長的冷卻水噴槍注射還原劑解決該問題。然而，這些改進不能預防操作引發(fā)的溫度梯度的 發(fā)生，也就是說，大的溫差和在垂直于廢氣主要流動方向平面上的不同的流體速度，其結果 是還原劑不能在整個鍋爐橫截面上均勻分布。因此，仍然是在煙氣區(qū)域處于有效溫度窗口 或范圍之外注入還原劑。這反過來導致氮氧化物分離不足，還原劑消耗高和氨滑移水平高。
[0026] 要解決這些問題，已經(jīng)實施將水額外地混合到還原劑中以將煙氣冷卻到還原所需 溫度的試驗。通過該方法，可能在個別的情況中實現(xiàn)從煙氣中分離或除去氮氧化物的改進， 然而，其中整體方法的施行仍然不能令人滿意。
[0027] 因此，在燃燒鍋爐內存在低負荷和低溫煙氣時，有必要減少水的量來阻止煙氣的 過度冷卻。在注射過程中，因為液滴范圍，因此相應的廢氣流中還原劑的滲透深度和分布取 決于各自的流動率，過低的水量導致還原劑在煙氣中分布不均，從而導致氮氧化物分離程 度降低并增加了還原劑的消耗。
[0028] 與之相比，在降低煙氣溫度的情況中，如果液體的量保持不變，由于液滴分布或液 滴范圍，因此煙氣中還原劑的滲透深度和分布維持不變，煙道氣體會冷卻到不利的還原條 件且氨滑移結果增加的程度。
[0029] 最后，所述方法也不能完全解決問題，在許多鍋爐，特別是裝備有脫硝設備的鍋爐 中，特別是滿負荷的鍋爐設備中，還原包含在煙氣中的氮氧化物的有效和最佳溫度窗口通 常在熱交換器和加熱表面區(qū)域中間的很難接觸到的狹窄的空間中獲得。在所述區(qū)域，實際 上首先很難實現(xiàn)整個煙氣體積中都帶有還原劑，其次，特別是使用尿素時，不能排除尿素顆 粒對鍋爐管道和熱交換器或加熱表面發(fā)生作用并導致腐蝕損傷。然而，因為煙氣較大的滲 透深度，不可避免使用尿素溶液作為還原劑。
[0030] 因此，整體而言，明顯直到現(xiàn)在仍然沒有開發(fā)出廉價且靈活的方法用于工藝工程 中廢氣（例如用于煙氣）的脫硝工藝，能夠實現(xiàn)即使燃燒鍋爐具有不良或不利的結構設計， 仍能夠取得來自工藝過程中廢氣中氮氧化物良好的分離率。
[0031] 因此，本發(fā)明的目的是提供用于處理來自工藝過程的包含氮氧化物的廢氣（諸如 煙氣）方法和裝置或設備，其目的是除去或分離氮氧化物和/或減少氮氧化物含量，優(yōu)選采 用化學還原氮氧化物，其中提到現(xiàn)有的技術的問題和缺點的意圖是，使其至少基本上消除 或減輕。
[0032] 特別地，本發(fā)明的目的是提供適合于施行所述方法的裝置或設備，通過該裝置或 設備使大型技術設備的廢氣脫硝，其中該方法和該設備或裝置可以靈活使用，特別地還適 合于改造現(xiàn)有的燃燒鍋爐，且其方法和裝置或設備能達到選擇性催化還原的效用且與傳統(tǒng) 的選擇性非催化還原的費用相近。
[0033] 本發(fā)明的進一步的目標是提供選擇性冷卻煙氣的方法。特別地，本發(fā)明的目標是 提供將煙氣冷卻至特定溫度并從而為進一步處理作準備的方法。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明，上述目標通過如權利要求1中所要求的方法實現(xiàn)；引用權利要求1的 從屬權利要求涉及根據(jù)本發(fā)明的方法的進一步有利的改進和配置。
[0035] 本發(fā)明進一步的主題是如權利要求42中所述的裝置或設備；引用權利要求42的 從屬權利要求涉及本發(fā)明這方面的有利改進和配置。
[0036] 本發(fā)明進一步的主題是根據(jù)權利要求67中所述的發(fā)明裝置的應用。
[0037] 本發(fā)明另一進一步的主題是根據(jù)權利要求68所述裝置的應用。
[0038]最后，本發(fā)明進一步的主題是如權利要求69所述的方法；引用權利要求69的從屬 權利要求涉及本發(fā)明這方面進一步有利的配置。
[0039] 不言自明的是，如無特殊提及，為避免不必要的重復，本發(fā)明僅就某一方面討論的 特殊方面、特點、配置和實施方案和優(yōu)點等諸如此類也不言自明相應地適用于本發(fā)明的其 他方面。
[0040] 此外，不言自明的是，下文指定樹值、數(shù)字和范圍的地方的這些數(shù)值、數(shù)字和范圍 不應被視為限制；對于本領域技術人員來說，不言自明的是，在個別情況下或根據(jù)應用，指 定范圍或規(guī)格可以偏離而不脫離本發(fā)明保護范圍。
