用于处理燃气涡轮发动机的排气流的排气处理方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于处理燃气涡轮发动机的排气流的排气处理方法和系统。所述排气处理系统包括用于引导排气流的排气管道、定位在排气管道内用于接收流过排气管道的排气流的第一催化剂以及用于将冷却空气和还原剂喷射到排气流中的喷射系统。喷射系统可以包括：用于供给还原剂的还原剂供给进料；用于供给冷却空气的冷却空气供给进料；接头，所述接头配置成使还原剂供给进料和冷却空气供给源在接头处组合以形成之后的组合供给进料；以及布置在排气管道内的喷射器，组合供给进料连接至所述喷射器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃烧排出气体中的氮氧化物（NOx）的还原，更具体地涉及利用选择性催化还原（SelectiveCatalyticReductions；简称SCR）系统和方法对工业燃气轮机的排出气体中的NOx的还原。
技术介绍
在燃气涡轮燃烧器的操作中，所采用的燃料中以及来自燃烧期间大气固氮(nitrogenfixation)作用的含氮化合物导致在燃烧器排气（也称作烟道气）中存在NOx。随着在全球NOx控制规章（regulations）变得更加严格，对于燃气轮机来说使NOx排放物最小化是重要的。用于还原NOx排放物的一个方案是SCR系统，SCR系统在排气流通过选择性地吸收氮氧化物和还原剂的催化床之前向排气流添加还原剂，一般为氨（ammonia）或尿素（urea）。被吸收的组分在催化剂表面上经历化学反应，放出反应产物。一般通过以下化学计量反应发生利用氨的NOx还原：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2ONO+NO2+2NH3→2N2+3H2O对于SCR系统，催化剂的反应活性取决于进入催化剂反应器的烟气温度。燃气涡轮的出口处的烟气温度一般在大约1200℉以上，同时SCR系统通常设计成以低得多的温度有效地操作，例如在大约600℉到大约900℉之间。当燃气涡轮的出口处的烟气温度下降到设计温度范围之外时，SCR催化转化效率下降。因此，可能需要更多的氨或催化剂体积以保持NOx的转化率，导致更高的成本。在多数例子中，高温导致催化剂失去催化活性，并且因此不能恰当地起作用。用于在SCR的工作温度范围内冷却排气的两种设计已是通用的。一种这样的设计利用排气管路中的热交换器冷却烟道气，其代表性的例子在美国专利No.4,353,207中进行了说明。热交换器通过提取热将排气的温度降低到反应范围内，提取的热则被用于产生蒸汽，应用于燃气涡轮中的其他地方。这种类型的布置适用于被用于基荷操作（baseloadoperation）的联合循环燃气轮机，但不太适用于一般用于空间和成本受到更多限制的最高负荷操作的单循环燃气轮机。适用于单循环涡轮和联合循环涡轮的另一种设计是通过使排气与外界空气混合以冷却排气。利用空气风扇和喷射开口，外界空气克服由排气流产生的背压被吹入到排气管路内。为了将排气的温度降低到反应范围内，所需的空气量一般为排气体积的大约20%到40%。冷却剂的有效体积增加了安装和作业成本，同时由于跨过系统的更大的压降而降低了涡轮机效率。高体积空气和排气之间的不良混合还可以导致跨越催化剂床的不均匀的温度分布，因此降低了总体催化活性。另外，气流速率可以要求更宽范围的调整以适应改变的环境条件和排气温度，导致显著的操作差异。比如为氨的还原剂的分配也可以不均匀，以及需要用于其喷射的单独的系统。如将理解的，减少这些差异以便加强SCR系统的操作需要复杂的混合系统和/或加长排气管道以便为排气、冷却空气和还原剂的恰当地混合提供更多时间，导致包括安装费用和操作费用的增加的工厂成本。因此存在对于用于冷却还原剂以及将还原剂喷射到内燃机的排气流内的更加有效的排气处理系统的需要。
