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Dokumentenidentifikation DE60127164T2 10.01.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001339479
Titel DURCH NEBENSTROM-HARNSTOFFABBAU ERMÖGLICHTE, SELEKTIVE KATALYTISCHE NOx-REDUKTION
Anmelder Fuel Tech, Inc., Batavia, Ill., US
Erfinder SUN, William H., Naperville, IL 60563, US;
CUMMINGS, William E., Easton, CT 06612, US;
DE HAVILLAND, Piers, I-28053 Castelletto Sopraticino, IT;
CARMIGNANI, Paul G., Naperville, IL 60540, US;
BOYLE, John M., Oak Park, IL 60302, US
Vertreter Vossius & Partner, 81675 München
DE-Aktenzeichen 60127164
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 03.12.2001
EP-Aktenzeichen 019899079
WO-Anmeldetag 03.12.2001
PCT-Aktenzeichen PCT/US01/46415
WO-Veröffentlichungsnummer 2002043837
WO-Veröffentlichungsdatum 06.06.2002
EP-Offenlegungsdatum 03.09.2003
EP date of grant 07.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.01.2008
IPC-Hauptklasse B01D 53/86(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F01N 3/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B01D 53/94(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine neue selektive katalytische NOx-Reduktion, welche durch einen Nebengasstrom, der vom Hauptstrom abgetrennt werden kann, oder einen Nebenstrom von Heißluft ermöglicht wird, um für den Abbau des Harnstoffs in seine aktiven Komponenten, die Ammoniak einschließen, zu sorgen.

Anstrengungen werden in vielen Zuständigkeitsbereichen unternommen, um die Emissionen von Stickoxiden (NOx) zu verringern. Die Technologien haben solche eingeschlossen, die die Verbrennungsbedingungen und Kraftstoffe ändern, bekannt als Primärmaßnahmen, und solche, die das Abgas nach der Verbrennung behandeln, bekannt als Sekundärmaßnahmen. Wenn wirksame Primärmaßnahmen verwendet werden, können die Sekundärmaßnahmen noch verwendet werden, um weitere Reduktionen zu erreichen. Um die beste NOx-Reduktion bereitzustellen, ist es ersichtlich, dass sowohl Primär- als auch Sekundärmaßnahmen erforderlich sind.

Unter den bekannten Sekundärmaßnahmen sind selektive katalytische Reduktion (SCR) und selektive nichtkatalytische Reduktion (SNCR). Beide werden sowohl mit Ammoniak als auch mit Harnstoff durchgeführt. Siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 3,900,554, worin Lyon SNCR von Stickstoffmonoxid (NO) in einem Verbrennungsabgas durch Injizieren von Ammoniak, spezifizischen Ammoniakvorstufen oder ihren wässrigen Lösungen in das Abgas zum Mischen mit dem Stickstoffmonoxid bei einer Temperatur im Bereich von 1600°F bis 2000°F offenbart. Lyon schlägt auch die Verwendung von Reduktionsmitteln, wie Wasserstoff oder verschiedenen Kohlenwasserstoffen, vor, um die wirksame Verwendung von Ammoniak bei Abgastemperaturen von niedrigstens 1300°F zu ermöglichen. Jedoch sind diese Temperaturen häufig zu hoch zur wirksamen Behandlung, es ist schwierig, Ammoniak sicher zu handhaben, und SNCR ist nicht so wirksam wie SCR. Ähnliche Verfahren werden für Harnstoff durch Arand, Muzio und Sotter in US-Patent Nr. 4,208,386 und Arand, Muzio und Teixeira in US-Patent Nr. 4,325,924 gelehrt. Auch hier sind die Temperaturen hoch und die Verwendung von niedrigeren Temperaturen wird nicht ermöglicht.

SCR kann mit Ammoniak bei niedrigeren Temperaturen, allgemein im Bereich von 100° bis 900°F funktionieren. In dieser Hinsicht siehe die US-Patente Nr. 3,032,387 und 3,599,427. SCR (selektive katalytische Reduktion) ist seit Jahren in einigen Zusammenhängen zum Reduzieren von NOx verfügbar. Bis jetzt ist SCR jedoch von der Verwendung von Ammoniak abhängig, welches Sicherheitsprobleme aufweist, die mit seiner Lagerung, Handhabung und Transport verbunden sind. Harnstoff ist sicherer, ist aber für viele SCR-Anwendungen wegen der Schwierigkeit seines Umwandelns aus einer festen oder einer wässrige Form in seine aktiven gasförmigen Spezies, die zur NOx-Reduktion auf einem Katalysatorbett reaktiv sind, nicht praktikabel. Auch die Reagenzwirtschaftlichkeit favorisiert typischerweise wasserfreies Ammoniak gegenüber Harnstoff. In „A Selective Catalytic Reduction of NOx from Diesel Engines Using Injection of Urea" (Dissertation, September 1995) beschreibt Hultermans mehrere technische Herausforderungen im Zusammenhang mit Dieselmotoren, während er einen breiten Hintergrund der Technologie gibt.

Die Verwendung von Katalysatoren zur NOx-Reduktion, die Harnstoff verwenden, ist wirksam, ist aber empfindlich gegen Partikel und nichtabgebauten Harnstoff, welche einen Katalysator inaktivieren können. In dieser Hinsicht muss daran erinnert werden, dass Temperaturen am unteren Ende des SCR-Behandlungstemperaturbereichs nicht hoch genug sind, um den Harnstoff völlig zu vergasen. Außerdem erfordert SCR sehr einheitliches Mischen von aktiven gasförmigen Spezies vor dem Inkontaktbringen mit dem Katalysator, und es ist schwierig, Harnstoff oder seine Abbauprodukte mit den großen Mengen Abgas, die behandelt werden müssen, einheitlich zu mischen. Die beschränkten Versuche, Harnstoff-SCR für stationäre und bewegliche Quellen, wie Dieselmotoren, zu verwenden, sind in mehreren Patenten kürzlich beschrieben worden, die US-Patent Nr. 5,431,893 von Hug et al. einschließen. Um den Katalysator vor dem inaktivieren zu schützen, schlägt Hug et al. umfangreiche Ausrüstung vor, die in der Lage ist, die gesamten Abgase mit Harnstoff zu behandeln. Ungeachtet der physikalischen Form braucht Harnstoff Zeit, um in heißen Abgasen zerlegt zu werden, und kann bei Temperaturen, die zur Vergasung am förderlichsten sind, Düsenverstopfen verursachen. Diese Offenbarung hebt die Probleme hervor, die es notwendig machen, dass die Harnstofflösung bei einer Temperatur unter 100°C gehalten wird, um Hydrolyse in der Einspritzausrüstung zu verhindern. Sie schlagen die Verwendung von mäßigen Harnstoffdrücken beim Zuführen des Harnstoffs vor, und finden es erforderlich, eine alternative Vorrichtung zu verwenden, um Hochdruckluft in die Zuführleitung einzuführen, wenn sie verstopft ist. Die Düsen, die von Hug et al. verwendet werden, verwenden zusätzliche Luft, um die Dispersion zu unterstützen. Auch verwenden sie verdünnte Lösungen, die wesentliches Erwärmen erfordern, um das Wasser einfach zu verdampfen. Siehe auch WO 97/01387 und Europäische Patentbeschreibung 487 886 A1.

