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发电装置
    【技术领域】

    本发明大体涉及处理燃烧系统的排出路径中的排放，更具体地涉及用于减少排出路径中NO₂形成的方法和装置。

    背景技术

    图1是示范性燃气涡轮系统110的示意说明，该燃气涡轮系统110包括进入区段112、联接到进入区段112下游的压缩机区段114、联接到进入区段112下游的燃烧器区段116、联接到燃烧器区段116下游的涡轮区段118以及排出区段120。涡轮区段118可旋转地联接到压缩机区段114和负载122，负载122诸如但不限于发电机和机械驱动应用。

    在操作期间，进入区段112将空气引向压缩机区段114。压缩机区段114将进入空气压缩至更高的压力和温度。压缩空气排向燃烧器区段116，其中该压缩空气与燃料混合并被点燃以产生燃烧气体，该燃烧气体流动至驱动压缩机区段114和/或负载122的涡轮区段118。排气离开涡轮区段118并且通过排出区段120流动至周围大气。

    在天然气和液态燃料的燃烧期间，诸如但不限于一氧化碳(CO)、未燃碳氢化合物(UHC)以及氮氧化物(NO_x)排放的污染物可形成并排到周围大气。CO和UHC通常在较低温度燃烧条件下和/或在不足以完成反应的时间的条件下形成。相反，NO_x通常在较高温度下形成。至少某些已知的污染物排放源包括诸如但不限于工业锅炉(boiler)和高炉(furnace)，较大的公用锅炉和高炉、往复式发动机、燃气涡轮发动机、蒸汽发生器和其它燃烧系统的装置。

    现代空气质量法规要求发电设施继续降低排放水平，同时要求继续提高燃料效率。由于严格的排放控制标准，希望通过抑制NO_x排放的形成来控制NO_x排放。氧化亚氮包括NO和NO₂，其中已知NO₂产生来自排气器的可见黄色羽流(yellow plume)且还形成“酸雨”。然而，仅仅控制燃烧可能被证明是不足以满足这些常常冲突的目的，因此需要继续改进后燃烧排气处理系统。

    目前在商业上用于较大陆基发电站的控制氮氧化物的一种技术是选择性催化还原(SCR)。来自发电站的废气由于用于确保碳氢化合物燃料的充分燃烧的高比例的氧而具有净氧化效果。因此，存在于废气中的氮氧化物可还原成氮气和水，只不过这非常困难。这个问题通过选择性催化还原而解决，其中废气在释放到大气之前与无水氨混合并在大约150-550℃之间且优选地在300-550℃之间的温度下在合适的还原催化剂上传递。氨不是燃烧排气流的自然部分，而是，氨在催化剂元件的上游喷射到排气流内，以特定地用于支持以下等式(1)-(3)中还原反应中的一个或多个：

    4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O(等式1)(快速反应)；

    4NH₃+2NO+2NO₂→4N₂+6H₂O(等式2)(快速反应)；以及

    8NH₃+6NO₂→7N₂+12H₂O(等式3)(慢速反应：需要更多的催化剂表面)。

    用于NO_x去除的主导反应是等式(1)，假定排气主要是NO。当NO与NO₂的摩尔比大于1.0时，等式(2)的反应也较快，使得等摩尔的NO_x与NH₃起反应。更高摩尔比的NO₂通过需要更高空间速度(更长催化反应器床)的等式(3)的更慢的反应来还原。第三反应比第二反应多需要1/3的氨来还原NO₂，从而增加总氨消耗。NO_x还原主要取决于温度。给定催化剂将通常在+50°R或-50°R(兰金)的温度范围内具有最佳性能，其中废气氧浓度超过百分之一。低于该浓度，催化剂活性会大大减弱，从而允许某些未反应氨溜掉。过高温度也可能会破坏催化剂。另外，高于该最佳温度范围，根据等式(4)，氨自身将被氧化以形成额外的NO_x：