技术实现思路
因此本专利技术说明了用于处理排气流的排气处理系统。排气处理系统可以包括用于引导排气流的排气管道、定位在排气管道内用于接收流过排气管道的排气流的第一催化剂以及用于将冷却空气和还原剂喷射到排气流中的喷射系统。喷射系统可以包括：用于供给还原剂的还原剂供给进料（supplyfeed）；用于供给冷却空气的冷却空气供给进料；接头，该接头配置成还原剂供给进料和冷却空气供给进料在接头处组合以形成之后的组合供给进料（combinedsupplyfeed）；以及布置在排气管道内的喷射器，组合供给进料连接至喷射器。较佳地，所述还原剂供给进料在还原剂供给源（reductantsupply）与所述接头之间延伸；其中，所述冷却空气供给进料在冷却空气供给源与所述接头之间延伸；其中，所述组合供给进料构造成将所述还原剂与所述冷却空气的混合流从所述接头导向所述喷射器；其中，所述第一催化剂包括在所述喷射器的下游的位置处定位在所述排气管道中的SCR催化剂；以及其中，所述还原剂包括氨。较佳地，所述排气管道在所述燃气涡轮系统的下游端与烟囱之间延伸，所述排气流通过所述烟囱排放至大气；其中，所述排气管道包括与下游区段（downstreamsection）轴向地层叠（axiallystackedwith）的过渡区段（transitionsection），所述过渡区段构造成使得所述排气管道的横截面流动面积沿所述下游方向扩张，所述下游区段构造成在所述过渡区段与所述烟囱之间延伸并且具有基本恒定的横截面流动面积；其中，所述喷射器布置在所述排气管道的所述过渡区段中，所述第一催化剂布置在所述排气管道的所述下游区段中；以及其中，所述第一催化剂包括定位在所述喷射器的下游的SCR催化剂。较佳地，所述排气管道在所述燃气涡轮系统的下游端与烟囱之间延伸，所述排气流通过所述烟囱排放至大气；其中，所述排气管道包括与下游区段轴向地层叠的过渡区段，所述过渡区段构造成使得所述排气管道的横截面流动面积沿所述下游方向扩张，所述下游区段构造成在所述过渡区段与所述烟囱之间延伸并且具有基本恒定的横截面流动面积；其中，所述喷射器布置在所述排气管道的所述下游区段中，所述第一催化剂布置在所述排气管道的所述下游区段中；以及其中，所述第一催化剂包括定位在所述喷射器的下游的SCR催化剂。较佳地，所述接头包括位于所述排气管道的外部的位置；以及其中，处理所述排气流包括还原氮氧化物。较佳地，所述喷射器包括多个出口，所述出口中的每一个均定位在所述排气管道内，用于在所述排气管道中喷射所述还原剂与所述冷却空气的所述混合流；以及其中，所示喷射器的所述出口相对于所述排气管道内的所述排气流的预期流动定位，以便在所述排气流到达所述第一催化剂时提供所述排气流内的基本均匀的温度和还原剂分布；其中，所示燃气涡轮发动机包括用于产生电力的燃气涡轮发电厂。较佳地，所述还原剂供给进料包括位于所述接头处的喷嘴，所述喷嘴配置成用于将所述还原剂的细颗粒喷射到所述冷却空气内；以及其中，所喷射的还原剂的细颗粒具有小于50μm的平均液滴尺寸。较佳地，所述还原剂供给进料包括位于所述接头处的喷嘴，所述喷嘴配置成用于将所述还原剂的细颗粒喷射到所述冷却空气内；以及其中，所喷射的还原剂的细颗粒具有小于20μm的平均液滴尺寸。较佳地，所述还原剂包括氨水（aqueousammonia）；其中，所述还原剂供给进料包括加压器和雾化喷嘴，所述雾化喷嘴包括位于所述还原剂供给进料的下游端处的位置；以及其中，所述喷射器定位在所述第一催化剂的上游的足够距离处，以在所述排气流到达所述第一催化剂之前提供温度和还原剂的基本均匀分布。较佳地，所述加压器包括高压泵，所述高压泵构造成以对应于所述雾化喷嘴的所需功能的预定升高压力水平输送所述还原剂；以及其中，雾化喷嘴包括在所述冷却空气供给进料的横截面上间隔开的多个出口。