In der Europäischen Patentbeschreibung 615 777 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, die einem Kanal, der Abgase enthält, von welchen gesagt wird, dass sie in Gegenwart eines Katalysators hydrolysiert werden, festen Harnstoff zuführt. Zum erfolgreichen Betrieb zeigt die Offenbarung an, dass es erforderlich ist, einen Hydrolysekatalysator, Druckluft zur Dispersion von feinen Feststoffen, ein Mittel zum Mahlen des Harnstoffs zu feinen Feststoffen und eine Beschichtung zum Verhindern des Aneinanderhaftens des Harnstoffgranulats zu verwenden. Die Offenbarung stellt fest, dass, wenn nur das Innere des Katalysators und die Düsenspitze mit dem Katalysator beschichtet wurden, Korrosion und Abscheidung auftreten würden. Trotz des Erreichens des Ziels des Entfernens von Wasser aus dem Verfahren führt die Beschreibung festen Harnstoff in den Gasstrom ein – wobei sich möglicherweise Harnstoff auf dem SCR-Katalysator abscheidet.

In US-Patent Nr. 6,146,605 von Spokoyny wird ein kombiniertes SCR/SNCR-Verfahren in einem Stufenverfahren beschrieben, das einen getrennten Schritt des Hydrolysierens des Harnstoffs vor einem SCR-Schritt einschließt. Ein ähnliches Verfahren wird in den US-Patenten Nr. 5,985,224 und 6,093,380 von Lagana et al. offenbart, welche ein Verfahren und eine Vorrichtung beschreiben, die die Hydrolyse von Harnstoff, gefolgt von der Trennung einer Gasphase aus einer flüssigen Hydrolysatphase einschließt. Auch Copper et al. offenbarten in US-Patent Nr. 6,077,491 ein Harnstoffhydrolyseverfahren, um Ammoniak zu erzeugen. Bei allen diesen Verfahren gibt es ein Erfordernis, eine wesentliche Menge von Hochtemperatur- und Hochdruckgas und -flüssigphasen zu handhaben, die Ammoniak während und nach der Hydrolyse enthalten. Diese Extraverarbeitung erfordert den Erwerb und die Wartung von Zusatzausrüstung, einen Notfallplan und Ausrüstung zum Handhaben von Ammoniakfreisetzung, wenn das Verfahren versagt, und es wäre wünschenswert, ein System zu haben, welches sicherer, einfacher und wirksamer funktioniert.

Das Fachgebiet erwartet die Entwicklung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die die Verwendung von Harnstoff in einem SCR-Verfahren einfach, zuverlässig, wirtschaftlich und sicher ermöglichen würden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verringern der Konzentration an Stickoxiden in einem Strom von Verbrennungsgasen, umfassend: Bereitstellen eines Nebenstroms von Gasen, umfassend weniger als 3% des Volumens der gesamten Verbrennungsgase, bei einer Temperatur, die zur Vergasung bei einer Verweilzeit von 1 bis 10 Sekunden ausreicht, von mindestens 140°C; Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung in den Nebenstrom unter Bedingungen, die wirksam sind, den wässrigen Harnstoff zu vergasen; Einbringen des Nebenstroms von Gasen, der die aus der Vergasung des Harnstoffs resultierenden Gase enthält, in einen Primärstrom von NOx-haltigen Gasen mit einem größeren Volumen als der Nebenstrom, um einen kombinierten Gasstrom zu erzeugen; und Leiten des kombinierten Gasstroms durch einen NOx-reduzierenden Katalysator unter Bedingungen, die wirksam sind, die Konzentration an NOx in dem kombinierten Gasstrom zu verringern, wobei die Harnstofflösung in den Nebenstrom in einer Menge bezogen auf die NOx-Konzentration in dem kombinierten Strom vor Durchgang durch den NOx-reduzierenden Katalysator eingebracht wird, um einen NSR-Wert von etwa 0,1 bis etwa 2 bereitzustellen, und der Harnstoff mit Tröpfchengrößen von weniger als 500 &mgr;m in den Nebenstrom gesprüht wird, wobei NSR sich auf die relativen Äquivalente an Stickstoff in dem Harnstoff zu den Äquivalenten an Stickstoff in dem NOx in den zu behandelnden Verbrennungsgasen bezieht.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Verringern der Konzentration an Stickoxiden in einem Strom von Verbrennungsgasen, umfassend: Leitungsmittel zum Transportieren eines Nebenstroms von Gasen, umfassend weniger als 3% des Volumens der gesamten Verbrennungsgase bei einer Temperatur, die zur Vergasung bei einer Verweilzeit von 1 bis 10 Sekunden ausreicht, von mindestens 140°C; Mittel zum Einbringen einer wässrigen Lösung eines NOx-reduzierenden Mittels in den Nebenstrom unter Bedingungen, die wirksam sind, das wässrige NOx-reduzierende Mittel zu vergasen; Mittel zum Einbringen des Nebenstroms von Gasen, der die aus der Vergasung des NOx-reduzierenden Mittels resultierenden Gase enthält, in einen Primärstrom von NOx-haltigen Gasen mit einem größeren Volumen als der Nebenstrom, um einen kombinierten Gasstrom zu erzeugen; und Mittel zum Leiten des kombinierten Gasstroms durch einen NOx-reduzierenden Katalysator unter Bedingungen, die wirksam sind, die Konzentration an NOx in dem kombinierten Gasstrom zu verringern, wobei Mittel bereitgestellt werden, um die Harnstofflösung in den Nebenstrom in einer Menge bezogen auf die NOx-Konzentration in dem kombinierten Strom vor Durchgang durch den NOx-reduzierenden Katalysator einzubringen, um einen NSR-Wert von etwa 0,1 bis etwa 2 bereitzustellen, und um den Harnstoff mit Tröpfchengrößen von weniger als 500 &mgr;m in den Nebenstrom zu sprühen, wobei NSR sich auf die relativen Äquivalente an Stickstoff in dem Harnstoff zu den Äquivalenten an Stickstoff in dem NOx in den zu behandelnden Verbrennungsgasen bezieht.

Die Erfindung stellt eine praktische Art und Weise, um konstantes Mischen von aktiven gasförmigen Recktanten zur NOx Reduktion durch SCR unter Verwendung von Harnstoff als das Reagens zu erreichen, und neue Verfahrensanordnungen, die sicherstellen, dass die Gase die zur wirksamen NOx-Reduktion geeignete Temperatur aufweisen, bereit.

Die neue Gestaltung der Erfindung ermöglicht die Vergasung von Harnstoff und gründliches Mischen mit NOx-haltigen Verbrennungsgasen und kann die Enthalpie des Abgases vorteilhaft verwenden, welches, falls nötig, ergänzt werden kann, um Harnstoff zu SCR-Reagenzien, wie Ammoniak, umzuwandeln. Harnstoff, welcher bei Temperaturen oberhalb von 140°C abgebaut wird, wird in einen Nebenstrom eingespritzt, wo er vergast und mit anderen Gasen gemischt wird. In einer hochwirksamen Anordnung ist der Nebenstrom ein Abgasstrom, der nach einem Primärüberhitzer oder einem Economiser abgespalten wird. Idealerweise würde der Nebenstrom den Harnstoff ohne Notwendigkeit für weiteres Erwärmen abbauen; aber, wenn Wärme erforderlich ist, ist es weit weniger als es nötig wäre, das gesamte Abgas zu erwärmen. In Abhängigkeit von der Temperatur stellt dieser Nebenstrom, typischerweise weniger als 3% des Abgases, die erforderliche Enthalpie und das Momentum zur vollständigen Vergasung des Harnstoffs und das gründliche Mischen des Reagens-haltigen Nebenstroms in den Hauptstrom bereit.

