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使用次烟道气将水性尿素气化成氨蒸气的系统和方法
     相关申请的交叉引用 本申请要求 2009 年 11 月 5 日提交的美国临时申请号 61/258,538 的优先权权益， 其通 过引用结合到本文中。技术领域
     本发明一般地涉及 NOx 排放控制领域， 并且更具体地涉及将水性尿素气化以形成 氨蒸气的方法和系统， 氨蒸气被用来激活 SCR 催化剂以便高效地处理包括 NOx 及其它污染 物的烟道气。 背景技术
     诸如发电厂、 工业生产等气体涡轮机、 熔炉、 内燃机和锅炉中的化石燃料 （例如燃 料油） 的使用导致包括不期望氮氧化物 （NOx） 的烟道气的产生， 通常是以氧化氮 （NO） 和二 氧化氮 （NO2） 的组合的形式。在某些操作条件下， 可以通过使 NOx 与氨气反应以产生无害水 和氮气作为产物来降低烟道气流中的 NOx 水平。在称为选择性催化还原 （SCR） 的过程中， 此反应可以在存在某些催化剂的情况下发生。
     通常通过将水性尿素充分地加热以形成气态氨来供应用于 SCR 的氨。使用烟道气 的足够热的旁通流的焓来将所供给的尿素转换成氨气在本领域中也是已知的。例如 ： 授 予 Hofmann 等 人 的 名 称 为 “Combined catalytic/non-catalytic process for nitrogen oxides reduction” 的美国专利号 4,978,514 公开了一种 “用于将燃烧流出物中 的氮氧化物还原的过程” ， 其 “涉及在有效条件下将氮处理剂引入到流出物中以产生具有降 低的氨氧化物浓度的已处理流出物， 使得在已处理流出物中存在氨 ； 并且然后在有效条件 下接触已处理流出物以用氮氧化物还原催化剂来减少流出物中的氮氧化物” 。
     授予 Luftglass 等人的名称为 “Catalytic/non-catalytic combination process for nitrogen oxides reduction” 的美国专利号 5,139,754 公开了一种 “用于将燃烧流出 物中的氮氧化物还原的过程” ， 其 “涉及在有效条件下将氮处理剂引入到流出物中以产生具 有降低的氨氧化物浓度的已处理流出物， 使得在已处理流出物中存在氨 ； 并且然后在有效 条件下接触已处理流出物以用氮氧化物还原催化剂来减少流出物中的氮氧化物” 。
     授予 Sun 等人的名称为 “Selective catalytic reduction of NOx enabled by side stream urea decomposition” 的美国专利号 7,090,810 公开了一种 “优选过程装置” ， 其 “利用在必要时能够被补充的烟道气的焓来将尿素 （30） 转换成用于 SCR 的氨。在 140℃ 以上的温度下被分解的尿素 （30） 被注射 （32） 到在换热器 （22） 之后被分离出来 （28） 的烟 道气流中， 所述换热器 （22） 诸如为主过热器或节约器。理想地， 侧流将在不需要进一步加 热的情况下使尿素气化 ； 但是， 当要求热量时， 其远比将整个流出物 （23） 或尿素 （23） 加热 将需要的少。通常小于烟道气的 3% 的此侧流提供用于尿素 （30） 的完全分解的要求温度和 停留时间。可以使用气旋分离器来去除颗粒并将试剂与烟道气完全混合。然后可以使用吹 风机 （36） 将此流引导至在 SCR 前面的注射栅 （37） 。由于与穿过氨 -SCR 过程中的通过 AIG注射的相比高了一个数量级的侧流质量， 促进了与烟道气的混合” 。
     授 予 Sun 等 人 的 名 称 为 “Highly efficient hybrid process for nitrogen oxides reduction” 的美国专利号 5,286,467 描述了 “一种用于减少燃烧流出物中的氮氧 化物的过程” ， 其 “涉及向流出物中引入除氨之外的氮处理剂以产生具有降低的氮氧化物浓 度的已处理流出物 ； 将氨气源引入流出物中 ； 以及使已处理流出物与氮氧化物还原催化剂 接触” 。 发明内容
     然而， 需要的是用于提供足够的停留时间以有效地允许尿素转换到氨气的系统和 方法。因此， 本发明是用于使得能够通过允许足够热的烟道气的次流有必需停留时间以将 反应组件中的水性尿素气化成氨蒸气来实现 NOx 的高效选择性催化还原的新型系统和方 法。然后将氨和次烟道气的混合物反馈到在 SCR 反应器系统上游的主烟道气流中。
     本发明的目的是使得能够实现存在于通过燃烧锅炉、 气体涡轮机、 内燃机、 熔炉等 中的化石燃料 （共同地称为燃烧系统） 所产生的燃烧产物中的 NOx 的高效选择性催化还原 （SCR） 。
     并且， 本发明的目的不限于其在从燃烧得到的热排出气体中的适用性， 而是可适 用于其中将 SCR 过程用于 NOx 的还原的任何地方。
     本发明的另一目的是允许足够热的燃烧气体的次流有必需的停留时间以将包含 诸如水性尿素、 水性氨和醇基的大量液体的流体高效地气化。
