[发明专利]通过电解尿素而进行的选择性催化还原

说明书

相关申请的交叉引用

根据37C.F.R.§1.78(a)(4)，本申请要求享有2010年4月2日提交的在先提交的在审临时专利申请系列号61/320,447的权益和优先权，该临时专利申请在此通过引用并入。

技术领域

本发明涉及用于处理废气的方法和设备。

背景技术

关注来自电厂和其他化石燃料燃烧源的排放物对环境的影响。例如，燃煤电厂的废气包含化学污染物，诸如氮氧化物（“NOx”）和硫氧化物（“SOx”），以及也称为“飞灰”的颗粒。选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SCNR）是用于将氮氧化物（“NOx”）转化为二原子氮(N₂)和水(H₂O)的方式。在SCR中，催化剂与气态还原剂组合使用，气态还原剂被添加到烟气流或废气流中并被吸收到催化剂上。在SCNR中，在合适的温度窗口内，将还原剂注入到炉内的烟气中。另外，具有气态还原剂的烟气调质也可以增强静电沉积器去除飞灰的性能。在SCR、SNCR和飞灰去除系统中，还原剂通常是氨或尿素。

例如，商用SCR系统通常见于大型电厂锅炉、工业用锅炉和市政固体废弃物锅炉且显示出减少了70-95%的NOx。最近的应用包括柴油发动机诸如大型船舶中的柴油发动机、柴油机车、气体涡轮机以及甚至汽车。

当气体穿过催化剂室时，发生NOx的还原反应。在进入催化剂室之前，氨或诸如尿素的其他还原剂被注入并与气体混合。使用无水氨或氨水进行选择性催化还原过程的化学式是：

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O    （化学式1）

2NO₂+4NH₃+O₂→3N₂+6H₂O    （化学式2）

NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O    （化学式3）

尿素替代氨作为还原剂的反应是：

4NO+2(NH₂)₂CO+O₂→4N₂+4H₂O+2CO₂（化学式4）

该反应具有350℃与450℃之间的最佳温度范围，但也可以在225℃至450℃下操作更长的停留时间。最低的有效温度取决于各种烟气、气体成分和催化剂几何形状。

在SNCR系统中，催化剂的存在升高了还原反应的温度。例如，有效操作SNCR系统的温度窗口通常在900℃到1100℃之间，这取决于SNCR操作的试剂和条件。

与尿素相比，氨更活泼，更容易均匀地分散到烟气流中且在更宽的温度范围内是活性的以及是更有效的。虽然尿素也是有效的还原剂，但尿素本身会形成不期望的副产物，诸如一氧化碳（CO）和一氧化二氮（N₂O），这两种副产物现在正受到环境管理部门的重点监视。

尿素通常热水解形成用于废气处理应用的氨。尿素水解形成氨可以被分成两个截然不同的反应。第一个反应是温和的放热反应，其中当尿素水解形成氨基甲酸铵时，放出热。第二反应是氨基甲酸铵被转化成氨和二氧化碳，该反应是极吸热的，该反应总体决定了尿素转化成氨和二氧化碳的热动力学，即总反应是吸热的。因此，尿素水解需要大量的热且当热停止供给后立刻停止。例如，在有或没有催化剂辅助下，氨的释放发生在约110℃且在约150℃到160℃时变快。

H₂O+(NH₂)₂CO→(NH₂)CO₂^-NH₄⁺+NH₃+热（化学式5）

(NH₂)CO₂^-NH₄⁺+热→2NH₃+CO₂（化学式6）

过量的水促进水解反应，总反应如下：