Eine Mischvorrichtung, wie ein Zyklonseparator, statischer Mischer oder ein Gebläse, können das Reagens und das Abgas vor der Rückeinspritzung in den Hauptstrom vollständiger mischen. Ein Zyklonseparator hat den Vorteil, dass er auch Partikel entfernen kann, die vorliegen können. Der Nebenstrom, der vergasten Harnstoff enthält, kann dann vor einem SCR-Katalysator unter Verwendung eines Hochtemperaturgebläses auf ein Einspritzgitter gerichtet werden. Vortexmischer oder andere Arten von statischem Mischer können stromabwärts des Einspritzgitters installiert werden, um den Nebenstrom und den Hauptstrom gründlich zu mischen. Das Mischen mit dem Abgas wird wegen der eine Größenordnung höheren Menge des Nebenstroms, verglichen mit der, die durch das Ammoniak-Einspritzgitter (AIG) in einem herkömmlichen Ammoniak-SCR-Verfahren eingespritzt wird, erleichtert.

Dieses neue Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung machen Gebrauch von dem einfachen Handhabungsmerkmal des Harnstoffreagens, wobei weder Reagenzträgerluft noch eine zusätzliche Wärmequelle, die nur darauf gerichtet ist, zu erwärmen und den Harnstoff zu hydrolysieren erforderlich ist, und die Nebenstromgasmenge stellt gründliches Mischen, das für große Mengen der NOx-Reduktion erforderlich ist, bereit.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Nebenstrom vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer abgetrennt, und Harnstoff wird in diesen bei einer Temperatur eingespritzt, die ausreicht, um den Harnstoff vollständig zu einer aktiven Gasspezies abzubauen oder ihn dazu vergasen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Nebenstrom vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer im Anschluss an eine Endbehandlung abgetrennt, und Harnstoff wird in diesen bei einer Temperatur eingespritzt, die ausreicht, um den Harnstoff vollständig zu einer aktiven Gasspezies zu vergasen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Nebenstrom von einer Quelle außerhalb der Verbrennungskammer hineingebracht, und Harnstoff wird in diesen bei einer Temperatur eingespritzt, die ausreicht, um den Harnstoff vollständig zu einer aktiven Gasspezies zu vergasen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Nebenstrom vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer abgetrennt, wird eine Erwärmungsvorrichtung bereitgestellt, um die Temperatur des abgespaltenen Stroms ausreichend zu erhöhen, um den Harnstoff vollständig zu einer aktiven Gasspezies zu vergasen, und Harnstoff wird in diesen eingespritzt, wobei er abgebaut oder anders vergast wird.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Nebenstrom vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer abgetrennt, und Harnstoff wird in diesen eingespritzt, wobei die beiden Ströme dann kombiniert und durch einen Zyklon geleitet werden, um vollständiges Mischen und Teilchentrennung zu bewirken.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Nebenstrom vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer abgetrennt und wird vor seinem Erwärmen und Einspritzen von Harnstoff in diesen durch einen Zyklon geleitet.

In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Nebenstrom vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer abgetrennt, und der Strom wird erwärmt, und Harnstoff wird in diesen eingespritzt bevor er durch einen Zyklon geleitet wird.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung verwendet einen Luftstrom, Luft, die durch einen Abgas-zu-Luft-Wärmeaustauscher vorgewärmt wird, oder vorgewärmte Verbrennungsluft, welche weiter erwärmt und mit Harnstoff kombiniert wird, wobei der so erhaltene Strom dann durch einen Mischer, wenn gewünscht, und ein Einspritzgitter geleitet wird, wenn er mit dem Abgasstrom aus einer Verbrennungskammer kombiniert und durch einen SCR-Reaktor geleitet wird.

In einer dieser Ausführungsformen kann Dampf verwendet werden, um die maximale Herstellung von Ammoniak sicherzustellen und als zusätzliche Quelle von Wärme zur Vergasung oder zum Aufrechterhalten der Temperatur des Katalysators. Auch der Nebenstrom, der ein aktives SCR-Reagens enthält, kann durch ein geeignet gestaltetes Ammoniakeinspritzgitter (AIG) in einem herkömmlichen Ammoniak-SCR-Verfahren in einer dieser Ausführungsformen erneut in den Hauptabgasstrom eingebracht werden. Außerdem kann sich ein Gebläse, das zum Zuführen von Luft oder Abgas bei gewünschten Temperaturen geeignet ist, vor oder nach der Harnstoffeinspritzung befinden, je nachdem welches für eine Anwendung besser geeignet ist, um ausreichenden Druck bereitzustellen, um den Nebenstrom erneut in den Hauptabgasstrom einzuführen.

Viele der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend beschrieben. Äquivalente Zusammensetzungen werden in Erwägung gezogen.

Die Erfindung wird besser verstanden und ihre Vorteile werden ersichtlicher aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, besonders wenn sie mit den dazugehörigen Zeichnungen genommen wird.

1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Nebenstrom vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer abgetrennt wird, und Harnstoff in diesen bei einer Temperatur eingespritzt wird, die ausreicht, um den Harnstoff vollständig zu einer aktiven Gasspezies abzubauen. Ein Gebläse, das sich vor oder nach der Harnstoffeinspritzung befinden kann, stellt ausreichenden Druck bereit, um den Nebenstrom in den Hauptstrom einzuführen. Ein Einspritzgitter oder ein herkömmliches Ammoniakeinspritzgitter wird verwendet, um das Reagens in den Hauptstrom vor dem SCR-Reaktor gründlich zu verteilen.

2 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Nebenstrom vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer abgetrennt wird, und ein Brenner oder eine andere Vorrichtung zum Erwärmen des Abgases bereitgestellt wird, um die Temperatur des abgespaltenen Stroms ausreichend zu erhöhen, um den Harnstoff vollständig zu einer aktiven Gasspezies abzubauen, und Harnstoff in diesen eingespritzt wird, wobei er abgebaut oder anders vergast wird.

3 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Nebenstrom vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer abgetrennt wird, und Harnstoff in diesen eingespritzt wird und gegebenenfalls erwärmt wird, wobei die beiden Ströme dann kombiniert und durch einen Zyklon geleitet werden, um vollständiges Mischen und Teilchentrennung zu bewirken.

4 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Nebenstrom vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer abgetrennt wird und vor dem Erwärmen und Einspritzen von Harnstoff in diesen durch einen Zyklon geleitet wird, wobei der Nebenstrom mit Hilfe eines Gebläses durch ein Einspritzgitter vorwärtsgebracht wird.

5 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Nebenstrom vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer abgetrennt wird, und der Strom erwärmt wird, und Harnstoff in diesen eingespritzt wird, bevor er durch einen Zyklon geleitet wird.

6 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Luftstrom erwärmt wird und Harnstoff in diesen eingespritzt wird, wobei der so erhaltene Strom dann durch einen Mischer, wenn gewünscht, und ein Einspritzgitter geleitet und mit dem Abgasstrom aus einer Verbrennungskammer kombiniert und durch einen SCR-Reaktor geleitet wird.

7 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die 6 ähnlich ist, wobei Dampf als die Wärmequelle verwendet wird.

8 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die 7 ähnlich ist, wobei der Dampf im Anschluss an die Einbringung des Harnstoffs eingebracht wird.

9 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei der Nebenstrom aus den Verbrennungsgasen im Anschluss an die Behandlung im SCR-Reaktor erzeugt wird, wobei der so erhaltene Strom erwärmt und in ihn Harnstoff eingespritzt wird.