     在一个实施例中， 本发明的系统和方法允许源自于锅炉的足够热的烟道气的次流 有必需的停留时间以将反应组件中的水性尿素气化成氨蒸气。 然后将氨和次烟道气的混合 物反馈至在 SCR 反应器系统上游的主烟道气流以使得能够实现存在于主烟道气流中的 NOx 的还原。
     因此， 依照本发明的一个实施例的尿素至氨蒸气反应器系统包括被封闭在旁通流 管道中的尿素反应器壳体， 其接收在分流点处被从主烟道气流分离出的次烟道气流。主烟 道气流源自于燃烧燃料、 导致包括氮氧化物 （NOx） 的燃烧烟道气的产生的锅炉。水性尿素 以雾状或非雾状形式且可选地在诸如压缩空气的载流流体的帮助下被注射到被封闭在旁 通流管道中的反应器壳体中。 旁通流管道允许次烟道气流流过封闭的反应器壳体， 其中， 在 主烟道气在已被通过选择性催化还原 （SCR） 反应器设备处理之后被排出到大气之前， 注射 的水性尿素被气化成氨蒸气， 并且随后使得所得到的氨、 其副产物和次烟道气流的气体混 合物能够重新加入主流。
     在另一实施例中， 将本发明的多个尿素至氨蒸气反应器系统串联地连接以形成级 联布置， 使得从第一级得到的氨蒸气和次烟道气的混合物形成到第二级的输入， 以此类推。
     在又一实施例中， 将本发明的多个尿素至氨蒸气反应器系统以一定的构造连接， 使得每个系统从各分流点接收独立体积的次烟道气流， 同时将源自于所述多个系统中的每 一个的所得到的气态氨和烟道气混合物独立地反馈到主烟道气流中。
     通过使用吹风机、 压缩机、 孔口、 喷嘴、 阀、 管径变化、 管道弯曲和 / 或其组合产生 并保持通过本发明的系统的所述多个级的气体的期望流速。例如， 对于锅炉应用而言， （一 个或多个） 分流点可以取决于所使用的锅炉的类型和不同点处的烟道气的温度。在一个实施例中， （一个或多个） 分流点可以位于锅炉的对流烟道内并优选地在节约器的上游， 如果 使用了的话。
     在一个实施例中， 本发明是用于将水性尿素转换成蒸气氨的反应器， 包括 ： （a） 外 壳， 具有用于接收第一气流的气流进口、 用于输出第三气流的气流出口以及一个或多个外 壳壁， 所述一个或多个外壳壁限定设置在所述气流进口和所述气流出口之间的第一内部空 间； （b） 设置在所述外壳内的反应器， 其中， 所述反应器包括 ： （i） 壳体， 其具有限定第二内 部空间并进一步限定被暴露于所述第一内部空间的第一外表面的一个或多个反应器壁， 其 中， 所述第一外表面具有在所述第二内部空间和所述第一内部空间之间产生压力差区域的 形状 ； 所述壳体中的第一开口， 其中， 所述第一开口 （在本文中也称为 “窗口” ） 在所述第一外 表面中， 具有小于所述第一外表面的约 35% 的截面积， 并被设置为接近于所述压力差区域 ； 以及 （ii） 与所述第二内部空间流体连通的水性尿素进口。
     可选地， 从所述第一气流的所述第一部分中的至少一些和所述第一气流的所述第 二部分中的至少一些产生第二气流。 氨蒸气通过第二窗口离开所述反应器壳体并与所述第 二气流混合而产生所述第三气流。 氨蒸气通过所述第二窗口离开所述反应器壳体并与所述 第二气流混合而产生再循环气流。该再循环气流通过第一窗口进入所述第二内部空间。氨 蒸气通过所述第二窗口从所述第二内部空间的离开、 所述再循环气流的产生以及所述再循 环气流到所述第二内部空间的进入形成对流回路。再循环 / 对流回路是增加停留时间的方 法。 反应器还包括突出部件， 其中， 所述突出部件定位成接近于所述第一窗口并从所述反应 器的外表面延伸且进入所述第一内部空间。 所述第二内部空间被热能从所述第一气流到所 述反应器壳体的传递加热。 第二内部空间的加热足以在不要求附加热能的输入的情况下将 水性尿素气化成氨蒸气。 在另一实施例中， 本发明针对一种用于向包含 NOx 的排出气流中引入氨蒸气的系 统， 包括 （a） 反应器， 其用于如本文所述将尿素转换成氨 ； （b） 水性尿素流， 其被持续地注 射到所述水性尿素进口中 ； （c） 第一流， 其包括持续地流入所述气流进口的被加热气体， 在 所述反应器壳体的至少一部分周围 ； （d） 第二流， 其主要包括所述氨蒸气， 其中， 所述第二 流跨所述第一开口而存在 ； （e） 第三流， 其包括所述被加热气体和所述氨蒸气的混合物， 其 中， 所述第三流跨所述气流出口而存在 ； 以及 （f） 端口， 其用于将所述第三流引入到第四流 中， 所述第四流包括包含 NOx 的所述排出流， 其中， 所述端口在 SCR 催化剂的上游。
     在另一实施例中， 本发明是一种用于产生氨蒸气的方法， 包括 ： （a） 使加热烟道气 侧流在反应器的至少一部分周围流动以对流地将所述反应器加热到至少约 700 ℉ ； （b） 将 水性尿素注射到所述被加热的反应器中， 其中， 步骤 （b） 是与步骤 （a） 同时执行的 ； （c） 将所 述被加热的反应器中的所述水性尿素热分解， 直至所述尿素的主要部分被转换成氨蒸气， 其中， 步骤 （c） 是与步骤 （a） 同时执行的 ； （d） 从所述被加热的反应器抽取所述氨蒸气， 其 中， 步骤 （d） 是与步骤 （a） 同时执行的 ； 以及 （e） 将所述被抽取的氨蒸气与所述加热气体的 一部分混合。
     附图说明