较佳地，所述组合供给进料包括限定在所述接头与所述喷射器之间的长度；其中，所述组合供给进料配置成使得所述长度对应于所喷射的雾化还原剂中的基本全部在到达所述喷射器之前蒸发的长度；以及其中，所述雾化喷嘴包括星形喷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于处理燃气涡轮发动机的排气流的排气处理系统，所述排气处理系统包括：排气管道，所述排气管道用于引导所述排气流；第一催化剂，所述第一催化剂定位在所述排气管道内，用于接收流过所述排气管道的排气流；以及喷射系统，所述喷射系统用于将冷却空气和还原剂喷射到所述排气流内，所述喷射系统包括：还原剂供给进料，所述还原剂供给进料用于供给还原剂；冷却空气供给进料，所述冷却空气供给进料用于供给冷却空气；接头，所述接头被构造成使所述还原剂供给进料和所述冷却空气供给进料在所述接头处组合以形成此后的组合供给进料；以及喷射器，所述喷射器布置在排气管道内，并且连接至所述组合供给进料。

【技术特征摘要】
2015.08.28 US 14/8388041.一种用于处理燃气涡轮发动机的排气流的排气处理系统，所述排气处理系统包括：排气管道，所述排气管道用于引导所述排气流；第一催化剂，所述第一催化剂定位在所述排气管道内，用于接收流过所述排气管道的排气流；以及喷射系统，所述喷射系统用于将冷却空气和还原剂喷射到所述排气流内，所述喷射系统包括：还原剂供给进料，所述还原剂供给进料用于供给还原剂；冷却空气供给进料，所述冷却空气供给进料用于供给冷却空气；接头，所述接头被构造成使所述还原剂供给进料和所述冷却空气供给进料在所述接头处组合以形成此后的组合供给进料；以及喷射器，所述喷射器布置在排气管道内，并且连接至所述组合供给进料。2.根据权利要求1所述的排气处理系统，其特征在于，所述还原剂供给进料在还原剂供给源与所述接头之间延伸；其中，所述冷却空气供给进料在冷却空气供给源与所述接头之间延伸；其中，所述组合供给进料构造成将所述还原剂与所述冷却空气的混合流从所述接头导向所述喷射器；其中，所述第一催化剂包括在所述喷射器的下游的位置处定位在所述排气管道中的SCR催化剂；以及其中，所述还原剂包括氨；所述接头包括位于所述排气管道的外部的位置；以及其中，处理所述排气流包括还原氮氧化物。3.根据权利要求1所述的排气处理系统，其特征在于，所述排气管道在所述燃气涡轮系统的下游端与烟囱之间延伸，所述排气流通过所述烟囱排放至大气；其中，所述排气管道包括与下游区段轴向地层叠的过渡区段，所述过渡区段构造成使得所述排气管道的横截面流动面积沿所述下游方向扩张，所述下游区段构造成在所述过渡区段与所述烟囱之间延伸并且具有基本恒定的横截面流动面积；其中，所述喷射器布置在所述排气管道的所述过渡区段中或者布置在所述排气管道的所述下游区段中，所述第一催化剂布置在所述排气管道的所述下游区段中；以及其中，所述第一催化剂包括定位在所述喷射器的下游的SCR催化剂。4.根据权利要求2所述的排气处理系统，其特征在于，所述喷射器包括多个出口，所述出口中的每一个均定位在所述排气管道内，用于在所述排气管道中喷射所述还原剂与所述冷却空气的所述混合流；以及其中，所示喷射器的所述出口相对于所述排气管道内的所述排气流的预期流动定位，以便在所述排气流到达所述第一催化剂时提供所述排气流内的基本均匀的温度和还原剂分布；其中，所示燃气涡轮发动机包括用于产生电力的燃气涡轮发电厂。5.根据权利要求2所述的排气处理系统，其特征在于，所述还原剂供给进料包括位于所述接头处的喷嘴，所述喷嘴配置成用于将所述还原剂的细颗粒喷射到所述冷却空气内；以及其中，所喷射的还原剂的细颗粒具有小于20μm的平均液滴尺寸。6.根据权利要求2所述的排气处理系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张华，GR史密斯，PP库尔卡尼，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US