СПОСОБ МОНИТОРИНГА СОСТАВА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ, ПОЛУЧАЮЩИХСЯ В РЕЗУЛЬТАТЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
MONITORING COMPOSITION OF FLUE GASES BROUGHT ABOUT BY THERMAL PROCESSES

Изобретение относится к способу мониторинга состава дымовых газов, получающихся в результате термического процесса. Способ является в особенности подходящим для использования при мониторинге функционирования парового котла, сжигающего хлорсодержащее топливо, но он также может быть использован и в связи с пиролизом, газификацией и другими такими процессами.
В случае сжигания биоматериала или топлива, полученного из отходов, либо как такового, либо смешанного, в паровом котле при высоких значениях характеристик водяного пара (давление более 80 бар; температура более 500°С) в области пароперегревателя котла зачастую возникают различные проблемы с загрязнением и коррозией. В большинстве случаев причина заключается в высоком уровне содержания в топливе хлора и щелочных металлов, а с другой стороны, в малом количестве элементов, защищающих от коррозии, таких как сера и некоторые минералы, например каолинит.
Хлорсодержащие топлива, помимо прочего, включают биотоплива, такие как древесная щепа, кора, опилки, торф, солома, сельскохозяйственные отходы и черный щелок, а также топлива, полученные из отходов, такие как сортированные или несортированные отходы, коммунальные отходы, строительные отходы, промышленные отходы и различные типы осадков сточных вод. Совместно с натрием и калием, высвобождающимися из топлива, хлор в дымовых газах будет образовывать газообразные хлориды щелочных металлов, а последние будут конденсироваться и формировать отложения на теплопередающих поверхностях, а в особенности, на поверхностях пароперегревателя.
По мере охлаждения дымовых газов испарившиеся хлориды щелочных металлов в результате зародышеобразования формируют значительное количество мелких частиц, диаметр которых составляет менее чем 1 мкм. Мелкие частицы оказывают известное воздействие на здоровье.
Предпринимались попытки по уменьшению вредного воздействия, оказываемого хлоридами щелочных металлов, например, в результате смешивания различных топлив и добавления в поток топлива или в камеру сгорания реагентов, превращающих хлор хлоридов щелочных металлов в хлористо-водородную кислоту, хлор которой не будет преобразовываться в отложения.
В документе FI 117631 B предлагается подача на участок пароперегревателя парового котла сульфатсодержащего соединения, которое образует специальный реагент для связывания соединений щелочных металлов. То, насколько много реагента необходимо дозировать, зависит от количества хлора, содержащегося в топливе. Вследствие возможного значительного варьирования состава топлива на практике для большей верности зачастую будут подавать больше реагента в сопоставлении с тем, что в действительности требуется.
В документе ЕР 1354167 В1 предлагается добавление сернистой добавки в поток дымовых газов между зоной сгорания и участком пароперегревателя. Дозирование реагента базируется на уровне содержания хлора в топливе или на уровне содержания газообразных хлоридов щелочных металлов, измеренных для дымовых газов.
В документе US 7229833 B1 предлагается способ на основе фотоспектрометрии, предназначенный для измерения концентрации хлоридов щелочных металлов в дымовых газах поблизости от пароперегревателя. Решение базируется на том, что хлориды щелочных металлов в газовой фазе могут быть идентифицированы при высоких температурах, и том, что они могут быть идентифицированы по методу спектрального анализа на основе ультрафиолетового света. Исходя из концентрации хлоридов щелочных металлов, измеренной в дымовых газах, сжигание топлива контролируют, например, в результате подачи в камеру сгорания добавки, уменьшающей уровень содержания хлорида щелочного металла, в результате изменения доли топлива при подаче. «Поле зрения» при измерении на основе УФ-излучения ограничено, в особенности, в случае плотных суспензий и высоких концентраций частиц. Это справедливо для всех оптических измерений, также и для ИК-методики. Способ является непригодным для использования при низких температурах, поскольку хлориды щелочных металлов он будет идентифицировать только в газовой фазе.
Несмотря на хорошо известную роль хлоридов щелочных металлов в коррозии при высокой температуре их измерение по известным интерактивным методам является дорогостоящим и затруднительным. Таким образом, существует очевидная потребность в разработке легкого и выгодного способа мониторинга уровня содержания хлорида щелочного металла в дымовых газах, образующихся в термическом процессе.