     将认识到本发明的这些及其它特征和优点， 因为通过在结合附图考虑时参考以下 详细说明， 它们将被更好地理解， 在所述附图中 ：图 1a 示出本发明的尿素至氨蒸气反应器系统的实施例 ； 图 1b 示出本发明的多个尿素至氨蒸气反应器系统的串联布置 ； 图 1c 示出本发明的多个尿素至氨蒸气反应器系统的另一构造 ； 图 2a 是依照本发明的一个实施例的尿素至氨蒸气反应器组件的三维视图 ； 图 2b 是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的反应器组件的第一侧视图 ； 图 2b' 是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的反应器组件的第一侧视图 ； 图 2c 是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的反应器组件的第二侧视图 ； 图 2c' 是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的反应器组件的第二侧视图 ； 图 2d 是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的反应器组件的顶视平面图 ； 图 2d' 是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的反应器组件的顶视平面图 ； 图 3a 是本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的实施例的分解图 ； 图 3a' 是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例 ； 图 3b 是本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的实施例的组装三维视图 ； 图 3b' 是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例 ； 图 3c 是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的 实施例的立视纵向剖面图 ； 图 3c' 是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的本发明的尿素至氨蒸气反应器组件 的实施例的立视纵向剖面图 ； 图 3c" 是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例 ； 图 3d 是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的 实施例的流管盖的顶视平面图 ； 图 3d' 是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的本发明的尿素至氨蒸气反应器组件 的实施例的流管盖的顶视平面图 ； 图 3e 是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的本发明的尿素至氨蒸气反应器组件的 实施例的流管盖的第二顶视平面图 ； 图 3e' 是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的本发明的尿素至氨蒸气反应器组件 的实施例的流管盖的第二顶视平面图 ； 图 4a 示出反应器壳体的三维组装视图 ； 图 4a' 是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例 ； 图 4b 示出反应器壳体的分解图 ； 图 4b' 是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例 ； 图 4c 示出反应器组件被用于第一类型的锅炉时的反应器壳体的侧视剖面图 ； 图 4c' 示出反应器组件被用于第二类型的锅炉时的反应器壳体的侧视剖面图 ； 图 4c" 是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例 ； 图 4d 示出反应器组件被用于第一类型的锅炉时的反应器壳体的第一嵌板的立视图 ； 图 4d' 示出反应器组件被用于第二类型的锅炉时的反应器壳体的第一嵌板的立视图 ； 图 4d" 是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例 ； 图 4e 示出反应器组件被用于第一类型的锅炉时的反应器壳体的第二嵌板的立视图 ； 图 4e' 示出反应器组件被用于第二类型的锅炉时的反应器壳体的第一嵌板的立视图 ；图 4e" 是没有机罩和相应窗口的本发明的另一实施例 ； 图 4f 是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的组装反应器壳体的顶视平面图 ； 图 4f 是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的组装反应器壳体的顶视平面图 ； 图 4g 是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的被放置在流管内的组装反应器壳体的 顶视平面图 ； 图 4g' 