产生极低排放的气体混合物的方法及使用的催化燃烧设备技术

本发明专利技术涉及用于产生极低排放的气体混合物的方法及催化燃烧设备。该方法包括至少以下步骤：将催化燃烧中所需的空气的至少90％作为一次空气(AIR1)供给到催化燃烧设备(CAB)的初始部分；在至少两个相继的阶段将燃料(FU1、FU2、FU3、FU4)供给到催化燃烧设备(CAB)中，并且通过递送到催化燃烧设备(CAB)的初始段(CAS)中的一次空气(AIR1)在至少两个相继的燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中以分阶段方式燃烧分阶段递送的燃料(FU1、FU2、FU3、FU4)；在至少一个热传递阶段(HT1、HT2、HT3)中降低在至少一个相继的催化燃烧阶段(CA1、CA2、CA3、CA4)中生成的气体(EXG)的温度；从燃烧设备(CAB)的最终段(CAL)移除燃烧生成的气体(EXG)。

Methods for producing extremely low emission gas mixtures and catalytic combustion equipment used

The present invention relates to a method for producing very low emissions of a gas mixture and a catalytic combustion device. The method comprises the following steps: at least at least 90% air required for combustion in the air as a catalyst (AIR1) is supplied to the catalytic combustion equipment (CAB) in the initial part of the fuel; at least two successive stages (FU1, FU2, FU3, FU4) is supplied to the catalytic combustion equipment (CAB) and, by delivering to the catalytic combustion equipment (CAB) of the initial segment (CAS) once in the air (AIR1) in at least two successive combustion phases (CA1, CA2, CA3, CA4) in a phased approach to delivery of fuel combustion stages (FU1, FU2, FU3, FU4); in at least one heat transfer stage (HT1, HT2, HT3) in reducing the combustion in at least one successive catalytic stage (CA1, CA2, CA3, CA4) in the gas generated from the temperature (EXG); combustion equipment (CAB) of the final section (CAL) of removing gas generated by the combustion (EXG).

【技术实现步骤摘要】
产生极低排放的气体混合物的方法及使用的催化燃烧设备
本专利技术涉及用于在催化燃烧设备中高效地产生极低排放的气体混合物的方法。本专利技术还涉及用于利用催化燃烧方法高效地产生极低排放的气体混合物的催化燃烧设备。本专利技术进一步涉及通过使用模块制造燃烧设备的方法。
技术介绍
全世界都在约束氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和碳氢化合物排放(VOC)，以用于改善空气质量以及用于抑制温室效应。为了追求这个目标，在欧洲已经对供暖锅炉、工艺设备、壁炉等制定了几项指令。在这些指令中已经通过效率直接或间接地限定了用于燃烧排放物的排放限制。在美国，环境保护局(EPA)以及尤其是加州空气资源委员会(CARB)制定了对于氮氧化物和碳氢化合物的严格的标准，以及对于具体化合物的一些标准。中国正在经历类似的发展。在北京，例如对于锅炉的NOx的限制值已经设置为30mg/m3，并且对于CO的限制值已经设置为80mg/m3。在中国的其他工业领域应该也持续相同的强烈紧缩趋势。由于排放法规变得越来越严格，当前基于热燃烧的系统将会遭遇限制。另外，具有最低排放的燃烧器的效率应该下降，因为最低排放是用提高的残余氧气或烟道气再循环来实现的，而这两者都会损害能量产生的效率。实际上，现有技术中已知有几种用于能量的产生以及达到当局施加的能量产生排放限值的设施：-代替后烟道气处理，超低NOx燃烧器和无NOx燃烧器(ZeroNOxburner)的制造商在其燃烧器中利用了烟道气再循环、气体和空气分级、用高过量空气预混合燃烧等技术。用超低NOx热燃烧不能获得零NOx排放。在O2处于3％的水平时，所报道的最低值是5ppm(约10mg/m3)。-另一个选项是烟道气的净化(纯化)。通常用选择性或非选择性的催化转换器(SCR、NSCR)来实现氮氧化物的移除。最佳地，由此在约300℃的温度获得98％的净化度。然而，SCR催化转换器要求单独的还原剂(尿素或氨)和用于该还原剂的分配器，这导致燃料成本约4％的额外花费。