    4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O(等式4)

    还已知组合SCR工艺与催化氧化工艺以通过将一氧化碳氧化成二氧化碳和将碳氢化合物氧化成二氧化碳和水来处理排气流。氧化工艺典型地位于氨喷射位置的上游和还原催化剂的上游，这是因为氧化催化剂也将用于使氨氧化，由于这降低了可用于还原NO_x的氨量以及这产生额外的NO_x化合物，故这不是所希望的。

    图2提供联合循环发电设施200的简化示范性说明。在压缩机220的空气进口215接收空气210以提供压缩空气，该压缩空气用于在燃烧器230中与燃料225混合以向燃气涡轮235提供热气，该热气用于驱动连接到发电机240上的轴236以用于产生电力输出245。排气250排出到排出管道255内，通过热回收蒸汽发生器260并离开排气管265到达大气270。热回收蒸汽发生器(HRSG)包括用于从排气250提取热的热交换器262和用于排放控制的排放处理设备264。从排气提取的热用于产生蒸汽280。蒸汽280供应到蒸汽涡轮282以驱动发电机292的轴290用于发电。蒸汽280然后传递到冷凝器284，在冷凝器284处，穿过管束的冷却水286将蒸汽冷凝成水288。水288然后返回到HRSG用于完成闭合循环。操作HRSG可包括多个热交换器和蒸发器，蒸汽系统和水系统，用于以许多不同配置在不同压力和温度下产生蒸汽。相似地，排放处理设备可包括在HRSG内的多个处理元件且适于以不同方式处置不同污染物。

    上文所述的催化元件的布置可能会影响处理NO_x和排放到大气内的其它排放物时的总体性能。因此，存在布置这些元件以减少NO_x和其它排放污染物的排放的需要。

    【发明内容】

    本发明涉及用于操作CO/VOC氧化催化剂以最小化燃烧系统的排气流动路径内NO₂形成的方法和装置。

    简而言之，根据本发明的一个方面，提供一种发电装置。该发电装置包括燃气涡轮发动机，其在空气中燃烧燃料以产生轴功率并产生排气流，该排气流包括氮氧化物(NO_x)、一氧化碳(CO)和碳氢化合物(HC)。排放处理装置适于在将排气释放到大气之前接收排气流。

    排放处理装置包括：相对于排气流动路径，一氧化碳(CO)氧化催化剂，其布置在燃气涡轮排出路径中的位置，适于通过放置于排气温度使CO催化剂有利地限制NO₂产生的位置来通过CO氧化催化剂限制从NO产生NO₂。排放处理装置还包括氨喷射装置(AIG)，其布置在CO氧化催化剂的下游并且适于将氨喷射到排气流内；混合区段，其布置在氨喷射装置的下游并且适于混合所喷射的氨与排气流；以及选择性催化还原(SCR)元件，其布置在氨喷射装置的下游，适于还原排气流中的NO_x。

    根据本发明的另一方面，提供布置催化元件以处理来自燃气涡轮的排气流中的排放的方法。该方法包括将一氧化碳(CO)氧化催化剂布置在排气路径中的位置，适于通过放置于涡轮排气温度使CO催化剂有利地限制NO₂产生的位置来通过CO氧化催化剂限制从NO产生NO₂。该方法还包括将氨喷射栅格(AIG)布置在排气流内CO氧化催化剂的下游，将混合室布置在AIG的下游；以及将选择性催化还原(SCR)催化元件布置在混合室的下游。

    根据本发明的另一方面，提供一种燃烧系统。该燃烧系统包括高炉、锅炉和燃气涡轮发动机中的至少一个，该燃气涡轮发动机适于在空气中燃烧燃料以产生轴功率并产生排气流，该排气流包括氮氧化物(NO_x)、一氧化碳(CO)和碳氢氧化物(HC)。还提供一种排放处理装置，其适于在将排气释放到大气之前接收排气。