是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的被放置在流管内的组装反应器壳体 的顶视平面图 ； 图 5a 是顶盖的三维视图 ； 图 5b 是顶盖的底部的三维视图 ； 图 5c 是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的注射器 - 盖组件的剖面立视图 ； 图 5c' 是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的注射器 - 盖组件的剖面立视图 ； 图 5d 是反应器组件被用于第一类型的锅炉时的注射器 - 盖组件的从下侧看的视图 ； 图 5d' 是反应器组件被用于第二类型的锅炉时的注射器 - 盖组件的从下侧看的视图 ； 图 6 是侧流和氨蒸气气流在反应器壳体内和通过反应器壳体时的其示意性表示 ； 图 7 示出根据本发明的一个实施例的通过外壳的侧流烟道气的一般流动方向 ； 图 8 是具有反应器壳体的外壳的截面图， 示出根据本发明的一个实施例的侧流烟道气 和氨蒸气在包含气流进口和气流出口的平面上的流动 ； 图 9a 是具有反应器壳体的外壳的截面图， 示出根据本发明的一个实施例的侧流烟道 气和氨蒸气在包含气流进口的平面上的流动 ； 图 9b 是具有反应器壳体的外壳的截面图， 示出根据本发明的一个实施例的侧流烟道 气和氨蒸气的混合物在包含气流出口的平面上的流动 ； 以及 图 10 是方框图， 示出本发明的实施例的原理性功能的顺序。 具体实施方式 虽然可以以不同的形式来体现本发明， 但为了促进对本发明的原理的理解， 现在 将对图中所示的实施例进行参考并将使用特定语言来对其进行描述。然而， 应理解的是并 不从而意图限制本发明的范围。如本发明相关领域的技术人员正常地将想到， 可以预期所 述实施例的任何变更和进一步修改以及如本文所述的本发明的原理的任何进一步应用。
     图 1a 示出依照本发明的一个实施例的尿素至氨蒸气反应器系统 100。 系统 100 包 括被封闭在旁通流管 105 中的尿素反应器壳体 （未示出） ， 其在一个实施例中接收在分流点 110 处被从主烟道气流 115 分离出的次烟道气流 112。主烟道气流 115 源自于燃烧化石燃 料、 烃类燃料的系统。如对本领域普通技术人员来说显而易见的， 此类系统可以包括锅炉、 气体涡轮机、 内燃 （IC） 机、 熔炉或燃烧化石、 烃类燃料或任何其它燃料的任何其它系统， 所 述任何其它燃料导致包括氮氧化物的燃烧产物的产生。另外， 本发明的系统不限于其在从 燃烧得到的热烟道 / 排出气体中的使用， 而是可以在将选择性催化还原 （SCR） 过程用于还 原 NOx 的任何地方使用。出于说明的目的， 参考锅炉来描述本发明， 然而， 本发明的系统和 方法可以同样用于燃烧化石、 烃类燃料或生物质燃料以产生燃烧气体或作为燃烧的结果不 一定产生烟道 / 排出气体但其中将 SCR 过程用于还原 NOx 的任何其它系统。
     因此， 在一个实施例中， 主烟道气流 115 源自于燃烧燃料 130、 导致包括氮氧化物
     （NOx） 的燃烧 / 烟道气体的产生的锅炉 125。如本领域普通技术人员所已知的， 燃烧 / 烟道 气体 115 通常被用来在烟道气 115 在已被通过选择性催化还原 （SCR） 反应器设备 135 处理 之后被排出到大气之前在多个换热器管 127 中的水加热。使用尿素注射器 120 将水性尿素 以雾状或非雾状形式直接注射到被封闭在旁通流管 105 内的反应器壳体。旁通流管 105 允 许次烟道气流 112 流过所封闭的反应器壳体， 其中， 所注射的水性尿素被气化成氨蒸气， 并 且随后使得所得到的氨、 其副产物和次烟道气流的气体混合物能够重新加入主流 115。
     在操作期间， ‘χ%’ 体积 （诸如在主烟道气的从 1% 至 5% 范围内） 的次烟道气流 112 进入旁通流管 105 以与雾状或非雾状尿素相互作用， 其在到达稳态条件之后具有接近次气 流 112 的温度。次烟道气流 112 到流管 105 中的引入流速受到诸如锅炉的类型和尺寸、 来 自锅炉的蒸汽的产生速率以及所使用的燃料类型的因素的影响。 本领域普通技术人员将认 识到随着次气流 112 进入旁通流管 105， 其流动速度 / 速率减小。 因此， 在一个实施例中， 旁 通流管 105 产生独立的且与在管道外面的流相比不同的气流模式。此相对较慢的气流模式 是有利的， 因为在存在足够热的输入次气流 112 的情况下， 其允许雾状或非雾状尿素在稳 态条件下变成氨蒸气及其副产物。再循环 / 对流回路是增加停留时间的一种方式， 这进一 步使得能够实现尿素至氨的有效转换。次烟道气流 112 在 700 至 950 华氏度的温度范围内 是优选的以使得反应器壳体 （被封闭在旁通流管 105 中） 能够被充分地加热。并且， 停留时 间在 0.5 至 5 秒范围内。本领域普通技术人员应注意的是由本发明的系统 100 实现的必需 停留时间的益处能够不仅被有利地用于使水性尿素气化， 诸如在本实施例中， 而且在替代 实施例中用于将诸如水性氨和含羟基的有机化合物的其它流体高效地气化。