10 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei der Nebenstrom aus den Verbrennungsgasen im Anschluss an die Behandlung im SCR-Reaktor und einer Partikelsammelvorrichtung, wie ESP, Beutelfilter oder Zyklonseparatoren, erzeugt wird, wobei der so erhaltene Strom erwärmt und in ihn Harnstoff eingespritzt wird.

11 ist eine Modifikation der Harnstoffeinspritzung von 6, wobei anstelle der wässrigen Harnstoffeinspritzung ein fein gemahlener, pulverisierter oder mikronisierter fester Harnstoff unter Verwendung pneumatischer Trägerluft eingespritzt wird.

Die Erfindung stellt ein SCR-Verfahren auf Harnstoffbasis bereit, das die Enthalpie des Abgases vorteilhaft verwenden kann, welches ergänzt werden kann, wenn notwendig, um Harnstoff in Ammoniak umzuwandeln. Es gibt mehrere Ausführungsformen, welche in bevorzugten Formen beschrieben werden. Es wird jedoch bezweckt, dass verschiedene Merkmale der Ausführungsformen in Verbindung mit anderen Ausführungsformen als solchen, die die Merkmale besonders ausführlich darstellen, verwendet werden können. Gemeine Elemente und Merkmale der Zeichnungen haben überall in den Zeichnungen gemeine Bezugszeichen.

Dieses neue Verfahren macht Gebrauch vom einfachen Handhabungsmerkmal des Harnstoffreagens und stellt vollständige Vergasung und gutes Mischen bereit, wobei eine Nebenstromgasmenge verwendet wird, um gründliches Mischen bereitzustellen, das für hohe Mengen der NOx-Reduktion erforderlich ist. In den besonders vorteilhaften Ausführungsformen stammt die Wärme, die zur Vergasung erforderlich ist, von der Enthalpie der Verbrennungsgase ab.

Das Verfahren ist mit Harnstoff wirksam, kann aber andere NOx-reduzierende Mittel verwenden, die in der Lage sind, ein Reaktantengas, das Ammoniak enthält, bei Erwärmen zu erzeugen. Wie aus dem Folgenden klar wird, enthält das Reaktantengas, wenn eine gewisse Menge dieser Reagenzien vergast wird, auch HNCO, welches sich mit Wasser umsetzt, um sich zu Ammoniak und Kohlendioxid umzuwandeln. Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass dieses ohne Vorhydrolyse des NOx-reduzierenden Mittels leicht erreicht werden kann, welches die begleitende Gefahr der Verstopfung der Düsen und der anderen Ausrüstung aufweist. Der Begriff „Vergasung" bedeutet, dass im Wesentlichen der gesamte Harnstoff in ein Gas umgewandelt wird, wobei keine wesentlichen aufgelösten oder freien Feststoffe oder Flüssigkeit übrig bleiben, um mit den SCR-Katalysatoren in Kontakt zukommen und sie zu inaktivieren.

Der Begriff „Harnstoff" soll die Reagenzien einzuschließen, die Harnstoff in dem Sinn entsprechen, dass sie Ammoniak und HNCO erzeugen, wenn sie erwärmt werden, ob sie große Mengen des reinen chemischen Harnstoffs in der Form, die in die Verbrennungsgase eingebracht wird, enthalten oder nicht; jedoch enthalten die Reagenzien, die Harnstoff entsprechen, typischerweise messbare Mengen Harnstoff in seinen kommerziellen Formen und umfassen folglich Harnstoff. Unter den NOx-reduzierenden Mitteln, die vergast werden können, sind solche, die ein Mitglied umfassen, das ausgewählt ist aus: Ammelid; Ammelin; Ammoniumcarbonat; Ammoniumbicarbonat; Ammoniumcarbamat; Ammoniumcyanat; Ammoniumsalze anorganischer Säuren, die Schwefelsäure und Phosphorsäure einschließen; Ammoniumsalze organischer Säuren, die Ameisen- und Essigsäure einschließen; Biuret; Triuret, Cyanursäure; Isocyansäure; Harnstoffformaldehyd; Melamin; Tricyanoharnstoff und Gemische von einer Anzahl von diesen. Dennoch sind andere NOx-reduzierende Mittel erhältlich, die HNCO nicht erzeugen, aber sich zu einem Gemisch von Gasen, die Kohlenwasserstoffe einschließen, abbauen. Unter dieser Gruppe sind verschiedene Amine und ihre Salze (besonders ihre Carbonate), einschließlich Guanidin, Guanidincarbonat, Methylamincarbonat, Ethylamincarbonat, Dimethylamincarbonat, Hexamethylamin; Hexamethylamincarbonat; und Nebenproduktabfälle aus einem chemischen Verfahren, die Harnstoff enthalten. Amine mit höheren Alkylen können zu dem Ausmaß verwendet werden, dass die freigesetzten Kohlenwasserstoffkomponenten die NOx-Reduktionsreaktion nicht beeinträchtigen.

Der Begriff „Harnstoff" soll folglich Harnstoff in allen seinen kommerziellen und äquivalenten Formen umfassen. Typischerweise bestehen kommerzielle Formen von Harnstoff im Wesentlichen aus Harnstoff, der 95 Gew.-% oder mehr Harnstoff enthält. Diese verhältnismäßig reine Form von Harnstoff ist bevorzugt und weist mehrere Vorteile bei dem Verfahren der Erfindung auf.

Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass, während Ammoniak überhaupt nicht verwendet werden muss, die Vorrichtung, die hier beschrieben ist, die Einbringung von SCR-Reagenzien, die Ammoniak einschließen, verbessert und folglich seine Verwendung praktischer macht, obwohl die Probleme mit seiner Lagerung nicht völlig gelöst werden.

Die Harnstofflösung wird in einer Menge bezogen auf die NOx-Konzentration in dem kombinierten Strom vor Durchgang durch den NOx-reduzierenden Katalysator eingebracht, die wirksam ist, um einen NSR-Wert von etwa 0,1 bis etwa 2 in Abhängigkeit von einer Anzahl von Faktoren bereitzustellen, liegt aber typischerweise im Bereich von etwa 0,5 bis 1,1. Der Begriff „NSR" bezieht sich auf die relativen Äquivalente an Stickstoff in dem Harnstoff oder einem anderen NOx-reduzierenden Mittel zu den Äquivalenten an Stickstoff in dem NOx in den zu behandelnden Verbrennungsgasen.

Der Begriff „Verbrennungskammer" soll im weiten Sinn alle Brennkammern, welche kohlenstoffhaltige Kraftstoffe verbrennen, um Wärme bereitzustellen, z.B. zur direkten oder indirekten Umwandlung in mechanische oder elektrische Energie einschließen. Diese kohlenstoffhaltigen Kraftstoffe können die Kohlenwasserstoffe, die normalerweise als Kraftstoffe verwendet werden, sowie brennbare Abfallmaterialien, wie kommunaler Feststoffabfall, industrieller Verfahrensabfall und dergleichen, einschließen. Brenner und Öfen, sowie Verbrennungsmotoren der Otto-, Diesel- und Turbinentypen werden in die Definition des Begriffs Verbrennungskammer eingeschlossen und können von der Erfindung profitieren.

