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CN1859969B - 共轴rofa注射设备 - Google Patents

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CN1859969B CN2004800232107A CN200480023210A CN1859969B CN 1859969 B CN1859969 B CN 1859969B CN 2004800232107 A CN2004800232107 A CN 2004800232107A CN 200480023210 A CN200480023210 A CN 200480023210A CN 1859969 B CN1859969 B CN 1859969B
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Abstract

一种用于将试剂注入且分散于一反应器中的共轴注射设备(10)，其包括：一用于高速气体注射的外部管道(12)；一具有至少一个喷嘴以用于液体注射的外中间注射器(14)；一用于低速气体注射的内中间管道(16)；及一具有喷嘴以用于液体注射的内部注射器(18)。所述外部管道(12)是由一插入物(20)内壁和所述外中间注射器(14)外壁(22)形成并定位于所有其它注射器和管道的外部且环绕于其周围。所述外中间注射器(14)是由两个具有端板(30)和注射器喷嘴(24)的同心圆柱体(26，28)形成；所述内中间管道(16)是由所述外中间注射器(14)内壁和所述内部注射器(18)外壁形成。所述内部注射器(18)是由一具有一端板(30)的圆柱体形成。

Description

共轴ROFA注射设备
技术领域
本发明大体而言涉及化学注射设备，且更尤其涉及一种使用高速气体的共轴化学注射设备。
背景技术
化学注射设备已为众人皆知。一些现有技术中的设备实例包括关于用于将化学剂引入废气中的Lance型注射装置的1994年8月30日颁予Peter-Hoblyn等人的美国专利5,342,592，所述专利教示了通过在气流中以特定分布模式供应反应物来增强从燃烧排放物中对硫氧化物(SO.sub.x)和氮氧化物(NO.sub.x)的移除。为达成特定分布模式且为避免反应物对燃烧器的热交换器管道的撞击，使用一种包含一冷却套和复数个隔开的注射口的细长注射枪。所述冷却套保护供应至注射口的反应物免受燃烧气体的高温影响。
关于用于降低排放物中污染物浓度的方法和注射器的1991年1月15日颁予DeVita的美国专利4,985,218中教示了用于降低来自燃料或废料燃烧的排放物中污染物浓度的方法和装置。所述方法和装置使得以低处理流体流速注射排放物处理流体成为可能，其还提供处理流体在排放物通道中的平均分散而几乎没有堵塞现象。一共轴地安置在一处理流体供应导管内的雾化导管延伸到排放物中，且供应如蒸汽或空气的雾化流体。经由一供应导管且经由雾化导管壁内的至少一个喷射器以介于每秒2-60英尺的速度供应处理流体以使得处理流体在喷嘴内雾化。
关于用于降低排放物中污染物浓度的锅炉和注射器的1990年4月10日颁予DeVita的美国专利4,915,036中教示了用于降低来自燃料或废料燃烧的排放物中污染物浓度的方法和装置。所述方法和装置使得以低处理流体流速注射排放物处理流体成为可能，其还提供处理流体在排放物通道中的平均分散而几乎没有堵塞现象。一共轴地安置在一处理流体供应导管内的雾化导管延伸到排放物中，且供应如蒸汽或空气的雾化流体。经由一供应导管且经由雾化导管壁内的至少一个喷射器以介于每秒2-60英尺的速度供应处理流体以使得处理流体在喷嘴内雾化。
