專利名稱：處理含氨廢氣的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用氧化催化劑減少燃燒廢氣及其它廢氣流中氨排放物(emissions)的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及減少選擇性催化還原(“SCR”)系統(tǒng)下游未反應(yīng)的氨，并同時減少其它氣態(tài)污染物。本發(fā)明使用基于貴金屬如Pt、Pd或Ru的催化劑，由此將氨氧化，制造一種或多種具有更高氧化態(tài)氮的反應(yīng)產(chǎn)物，優(yōu)選元素氮，其次是其它種類如一氧化二氮、一氧化氮或二氧化氮。通過優(yōu)化催化劑操作條件如溫度和空速可以增加該方法降低未反應(yīng)氨的效率。
背景技術(shù)：
SCR系統(tǒng)是已知的用于控制來自固定燃燒源的氮氧化物排放物(NO和NO2，本文中統(tǒng)稱為“NOX”)的方法。SCR系統(tǒng)通常包括向在催化劑表面上與氮氧化物反應(yīng)的廢氣流中加入化學(xué)試劑。反應(yīng)的主要產(chǎn)物是元素氮(N2)。然而，也會形成少量副產(chǎn)品如一氧化二氮(N2O)。
最常用于SCR系統(tǒng)的化學(xué)試劑包括氨NH3和尿素(NH2)2CO。這兩種試劑具有相似的將NOX轉(zhuǎn)化為分子氮的機(jī)理。使用氨注入的SCR工藝根據(jù)以下化學(xué)方程式進(jìn)行和理想地，SCR工藝的產(chǎn)物應(yīng)該只包括元素氮和水分(H2O)。然而，在實踐中，例如，由于排放物沒有完全擴(kuò)散到有效的催化活性部位上，或由于有限的反應(yīng)時間而沒有與催化劑完全反應(yīng)、在SCR步驟的過程中沒有完全混合等，使得工藝效率小于100％。這些不理想的環(huán)境總是造成至少一些未反應(yīng)的氨在SCR系統(tǒng)的出口處被釋放。未反應(yīng)的氨，通常稱為“氨逸出物(ammonia slip)”，如果釋放到大氣中，可能造成各種有害的影響，因為其對人體健康有毒性，并且其易于與其它大氣組分反應(yīng)，導(dǎo)致形成降低大氣能見度并造成不利于人體健康作用的顆粒。因此，理想的是在任何SCR系統(tǒng)的出口處減少或消除氨逸出物。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種新的減少燃燒廢氣或其它廢氣流中氨排放物的方法利用在戰(zhàn)略上位于SCR系統(tǒng)催化劑下游的額外催化劑，該催化劑能夠?qū)币莩鑫镛D(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，理想的是元素氮。通過使用某些為固定燃燒源的大氣污染控制而開發(fā)的常規(guī)工藝組分和硬件也可以降低使用本發(fā)明的示范性系統(tǒng)的成本。
在某些方面，本發(fā)明包括一種處理由配備有選擇性催化還原(“SCR”)系統(tǒng)的固定燃燒源產(chǎn)生之廢氣的方法使來自SCR系統(tǒng)下游的未反應(yīng)氣態(tài)氨經(jīng)受氧化催化劑以生產(chǎn)具有高于氨的氧化態(tài)的反應(yīng)產(chǎn)物如元素氮、一氧化二氮、一氧化氮或二氧化氮。
在處理非燃燒應(yīng)用中產(chǎn)生的廢氣流的應(yīng)用中可以使用本發(fā)明。在燃燒和非燃燒的實施方案中，都可以通過與氧化催化劑直接接觸而顯著減少氨及其它X-NHi化合物的排放物(其中，X表示含C、H、O或N原子的化合物部分，i＝0、1、2、3、4)。即，廢氣流中的X-NHi化合物在氧化催化劑上與氧反應(yīng)，導(dǎo)致具有高于X-NHi化合物的氧化態(tài)的氮的反應(yīng)產(chǎn)物。典型地，氨和其它X-NHi化合物來源于氧化催化劑上游的廢氣流中存在的含氮試劑，如無水氨、氨水、尿素、三聚氰酸、胺、合成氣、工藝氣體、生物或含氮燃料。


圖1是說明與常規(guī)氧化催化劑一起使用氨注入的現(xiàn)有技術(shù)SCR方法的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的處理含氨廢氣的示范性方法的第一個實施方案的示意圖；和圖3是根據(jù)本發(fā)明的處理合氨廢氣的示范性方法的第二個實施方案的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明使用安裝在SCR系統(tǒng)催化劑下游的氧化催化劑顯著減少了SCR系統(tǒng)出口處的未反應(yīng)氨逸出物。對于在廢氣流中含有至少一些氧的燃燒源，優(yōu)選的氧化催化劑包括將氨(氨中的氮的氧化態(tài)“OS”為-3)氧化為具有更高氧化態(tài)的氮類如元素氮N2(OS＝0)、一氧化二氮N2O(OS＝+1)、一氧化氮NO(OS＝+2)和二氧化氮NO2(OS＝+4)的貴金屬。如上所述，理想的是使氨逸出物最大轉(zhuǎn)化為元素氮，并使其它含氮類物質(zhì)的形成最少。描述氨逸出物氧化的化學(xué)反應(yīng)包括以下方程