Jedoch wird, weil die Probleme und Vorteile der erfolgreichen Ausführung der zuverlässigen NOx-Reduktion in Verbrennungskammern, die Ammoniak als reduzierendes Mittel verwenden, so bedeutend sind, die Großverbrennungskammer überall in dieser Beschreibung zum Zweck des Beispiels verwendet. Stationäre und mobile Verbrennungskammern aller Arten werden jedoch erwogen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf Verbrennungskammerabgase beschränkt. Vielmehr kann jedes heiße Abgas, das vom Leiten durch einen SCR-Reaktor zur NOx-Reduktion profitieren kann, von dieser Erfindung profitieren.

1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Nebenstrom vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer abgetrennt wird, und Harnstoff in diesen bei einer Temperatur eingespritzt wird, die ausreicht, um den Harnstoff vollständig zu einer aktiven Gasspezies abzubauen oder anders dazu zu vergasen. Eine Großverbrennungskammer 20 verbrennt Kraftstoff mit der sich daraus ergebenden Erzeugung von Stickoxiden (NOx), die mindestens teilweise entfernt werden müssen. Die Verbrennungsgase werden verwendet, um Wasser in einer Wärmeaustauscheranordnung 22 zu erwärmen, bevor die Verbrennungsgase durch den Durchgang 23 und die Vorrichtung stromabwärts in die Atmosphäre abgelassen werden. Eine Mischvorrichtung 24 befindet sich gegebenenfalls im Anschluss an das Zugeben des Harnstoffreagens zu einem Nebenstrom und dem Vereinigen des Nebenstroms mit einem Hauptverbrennungsgasstrom, wie erklärt wird. Der Begriff „Nebenstrom" wird hier verwendet, um sich auf einen Strom von verhältnismäßig kleinem Volumen bezogen auf das Gesamtvolumen der durch vergasten Harnstoff und NOx-Reduktionskatalysatoren, 26, 26' und 26'', zu behandelnden Verbrennungsgase zu beziehen. Der Nebenstrom kann durch Abspalten eines Nebenstromteils 28 des vollständigen Stroms von Verbrennungsgasen in Durchgang 23 erhalten werden, wobei der Hauptstrom 29 von Verbrennungsgasen verbleibt. Die Trennung in verschiedenen Ausführungsformen wird vor oder nach der Behandlung durchgeführt. Außerdem kann der Nebenstrom durch Einziehen eines Luftstroms aus Quellen außerhalb der Verbrennungskammer erzeugt werden.

Die Katalysatoren 26, 26' und 26'' werden in einer Anordnung verwendet, die einen Reaktor bilden, und sind SCR-Katalysatoren, wie auf dem Fachgebiet zum Reduzieren von NOx unter Verwendung von Ammoniak oder Harnstoff in verschiedenen hydrolysierten, vergasten, pyrolysierten und ähnlichen Formen bekannt. Unter den geeigneten SCR-Katalysatoren sind solche, die in der Lage sind, die Abgasstickoxidkonzentration in Gegenwart von Ammoniak zu reduzieren. Diese schließen zum Beispiel Aktivkohle, Holzkohle oder Koks, Zeolithe, Vanadiumoxid, Wolframoxid, Titanoxid, Eisenoxid, Kupferoxid, Manganoxid, Chromoxid, Edelmetalle, wie Metalle der Platingruppe, wie Platin, Palladium, Rhodium und Iridium, oder Gemische von diesen ein. Andere SCR-Katalysatormaterialien, die auf dem Fachgebiet üblich und dem Fachmann vertraut sind, können auch verwendet werden. Diese SCR-Katalysatormaterialien sind typischerweise an einem Träger, wie einem Metall, einer Keramik, einem Zeolith oder homogenen Monolith, angebracht, obwohl auch andere auf dem Fachgebiet bekannte Träger verwendet werden können.

Unter den nützlichen SCR-Katalysatoren befinden sich solche, die nachstehend beschriebene Verfahren nach dem Stand der Technik darstellen. Selektive katalytische Reduktionsverfahren zum Reduzieren von NOx sind bekannt und verwenden eine Vielzahl von katalytischen Mitteln. Zum Beispiel diskutieren in der Europäischen Patentanmeldung WO 210,392 Eichholtz und Weiler das katalytische Entfernen von Stickoxiden unter Verwendung von Aktivkohle oder Aktivkoks unter Zugabe von Ammoniak als Katalysator. Kato et al. in US-Patent Nr. 4,138,469 und Henke in US-Patent Nr. 4,393,031 offenbaren die katalytische Reduktion von NOx unter Verwendung von Metallen der Platingruppe und/oder anderer Metalle, wie Titan, Kupfer, Molybdän, Vanadium, Wolfram, oder Oxiden davon unter Zugabe von Ammoniak, um die gewünschte katalytische Reduktion zu erreichen. Siehe auch EP 487 886, welches einen V2O5/WO3/TiO2-Katalysator mit einem Arbeitsbereich von 220° bis 280°C beschreibt. Andere Katalysatoren auf Platinbasis können noch niedrigere Betriebstemperaturen aufweisen, z.B. bis zu 180°C.

Ein anderes katalytisches Reduktionsverfahren wird vom Kanadischen Patent 1,100,292 von Knight offenbart, welches die Verwendung eines Metalls der Platingruppenmetall-, Gold- und/oder Silberkatalysators, der auf einem feuerfesten Oxid abgeschieden ist, betrifft. Mori et al. in US-Patent Nr. 4,107,272 diskutieren die katalytische Reduktion von NOx unter Verwendung von Oxyschwefel-, Sulfat- oder Sulfitverbindungen des Vanadiums, Chroms, Mangans, Eisens, Kupfers und Nickels unter Zugabe von Ammoniakgas.

In einem mehrphasigen katalytischen System offenbart Ginger in US-Patent Nr. 4,268,488 das Einwirken eines ersten Katalysators, der eine Kupferverbindung, wie Kupfersulfat umfasst, und eines zweiten Katalysators, der Metallkombinationen, wie Sulfate von Vanadium und Eisen oder Wolfram und Eisen, umfasst, auf einem Träger in Gegenwart von Ammoniak auf ein Stickoxide enthaltendes Abgas.

Das Abgas, das das Reaktantengas enthält, wird am meisten bevorzugt über den SCR-Katalysator geleitet, während die Verbrennungsgase, die den vergasten Harnstoff oder ein anderes Reagens einschließen, eine Temperatur von mindestens etwa 100°C und typischerweise zwischen etwa 180° und etwa 650°C, vorzugsweise oberhalb von mindestens etwa 250°C aufweisen. Auf diese Art und Weise erleichtern die aktiven Spezies, die wegen der Vergasung der Reagenslösung im Abgas vorliegen, die katalytische Reduktion von Stickoxiden höchstwirksam, und die Kondensation des Wassers wird reguliert. Das Abgas enthält typischerweise einen Überschuss an Sauerstoff, z.B. bis zu etwa 15% von dem, was erforderlich ist, um den kohlenstoffhaltigen Kraftstoff vollständig zu oxidieren. Die Verwendung der vorliegenden Erfindung mit einem der vorstehenden SCR-Katalysatoren (deren Offenbarung durch Bezugnahme spezifisch aufgenommen sind) verringert oder beseitigt das Erfordernis für den Transport, die Lagerung und Handhabung großer Mengen von Ammoniak oder Ammoniumwasser.