     虽然图 1a 在单级中示出了本发明的尿素至氨蒸气反应器系统 100 的使用， 但本领 域普通技术人员应认识到的是根据本发明的方面且如图 1b 所示， 可以将多个系统 100 串联 地连接以形成级联布置， 使得从第一级 141 得到的氨蒸气和次烟道气的混合物形成到第二 级 142 的输入， 以此类推。因此， 替代实施例使得系统 100 被连接在多级中。图 1c 示出依 照本发明的另一实施例的多个系统 100 的使用的另一构造。在本实施例中， 使用多个系统 100， 诸如图 1c 所示的第一 141 和第二 142， 使得每个系统 100 从分流点 110 接收独立体积 的次烟道气流 112， 同时将源自于第一和第二系统 141、 142 中的每一个的所得到的气态氨 和烟道气混合物被反馈到主烟道气流 115 中。
     本领域普通技术人员应认识到的是在连接管道内利用风扇 / 吹风机的明智使用 以产生并保持气体通过系统 100 的多个级的期望速率。 返回参考图 1a， 在一个实施例中， 源 自于流管 105 的氨和烟道气的混合物借助于接近于 SCR 反应器设备 135 的吹风机 （未示出） 被馈送到主烟道气流 115 中。在一个实施例中， 氨和烟道气的混合物被指引到在 SCR 反应 器 135 的上游的注射栅。在另一实施例中， 静态混合器被安装于在系统 100 的下游的旁通 连接管道中以进一步使得能够实现氨蒸气与次烟道气的适当混合。在一个实施例中， 由风 扇或商店压缩机来提供气流以提供用于尿素注射器喷嘴的冷却以及以提供密封空气以防 止热流体回流到喷嘴上。并且， （一个或多个） 分流点 110 的位置是可定制的并取决于所使 用的锅炉的类型和不同点处的烟道气的温度。在一个实施例中， （一个或多个） 分流点 110 位于锅炉的对流烟道内并优选地在节约器的上游， 如果使用了的话。
     图 2a 是依照本发明的一个实施例的尿素至氨蒸气反应器组件 200 的三维视图。 图 2b 和 2c 是侧面图， 而图 24 是反应器组件 200 的顶视平面图， 其全部示出组件 200 被用于第一类型的锅炉时的根据本发明的第一实施例的示例性尺寸。类似地， 图 2b' 和 2c' 是 侧面图， 而图 2d' 是反应器组件 200 的顶视平面图， 其全部示出组件 200 被用于第二类型的 锅炉时的根据本发明的另一实施例的示例性尺寸。现在同时地参考图 2a 至 2d 和图 2b' 至 2d'， 使得相同的附图标记参考相同的元件， 反应器组件 200 包括具有用于允许次烟道气流 208 进入反应器组件的进口 207 和用于允许氨蒸气和次烟道气 210 的混合物离开反应器组 件 200 的出口 209。如在图 2c 和 2c' 中可见的， 尿素反应器壳体 215 被封闭在流管 205 内。 通过使用尿素注射器 220 在反应器壳体 215 内引入尿素， 尿素注射器 220 在一个实施例中 被附着于流管 205 的顶盖 225。注射器 220 包括直接在水性尿素在反应器壳体 215 的引入 点上游的三通阀。在一个实施例中， 尿素注射器 220 从顶部、 从而利用重力将雾状或非雾状 水性尿素注射到反应器壳体 215 中。然而， 在替代实施例中， 从流管 205 的侧面或顶部提供 尿素馈送。
     在一个实施例中， 进口和出口 207、 290 包括管道延伸部分 211、 212， 其分别从各端 口向外延伸以在反应器组件 200 被连接以接收锅炉的旁通次烟道气流时促进端口到进口 和出口旁通管道 （未示出） 的连接。排放管 230 通过流管 205 的底盖 235。
     反应器元件的尺寸取决于多种因素， 诸如锅炉的类型、 锅炉容量、 要作为试剂而生 成以用于烟道气污染物的催化还原的氨的量、 烟道气的流速、 烟道气的温度、 被馈送到反应 器中的水性尿素溶液的流速和组成， 仅举几个例子。在一个实施例中， 流管 205 的长度与外 径比为约 2.5， 并且可以根据上述因素在 2 至 4 范围内变化。 例如， 图 2b' 至 2d' 的流管 205 被示为较大 （42 英寸的示例性长度和 18 英寸的外径， 具有 2.33 的长度与外径比） ， 由于第 二类型锅炉相对大于第一类型的锅炉， 具有相应地直径分别大于图 2b 至 2d 的流管尺寸的 进口和出口 207、 209（30 英寸的示例性长度和 12 英寸的外径， 具有 2.5 的长度与外径比） 。
     图 3a 是本发明的尿素至氨蒸气反应器组件 300 的实施例的分解图， 并且图 3b 是 组装三维视图。图 3c 是立视纵向截面图， 图 3d 是定时平面图， 而图 3c 是流管的顶视图， 全 部示出尿素至氨蒸气反应器组件 300 被用于第一类型的锅炉时的根据本发明的实施例的 示例性尺寸。本领域普通技术人员应认识到的是此类尺寸绝不是限制性的， 并且至少根据 锅炉的类型或对尿素至氨容量的需求而变。因此， 图 3c' 是立视纵向截面图， 图 3d' 是顶视 平面图， 而图 3e' 是流管的顶视图， 全部示出尿素至氨蒸气反应器组件 300 被用于第二类型 的锅炉时的根据本发明的另一实施例的示例性尺寸。现在同时地对图 3a 至 3c 和图 3c' 进 行参考， 使得相同的附图标记参考相同的元件。在一个实施例中， 流管 305 是圆形截面的管 道， 其具有封闭底部 335， 包括从其中通过的孔 328 以容纳反应器壳体排放管 330 以及开放 顶部 345。 孔 328 的放大视图 365 示出在其顶端处被连接到尿素反应器壳体 315 的底部 350 的排放管 330 和通过孔 328 并进入排放连接器 332 的排放端 331。排放塞 334 被拧入排放 连接器 332 中以充当节流阀。