关于用于降低排放物中污染物浓度的方法的1989年6月27日颁予Burton的美国专利4,842,834教示了用于降低来自燃料燃烧的排放物中污染物浓度的方法和装置。所述方法和装置使得在排放物通道内以独立可变的液滴尺寸和广泛多种分布模式的注射距离注射排放物处理流体成为可能。一共轴地安置在一处理流体导管周围的雾化导管延伸到排放物中且供应雾化流体。所述供应导管相对于所述雾化导管是可轴向滑动的且经由供应导管供应处理流体。对供应导管与雾化导管的相对轴向位置进行调整且对雾化流体的流速进行选择以在通道内注入对于所要距离为有效尺寸的液滴。
在现有技术中已知尿素和产生NH3的化合物的用途。尿素和产生NH3的化合物的用途实例包括：关于经由使用尿素溶液减少氮基和碳基污染物的1991年2月12日颁予Bowers的美国专利第4,992,249号及关于减少氮基和碳基污染物的由Bowers发明的1990年5月22日颁予的美国专利第4,927,612号，后者教示了使用尿素水溶液分散液、将其注入排放物中以减少来自碳质燃料燃烧的排放物中氮氧化物的方法。
关于用于降低排放物中污染物浓度的多阶段方法的由Epperly等人发明且转让于Fuel Tech，Inc.的1990年5月22日颁予的美国专利第5,057,293号教示了一种用于降低来自碳质燃料燃烧的排放物中氮氧化物浓度的方法，所述方法包含选择复数个用于引入化学调配物的位置及于各个所述位置处引入至少一种化学调配物，所述化学调配物是从由下列各物组成的群组中选出：尿素、氨、六亚甲基四胺、经氧化的烃、石蜡烃、烯烃、芳烃、碳与氮的比率大于1∶1的有机酸铵盐、羟基氨基烃、具有至少一个环氧原子的杂环烃、具有至少一个环氮原子的5元或6元杂环烃、过氧化氢、胍、碳酸胍、双胍、硫酸脒基脲、三聚氰胺、双氰胺、氰氨化钙、缩二脲、1，1′-偶氮二甲酰胺、羟甲基脲、羟甲基脲-尿素缩合产物、二羟甲基脲、甲脲、甲脲及其混合物，其在排放物温度下有效地降低所述位置处所存在的氮氧化物的浓度，为此对各个所述位置处的注射水平的最优化导致氮氧化物水平降低到低于预定目标水平。
1980年6月17日颁予Arand等人的关于尿素减少燃烧排放物中NOx的第4,208,386号美国专利和1982年4月20日颁予Arand等人的关于尿素减少燃料充分燃烧的排放物中NO.sub.x的第4,325,924号美国专利教示了用于减少燃烧排放物中的NOx的方法，其包括将尿素引入燃烧排放物中。
发明内容
本发明是针对一种用于将试剂注入且分散于一反应器中的共轴注射设备，其包括：一用于高速气体注射的外部管道、一具有至少一个收缩孔以用于液体注射的外中间注射器、一用于低速气体注射的内中间管道，及一具有收缩以用于液体注射的内部注射器；其中所述外部管道是由一插入物内壁和所述外中间注射器外壁形成并定位于所有其它注射器和管道的外部且环绕于其周围；所述外中间注射器是由两个具有端板和注射器喷嘴的同心圆柱体形成；所述内中间管道是由所述外中间注射器内壁和所述内部注射器外壁形成；所述内部注射器是由一具有一端板的圆柱体形成，所述端板具有一喷嘴；由此确保将液体和气体混合入且分散于所述反应器中以增加反应均匀性、反应效率、反应器效率并减少副产物形成。
本发明另一方面利用经由所述外中间注射器而注射的气体。
本发明进一步针对一种多重共轴注射器设备，其包括至少两个共轴注射设备和至少一个反应参数探针；其中将所述共轴设备沿着反应器长度定位于隔开的位置处且将所述反应参数探针定位于所述注射器设备的下游。
本发明更进一步针对一种用于操作所述多重共轴注射器设备的方法，其包括以下步骤：对反应参数进行取样；选择最适于注射试剂的共轴注射设备；及经由所选共轴注射设备注射试剂。