In 1 wird der Gesamthauptstrom der Verbrennungsgase in Rohr 23 aufgespalten, um einen Nebenstrom 28 und einen Hauptstrom 29 mit einem größeren Volumen als der Nebenstrom bereitzustellen. Harnstoff, welcher bei Temperaturen oberhalb von 140°C abgebaut wird, wird aus dem Speicher 30 über Düse 32 mit geeigneten Ventilen 34 und Reglern (nicht gezeigt) in einen Abgasstrom 28 eingespritzt, der nach einem Primärüberhitzer oder einem Economiser (allgemein gezeigt als Wärmeaustauscher 22) abgespalten wurde. Um das Ziel der Vergasung für einen Harnstoff oder ein Harnstoff-verwandtes NOx-reduzierendes Mittel zu erreichen, werden typischerweise Temperaturen oberhalb von etwa 300°C zur Vergasung verwendet.

Die Harnstofflösung wird wünschenswerterweise bei einer Konzentration gehalten, die zur Lagerung und Handhabung ohne Ausfällung oder anderen Problem geeignet ist. Konzentrationen von etwa 5 bis 70% können mit einigem Ausmaß an praktischer Anwendbarkeit verwendet werden, aber Konzentrationen von etwa 15 bis etwa 50% sind typischer. Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass die Menge an Wasser in der Harnstofflösung alleine oder mit Dampf variiert werden kann, der zugefügt wird, um die Temperatur der Gase im Nebenstrom geeigneterweise zu regulieren.

Die Temperatur der Gase, die durch Vergasen der Reagenzien in dieser Gruppe erzeugt wurden, sollte auf einem Wert gehalten werden, der ihre Kondensation verhindert. Typischerweise sollte die Temperatur bei einer Temperatur von mindestens etwa 150°C und vorzugsweise bei mindestens 200°C gehalten werden. Ein bevorzugter Temperaturbereich zur Vergasung und zur Übertragung der Gase, die durch die angegebene Gruppe von Reagenzien erzeugt wurden, beträgt etwa 300° bis etwa 650°C. Idealerweise würde der Nebenstrom 28 den Harnstoff in aktive Spezies ohne die Notwendigkeit weiteren Erwärmens abbauen. Dieser Nebenstrom (z.B. von 0,1 bis 25% des Abgases), typischerweise weniger als 10% und normalerweise weniger als 3%, z.B. von 0,1 bis 2% des Volumens der gesamten Verbrennungsgase (Abgas), stellt die erforderliche Enthalpie zum vollständigen Abbau des Harnstoffs und ausreichendes Momentum bereit, um den Nebenstrom 28 mit dem Hauptstrom 29 zu mischen, während der Hauptstrom 29 für weiteren Wärmeaustausch verwendet werden kann.

Der Behälter, der den Nebenstrom 28 trägt, stellt die erforderliche Zeit und die Gasgeschwindigkeit zum Harnstoffabbau bereit. Nach Einspritzung wird typischerweise eine Verweilzeit von 1 bis 10 Sekunden bereitgestellt, um den Harnstoff vollständig abzubauen und die Umsetzung zwischen HNCO und Wasserdampf zu fördern, um Ammoniak zu erzeugen. Die Nebenstromgasgeschwindigkeit von 1 bis 20 Fuß pro Sekunde wird überall im Behälter aufrechterhalten, um die Behälterabmessungen zu optimieren, die ideale Strömung zu erreichen, die Harnstofftröpfchendispersion, -verdampfung und -abbau in den Nebenstrom zu erhöhen und das Auftreffen der Tröpfchen auf die Behälterwände zu minimieren. Innenkanäle und Mehrfachwände können bevorzugt sein, um die optimale Gasgeschwindigkeit zu erreichen und den Wärmeverlust an die Außenumgebung zu minimieren. Die optimale Behältergestaltung kann durch Verwendung unter anderen von gut etablierten Gestaltungswerkzeugen, wie einem rechnergestützten Fluiddynamikmodell, abgeleitet werden.

Die Harnstoffeinspritzdüse 32 führt gut definierte Tröpfchen ein. Sowohl ein luftunterstützter Zerstäuber als auch ein mechanischer Zerstäuber kann verwendet werden. Tröpfchengrößen von weniger als 500 &mgr;m, aber typischerweise von weniger als 100 und vorzugsweise unter 50 &mgr;m sind wünschenswert, um Harnstofftröpfchen schnell zu verdampfen und abzubauen. Auch in Anbetracht der Behältergröße können kleine und langsame Tröpfchen, die z.B. von Ultraschalldüsen erzeugt werden, wünschenswerter sein als große und schnelle Tröpfchen. Wenn gewünscht, kann Dampf eingebracht werden, wenn erforderlich oder gewünscht. (Siehe 79, in dieser Hinsicht.) Dieser Nebenstrom 28 kann dann auf ein Einspritzgitter 37 (oder eine andere geeignete Einbringungsvorrichtung oder -gerät, wie ein herkömmliches Ammoniakeinspritzgitter) vor dem SCR-Reaktor, der Katalysatoren, z.B. 26, 26' und 26'', enthält, gerichtet sein. In dieser Ausführungsform wird ein Hochtemperaturgebläse 36 verwendet, um einen geeigneten Einspritzdruck, z.B. etwa 0,069 bar (1 psig) oder weniger, für das Ammoniakeinspritzgitter 37 bereitzustellen, und dies stellt zusätzlich das Mischen bereit. In einer anderen Ausführungsform kann sich ein Hochtemperaturgebläse 36 stromaufwärts der Harnstoffdüse 32 anstelle der dargestellten Position befinden.

Ein herkömmliches Ammoniakeinspritzgitter 37 mit dicht angeordneten Düsen erfordert mindestens 0,1% des gesamten Verbrennungskammerabgases als Nebenstrom. Ein statischer Mischer 24 kann verwendet werden, wenn gewünscht. In einer anderen Ausführungsform kann das Einspritzgitter 37 weniger und spärlich angeordnete Düsen oder Öffnungen umfassen, wobei sich ein statischer Mischer 24 stromabwärts befindet, um eine einheitliche Verteilung zu erhalten. Diese andere Ausführungsform kann die Kosten und Wartung verringern, die mit dem Einspritzgitter verbunden sind. Das Mischen mit dem Abgas wird wegen einer Größenordnung höheren Masse des Nebenstroms, z.B. 1 bis 2% des Abgases, verglichen mit dem, der durch ein Ammoniakeinspritzgitter (AIG) in einem herkömmlichen Ammoniak-SCR-Verfahren eingespritzt wird, erleichtert. Folglich stellt die gegenwärtige Ausführungsform die Flexibilität der Art des Einspritzgitters bereit, das von den Anwendungsbedingungen abhängig ist.

Es ist ein Vorteil dieser und anderer Ausführungsformen der Erfindung, dass, weil verhältnismäßig große Volumina der Nebenstromgase mit der Harnstofflösung vor dem Einbringen der Gase in den SCR-Katalysator gemischt werden, ein offenes Mischverfahren nicht essentiell ist. Es ist in vielen Fällen, besonders wo es ein hohes Maß an Fluktuation der Gasvolumina gibt, vorteilhaft, eine Vorrichtung zum Mischen der Gase bei einem oder mehreren Schritten bereitzustellen. Unter den geeigneten Mischvorrichtungen sind statische Mischer, Zyklone, Gebläse und andere Verfahrensausrüstung, die darauf ausgelegt sind oder durch ihre Wirkung die Gase mischt.