Провели большое исследование по химии хлоридов щелочных металлов в камере сгорания и по их воздействию на загрязнение и коррозию теплопередающих поверхностей. Некоторые исследователи также измерили и количество мелких частиц в дымовых газах и сообщили о нем. Однако они никогда не предлагали идеи измерения уровня содержания хлоридов щелочных металлов на основании количества мелких частиц. Причина этого, возможно, заключается в том, что результаты не были полностью однозначными, поскольку количество хлоридов щелочных металлов не во всех категориях размеров коррелируется с количеством мелких частиц.
Задача изобретения заключается в простом и выгодном способе мониторинга концентрации хлоридов щелочных металлов в дымовых газах, образующихся в результате термического процесса.
Способ, соответствующий изобретению, характеризуется признаками, представленными в отличительной части независимого пункта 1 формулы изобретения.
Изобретение базируется на наблюдении, как Na, K и Cl образуют частицы определенного размера в дымовых газах. В результате измерения количества частиц, относящихся к категории определенных размеров, по меньшей мере, в одной точке по линии тока (протекания) дымовых газов можно отслеживать концентрацию хлоридов щелочных металлов и обнаруживать любые изменения, возникающие в концентрации. В качестве объектов измерения выбирают такие категории размеров частиц, в которых, как известно, частицы состоят в основном из хлоридов щелочных металлов.
В дымовых газах в результате гомо- и гетерогенного зародышеобразования формируются наночастицы, и они будут расти с образованием еще более крупных частиц в результате агломерирования и при конденсации паров на поверхности частиц. Как было установлено в исследованиях, самые мелкие частицы, существующие в дымовых газах, в особенности те, которые относятся к категории размеров менее 1 мкм, в основном состоят из щелочных металлов и хлора. Другими словами, самые мелкие частицы в основном содержат хлориды щелочных металлов KCl и NaCl, которые испарились в камере сгорания. Они представляют собой компоненты, вызывающие появление на поверхностях пароперегревателя коррозии, обусловленной хлором при высоких значениях температуры и давления водяного пара. Как было обнаружено в измерениях, 80-95% частиц в категориях размеров 0,03-0,26 мкм составляют хлориды щелочных металлов, и даже в категории размеров 0,26-0,61 мкм частицы содержат значительное количество хлоридов щелочных металлов, обычно приблизительно 30-60% от их массы.
Количество мелких частиц, относящихся к категориям определенных размеров, отчетливо коррелирует с парами хлоридов щелочных металлов, присутствующими в дымовых газах. Таким образом, в случае регистрации устройством, измеряющим уровень содержания частиц в дымовых газах, изменений количества мелких частиц может быть сделано заключение об изменении уровня содержания хлоридов щелочных металлов в дымовых газах. Изменение может быть обусловлено, например, изменением качества топлива или воздействием поданной добавки. Вследствие чувствительности измерительных схем при отборе образцов, в частности, к различным переменным, результаты, полученные на различных установках, нельзя считать обязательно сопоставимыми друг с другом, но измерение количеств хлоридов щелочных металлов должно быть по отдельности прокалибровано для каждой установки.
В зависимости от температуры хлориды щелочных металлов в дымовых газах присутствуют либо в виде паров, либо в виде частиц аэрозоля. В способе, соответствующем изобретению, пары хлоридов щелочных металлов в связи с отбором образца переводят в фазу частиц и по образцу измеряют количество частиц категории данного размера, которые, как известно, содержат много хлоридов щелочных металлов. Измерение количества частиц может быть проведено либо в виде измерения количества частиц, либо в виде измерения их массы. В случае необходимости измерения массы частиц из образца перед измерением сначала должны быть удалены такие чрезмерно крупные частицы, уровень содержания хлоридов щелочных металлов в которых минимален и которые, таким образом, будут искажать результат измерения.
Проблематичной задачей является измерение количества мелких частиц в дымовых газах, имеющих, например, температуру 650-900°С в области пароперегревателя котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем и содержащих коррозионно-активные вещества и большие количества различных типов частиц. Введение усложненного и чувствительного электронного измерительного устройства в таких условиях на практике невозможно, с одной стороны, в аспекте долговечности материалов, а с другой стороны, вследствие большого количества частиц. Фактически анализ частиц и газов обычно базируется на отборе образца и выводе охлажденного и разбавленного образца за пределы измеряемого процесса для анализа. При отборе образца важно, чтобы после удаления его из процесса образец бы охладили и «погасили» по возможности более быстро. Гашение обозначает прекращение химических и физических процессов изменения. Гашение проводят в результате примешивания образца к инертному газу, благодаря чему образец в то же самое время и разбавляют, делая его пригодным для анализа. В документе FI 119450 B описывается разбавляющее устройство для отбора образцов, предназначенное для отбора газообразного образца, имеющего температуру, по существу превышающую обычную температуру.