因此，本发明的一个方面为提供一种用于将试剂注入且分散于一反应器中的共轴注射设备，其包括：一用于高速气体注射的外部管道、一具有至少一个喷嘴以用于液体注射的外中间注射器、一用于低速气体注射的内中间管道及一具有喷嘴以用于液体注射的内部注射器；其中所述外部管道是由一插入物内壁和所述外中间注射器外壁形成；并定位于所有其它注射器和管道的外部且环绕于其周围；所述外中间注射器是由两个具有端板和注射器喷嘴的同心圆柱体形成；所述内中间管道是由所述外中间注射器内壁和所述内部注射器外壁形成；所述内部注射器是由一具有一端板的圆柱体形成，所述端板具有一喷嘴；由此确保将液体和气体混合入且分散于所述反应器中以增加反应均匀性、反应效率、反应器效率并减少副产物形成。
本发明的另一方面是提供一种多重共轴注射器设备，其包括至少两个共轴注射设备和至少一个反应参数探针；其中将所述共轴设备沿着反应器长度定位于隔开的位置处且将所述反应参数探针定位于所述注射器设备的下游。
本发明的又一方面是提供一种用于操作所述多重共轴注射器设备的方法，其包括以下步骤：对反应参数进行取样；选定最适于注射试剂的共轴注射设备；及经由所选共轴注射设备注射试剂。
在阅读下列优选实施例的描述之后，当结合附图考虑时，本发明的这些和其它方面对于所属领域的技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1为根据本发明建构的共轴注射设备的侧面剖视图。
图2为根据本发明建构的共轴注射设备的横截面图。
图3为根据本发明安装的共轴注射设备的俯视图。
图4为根据本发明的多重共轴设备注射设备的侧面示意图。
具体实施方式
在下列描述中，贯穿几个视图，相同参考字符指定相同或相应部件。在下列描述中，也应了解如“向前”、“向后”、“前面”、“后面”、“右边”、“左边”、“向上”、“向下”的术语和类似术语是为便利而作的措辞且不应将其解释为限制性术语。
现从总体上参看附图，图解说明是出于描述本发明优选实施例的目的而并非意欲将本发明限制于此。在实施例的描述中，术语“管道”是用于描述在端部没有任何收缩的试剂注射通道。术语“注射器”是用于描述在端部具有一收缩孔的试剂注射通道。所述孔可为一洞或一喷嘴。一注射设备为一种并入管道或注射器或两者的设备。
最佳由图1和图2中看出，一根据本发明的共轴注射设备(通常描述为10)是由一外部管道12、一外中间注射器14、一内中间管道16和一内部注射器18所构成。
将外部管道12或高速气体管道设计为用于在反应器中注射高速气体。例如，可将ROFA(旋转对冲燃烧空气，Rotating Opposed Fire Air)气体经由外部管道注射入反应器中以供燃烧炉用。高速气体使经由其它管道和注射器注射的物质混合且分散。例如，由ROFA气体将注入燃烧气体中以用于减少NOx的冷却水、冷却空气和含氮剂溶液混合。
高速气体使溶液分散而不需要分散喷嘴；因此反应器可使用含有微粒的溶液。这消除或减少对防止细孔阻塞所必需的纯试剂的需要。例如，此设备允许将低质量水用作燃烧炉中的冷却水，从而降低操作费用且通过减少孔堵塞来改善效能。
高速气体管道是由插入物20内壁和外中间注射器14外壁22形成。将所述管道定位于所有其它注射器和管道的外部且环绕于其周围，由此确保使经由设备注射的所有试剂分散。所述分散改善反应均匀性，从而减少副产物形成。
向内移动，设备的下一组件是一具有至少一个注射孔24(如洞或喷嘴)的外中间注射器14。所述外中间注射器优选具有至少8个喷嘴，如图2中所示。所述外中间注射器是由两个具有一连接端板30和所述端板中的至少一个注射器孔24的同心圆柱体26和28形成。此设备优选注射液体，例如可经由此注射器注射用于冷却邻近所注射尿素液滴的气体的冷却水。冷却水减少由燃烧气体发生的由NH3到NOx的自由基氧化。或者，可经由此注射器注射气体。例如，可将冷却气体(如不能用于有效产生功率的低质量蒸汽)代替冷却水注入燃烧炉中。除冷却作用外，蒸汽可增加物质的流动并辅助高速气体将其它试剂运送和分散到炉子中。