[0041] 此外，下文提到的所有值或參數(shù)規(guī)格等可以基本上可使用標準化或明確指定的確 定方法測定，否則使用本領域專家熟悉的測定方法測定。
[0042] 在此基礎上，本發(fā)明將在下文更詳細地描述。
[0043] 依據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明的主題是處理工藝過程中包含氮氧化物的廢氣， 諸如煙氣的方法，其目的是除去和/或分離氮氧化物和/或減少氮氧化物含量，特別是用于 大型技術設備廢氣的脫硝方法，其中：
[0044] (a)在第一步驟中，廢氣選擇性冷卻；且
[0045] (b)在同時和/或隨后的第二步驟中，將氮氧化物從廢氣中除去和/或分離出去。
[0046] 因此本發(fā)明提供了一種方法，其中來自工藝過程的廢氣，特別是煙氣首先被冷卻， 隨后進行脫硝，也就是說將廢氣中包含的氮氧化物從廢氣中除去或分離出去。因為廢氣的 選擇性冷卻，這為特別是除去或分離氮氧化物的進一步廢氣處理做了最佳準備。尤其是，確 保從廢氣中除去或分離出氮氧化物的進一步處理在最佳的溫度范圍內進行。
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的方法可按SCR的方法或SNCR方法實施，按照SCR方法為了達到高 效，同樣需要特定的溫度窗口。
[0048] 在本發(fā)明的上下文中，然而優(yōu)選按SNCR方法實施本發(fā)明的方法。SNCR方法實施起 來比SCR方法更加容易和便宜；特別地，通常用SNCR設備改進燃燒鍋爐是相對可行的。此 外，本發(fā)明的方法提供了消除通常在SNCR設備或方法的情形下碰到的問題和缺點的可能 性，例如在廢氣的脫硝或噴射還原劑到設備難以接觸的區(qū)域方面是效率低下的，這是由于 事實上僅在那里才普遍存在對還原而言適宜的溫度范圍。
[0049] 通過選擇性冷卻廢氣，可得到煙氣氣流具體的溫度分布。這可允許配置以獲得還 原劑的最佳添加量；特別地，通過本發(fā)明，能夠選定或構成還原劑，以使其在廢氣流的分布、 滲透深度和反應動力學方面最佳的適應先前冷卻設定的溫度、煙氣的流速和煙氣流比率。
[0050] 因此，使用本發(fā)明的方法，所得的從廢氣分離氮氧化物的效率與使用催化還原方 法得到的相似，但是與SNCR設備在購買和維護方面的成本優(yōu)點持平。
[0051] 特別地，通過本發(fā)明的方法，可確保大約全部的廢氣流都用還原劑處理，即使在不 利的結構設計的情況下。例如，如果燃燒鍋爐滿負荷下還原劑注射的最佳溫度區(qū)域位于因 結構設計不能接觸或難以接觸的區(qū)域，以致于注射還原劑不可能或僅可能達到不充分的程 度，通過選擇性地冷卻，將對于還原而言最佳的溫度范圍，轉移到設備更容易接觸的區(qū)域。 這樣，也能處理甚至使用SNCR方法也不能接觸的煙氣流區(qū)域。
[0052] 通過包括選擇性冷卻廢氣的本發(fā)明的方法，即使較大的溫度梯度，也就是說煙氣 較大的溫度差異，也可能被補償，以使氮氧化物能以有效的方式從煙氣中除去或分離。
[0053] 因此，根據(jù)本發(fā)明的方法能夠意外地實現(xiàn)，相當高效地從廢氣中，特別是煙氣中除 去氮氧化物，其中所述方法的效率和效果與催化還原方法相同。
[0054] 特別地，當使用還原劑混合物：例如氨溶液和尿素溶液的混合物時，可實現(xiàn)設定的 各溫度分步的最佳混合物。首先，使得氮氧化物的分離率大大增加；其次，氨滑移和還原劑 的消耗大大減少。
[0055] 與基于使用多種還原劑的已知方法相比，根據(jù)本發(fā)明的方法可相當容易和廉價地 實施并提供更恒定的分離率，這是因為，由于選擇性冷卻和所得的煙氣具體溫度分布的設 置，總能獲得還原氮氧化物形成氮元素的最佳條件。
[0056] 此外，使用本發(fā)明的方法，還可避免在現(xiàn)有技術特別是使用尿素作為還原劑的 SNCR方法的情況下發(fā)生的設備零件的腐蝕。
[0057] 在本發(fā)明的上下文中，通常的情況是，根據(jù)方法步驟（a)中的廢氣的選擇性冷卻， 是通過將至少一種冷卻劑引入和/或與來自工藝過程的廢氣，特別是煙氣的流體接觸來進 行的。
[0058] 冷卻劑通常是冷卻液，特別是非易燃性的和/或惰性冷卻液，優(yōu)選水。因為廉價易 得并能大量使用，水通常優(yōu)選作為冷卻液或冷卻劑。此外，大部分的SNCR方法使用水來溶 解還原劑和/或來配制還原劑在還原劑溶液中的具體含量。在水作為冷卻劑的情況