Дымовые газы представляют собой аэрозоль, в котором размер частиц варьируется в диапазоне от нескольких нанометров до нескольких десятков микрометров. Перед измерением количества мелких частиц и, в особенности, перед измерением их массы можно при использовании предварительного сепаратора из образца удалить те частицы, диаметр которых превышает 1 мкм, предпочтительно превышает 0,25 мкм. В случае измерения уровня содержания хлоридов щелочных металлов на основании количества частиц количество больших частиц будет оказывать относительно небольшое воздействие на результат измерения. В случае измерения уровня содержания хлоридов щелочных металлов на основании массы частиц большие частицы окажут значительное воздействие на результат измерения. Таким образом, в случае измерения количества частиц предварительное отделение больших частиц не является настолько же критическим, как и при измерении массы частиц.
Количество мелких частиц, содержащихся в образце дымовых газов, может быть измерено в результате использования устройств, являющихся известными, таких как импактор, электрический импактор, электрический детектор, счетчик зародыша конденсации или некое другое соответствующее измерительное устройство, подходящее для использования при измерении мелких частиц.
Импактор представляет собой устройство для сбора частиц, в котором направление движения воздушного потока резко изменяется над собирающей пластиной. В таком случае частицы, более крупные, чем некий предел, не будут иметь времени для поворота совместно с потоком, а они будут ударяться о собирающее основание. Импактор разделяет частицы на две части в соответствии с их аэродинамическим размером. Может быть установлено несколько последовательных ступеней сбора (каскадный импактор), благодаря чему получают информацию о распределении по размерам. Собирающие пластины импактора обычно заменяют с интервалом в несколько часов или дней и их взвешивают, благодаря чему устанавливают массовый уровень содержания частиц. Пластины также могут быть собраны для проведения химического анализа. Импактор может быть введен в режим работы в реальном времени в случае подсчета частиц, достигающих собирающей пластины, при использовании, например, пьезоэлектрического кристалла или электрометров. Импактор также может быть использован в качестве предварительного сепаратора перед измерительным устройством для удаления из аэрозоля тех частиц, которые являются более крупными в сопоставлении с диапазоном измерения.
Подходящим для использования при измерении в режиме реального времени распределения частиц по размерам и уровня содержания частиц в пределах диапазона размеров частиц 7 нм - 10 мкм является электрический импактор низкого давления (ЭИНД), разработанный в компании Dekati Oy. ЭИНД объединяет технологию импактора, известную как таковую, с зарядкой и электрической идентификацией частиц. При использовании ЭИНД можно непосредственно измерить количество частиц, относящихся к категориям определенных размеров, в то время как обычный импактор измеряет только массу частиц, относящихся к категориям определенных размеров.
Электрическое детектирование частиц также может быть осуществлено и при использовании детектора EtaPS, разработанного в компании Dekati Oy, в котором частицы электрически заряжаются, а их количество считается электрометром.
Одним альтернативным вариантом измерения количества частиц является счетчик зародышей конденсации, разработанный в компании TSI Inc. (например, СРС 3775), в котором частицы конденсируют и при использовании оптического детектора рассчитывают их количество.
Решение, соответствующее изобретению, объединяет отбор образцов частиц, в связи с которым в фазу частиц переводят пары хлоридов щелочных металлов, с измерением количества таким образом формированных частиц. По мере надобности с измерением объединяют предварительное отделение больших частиц. Способ не требует постоянного проведения анализа состава мелких частиц. С другой стороны, вследствие демонстрации образцом, отобранным из дымовых газов, такого распределения по размерам, что элементы K, Na и Cl в нем становятся в особенности концентрированными, их в образце можно анализировать химически. Корректно проведенные отбор образца и работа с образцом представляют собой важные факторы как при измерении количества частиц, так и при анализе состава частиц.
При помощи изобретения можно простым и выгодным образом проводить мониторинг количества хлоридов щелочных металлов в дымовых газах. В случае увеличения количества частиц в категории малых размеров можно предположить увеличение и уровня содержания хлоридов щелочных металлов. В случае отличия измеренного уровня содержания частиц от предварительно определенного диапазона система управления технологическим процессом может включить звуковую сигнализацию, в соответствии с чем проводится стадия управления проведением процесса.
