[发明专利]氧燃烧炉中氮氧化物(NOX)的减排

说明书

一种用于燃烧过程的设备。设备具有用于加热材料的炉(12)。燃烧器(16)配置成燃烧碳基燃料与氧化气体，以向炉内提供火焰。氧化气体具有至少80重量百分比的氧气。炉具有排气出口(20，22)，排气出口在炉和烟道(26)之间提供连通。排气出口配置成将碳基燃料燃烧期间产生的废气从炉排出到烟道中。位于烟道中的喷嘴(30)配置成将氨注入到烟道中，从而减少废气中的NOx排放量。

技术领域

本发明涉及减少来自氧燃烧炉的氮氧化物(NOx)。此种炉用于工业过程，包括玻璃熔化设备。

背景技术

氮氧化物(NOx)是一种相关的空气污染物。它是气态的一氧化氮和二氧化氮。这些气体形成烟雾和酸雨以及对流层臭氧。NOx气体是燃料(诸如碳氢化合物燃料)在高温燃烧过程中氮与氧反应时产生的。

炉中氮的一个主要来源来自空气。空气含有大约78％体积的氮和21％体积的氧。这种氮与炉中的氧反应形成NOx气体。NOx排放由政府进行监管，诸如美国环境保护局和各州政府。

在空气燃烧炉中，由静电除尘器(“EP”)和选择性催化还原(“SCR”) 系统控制NOx排放。在NOx减排系统中，EP之后是SCR，使得含有NOx排放物的废气通过EP，并然后通过SCR系统。

SCR系统包括在存在催化剂的情况下将氨注入废气中，使NOx 与氨反应形成水和氮气。在SCR减排系统中，一般无水氨、氨水或尿素是废气在接触到EP和SCR之间的催化剂之前加入的氨。烟道含有废气，废气中含有NOx气体。催化剂通常包括一些贱金属，诸如钒、钼或钨；沸石或其它贵金属。金属催化剂(诸如钒和钨)存在的一个问题是它们在高温下不耐用。它们还能把SO₂转化成SO₃，从而对系统造成酸性损害。沸石催化剂在较高温度下比金属催化剂更稳定；并且它们进一步氧化SO₂的可能性较低。然而，随着时间的推移，催化剂会劣化，并需要更换。

考虑到与催化剂有关的问题，已经开发了在空气燃烧炉中不使用催化剂的情况下减少NOx的方法和设计，这被称为选择性非催化还原(“SNCR”)。SNCR涉及将氨注入来自空气燃料炉的废气流中，这在 Lyon的美国专利No.3,900,554中进行了公开。此种技术看起来很有吸引力，但是这种方法只在窄废气温度范围内有效。在低于临界范围的温度下，既不会明显发生反应，因此也没有改善NOx排放。在该温度范围内，反应占主导，并且因此NOx净减少。在较高的温度下，与氨和过量氧的反应变得更为显著，结果是废气流中的NOx的量增加。因此，一直认为这种NOx还原法在锅炉等(具有可以识别并用来氨注入的明确限定稳定温度区域)中的可应用性是受限的。

Hughes的美国专利No.4,328,020公开了一种SNCR，通过在特定条件下向空气燃料炉废气流中注入氨。在连接一级和二级蓄热室的烟道中对于每个燃烧循环的大部分来说存在或可以创造氨还原NOx的合适条件。每当通过烟道的废气温度掉出870℃至1090℃(如果伴有氢则为700℃至1090℃)的范围之外，就中断氨注入。在前述专利中公开的另一个实施例中，当每个区域中温度通过有效NOx还原范围时，顺序地将氨注入蓄热室的两个以上区域。尽管该专利申请的方法能够从废气中去除大部分的NOx，但是当废气温度不合适时，在每个燃烧循环的大部分期间，此氨还原技术的无效性降低了整体效率。此外，即使在最佳条件下，氨还原反应的效率也不是百分之百。

考虑到SNCR系统的局限性，已经开发了减少NOx的其它方法。一种方法是使用氧气燃烧气体而不是空气。这些炉使用纯氧或接近纯氧，而不是空气。从炉的气氛中去除了几乎所有的氮。没有氮时，NOx 排放会急剧下降，以至于不需要SCR来满足当前的NOx排放标准。

然而，氧燃烧炉不是气密密封的。一些含氮的空气不可避免地进入炉。此外，在炉中燃烧的碳基燃料也会含有一些氮。因此，即使在氧燃烧炉中，也会产生一些NOx，尽管所产生的NOx水平低到足以达到先前标准下可接受的排放量。