    处理装置包括：相对于排气流动路径，一氧化碳(CO)氧化催化剂，其中CO氧化催化剂有利地布置在排出路径中的位置，适于根据该位置处的选定温度范围通过CO氧化催化剂限制NO_x产生。处理装置还包括氨喷射装置(AIG)，其布置在CO氧化催化剂的下游并且适于将氨喷射到排气流内；混合区段，其布置在氨喷射装置的下游并且适于混合所喷射的氨与排气流；以及选择性催化还原(SCR)元件，其布置在氨喷射器装置的下游，适于还原排气流中的NO_x。

    【附图说明】

    当参看附图来阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它特点、方面和优点将会被更好地理解，在所有附图中，相似附图标记表示相似部件，其中：

    图1是示范性燃气涡轮系统的示意说明；

    图2说明了具有热回收蒸汽发生器(HRSG)的联合循环发电设施的简化示范性布置；

    图3说明了在示范性HRSG内传热装置的内部布置；

    图4说明了对于示范性燃气涡轮的在排气流中的总NO_x的NO₂百分比；

    图5说明了通过具有CO氧化催化剂的现有放置的示范性HRSG的排放分布图；

    图6说明了通过具有CO氧化催化剂的本发明放置的实施例的示范性HRSG的排放分布图；以及

    图7说明了用于处理来自燃气涡轮的排气流中的排放的方法的流程图。

    部件列表：

    110    燃气涡轮

    112    进入区段

    114    压缩机区段

    116    燃烧器区段

    118    涡轮区段

    120    排出区段

    122    负载

    200    联合循环发电设施

    210    空气

    215    空气进口

    220    压缩机

    225    燃料

    230    燃烧器

    235    燃气涡轮

    236    轴

    240    发电机

    245    电力输出

    250    排气

    255    排出管道

    260    HRSG热回收蒸汽发生器

    262    热交换器

    264    排放处理设备

    265    排气管

    270    大气

    280    蒸汽

    282    蒸汽涡轮

    284    冷凝器

    286    冷凝物

    290    驱动轴

    292    发电机

    300    HRSG

    301    燃气涡轮排出

    305    高压筒

    310    中压筒

    315    低压筒

    320    过热型热交换器

    325    再热型热交换器

    330    节能型热交换器

    340    HP蒸发器

    345    IP蒸发器

    350    LP蒸发器

    360    管道燃烧器(duct burner)

    365    排气流

    370    排气管

    490    曲线

    510    HRSG

    515    排气

    520    蒸发器热交换器

    525    HP热交换器

    530    排放处理设备

    535    标准CO催化剂

    540    氨喷射栅格

    545    混合区段

    550    SCR催化剂

    555    LP热交换器

    560    排气管

    565    上游蒸发器

    570    下游蒸发器

    575    下游高压热交换器

    580    在混合室中

    585    下游SCR催化剂

    590    下游低压热交换器

    595    下游LP热交换器

    600    发电装置

    601    热回收蒸汽发生器

    605    处理装置

    610    热源(燃气涡轮)

    615    排气流

    620    蒸发器

    625    HP热交换器

    635    CO催化剂

    640    NH₃喷射栅格

    645    混合室

    655    LP热交换器

    660    排气管

    670    下游CO催化剂

    675    下游HP热交换器

    685    下游NH₃喷射栅格

    695    下游LP热交换器

    【具体实施方式】

    本发明的下述实施例具有许多优点，包括相对现有排气催化布置显著降低了排气流中的NO₂浓度，从而减少向大气的NO₂排放。这种NO₂减少可导致与大气排气中升高的NO₂浓度相关的“黄色羽流”的消除。本发明也可使挥发性有机化合物(VOC)与未燃碳氢化合物(UBC)的氧化增强。另外，本发明可导致用于从排气流去除NO_x的减少的氨(NH3)消耗和减小的SCR催化剂表面积。更少的所需氨喷射和SCR催化剂复合物可导致排气流中减小的压降，从而对于给定的燃料输入，导致来自燃气涡轮的更大的输出功率。