Уровень содержания хлоридов щелочных металлов в дымовых газах может быть уменьшен, например, в результате изменения состава топливной смеси. Количество хлоридов щелочных металлов может быть возвращено обратно в допустимый диапазон в результате уменьшения доли топливного компонента, содержащего много хлора, и увеличения доли компонента, содержащего мало хлора.
Еще один вариант реакции на повышенный уровень содержания частиц заключается в увеличении подачи в котел добавки, связывающей хлориды щелочных металлов. Такие добавки описываются, например, в документе FI 117631 B.
Уровень содержания частиц в дымовых газах может быть измерен в одной или нескольких точках по линии тока дымовых газов, таких как в верхней части камеры сгорания, на участке пароперегревателя или в дымоходе. Более чем одно измерение делает возможным сопоставление друг с другом уровней содержания частиц, измеренных в различных точках. Отбор образцов и измерение не ограничиваются определенным температурным диапазоном. Способ может быть использован для различных типов парового котла, газификатора и пиролизера, в которых энергию получают из биоматериала или из топлива, полученного из отходов. При использовании данного способа также можно измерить уровень содержания хлоридов щелочных металлов и в газообразном продукте, полученном при пиролизе или газификации. Измерительную систему, точки измерения и целевые значения для уровня содержания частиц предпочтительно калибруют по раздельности для каждой индивидуальной установки.
В данном контексте термический процесс обозначает переработку топлива, например, в результате сжигания, газификации или пиролиза таким образом, чтобы переработка в результате приводила бы к получению дымовых газов или газообразного продукта, а также негорючих остатков.
В случае постоянного наблюдения уровня содержания хлоридов щелочных металлов в дымовых газах в результате измерения уровня содержания частиц, по меньшей мере, в одной точке по линии тока дымовых газов процесс может быть проведен ближе к критическому пределу в сопоставлении с тем, что имеет место в настоящее время, то есть при больших долях биотоплива или топлива, полученного из отходов, и/или при меньшей подаче добавки. Таким образом, в результате использования изобретения можно добиться достижения значительных финансовых преимуществ.
В последующем изложении изобретение будет описываться при обращении к фигурам на прилагаемых чертежах.
Фигура 1 демонстрирует распределение частиц по размерам для дымовых газов и состав частиц при первом составе топлива.
Фигура 2 демонстрирует распределение частиц по размерам для дымовых газов и состав частиц при втором составе топлива.
Фигура 3 демонстрирует распределение частиц по размерам для дымовых газов и состав частиц при третьем составе топлива.
Фигура 4 демонстрирует распределение частиц по размерам для дымовых газов при измерении на основании количества частиц.
Фигура 5 демонстрирует распределение частиц по размерам для того же самого образа (фигура 4) при измерении на основании массы частиц.
Фигура 6 демонстрирует принципиальный вид котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем, в котором может быть организовано измерение количества хлоридов щелочных металлов в соответствии с изобретением.
Фигура 1 демонстрирует вид гистограммы для распределения частиц по размерам в дымовых газах и состава частиц в категориях различных размеров в той ситуации, когда топливная смесь содержит 17% угля, 48% топлива, полученного из отходов, (ТПО) и 35% коры с деревьев. Горизонтальная ось демонстрирует размер частиц (этап импактора), а вертикальная ось демонстрирует относительную массу и уровень содержания хлоридов щелочных металлов (Cl, K, Na и другие химические элементы) у частиц, относящихся к категории рассматриваемых размеров.
Как можно видеть на фигуре 1, имеется отчетливый пик в области мелких частиц, при распределении частиц по размерам для дымовых газов, полученных при топливной смеси, содержащей много топлива, полученного из отходов. Частицы в категории размеров 0,03-0,09 мкм в основном состоят из хлора, калия и натрия, а кроме того, и в категориях размеров 0,09-0,26 мкм и 0,26-0,61 мкм хлор, калий и натрий составляют большую долю массы частиц. С другой стороны, в категории размеров 0,61-1,6 мкм и в категориях размеров, больших, чем данная (не показаны), увеличивается доля других химических элементов. Это обосновывает тот факт, что совместно с щелочными металлами хлор, содержащийся в дымовых газах, будет образовывать соли хлоридов щелочных металлов NaCl и KCl, которые при охлаждении дымовых газов будут конденсироваться с образованием частиц аэрозоля определенного размера.