向内移动，设备的下一组件是一内中间管道16。此管道是由外中间注射器的内部圆柱体26和内部注射器18外壁形成。经由此管道优选注射第二种气体。例如，可经由此管道注射在注射之前使所注入尿素溶液保持冷却的冷却空气。冷却空气防止尿素在注入燃烧炉之前分解。设备最内部的组件是一具有收缩孔32的内部注射器18。所述内部注射器优选是由一具有端板的中空管、优选为一具有端板的圆柱体形成。所述端板优选具有一收缩孔，如洞或喷嘴。优选经由此注射器将液体注入反应器中。例如，可注射含氮剂浓溶液以减少燃烧炉中的NOx。由此，燃烧气体中SNCR NOx的减少使酸的排出减少。
所述含氮剂可由下列各物组成的群组中选出：尿素、氨、氰尿酸、氨基甲酸铵、碳酸铵、氨与碳酸氢铵的混合物、一种或一种以上尿素水解产物或其混合物或络合物、产生作为副产物的氨的化合物、甲酸铵、草酸铵、六亚甲基四胺、有机酸的铵盐、具有至少一个环氮原子的5元或6元杂环烃、羟基氨基烃、氨基酸、蛋白质、单乙醇胺、胍、碳酸胍、双胍、硫酸脒基脲、三聚氰胺、双氰胺、氰氨化钙、缩二脲、1，1′-偶氮二甲酰胺、羟甲基脲、羟甲基脲-尿素缩合产物、二羟甲基脲、甲脲、二甲脲。
含氮试剂优选为尿素。含氮试剂更优选为大于约20％w/w的尿素水溶液。或者可使用更稀的含氮试剂溶液。
优选使外中间注射器从插入物边缘凹进去以保护注射器孔不受反应热和反应物的影响。使内注射器凹入外中间注射器之内以进一步保护其免受反应热和反应物的影响。
如图3中所示，经由外部管道12注射高速气体，经由外中间注射器14注射较高体积的液体，经由内中间管道16注射如冷却气体的较低体积的气体，并经由内部注射器18注射较低体积的液体。流体离开注射器且高速气体将液体和其它气体分散于反应空间36中。
如此描述的设备在过程中所使用的液体特征方面允许更大的灵活性。由于高速分散气体可有效分散大液滴尺寸的液体，因此可使用本发明将含有微粒的液体用于应用中，从而消除对于从液体中移除微粒的高效过滤系统的需要，此高效过滤系统在使用分散喷嘴以分散流体的现有技术系统中是必需的，其分散喷嘴容易被堵塞。
如图4中所示，可将多个根据本发明的共轴注射设备10组合以形成多重共轴注射设备，其通常如200所描述。所述设备包括一系统控制器38。可操作所述多重共轴注射设备以提供更高效率的反应且减少副产物。
沿着反应器长度将多重共轴注射设备安装于隔开的位置处。将至少一个探针40安装在所述设备中的至少一个注射器的下游。优选将所述探针安装在最后一个注射器的下游。在示范的实施例中，沿着燃烧炉安置注射器且所述探针为一安装在燃烧室端部的温度探针。
使用多重共轴注射设备的方法包括下列步骤：
1)测量反应器参数；
2)选择最适于注射第二试剂的共轴注射设备；及
3)经由所选共轴注射设备注射所述第二试剂。
一可选步骤包括以清洁流体冲洗取消选择的共轴注射设备以防结垢。
一使用尿素以根据本发明的共轴设备减少燃烧炉中NOx的特定实例如下所述：
用根据本发明以一定方式在燃烧空间内部产生ROFA条件的设备装配一在大约1300℃下操作的燃烧炉。相对于燃烧空间将所注射的高速ROFA空气压力调整为介于约1与约20巴之间以提供足够的物质流量，从而确保用于混合和热交换的充分湍流。经由内注射器以约0.1至约6.0NH3/NOx比率的化学剂量率注射20％尿素溶液。以介于约1与约2之间的NH3/NOx比率达成较大幅度的NOx减少。以约0.5至约40的H2O/NH3比率注射冷却水。以介于约1至约6之间的H2O/NH3比率达成较大幅度NOx减少。将冷却空气的温度维持在100℃以下且将速度维持在约2m/s以上以确保尿素溶液不在内注射器中沸腾。
如此所述的设备与现有操作方案相比，成功地将NOx输出量减少约40％。