     流管 305 的顶部开口 345 具有圆形凸缘 347 以借助于多个螺栓和螺母 348 顶盖 325 与之固定。分别被用于第一类型和第二类型锅炉时的用于组件 300 的图 3d、 3e 和 3d'、 3e' 示出了根据一个实施例的螺栓和螺母 348 的圆形模式。顶盖 325 的一部分的放大视图 370 被使用螺栓和螺母 348 栓接到凸缘 347。在凸缘 347 和盖 325 之间使用垫圈 349 以用 于螺栓和螺母 348 的牢固上紧和邻接表面的适当封装。凸缘 347 在其顶部开口 345 周围被 装配在流管 305 上。根据一个实施例， 本发明的反应器壳体 315 被由三个侧板 340 制成为具有三角形 截面。如对于本领域普通技术人员而言将有利地显而易见的， 然而， 在替代实施例中， 反应 器壳体 315 是圆形截面管、 正方形截面壳体、 矩形截面壳体或任何其它适当截面壳体。尿素 反应器壳体 315 被引入到流管 305 中， 使得其被全封闭在流管 305 内。在底部处， 反应器壳 体 315 被附着于底板 335， 同时， 在顶部处， 反应器壳体 315 被借助于套筒 355（在放大视图 375 中示出） 固定在顶盖 325 下面， 该套筒被成形和确定尺寸而形成端口以在顶盖 325 被固 定袋流管 305 的顶部开口 345 上时保持反应器壳体 315。顶盖 325 还包括中心钻出的通孔 368 以固定地保持集成注射器组件 320 并允许尿素被引入到反应器壳体 315 中。
     图 4a 是根据本发明的实施例的反应器壳体 415 的三维组装视图， 而图 4b 是分解 图。 图 4c 是侧面剖视图， 图 4d 和 4e 分别是第一和第二嵌板的立视图， 图 4f 和图 4g 是顶视 平面图， 全部诗句组装反应器壳体 415 被用于第一类型的锅炉时的根据本发明的实施例的 示例性尺寸。 本领域普通技术人员应认识到的池此类尺寸绝不是限制性的且至少根据锅炉 的类型而变。因此， 图 4c' 是侧面剖视图， 图 4d' 和 4e' 分别是第一和第二面板的立视图， 图 4f 和 4g' 是顶视平面图， 根据组装反应器壳体 415 被用于第二类型的锅炉时的根据本发 明的另一实施例的示例性尺寸。现在同时地对图 4a 至 4g 和图 4c' 至 4g' 进行参考， 使得 相同的附图标记参考相同的元件。反应器壳体 415 包括三个嵌板—第一嵌板 471、 第二嵌 板 472 和第三嵌板 473 ； 具有中心钻出的排放孔 493 的底板 474 ； 三个嵌板内部拐角 475 和 排放管 430。第一嵌板 471 包括窗口 476 和下面的两个附加窄窗口 478。机罩 479 在窗口 476 之上被附接于嵌板 471， 使得其仅纵向地覆盖窗口 476 的一部分， 但是伸出以完全覆盖 窗口 476 的宽度。
     根据本发明的实施例， 三个嵌板 471、 472、 473 具有相同的高度 ‘h’ 。嵌板 472 和 473 具有相同的宽度 ‘w2’ ， 其大于第一嵌板 471 的宽度 ‘w1’ 。并且， 第二和第三嵌板 472、 473 具有底板切口 480 和带有从其中通过的孔 483 的凸缘 482。嵌板 471 还可以根据需要 使底部的一部分被去除以容纳烟道气通路。底部嵌板 474 具有凹陷拐角以在其上面容纳嵌 板内部拐角 475。图 4f 和 4f 示出三个嵌板 471、 472 和 473 被使用嵌板内部拐角 475 附着 于三个拐角底部嵌板 474 时的反应器壳体 415 的顶视平面图。放大视图 490 示出了内部拐 角 475 如何被用来连接任何两个嵌板。排放管 430 将底部嵌板 474 的排放孔 493 与在流管 405 的底板 435 中所钻的孔相连。
     如图 4g 和 4g' 的放大视图 495 所示， 反应器壳体 415 停留在流管 405 的底板 435 的顶部上， 并且可以借助于紧固件被固定在第二和第三嵌板 472、 473 的凸缘 482 的孔 483 中。再次参考图 4g 和 4g'， 本领域普通技术人员应注意的是在本发明的一个实施例中， 反 应器壳体 415 被封闭在流管 405 内， 使得由第二和第三嵌板 472、 473 的交叉点形成的拐角 492 指向用于烟道气的进口 407。结果， 第一嵌板 （包括窗口 476 和两个窄窗口 478） 面对流 管 405 的出口。
     嵌板的定位并且因此反应器壳体 415 相对于流管 405 的进口和出口的定位以及窗 口 476 和机罩 479 相对于出口的定位是有利的， 因为其使得能够有用于注射的尿素被烟道 气间接地充分地加热以变成氨蒸气的保持时间。因此， 在操作期间， 次烟道气通过进气口 407 进入流管 405 而冲击拐角 492， 从而沿着第二和第三嵌板 472 和 473 变得分叉而到达相 对地定位的第一嵌板 471。 在烟道气拐过由嵌板 472 和 471、 以及 473 和 471 形成的拐角、 准备通过出口 309 离开流管 405 时， 此类流移动在两个窄窗口 478 附近导致压差环境， 由此， 反应器壳体内部的气化尿素至氨流体被稳定地抽出并随后被两个烟道气流夹带。 在氨和烟 道气的气体混合物准备通过出口 309 离开反应器流管 405 的同时， 所述烟道气的一小部分 被机罩 479 保持并被迫通过窗口 476 渗入反应器壳体 415。