正如本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解的，將氨轉(zhuǎn)化為具有不同氧化態(tài)的產(chǎn)物包括不同的工藝條件，這部分取決于反應(yīng)中使用的特定貴金屬催化劑。將氨氧化至更高氧化態(tài)(例如，OS從+1到+4的氮氧化物)通常需要比將氨氧化為N2所需溫度高的溫度。因此，應(yīng)該優(yōu)化將氨轉(zhuǎn)化為N2的溫度，即保持足夠高以在選擇的催化劑上保持氨轉(zhuǎn)化為N2的高速率，但又足夠低以防止將氨轉(zhuǎn)化為不合乎需要的氮氧化物。存在這樣的工藝條件，在這些條件下，可以有選擇地將大部分氨轉(zhuǎn)化為氮而不形成大量的氮氧化物。
使用本發(fā)明的示范性氨至N2氧化系統(tǒng)的一個已知應(yīng)用包括處理來自燃?xì)廨啓C(jī)的廢氣，由此SCR系統(tǒng)與氨試劑共同使用。下面的圖1描繪了控制NOX排放物的常規(guī)方法。因為來自燃?xì)廨啓C(jī)的巨大廢氣流速，所以重要的是減少排放到大氣中的氨量，優(yōu)選低于百萬分之一(1ppm)以使任何不利的環(huán)境影響最小。示范性除氨系統(tǒng)的其它潛在應(yīng)用包括處理來自燃燒天然氣、汽油、柴油、油、煤炭、生物燃料、廢棄物或其它化石、可更新的或合成燃料的內(nèi)燃機(jī)、工業(yè)和電站鍋爐或其它固定燃燒廢氣源的廢氣。
圖1中說明了現(xiàn)有技術(shù)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)用排放控制系統(tǒng)，其通常以10來描述。位于氨注入柵(ammonia injection grid)12上游的氧化催化劑11使用置于爐管14與氨注入柵12下游之間的SCR催化劑13除去一氧化碳(CO)及其它有害的空氣污染物。
圖2說明了本發(fā)明的一個示范性實施方案，其通常以20來說明。將氧化催化劑21置于SCR系統(tǒng)23的下游以控制CO排放物和有害的空氣污染物，同時將來自SCR系統(tǒng)23的氨逸出物優(yōu)選氧化為元素氮。氨注入和爐管分別表示為22和24。圖2的實施方案假設(shè)，CO對SCR性能沒有顯著的有害作用。
也已發(fā)現(xiàn)，用于除去氨，特別是優(yōu)選轉(zhuǎn)化為元素氮(而不是轉(zhuǎn)化為氮氧化物)的氧化催化劑的性能是隨溫度而變的。即，高溫有利于形成氮氧化物，而較低的溫度傾向于降低催化反應(yīng)的速率。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解的，對于不同的催化系統(tǒng)，可以確定有利于由氨逸出物形成元素氮的中間最佳溫度。即使在中間溫度下，也可以形成一些N2O和NO。然而，通過選擇合適的工藝條件，即反應(yīng)溫度、空速和特定的催化劑組成可以使該量最小。
通常，氧化催化劑的操作溫度應(yīng)該保持接近于SCR催化劑的操作溫度。對于大多數(shù)貴金屬，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氧化催化劑溫度應(yīng)該為約105-350℃，最高操作溫度范圍為約100-700℃。也已發(fā)現(xiàn)，可接受的催化劑空速為約5,000-150,000hr-1。
圖3說明了本發(fā)明的另一個示范性實施方案(通常以30來說明)，其中將氧化催化劑31放得離SCR系統(tǒng)33的下游足夠遠(yuǎn)，從而提供有利于將氨低溫轉(zhuǎn)化為元素氮的操作溫度，同時保持該溫度足夠高以相對于其它氮類物質(zhì)有效將氨氧化為元素氮。
如上所述，在本發(fā)明中使用的示范性氧化催化劑基于貴金屬，優(yōu)選鉑和/或鈀，但可以包括其它貴金屬(例如銠或釕)。由于它們高的反應(yīng)性，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些貴金屬對氧化來自固定燃燒源的廢氣中的CO、H2和有機(jī)化合物非常有效。特別是，這些催化劑能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)以接近100％的效率將未燃燒的燃料轉(zhuǎn)化為CO2和H2O。因此，可以將它們在SCR下游的廢氣流中的位置調(diào)節(jié)至最佳溫度，由此使氨轉(zhuǎn)化為元素氮的反應(yīng)最大化。
對于特定的氧化催化劑，也已確定各種最佳溫度和工藝條件如氧濃度和空速以使反應(yīng)效率最大。篩分氧化催化劑以使除氨活性最大。另外，這些氧化催化劑可以與不同的添加劑并以不同的組成組合，從而使氨的除去最大。本領(lǐng)域技術(shù)人員也將理解可以改變反應(yīng)條件來提高效率。
盡管圖2和3中描繪的除氨工藝通常用于具有在廢或廢棄工藝氣流中產(chǎn)生氨的燃燒工藝的SCR系統(tǒng)，但該工藝可以調(diào)整以在非燃燒、非SCR系統(tǒng)應(yīng)用中使用，即用于具有廢或廢棄的、含氨和未燃燒燃料如CO、H2和有機(jī)化合物的工藝氣流的其它工藝。