由此获得的NOx排放水平为约5ppm至20ppm。另外，CO排放限值经常要求单独的氧化催化转换器。-作为一种新的产品，市场已经存在了一种将位于锅炉中的3效催化转换器。该催化转换器不需要还原剂，但是燃烧器的空气/燃料比的调整要经受3效催化转换器的严格要求。这种技术使得能够达到对于NOx和CO的所有现有的、甚至相当严格的限制值，但是为一种较为昂贵的方案。作为对上文的总结可以说明，氮氧化物的排放不能通过热燃烧和与其相关联的烟道气脱除方法被有效地减少至低于约10mg/m3的水平而设备效率没有显著退化或者投资和运行成本没有剧烈增加。作为该问题的解决方案，一些专利申请已经提出了一种划分成两个或更多个阶段的催化燃烧，其将使反应温度能够维持的足够低，以便几乎不产生任何氮氧化物。例如在下面的专利申请中公开了这种方案：GB2295008、US4299192、JPH06288510和B2077135。可以推测，构成上述专利技术的基础的燃烧设施还不具有用于启动生产的技术或商业条件，因为所有的上述申请都相当旧，与它们的描述一致的产品显然在市场上还未曾获得。在这些申请中的任一个均不存在关于由此已经达到的或可以达到的何种排放的详细描述。这些现有技术中已知的采用包括以两个或更多个阶段进行的催化燃烧的催化转换器技术的燃烧设备，首先具有以下问题：用于存在于催化转换器中的涂覆技术不是足够耐热的，并且它也不能使产品的开发在其价格方面具有竞争性。此外，在所讨论的专利文件中描述的催化剂都过大并且包含太多贵金属。在所讨论的专利文件中描述的用于燃烧设施中的直通道催化剂的单体(单元，cell)不能长久承受高温，尤其是在不均匀温度分布的情况下。在上文讨论的催化燃烧设施中的另外一个核心问题可能是将空气/燃料混合物供给到催化剂中的不一致性，这可能引起局部过热事件以及催化剂的毁坏。这是设备中最高的运行风险，因为运行相继地在接近催化剂的最大运行温度处发生，并且因为催化剂在其截面面积方面可能是大的。因此，流可能容易变得通道化。作为上文的总结，可以推断出用现有技术中已知的催化燃烧设施均没有可能经济地产生几乎无排放(NOx、VOC和CO)的热能。在另一方面，具体是在能量产生中生成的排出气体的CO2可以被利用于几种服务中，一种是在温室的二氧化碳施肥中使用二氧化碳，通过首先液化或者从用于能量产生的燃烧设备直接递送到使用的位置。二氧化碳施肥是蔬菜成长中最有益的。芬兰在蔬菜农场具有990个温室，并且其中约330个采用液态或气体二氧化碳用于施肥，共计约5百万千克/年。在需要二氧化碳的服务中使用二氧化碳将同时大幅促进有害温室效应的减轻。为了使在能量产生中生成的排出气体的二氧化碳能够被用于温室中以用于CO2施肥，要求排出气体中的NOx、VOC和CO的水平非常低。植物对于氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、硫化氢(H2S)、乙烯(C2H4)和CO(参见下表)要比人敏感约100倍。
技术实现思路
以上文现有技术作为出发点，首先本专利技术的一个目的是提供一种方法和在该方法中使用的燃烧装备(设备，apparatus)，其中，能量可以以高的效率和极低排放产生，而不需要使用热燃烧已知的相对复杂的燃烧装置(arrangement)，或者不必用单独的催化剂清洗烟道气。其次，本专利技术的目的是提供一种方法和在该方法中使用的燃烧装备，其中，能量可以以如此低的排放产生，使得排出气体的CO2可以被用于需要它的服务中，尤其是用于温室中的二氧化碳施肥。本专利技术的又一目的是提供一种催化燃烧方法以及在其中可用的燃烧设备，其中，采用了一种划分成两个或更多个阶段的催化燃烧，然而没有那些上述现有已知技术中存在的且与催化剂的耐热性相关联的以及阻止这种燃烧技术的商业化的严重的缺点。本专利技术引入了特别是针对在上述现有技术中出现的主要缺点的方案。本专利技术使得能够达到上述目的。相应地，根据本专利技术的催化燃烧装备使之可能实际地产生无排放(NOx、VOC和CO)的热能。存在以如此低排放水平产生热能的能力，以使得排出气体满足紧缩的未来排放标准。因此，生成的排出气体CO2可以被利用于需要它的服务中，诸如在工业中作为保护气体或在用于增加作物产量的温室的施肥中。然而对于这些的先决条件是要使用清洁燃料，这要求该燃料不可以包含硫、氮、卤素、硅、重金属等杂质。可采用的燃料包括气态或液态清洁燃料，诸如天然气和液化气、低硫轻油、醇类、生物气和生物液体等。本文中，清洁燃料的含义是该燃料不包含包括重金属、硅、卤素、硫和氮的有机或无机化合物。换言之，如果燃料不包含氮化合物，就不存在氮的氧化物的生成，等等。因此，本专利技术涉及用于在催化燃烧设备中产生极低排放的气体混合物的方法。更具体地，该方法涉及产生极低排放的气体混合物，并且涉及在催化燃烧设备(CAB)中热的回收，该催化燃烧设备包括在空气(AIR)的流动方向上相继(依次)定位的多个催化转换器，并且每个催化转换器均设置有在催化燃烧中生成的热的回收。