     气体的上述流动布置还允许反应器壳体 415 的全部三个嵌板的适当直接加热以 及在反应器壳体 415 和流管 405 之间导致循环对流回路以向从顶部注射的雾状尿素微滴 （或非雾状尿素） 提供附加能量， 促使其被气化成氨蒸气及其它副产物。此循环对流环路的 建立以及通过控制烟道气通过流管 405 的流速， 进一步保证了在反应器壳体内实现过多的 尿素至氨保持时间。在一个实施例中， 将水性尿素气化成氨的唯一热能量源是输入烟道气 流所包含的热能或热量。
     参考图 6， 示出了由反应器 615 产生且在反应器 615 内的对流回路。反应器气体 687 与再循环气体 686 组合， 以产生反应器输出气流 689， 其通过第一反应器窗口 678 离开。 反应器输出 689 气体的一部分作为反应器排出气体离开系统， 而反应器输出气体 689 的第 二部分作为再循环气体 686 通过第二反应器窗口 676 再循环回到反应器 615 中。应认识到 的是术语 “第一” 和 “第二” 在被用来指示诸如反应器壳体窗口的类似元件时仅仅意图指示 两个元件之间的差异或差别， 而不是元件的顺序、 绝对要求数目或要求序列。因此， 当参考 两个反应器壳体窗口时， 可以可互换地使用术语 “第一” 和 “第二” 。 返回参考图 3c 和 3c'， 应注意的是机罩 379 被定位为使得其略微位于出口 309 的 中心 301 下面， 使得源自于下面的氨蒸气和烟道气的混合物不会无阻碍地通过出口 309 直 接流出。 应认识到的是此特定布置虽然是有利的， 但绝不是限制性的， 因此在不脱离本发明 的范围的情况下， 替代实施例可以具有反应器壳体相对于流管的进口和出口的其它定位。
     图 5a 是包括中心钻的通孔 560 以容纳尿素注射器组件 520 的进口管 506 的顶盖 525 的三维视图。图 5b 是顶盖 525 的底部的三维视图。盖 525 的底部具有如图 5c、 即顶盖 525 的立视截面图所示的圆形绝缘衬里 510。具有厚度 T 和直径 ‘d2’ 的绝缘衬里被金属板 固定于盖的底部。 顶盖 525 还向反应器壳体 415 提供一起感测检查口 507， 允许持续地监视 反应器壳体 415 内的诸如温度、 压力和类别的操作条件。图 5d 注射器 - 盖组件 500 和反应 器 415 的顶部部分的剖面底视图。图 5c 和 5d 示出注射器 - 盖组件 500 被用于第一类新的 锅炉时的根据本发明的实施例的示例性尺寸。 本领域普通技术人员应认识到的池此类尺寸 绝不是限制性的且至少根据锅炉的类型而变。因此， 图 5c 是剖面立视图， 而图 5d' 是注射 器 - 盖组件 500 的剖面底视图， 两者都示出注射器 - 盖组件 500 被用于第二类型的锅炉时 的根据本发明的另一实施例的示例性尺寸。现在同时地对图 5c、 5d 和 5c'、 5d' 进行参考， 使得相同的附图标记参考相同的元件。如注射器 - 盖组件 500 的剖面立视图所示， 在图 5c 和 5c' 中， 衬里 510 的直径 ‘d2’ 略小于流管 505 的内径 ‘0’ ， 而盖 525 的直径 ‘d1’ 等于流 管 505 的凸缘 547 的直径。
     当注射器 - 盖组件 500 被附着在流管 505 上时， 衬里 510 配合在流管 505 内部， 而 盖 525 停留在凸缘 547 之上， 在其之间具有垫圈 549 以在盖 525 借助于多个螺栓和螺母被 固定于凸缘 547 时改善邻接表面的封装。如图 5b、 5d 和 5d' 所示， 形成套筒 555 并在孔 560 周围附着于衬里 510 的底部。在一个实施例中， 套筒 555 在形状上是三角形的以容纳反应 器壳体 515 的顶部部分， 其在一个实施例中具有三角形截面。图 5d 和 5d' 更清楚地示出被
     配合到由三角形套筒 555 形成的端口中的三角形截面的反应器壳体 515。本领域普通技术 人员将理解的是在替代实施例中， 根据反应器壳体 515 的截面的形状， 套筒的形状是可定 制的。
     转到图 7， 示出了侧流烟道气 701 通过包含尿素至氨反应器 （未示出） 的外壳 702 的 一般流动。第一气流 703（例如从主烟道气流导出的侧流烟道气流） 经由气流进口 703 进 入外壳 （或室） 702、 穿过外壳， 其中， 其与氨蒸气混合， 并且所得到的混合物作为例如第三气 流 711 经由气流出口 705 流出外壳。在优选实施例中， 外壳的至少一个外壳壁 708 限定设 置在其气流进口和气流出口之间的第一内部空间 710。 在某些实施例中， 外壳壁 708 是圆筒 形的并限定第一内部空间且连同第一外壳端部 706 和第二外壳端部 707 一起限定第一内部 空间。在其它实施例中， 壁是球形的、 立方体等。优选地， 第一端部 706 接近于气流进口 （相 对于所述气流出口） 且第二端部 707 接近于气流出口 （相对于所述气流进口） 。