Es ist ein anderer Vorteil dieser Ausführungsform der Erfindung, dass durch Verwenden des Nebenstroms, der Verbrennungsgase vor dem vollständigen Wärmeaustausch umfasst, die Enthalpie der Gase zur Vergasung durch direkten Wärmeaustausch mit der wässrigen Harnstofflösung verwendet wird. Überraschenderweise zeigen Berechnungen, dass direkter Wärmeaustausch auf diese Art und Weise unter Verwendung von zusätzliche Wärme nur wie sie unter Niedriglastbedingungen benötigt wird – wenn die Notwendigkeit zur NOx Reduktion auch niedrig ist – viel wirksamer ist als das Verwenden von zusätzlicher Wärme in einem kalten Strom, um Harnstoff zu vergasen. Vorteilhafterweise kann auch die Zugabe von zusätzlicher Wärme zum Nebenstrom ein wirksames Mittel zum Regulieren der Temperatur im Nebenstrom für gleichbleibenden Harnstoffabbau und SCR-Katalysator und Beibehalten beider Temperaturen innerhalb seines wirksamen Temperaturbereichs sein.

2 veranschaulicht eine Ausführungsform, die der von 1 ähnlich ist, aber stellt eine Erwärmungsvorrichtung 38 bereit, um eine ausreichende Zunahme der Temperatur des Nebenstroms 28 zu ermöglichen, um die Zerlegung des Harnstoffs sicherzustellen, wenn nötig. Dieses ist besonders nützlich, wenn der Ausstoß für einen Boiler niedrig ist. Es ist ein Vorteil dieser Anordnung, dass, wenn Wärme erforderlich ist, die erforderliche Menge viel kleiner ist, als benötigt werden würde, um entweder das gesamte Abgas oder einfach den Harnstoff zu erwärmen. Ein Hochtemperaturgebläse 36, das sich stromaufwärts der Harnstoffdüse 32 befindet, kann sich stromabwärts der Erwärmungsvorrichtung 38 anstelle der dargestellten Position befinden. Eine Erwärmungsvorrichtung 38, die als Brenner gezeigt ist, kann durch eine Dampfwendelheizung, Wärmeaustauscher oder eine andere Vorrichtung ersetzt werden, um Wärme auf den Nebenstrom 28 zu übertragen.

3 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei der Nebenstrom 28 vom Hauptabgasstrom aus einer Verbrennungskammer abgetrennt und vor dem Einspritzen des Harnstoffs in diesen erwärmt wird. Die beiden Ströme (23 und 28) werden kombiniert und durch einen Zyklon 40 geleitet, um Teilchentrennung und vollständiges Mischen zu bewirken. Ein Hochtemperaturgebläse 36, das sich stromabwärts der Harnstoffdüse 32 befindet, kann sich stromaufwärts der Erwärmungsvorrichtung 38 befinden. Eine Erwärmungsvorrichtung 38 kann durch eine Dampfwendelheizung, einen Wärmeaustauscher oder eine andere Vorrichtung ersetzt werden, um Wärme auf den Nebenstrom 28 zu übertragen.

4 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Nebenstrom 28 vom Hauptabgasstrom 23 aus einer Verbrennungskammer 20 abgetrennt wird und vor dem Erwärmen, wenn nötig, durch Erwärmungsvorrichtung 38 und Einspritzen des Harnstoffs in diesen durch einen Injektor 32 durch einen Zyklon 40 (oder eine andere Teilchentrennungsvorrichtung oder -gerät) geleitet wird. Ein Hochtemperaturgebläse 36, das sich stromabwärts der Harnstoffdüse 32 befindet, kann sich stromaufwärts der Erwärmungsvorrichtung 38 oder eines Zyklonseparators 40 befinden. Eine Erwärmungsvorrichtung 38 kann durch eine Dampfwendelheizung, einen Wärmeaustauscher oder eine andere Vorrichtung ersetzt werden, um Wärme auf den Nebenstrom 28 zu übertragen.

5 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, die der von 4 ähnlich ist, wobei der Nebenstrom 28 vom Hauptabgasstrom 23 aus einer Verbrennungskammer 22 abgetrennt wird, erwärmt wird, und Harnstoff direkt vor dem oder in dem Zyklon 40 (oder einer anderen Teilchentrennungsvorrichtung oder -gerät) in diesen eingespritzt wird. Der erhaltene behandelte Strom wird über das Gebläse 36 durch ein Einspritzgitter 37 (oder eine andere geeignete Einbringungsvorrichtung oder -gerät) vor dem SCR-Reaktor geleitet. Auch ein fakultativer statischer Mischer 39 ist veranschaulicht. Ein Hochtemperaturgebläse 36, das sich stromabwärts des Zyklons 40 befindet, kann sich stromaufwärts der Erwärmungsvorrichtung 38 befinden. Eine Erwärmungsvorrichtung 38 kann durch eine Dampfwendelheizung, einen Wärmeaustauscher oder eine andere Vorrichtung ersetzt werden, um Wärme auf den Nebenstrom 28 zu übertragen.

6 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Luftstrom in Rohr 128 gedrückt und erwärmt wird, und Harnstoff in diesen durch einen Injektor 32 eingespritzt wird. Der erhaltene Strom wird dann durch einen Mischer und ein Einspritzgitter geleitet, wenn er mit dem Abgasstrom aus einer Verbrennungskammer kombiniert und durch einen SCR-Reaktor geleitet wird. Diese Ausführungsform zeigt den Wärmeaustauscher 45 und Brenner 38, aber einer oder beide können verwendet werden, wenn nötig. Ein anderes Mittel zum Übertragen von Wärme auf den Nebenstrom 28 kann den Wärmeaustauscher 45 oder einen Brenner 38 ersetzen.

Diese Ausführungsform ist in Situationen nützlich, wenn die Konfiguration von Verbrennungskammer 20 keinen leichten Aufbau eines Nebenstroms von Verbrennungsgasen ermöglicht und deshalb zusätzliche Wärme erfordert. Diese zusätzliche Wärme kann durch Verwendung der vorgewärmten Verbrennungsluft, die in Gebrauchsboilern allgemein erhältlich ist, vermindert werden.

7 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die 6 ähnlich ist, wobei durch die Vorrichtung 50 Dampf als die Wärmequelle verwendet wird.

8 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die 7 ähnlich ist, wobei sich die Dampfquelle 50 im Anschluss an die Einbringung des Harnstoffs befindet.

9 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die 6 ähnlich ist, wobei ein Nebenstrom 228 aus den Verbrennungsgasen im Anschluss an die Behandlung im SCR-Katalysatorreaktor erzeugt wird. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Gase einen beachtlichen Heizwert aufweisen, insbesondere wenn sie vor ihrer Verwendung zum Vorwärmen der Verbrennungsluft abgezogen werden.

10 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die 9 ähnlich ist, wobei ein Nebenstrom 328 aus den Verbrennungsgasen im Anschluss an die Behandlung im SCR-Katalysatorreaktor und einer stromabwärts gelegenen Partikelsammelvorrichtung 60, wie einem Elektrofilter, Beutelfilter oder Zyklonseparator, erzeugt wird. Während die Gase einen geringeren Heizwert aufweisen als die vorherige Darstellung, bietet dieses Schema einen Vorteil, im Wesentlichen partikelfrei zu sein, wenn es auf fest oder flüssig befeuerte Verbrennungskammern angewendet wird. Geringe Partikel minimieren die Wartungserfordernisse.