该方法包括：通过以下来制备气体混合物(EXC)，该气体混合物的平均NOx、CO和VOC含量在燃烧设备正在运行期间不高于1ppm：-将用于燃烧具体燃料量(FU)所需的总空气量(AIR)的第一、一次空气(量)(AIR1)供给到在空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生极低排放的气体混合物并且用于在催化燃烧设备(CAB)中回收热的方法，所述催化燃烧设备(CAB)包括在空气(AIR)的流动方向上相继定位的多个催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)，并且每个催化转换器均设置有对催化燃烧中生成的热的回收，其特征在于，所述方法包括：通过以下来制备气体混合物(EXC)，所述气体混合物(EXC)的平均NOx、CO和VOC含量在燃烧设备正在运行期间不高于1ppm：‑将用于燃烧具体燃料量(FU)所需的总空气量(AIR)中的第一、一次空气(量)(AIR1)供给到在空气流动方向上的所述燃烧设备(CAB)的第一催化转换器(CA1)中，使得所述一次空气(AIR1)从所述第一催化转换器(CA1)作为二次空气(AIR2)前进到至少一个其他催化转换器(CA2、CA3、CA4)，所述第一、一次空气(量)(AIR1)是所述总空气量(AIR)的至少90％，‑将在催化燃烧方法中所需的所述燃料(FU)以至少两批次(FU；FU1、FU2、FU3、FU4)供给到在所述空气流动方向上相继的两个催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)中，‑在至少两个催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)中燃烧所述燃料批次(FU1、FU2、FU3、FU4)，所述至少两个催化转换器在所述空气流动方向上是相继的并且为混合催化转换器，其中，随着空气/燃料混合物的流速增加，所述空气/燃料混合物的湍动通过所述一次空气(AIR1)在所述催化转换器内被增强，‑在至少一个热交换器(HT；HT1、HT2、HT3)中降低在所述空气流动方向上相继的至少两个催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)中生成的气体(EXG)的温度，所述热交换器(HT；HT1、HT2、HT3)位于在所述空气流动方向上的下一个催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)的上游，以及‑借助用于空气/燃料混合物的静态混合器(MIX)和/或蜂窝状结构预混合器，将待供给到在所述空气流动方向上的相继的催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)中的所述一次空气或者所述二次空气引导到在所述空气流动方向上的相继的催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)中、以及所述燃料批次(FU；FU1、FU2、FU3、FU4)引导到所述相继的催化转换器中；在不高于1100℃的温度下，最优选地在850℃至1000℃的范围内，燃烧在所述燃烧方法中使用的所述燃料(FU)，在所述燃烧设备中总体燃料燃烧速率为0.005s至0.05s，由此用所述催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)获得的气体混合物(EXG)的组成在所述燃烧设备正在运行期间在所述空气流动方向上的最后一个催化转换器/多个催化转换器(CA4)的下游维持不变。...

【技术特征摘要】
2016.09.07 FI 201656681.一种用于产生极低排放的气体混合物并且用于在催化燃烧设备(CAB)中回收热的方法，所述催化燃烧设备(CAB)包括在空气(AIR)的流动方向上相继定位的多个催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)，并且每个催化转换器均设置有对催化燃烧中生成的热的回收，其特征在于，所述方法包括：通过以下来制备气体混合物(EXC)，所述气体混合物(EXC)的平均NOx、CO和VOC含量在燃烧设备正在运行期间不高于1ppm：-将用于燃烧具体燃料量(FU)所需的总空气量(AIR)中的第一、一次空气(量)(AIR1)供给到在空气流动方向上的所述燃烧设备(CAB)的第一催化转换器(CA1)中，使得所述一次空气(AIR1)从所述第一催化转换器(CA1)作为二次空气(AIR2)前进到至少一个其他催化转换器(CA2、CA3、CA4)，所述第一、一次空气(量)(AIR1)是所述总空气量(AIR)的至少90％，-将在催化燃烧方法中所需的所述燃料(FU)以至少两批次(FU；FU1、FU2、FU3、FU4)供给到在所述空气流动方向上相继的两个催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)中，-在至少两个催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)中燃烧所述燃料批次(FU1、FU2、FU3、FU4)，所述至少两个催化转换器在所述空气流动方向上是相继的并且为混合催化转换器，其中，随着空气/燃料混合物的流速增加，所述空气/燃料混合物的湍动通过所述一次空气(AIR1)在所述催化转换器内被增强，-在至少一个热交换器(HT；HT1、HT2、HT3)中降低在所述空气流动方向上相继的至少两个催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)中生成的气体(EXG)的温度，所述热交换器(HT；HT1、HT2、HT3)位于在所述空气流动方向上的下一个催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)的上游，以及-借助用于空气/燃料混合物的静态混合器(MIX)和/或蜂窝状结构预混合器，将待供给到在所述空气流动方向上的相继的催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)中的所述一次空气或者所述二次空气引导到在所述空气流动方向上的相继的催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)中、以及所述燃料批次(FU；FU1、FU2、FU3、FU4)引导到所述相继的催化转换器中；在不高于1100℃的温度下，最优选地在850℃至1000℃的范围内，燃烧在所述燃烧方法中使用的所述燃料(FU)，在所述燃烧设备中总体燃料燃烧速率为0.005s至0.05s，由此用所述催化转换器(CA；CA1、CA2、CA3、CA4)获得的气体混合物(EXG)的组成在所述燃烧设备正在运行期间在所述空气流动方向上的最后一个催化转换器/多个催化转换器(CA4)的下游维持不变。