    图3说明了在示范性HRSG内传热装置的内部布置。HRSG 300适于在高压筒305、中压筒310和低压筒315中以三个压力发生蒸汽，其然后可供应到高压蒸汽涡轮、中压蒸汽涡轮和低压蒸汽涡轮(涡轮未示出)。HRSG从燃气涡轮排出301接收排气输出。HRSG 300包括多个过热型热交换器320、再热型热交换器325和节能型热交换器330。HRSG还包括高压蒸发器340、中压蒸发器345和低压蒸发器350，这些蒸发器适于产生用于相关的高压筒305、中压筒310和低压筒315的蒸汽。HRSG 300还包括管道燃烧器360，用于向排气流365供应热以增强蒸汽产生输出。上述热交换器和蒸发器中的每一个移除热且降低排气温度，而管道燃烧器添加热并升高温度。排放处理设备(未示出)可放置于排气流365中热交换器、蒸发器和烧嘴之间，以有利地放置CO氧化催化剂用于减少NO₂产生和从排气管370排放出来。与燃气涡轮和其它燃烧系统一起使用的HRSG可包括适合于特定应用的其它数目和布置的蒸发器和热交换器。

    图4说明了作为排气温度的函数的曲线490，其表示对于示范性燃气涡轮，诸如General Electric Co.，的7FA+e^TM，在排气流中总NO_x的平衡NO₂百分比。较低的排气温度有利于平衡时NO_x中更高比例的NO₂。对于大约650℉的排气温度，NO₂占总NO_x的大约80％。在高于大约1100℉的排气温度下，NO₂占总NO_x仅仅大约10％。

    图5说明了通过具有CO氧化催化剂的现有放置的示范性HRSG500的排放分布图。来自诸如General Electric Co.，的7FA+e的燃气涡轮510的排气515通过蒸发器热交换器520和高压热交换器525供应到排放处理设备530。排放处理设备可包括铂、铂/钯等的标准CO催化剂535。排放处理设备还可包括氨(NH3)喷射栅格540，混合区段545和SCR催化剂550。HRSG可包括另一下游热交换器，诸如低压热交换器555。排气流通过排气管560排放到大气。通常，排放处理设备530的单个元件维持彼此物理接近。这种物理接近允许排放处理设备容纳于单个封壳中，并且便于经历排放控制的单个合同实体进行安装、节省时间和资本支出。

    表I提供在排气流内的以下位置处来自燃气涡轮510的排气流515中典型的示范性、非限制性温度和排放浓度：蒸发器的上游555和下游570；高压热交换器和CO催化剂的下游575；在混合室内580；SCR催化剂的下游585；以及低压热交换器的下游590。

    表I

    

    如先前在图5中所述通过HRSG的排气路径具有之前未认识到和解决的若干不同缺陷。最特别地，CO氧化催化剂的放置在具有NH₃喷射装置、混合室和SCR催化剂的布置中，强调了处理设备的封装。这种布置将该封装布置于排气流中排气温度有利于SCR催化剂操作但明确地不利于CO催化剂关于NO₂产生的性能的位置。

    更具体而言，燃气涡轮排气中的NO₂浓度可由于在现有CO氧化催化剂上NO氧化而增加若干倍。CO氧化催化剂在排气流中CO氧化催化剂的位置处在局部排气温度下将NO氧化为NO₂的平衡浓度。NO₂浓度在HRSG中在CO催化剂位置处、正好位于SCR氨喷射器的上游，在排气温度下增加五倍(从总NO_x的大约10％至总NO_x的大约80％)。增加NO₂浓度可增加来自排气管排放的“黄色羽流”，这是因为NO₂形成所观察到的黄颜色。特别是在低于大约750℉的排气温度下，增加NO₂浓度将需要增加选择性催化还原(SCR)催化剂尺寸、压力损失(热耗率)和用于NO_x还原的氨使用。