因此，一种用于减少燃烧排放物中NOx的方法包括以下步骤：提供一根据本发明的多重共轴注射设备；对排放温度进行取样；选择至少一个最适于注射产生NH3的试剂的共轴注射设备；及经由所选共轴注射设备注射产生NH3的试剂。
一旦阅读完前述描述，所属领域的技术人员将想到某些修改和改善。例如，根据本发明的设备为用于引入替代性NH3源(如藻类，其生长于功率产生设施的冷却池中)的大直径孔作了准备。为简明扼要和可读性，本文已删除所有修改和改善，但是这些修改和改善完全在下列权利要求书的范畴内。

Claims (9)

1.一种用于将试剂注入并分散至一反应器中的共轴注射设备，其包含：
一外部管道，其经配置以将高速气体注射至所述反应器内，从而将所述试剂分散至所述反应器内；
一具有至少一个注射器孔以用于液体注射或气体注射的外中间注射器，所述外中间注射器相对于所述外部管道内凹，且其中具有冷凝的液体水或冷凝的蒸气；
一用于低速气体注射的内中间管道，其相对于所述外中间注射器内凹，；及
一具有一收缩孔以用于液体注射的内部注射器；
其中：所述外部管道是由一插入物内壁和所述外中间注射器外壁形成；并定位于所有其它注射器和管道的外部且环绕于其周围；所述外中间注射器是由两个具有一连接端板的同心圆柱体形成，所述端板在两个同心圆柱体之间延伸，并界定了至少一个经配置以将试剂注入至所述反应器中的注射孔；所述内中间管道是由所述外中间注射器内壁和所述内部注射器外壁形成；所述内部注射器是由一具有一端板的圆柱体形成，所述端板大体垂直于所述内部注射器圆柱体，并界定了所述收缩孔；且
其中所述外部管道注射高速气体，以将通过所述外中间注射器注射的所述试剂分散至所述反应器内，从而所述内中间管道和所述内部注射器确保液体和气体的混合和分散进入所述反应器中。
2.一种操作权利要求1所述的设备的方法，其中所述外中间注射器中含有冷凝的蒸气或液体水，且其中所述内部注射器中具有含氮剂。
3.一种多重共轴注射设备系统，其包含至少两个根据权利要求1所述的共轴注射设备和至少一个反应参数探针；其中：
所述共轴注射设备沿着一反应器长度位于隔开的位置处且所述反应参数探针位于至少两个共轴注射设备中的至少一个的下游。
4.一种操作权利要求3所述的系统的方法，其中所述反应参数探针为一温度探针且至少两个所述外部管道包括高速气体；至少两个所述外中间注射器包括冷却水；至少两个所述内中间管道包括冷却空气；且其中至少两个所述内部注射器中的含氮剂包括尿素溶液。
5.一种操作权利要求3所述的系统的方法，其中所述反应参数探针为一温度探针且至少两个所述外部管道包括高速气体；至少两个所述外中间注射器包括低质量蒸汽；至少两个所述内中间管道包括冷却空气；且其中至少两个所述内部注射器中的含氮剂包括尿素溶液。
6.一种用于操作根据权利要求3所述的系统的方法，其包含以下步骤：
对所述反应参数进行取样；
选择所述至少两个共轴注射设备中的至少一个用于注射含氮剂；
经由所述至少一个所选共轴注射设备的所述内部注射器将所述含氮剂注射至炉子中；及
使所述含氮剂与燃烧排放物反应。
7.一种用于减少燃烧排放物中NOx的方法，其包含以下步骤：
提供一根据权利要求3所述的系统；
对所述排放温度进行取样；
选择所述至少两个共轴注射设备中的至少一个用于注射一产生NH3的试剂；及
经由所述至少一个所选共轴注射设备的所述内部注射器注射所述产生NH3的试剂。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述产生NH3的试剂为尿素。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述高速空气由所述外部管道注射，所述冷却水由所述外中间注射器，且所述冷却空气由所述内中间管道注射。
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