In 11 wird eine Modifikation der Harnstoffeinspritzung von 6 dargestellt. Anstelle der wässrigen Harnstoffeinspritzung wird ein fein gemahlener, pulverisierter oder mikronisierter fester Harnstoff unter Verwendung pneumatischer Trägerluft durch Leitung 31 und Düse 232 aus Leitung 234 eingespritzt. Diese feste Harnstoffeinspritzung kann zu allen vorherigen Darstellungen angepasst werden. Ohne Wasser hat fester Harnstoff den Vorteil geringerer Erwärmungserfordernisse.

Die vorstehende Beschreibung soll dem Fachmann ermöglichen, die Erfindung auszuüben. Sie soll nicht alle möglichen Abwandlungen und Veränderungen ausführlich beschreiben, die dem Fachmann beim Lesen der Beschreibung ersichtlich werden. Es wird jedoch beabsichtigt dass alle derartigen Abwandlungen und Veränderungen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung eingeschlossen sind, die in der vorstehenden Beschreibung gesehen werden und durch die folgenden Patentansprüche definiert sind.


Anspruch[de]
Verfahren zum Verringern der Konzentration an Stickoxiden in einem Strom von Verbrennungsgasen, umfassend: Bereitstellen eines Nebenstroms von Gasen, umfassend weniger als 3% des Volumens der gesamten Verbrennungsgase, bei einer Temperatur, die zur Vergasung bei einer Verweilzeit von 1 bis 10 Sekunden ausreicht, von mindestens 140°C; Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung in den Nebenstrom unter Bedingungen, die wirksam sind, den wässrigen Harnstoff zu vergasen; Einbringen des Nebenstroms von Gasen, der die aus der Vergasung des Harnstoffs resultierenden Gase enthält, in einen Primärstrom von NOx-haltigen Gasen mit einem größeren Volumen als der Nebenstrom, um einen kombinierten Gasstrom zu erzeugen; und Leiten des kombinierten Gasstroms durch einen NOx-reduzierenden Katalysator unter Bedingungen, die wirksam sind, die Konzentration an NOx in dem kombinierten Gasstrom zu verringern, wobei die Harnstofflösung in den Nebenstrom in einer Menge bezogen auf die NOx-Konzentration in dem kombinierten Strom vor Durchgang durch den NOx-reduzierenden Katalysator eingebracht wird, um einen NSR-Wert von etwa 0,1 bis etwa 2 bereitzustellen, und der Harnstoff mit Tröpfchengrößen von weniger als 500 &mgr;m in den Nebenstrom gesprüht wird, wobei NSR sich auf die relativen Äquivalente an Stickstoff in dem Harnstoff zu den Äquivalenten an Stickstoff in dem NOx in den zu behandelnden Verbrennungsgasen bezieht. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Nebenstrom Verbrennungsgase umfasst, die von einem Verbrennungsgasstrom abgetrennt wurden, um den Nebenstrom und den Primärstrom zu bilden. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Nebenstrom Luft von außen umfasst. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Nebenstrom Gase umfasst, die aus dem kombinierten Gasstrom nach dem Durchgang durch den NOx-reduzierenden Katalysator entnommen wurden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Nebenstrom von Gasen auf eine Temperatur von mindestens 200°C vor dem Einbringen der wässrigen Harnstofflösung erwärmt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der wässrige Harnstoff eine Konzentration von 5 bis 70% aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Nebenstrom durch die Verwendung von Dampf erwärmt wird, um die Vergasung des Harnstoffs zu ermöglichen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Nebenstrom vor Einbringen des Nebenstroms von Gasen, der die aus der Vergasung des Harnstoffs resultierenden Gase enthält, in den Primärstrom von NOx-haltigen Gasen durch eine Mischvorrichtung geleitet wird, um den kombinierten Gasstrom zu erzeugen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Harnstoff in den Nebenstrom nach Durchgang der Gase darin durch partikuläre Reduktionsmittel eingebracht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Nebenstrom von Gasen auf eine Temperatur von mindestens 200°C vor Einbringen der wässrigen Harnstofflösung mit einer Konzentration von 5 bis 70% in einer Menge bezogen auf die NOx-Konzentration in dem kombinierten Gasstrom vor Durchgang durch den NOx-reduzierenden Katalysator erwärmt wird, und der Nebenstrom durch eine Mischvorrichtung vor Einbringen des Nebenstroms von Gasen, der die aus der Vergasung des Harnstoffs resultierenden Gase enthält, in den Primärstrom von NOx-haltigen Gasen geleitet wird, um den kombinierten Gasstrom zu erzeugen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Nebenstrom von Gasen 2% oder weniger des Volumens des kombinierten Gasstroms unter Standardbedingungen umfasst. Vorrichtung zum Verringern der Konzentration an Stickoxiden in einem Strom von Verbrennungsgasen, umfassend: Leitungsmittel zum Transportieren eines Nebenstroms von Gasen, umfassend weniger als 3% des Volumens der gesamten Verbrennungsgase bei einer Temperatur, die zur Vergasung bei einer Verweilzeit von 1 bis 10 Sekunden ausreicht, von mindestens 140°C; Mittel zum Einbringen einer wässrigen Harnstofflösung in den Nebenstrom unter Bedingungen, die wirksam sind, den wässrigen Harnstoff zu vergasen; Mittel zum Einbringen des Nebenstroms von Gasen, der die aus der Vergasung des Harnstoffs resultierenden Gase enthält, in einen Primärstrom von NOx-haltigen Gasen mit einem größeren Volumen als der Nebenstrom, um einen kombinierten Gasstrom zu erzeugen; und Mittel zum Leiten des kombinierten Gasstroms durch einen NOx-reduzierenden Katalysator unter Bedingungen, die wirksam sind, die Konzentration an NOx in dem kombinierten Gasstrom zu verringern, wobei Mittel bereitgestellt werden, um die Harnstofflösung in den Nebenstrom in einer Menge bezogen auf die NOx-Konzentration in dem kombinierten Strom vor Durchgang durch den NOx-reduzierenden Katalysator einzubringen, um einen NSR-Wert von etwa 0,1 bis etwa 2 bereitzustellen, und um den Harnstoff mit Tröpfchengrößen von weniger als 500 &mgr;m in den Nebenstrom zu sprühen, wobei NSR sich auf die relativen Äquivalente an Stickstoff in dem Harnstoff zu den Äquivalenten an Stickstoff in dem NOx in den zu behandelnden Verbrennungsgasen bezieht. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei Mittel zum Abtrennen des Nebenstroms von einem Verbrennungsgasstrom, um den Nebenstrom und den Primärstrom zu bilden, bereitgestellt werden. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei Mittel zum Einbringen von Luft von außen als der Nebenstrom bereitgestellt werden. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei Mittel zum Entnehmen von Gasen aus dem kombinierten Gasstrom nach dem Durchgang durch den NOx-reduzierenden Katalysator, um den Nebenstrom zu bilden, bereitgestellt werden. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei Mittel bereitgestellt werden, um den Nebenstrom von Gasen auf eine Temperatur von mindestens 200°C vor dem Einbringen der wässrigen Harnstofflösung zu erwärmen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei Mittel bereitgestellt werden, um eine Harnstofflösung mit einer Konzentration von 5 bis 70% einzubringen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei Mittel bereitgestellt werden, um den Nebenstrom durch Dampf zu erwärmen, um die Vergasung des NOx-reduzierenden Mittels zu ermöglichen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei Mischmittel in dem Nebenstrom von Gasen bereitgestellt werden. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, ferner umfassend Mittel zur Entfernung von Teilchen, und der Nebenstrom aus dem Abgas stromabwärts des Mittels zur Entfernung von Teilchen entnommen wird.






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