雖然已經(jīng)結(jié)合目前考慮是最實用且優(yōu)選的實施方案描述了本發(fā)明，但應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于公開的實施方案，而相反地，其覆蓋附加的權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)包含的各種改進(jìn)和等同配置。
燃汽輪機(jī)系統(tǒng) 10氧化催化劑 21、31氨注入柵 12爐管 14SCR系統(tǒng) 23、33氨注入 22爐管 2權(quán)利要求
1.一種方法，用于處理由配備有選擇性催化還原(“SCR”)系統(tǒng)(23、33)的固定燃燒源產(chǎn)生的度氣，并用于減少所述SCR系統(tǒng)(23、33)下游的氨的排放物，所述方法包括使氨排放物經(jīng)受所述SCR系統(tǒng)(23、33)下游的氧化催化劑(21、31)，由此未反應(yīng)的氣態(tài)氨在所述氧化催化劑(21、31)上與氧反應(yīng)，以生產(chǎn)具有更高氧化態(tài)氮的反應(yīng)產(chǎn)物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述反應(yīng)產(chǎn)物包括元素氮、一氧化二氮、一氧化氮或二氧化氮中的至少一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述氧化催化劑(21、31)減少一氧化碳、氫、烴或醛中的至少一種排放物，同時減少所述氨的排放物，或者在氧的存在下，所述氧化催化劑(21、31)將氨基本轉(zhuǎn)化為元素氮。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述氧化催化劑(21、31)的操作溫度基本上與所述SCR催化劑系統(tǒng)(23、33)的操作溫度相同，并且其中所述氧化催化劑(21、31)在約100-700℃的溫度下操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述固定燃燒源包括燃?xì)廨啓C(jī)、氣體發(fā)動機(jī)、工業(yè)鍋爐或電站鍋爐中的至少一種，所述固定燃燒源使用包括天然氣、汽油、柴油、油、煤炭、生物燃料、廢棄物、化石、可更新或合成燃料的燃料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述氧化催化劑(21、31)包括一種或多種貴金屬，包括但不限于鉑、鈀、釕或銠和它們的合金中的至少一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述催化劑空速為約5,000-150,000hr-1。
8.一種方法，用于處理在配備有選擇性催化還原(“SCR”)系統(tǒng)(23、33)的非燃燒應(yīng)用中產(chǎn)生的度氣流，所述方法包括通過將氧化催化劑(21、31)放在所述SCR系統(tǒng)(23、33)的下游來減少所述SCR系統(tǒng)(23、33)下游的氨排放物，由此未反應(yīng)的氣態(tài)氨與氧在所述氧化催化劑(21、31)上反應(yīng)，從而生產(chǎn)具有其氧化態(tài)比氨高的氮的反應(yīng)產(chǎn)物。
9.一種方法，用于處理在燃燒或非燃燒應(yīng)用中產(chǎn)生的廢氣流，包括減少氨及其它X-NHi化合物的排放物，其中X＝含C、H、O或N原子的化合物部分，i＝0、1、2、3、4，通過使所述X-NHi化合物與氧在所述氧化催化劑(21、31)上反應(yīng)，由此所述反應(yīng)的產(chǎn)物具有其氧化態(tài)高于所述X-NHi化合物的氮。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述氨及其它X-NHi化合物來源于一種或多種含氮試劑，包括存在于所述氧化催化劑(21、31)上游的所述度氣流之中的無水氨、氨水、脲、三聚氰酸、胺、合成氣、工藝氣體、生物燃料或含氮燃料。
全文摘要
一種使用氧化催化劑(21、31)減少在燃燒廢氣及其它廢氣流中氨排放物的方法，由此在選擇性催化還原(“SCR”)系統(tǒng)(23、33)下游減少未反應(yīng)氨(氨“逸出”物)，同時減少其它氣態(tài)污染物。本發(fā)明應(yīng)用基于貴金屬如Pt、Pd或Ru的催化劑，因此在有氧的存在下將氨氧化為具有更高氧化態(tài)氮的物質(zhì)，優(yōu)選元素氮N
文檔編號B01D53/86GK1743052SQ20051008856
公開日2006年3月8日 申請日期2005年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月4日
發(fā)明者B·N·埃特尼爾, V·扎曼斯基, W·R·西克爾, G·C·恩格蘭德 申請人:通用電氣公司