     转到图 8， 示出了包围具有反应器壳体 830 的外壳 801 的截面图， 该视图示出侧流 烟道气 810 和氨蒸气 812 的流动， 根据本发明的一个实施例， 该视图是在包含气流进口 804 和气流出口 805 的平面上。分别地， 图 9a 和 9b 示出具有反应器壳体 840 的外壳 801 的截 面图， 示出了根据本发明的一个实施例的侧流烟道气 811 和氨蒸气 913 在包含气流进口 804 的平面上的流动 ； 以及具有反应器壳体 830 的外壳 801 的截面图， 示出了侧流烟道气和氨蒸 气 914 的混合物在包含气流出口 805 的平面上的流动。
     这里， 外壳 801 限定第一内部空间 820。反应器壳体 830 具有被相互设置成用于 限定第二内部空间 832 的关系的一个或多个壁 831。反应器壳体壁 831 还限定了被暴露 于所述第一内部空间 820 的第一外表面 903。第一外表面还具有一个或多个开口 （例如窗 口） ， 其充当第一内部空间和第二内部空间之间的界面， 并且还允许两个空间是相互流体连 通的。优选地， 窗口的截面积小于第一外表面的总表面面积的约 35%， 并且更优选地小于约 10%。 在某些实施例中， 开口中的一个或多个各自具有主方向和次方向， 并且具有矩形轮廓， 其中， 所述主方向平行于反应器主轴线 843。在某些优选实施例中， 开口中的一个或两个相 对于第二反应器端部而言接近于第一反应器端部。
     优选地， 表面 903 的至少一部分具有诸如角的形状， 其在第一内部空间 820 和第二 内部空间 832 之间产生压力差区域 821。 压力差区域 831 的位置、 尺寸和取向可以随反应器 尺寸和操作条件而变。其甚至还可以在系统正在稳态条件下操作时改变。优选地， 该区域 是在第一内部空间与第二内部空间的界面、 诸如在开口 （例如窗口） 806 处或附近形成的并 被保持在该处。在某些实例中， 该区域是在气流内形成的小袋。给定表面上的流分离是由 于方向变化而引起的， 该方向变化在气流和相邻表面之间产生压力差。由于压力是作用在 表面上的力， 所以在流分离的情况下， 建立 “逆流场” ， 因此， 一般地可以将分离表面区域上 的流动方向表征为从表面 “吊离” ， 并且这样在整个外壳内产生最低压力点， 但不一定是负 的 （真空） 。窗口被设计并定位于最接近于该区域的特定区域中， 因此第二内部空间中的加 压分解尿素气体在外部逆向流的作用 （夹带） 下穿入第一内部空间中。因此， 从尿素反应器 （第二内部空间） 至流管 （第一内部空间） 的流体在这些条件下仅是一个方向。
     该反应器还包含水性尿素进口 803， 诸如注射器、 喷嘴等， 其位于用于允许包括雾 状尿素的水性尿素进入第二内部空间的位置上。
     气流进口 804 具有进口主轴线 841 且气流出口具有出口主轴线 842。反应器壳体830 具有与所述进口主轴线正交的反应器主轴线 843， 并且优选地具有绕着所述反应器主 轴线 843 的三角形轮廓 940。三角形轮廓优选地具有引导顶点 941、 第一拖曳顶点 942 以及 第二拖曳顶点， 其中， 所述引导顶点相对于第一和第二拖曳顶点而言接近于气流进口 804。 优选地， 第一外表面 903 的至少一部分 944 与引导顶点相对。如本文所使用的术语顶点意 指由物体的面或小平面的相交所形成的边缘。在某些优选实施例中， 三角形轮廓 940 具有 等腰形状， 其中， 所述引导顶点具有小于 60°的内角 946。优选地， 反应器壳体具有第一反 应器端部 851 和第二反应器端部 852， 其中， 第一和第二端部具有沿着反应器主轴线 843 的 质心 904， 并且第二反应器端部 851 相对于气流出口 805 而言接近于气流进口 804， 并且第 二反应器端部 852 相对于气流进口 804 而言接近于气流出口 805。
     本发明的反应器系统的有利之处在于提供了与常规尿素至氨转换系统相比相对 更加紧凑的设计。因此， 本发明的另一方面是一种反应器系统， 除上述某些特征之外， 其还 具有 （c） 主烟道气导管 ； （d） SCR 催化剂 ； 以及 （e） 烟道气侧流导管， 其具有 （i） 被设置在所 述气流进口的上游且在第一位置处被流体连接到所述气流进口和烟道气导管的第一部分 ； 以及 （ii） 在所述气流出口的下游且在第二位置被流体连接到所述气流出口和所述烟道气 导管的第二部分， 其中， 所述第二部分相对于烟道气通过所述主烟道气导管的流动而言在 所述第一位置的下游且在所述 SCR 催化剂的上游 ； 并且优选地具有所述气流进口和所述第 二位置之间的直线流动距离， 所述直线流动距离小于所述侧流导管的平均直径的约 40 倍、 更优选地小于约 30 倍、 甚至更优选地小于约 25 倍且最优选地小于约 20 倍。
     在不脱离本发明的本质特性的情况下， 可以以其它特定型式来体现本发明。所述 实施例将在所有方面仅被视为说明性而非限制性的。因此， 由所附权利要求而不是前述说 明来指示本发明的范围。 在权利要求的等同物的意义和范围内的所有修改意图被涵盖在其 范围内。