    典型CO氧化催化剂在直至大约1400℉的温度下持久地操作，这可发生于HRSG排气流中。因此，将CO氧化催化剂放置于排气流内排气流的温度范围为大约750℉至大约1400℉的位置处将通过催化剂显著地减少NO₂产生。此外，CO催化剂优选地放置于排气流内在大约950℉与大约1400℉之间的温度范围下可提供持久的CO氧化催化剂寿命，并且同时在不增加SCR催化剂速率或NH3使用的情况下提供最大允许的NO₂分数。

    因此，CO氧化催化剂在排气流内关于温度的有利放置将对还原NO_x所需的NH₃量和SCR催化剂所需的尺寸具有重大的积极影响。对于来自排气管的相同NO₂ppm输出，更小的催化剂尺寸和减少的NH₃利用可导致显著的成本节省以及在排气流中减小的压降，从而允许来自联合循环燃气涡轮的更多的功率输出或对于相同功率输出的燃料节约。

    图6说明了与图5的HRSG配置相比，发电装置600的HRSG 601的排放处理设备605的CO氧化催化剂635的有利放置。在图6中，CO氧化催化剂635位于高压蒸发器620和高压热交换器625的上游，在此实例中，催化剂直接位于燃气涡轮610的出口处。燃气涡轮610的出口处的排气温度为大约1110℉。NH₃喷射栅格640、混合室645和SCR催化剂650放置于高压蒸发器620和高压热交换器625的下游排气流615的温度大约647℉处。此处，CO氧化催化剂635与SCR催化剂650之间的分隔将每一个布置在用于减少NO₂从排气管660向大气的向上排放的排气流动路径温度范围内。

    表II提供当CO氧化催化剂635放置于排气流615的温度和这种放置有利地减少从排气管660向上排放的NO2的位置时，来自燃气涡轮610的排气流615中的典型示范性、非限制性温度和排放浓度。如同表I，提供在排气流615内的以下位置处的排气温度和NO_x、CO、VOC、UHC和NH₃的浓度以及总NOx的NO2百分比：CO氧化催化剂635的上游位置665和下游位置670；高压蒸发器620和高压热交换器625的下游位置675；在混合室645的位置685内；SCR催化剂650的下游690；以及低压热交换器655的下游695。

    表II

    

    在涡轮出口665处，排气流温度为大约1110℉。涡轮排气传递大约9PPM的NO_x，其中大约10％为NO₂的形式。处于1110℉的CO催化剂将NO氧化为NO₂，仅到在该排气温度处的大约10％的平衡NO2(参看图4)，因此NO_x的下游浓度将保持为大约9PPM，其中大约10％为NO₂。在输入SCR催化剂时，仅仅9-PPM NO_x的10％(0.9PPM)将为NO₂。因此，喷射NH₃的使用和SCR催化剂的所需尺寸显著地减少。

    对于现有HRSG，与每个热交换器相关的温度降低由于现有设计而可能相当固定。修改现有HRSG内的CO氧化催化剂放置以改进NO₂排放可能需要选择用于适合于CO氧化催化剂的物理放置的位置和接受在这些位置处可用的温度。这种修改可引起某些显著的资本成本，然而，这些成本可通过较低的SCR催化剂成本、较低的NH₃利用和减小的燃料成本而补偿，该减小的燃料成本与由于NO₂的较低百分比输入而可能的缩小SCR催化剂中较低背压相关。为了在新HRSG中实施CO氧化催化剂的有利放置，物理布置最初可设计成在所希望的排气流温度的位置处并入。