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：从烟道中回收所述气体混合物(EXG)并且将所述气体混合物(EXG)本身引导至使用位置以用于加热所述使用位置和/或用于在所述使用位置中诸如在温室中利用二氧化碳。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体混合物(EXG)从所述燃烧设备(CAB)的烟道回收以用于在使用位置使用所述气体混合物。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过用与所述催化转换器(CA)关联存在的热交换器(HT)回收在所述催化转换器(CA)中生成的所述燃烧气体(EXG)的能量，以及通过用待从所述燃烧设备引导至使用位置的所述气体混合物(EXC)加热所述使用位置，所述催化燃烧具有至少99.9％的燃烧效率，所述燃烧效率被计算为燃料包含的能量到热能的转换率。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料(FU)在所述催化转换器(CA)中的总燃烧速率为0.005s至0.05s。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述催化转换器之前有在空气-燃料混合物流动方向上相继的两个静态混合器，所述两个静态混合器的第一个在水平方向混合所述空气-燃料混合物，并且另一个在垂直方向混合所述空气-燃料混合物。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在每个催化转换器(CA1、CA2、CA3、CA4)中的温度均不高于1100℃，并且最优选地在850℃至1000℃的范围内。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述催化燃烧方法中所需的空气的总量中不多于其10％被作为二次空气(AIR2)传递到其他一个催化转换器/多个催化转换器(CA2、CA3、CA4)中。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在位于一次空气流动方向上所讨论的催化转换器的下游的热交换器(HT1、HT2、HT3、HT4)中，将在每个催化转换器(CA1、CA2、CA3、CA4)中生成的所述烟道气(EXG)冷却至150℃至350℃的温度。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：其中，包含在所得的烟道气(EXG)中的热能在至少一个热交换器(HT1、HT2、HT3)中和/或在后热传递阶段(HT4)中回收，并且其后将所述热能传递至水、空气或其他液态或气态媒介。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，递送到所述燃烧设备(CAB)中的所述燃料(FU)为气态和/或液态，所述燃料(FU；FU1、FU2、FU3、FU4)优选地选自由烷烃、醇类、一氧化碳组成的组，所述烷烃尤其是天然气、生物气、液化气、轻燃料油。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在每个催化转换器(CA1、CA2、CA3、CA4)中的催化燃烧以使得待供给到所述催化转换器中的燃料-空气混合物的燃料/空气比维持在LEL(爆炸下限)之下的方式进行。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，进入所述燃烧设备的所述一次空气或二次空气(AIR)不允许具有高于20％xLEL的VOC或其他可燃烧气体的含量。14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述一次空气(AIR1)和所述燃料(PA)在用于所述燃料-空气混合物的蜂窝状结构的预混合器(5)中彼此混合，所述蜂窝状结构的预混合器位于在所述空气流动方向上的第一催化转换器(CA；CA1)的上游，并且其中空气和燃料的流动速率增加。15.一种用于根据权利要求1所述的方法中的催化燃烧设备，所述催化燃烧设备用于产生极低排放的气体混合物(EXC)和用于回收热，所述燃烧设备(CAB)包括：用于以两个或更多个批次将燃料供给到所述燃烧设备中的燃料供给装置，用于以一个或多个批次将燃烧所需的空气供给到所述燃烧设备中的空气供给装置，相继地存在于空气(AIR)的流动方向上的多个催化转换器(CA1、CA2、CA3、CA4)，每个所述催化转换器设置有用于回收在催化燃烧中生成的热...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷约·利利坎坷斯，埃罗·佩科拉，泰罗·图洛卡斯，
申请(专利权)人：奥隆技术有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰,FI