    CO氧化催化剂的有利放置还可在不采用HRSG的燃烧系统中考虑。这些排气流还需要如先前所述的对NO_x的排放处理。这些系统可包括加热器和/或冷却器，用于在排气流内形成用于处理的适当温度，并且还可包括CO氧化催化剂和NH₃-SCR催化剂系统。因此，如先前所述，CO氧化催化剂关于排气流温度的有利放置可提供与先前关于HRSG内的放置所述优点相类似的优点。另外，虽然已经关于燃气涡轮系统对CO氧化催化剂关于排气路径中有利温度的放置进行描述，但是这些有利放置也适用于高炉、锅炉和其它燃烧系统的排气路径。

    其它益处可通过将CO氧化催化剂移动到HRSG热交换器前方的最高排气温度区域而实现。较高的排气温度将使得在CO催化剂上持久的甲醛氧化，而典型位置对持久的甲醛氧化可能不够热。由于CO、UHC与NO_x熟知的“碳氢化合物SCR”反应，故在较低负载操作期间，NO_x可在CO铂基催化剂上被还原。将CO氧化催化剂远离氨喷射栅格移动也应增加上游湍流，从而在SCR前方造成更好的氨分布，以便可减少总氨喷射和溜掉以实现相同的NO_x的排气管排放。以类似方式，典型的蜂窝CO催化剂载体可有助于产生进入下游热交换器元件的更均匀的轴向速度分布。

    本发明的另一方面提供用于处理来自燃气涡轮的排气流中的排放的方法。图7说明了用于处理来自燃气涡轮的排气流中的排放的方法的流程图。用于处理来自燃气涡轮的排气流中的排放的方法包括，根据步骤710，将一氧化碳(CO)氧化催化剂布置于排气路径中的位置，适于通过放置于涡轮排气温度使CO氧化催化剂有利地限制NO₂产生的位置而通过CO氧化催化剂限制从NO产生NO₂。用于有利地布置CO氧化催化剂的位置处于高于大约750℉和优选地高于950℉的燃气涡轮排气的温度范围。在步骤715，判断CO氧化催化剂是否可物理地位于排气路径中局部排气温度高于950℉的位置。如果可提供这种位置，在步骤720，优选地将CO氧化催化剂放置于这种位置处。否则，在步骤725中，判断CO氧化催化剂是否可放置于排气路径中排气温度高于大约750℉的位置。如果这种放置是可能的，那么在步骤730中，为了限制NO2产生，CO氧化催化剂可放置于该范围内的最高可行温度。否则，在步骤735中，CO氧化催化剂放置于AIG上游的可用位置。

    该方法还包括根据步骤740，基于CO催化剂放置的位置处的排气流温度，对于排气流中预期的NO₂比例来确定AIG、混合室和SCR催化剂的尺寸。在步骤745，AIG、混合室和SCR催化剂布置在CO氧化催化剂的下游。

    该方法还包括将CO氧化催化剂有利地布置在燃气涡轮排气路径中的燃气涡轮出口处，而没有中间加热元件和中间冷却元件中的至少一个。该方法还可包括布置减温器和排气加热器中的至少一个，该减温器适于冷却排气流，其中CO氧化催化剂有利地布置在排气流中减温器的下游，该排气加热器适于加热排气流，其中CO氧化催化剂有利地布置在排气流中排气加热器的下游。

    该方法还可包括将CO氧化催化剂布置在热回收蒸汽发生器(HRSG)内的位置，其中HRSG在排气路径内包括高压蒸发器、低压蒸发器和多个热交换器中的至少一个。CO氧化催化剂可布置在高压热交换器的上游。CO氧化催化剂可布置在高压热蒸发器的下游。CO氧化催化剂在热回收蒸汽发生器(HRSG)内多个热交换器中至少一个下游的位置。根据排气在所述位置的温度，这种放置限制NO氧化为NO₂。

    虽然在本文中描述了各种实施例，但是从说明书了解到的是，本发明的元件、变型或改进的各种组合可以获得并且在本发明的范畴内。