Фигура 2 демонстрирует подобный вид гистограммы в той ситуации, когда топливная смесь содержит 25% угля, 30% топлива, полученного из отходов, и 45% коры. При уменьшении доли топлива, полученного из отходов, в сопоставлении с фигурой 1 количество мелких частиц отчетливо уменьшилось. Так же и в данном случае мелкие частицы, в особенности в категориях размеров 0,03-0,09 мкм и 0,09-0,26 мкм, в основном состоят из хлоридов щелочных металлов.
Фигура 3 демонстрирует вид гистограммы в той ситуации, когда топливная смесь содержит 52% угля, 18% топлива, полученного из отходов, и 30% коры. При данном составе топлива в категории малых размеров образуется очень мало частиц.
Топливо, полученное из отходов, обычно содержит больше хлора и щелочных металлов в сопоставлении, например, с углем. Как с очевидностью следует из фигур 1-3, распределение частиц по размерам для дымовых газов и, в особенности, количество частиц в категории малых размеров хорошо коррелируют с составом топлива. Поскольку мелкие частицы в основном состоят из хлоридов щелочных металлов, очевидно то, что в результате измерения количества мелких частиц можно наблюдать и за количеством хлоридов щелочных металлов в дымовых газах.
Фигуры 4 и 5 иллюстрируют различия между измерением на основании количества частиц и измерением на основании массы частиц. Фигура 4 демонстрирует распределение частиц по размерам для дымовых газов на основании количества частиц, а фигура 5 демонстрирует распределение частиц по размерам для того же самого образца на основании массы частиц. На обеих фигурах горизонтальная ось логарифмически демонстрирует размер частиц, а на вертикальной оси на фигуре 4 нормализовано количество частиц, а на фигуре 5 - нормализована масса частиц. Прогон испытания провели при использовании топливной смеси, содержащей много хлора и щелочных металлов.
Как свидетельствует фигура 4, измерение количества частиц дает хорошее представление о количестве мелких частиц и, таким образом, о количестве хлоридов щелочных металлов в дымовых газах.
Как свидетельствует фигура 5, частицы в категории больших размеров, которые едва ли содержат какие-либо хлориды щелочных металлов, оказывают значительное воздействие на результат измерения при измерении на основании массы частиц. Отсюда можно прийти к заключению о том, что при измерении количества хлоридов щелочных металлов на основании массы разумным было бы использовать предварительное разделение, которое удаляет из дымовых газов те частицы чрезмерного размера, которые, как известно, содержат очень мало хлоридов щелочных металлов.
Фигура 6 демонстрирует пример термического процесса, в котором может быть использован способ, соответствующий изобретению. Котел (бойлер) 10 с циркулирующим псевдоожиженным слоем включает камеру сгорания 11, канал для дымовых газов 12 и циклон 13. Псевдоожиженный материал, переносимый совместно с дымовыми газами, отделяют от дымовых газов в циклоне 13. Псевдоожиженный материал возвращают в нижнюю часть камеры сгорания 11 через возвратный канал 14. Псевдоожижающий газ в камеру сгорания 11 подают из нижней части камеры сгорания. При помощи средств подачи топлива 15 в камеру сгорания 11 подают такое топливо, которым могут являться биотопливо, топливо, полученное из отходов, уголь или их смесь. В дополнение к этому воздух, необходимый для сжигания, в камеру сгорания вводят из воздушных форсунок 16. В соединении с котлом 10 с циркулирующим псевдоожиженным слоем присутствуют различные типы теплообменников, при использовании которых тепло передается от дымовых газов водяному пару, воде или воздуху. В верхней части камеры сгорания 11 имеется первый пароперегреватель 17, в возвратном канале 14 для псевдоожиженного материала имеется второй пароперегреватель 18, и в канале для дымовых газов 12 имеется множество теплообменников 19, 20, расположенных друг за другом. Все данные теплообменники 17, 18, 19, 20 подвергаются загрязнению и обусловленной хлором коррозии.
В соответствии с идеей изобретения количество мелких частиц может быть измерено в одной или нескольких точках по линии тока дымовых газов. Выгодные точки измерения представляют собой, например, верхнюю часть камеры сгорания 11 поблизости от первого пароперегревателя 17, возвратный канал 14 поблизости от второго пароперегревателя 18 и дымоход 12 поблизости от теплообменников 19, 20. Та же самая методика измерения может быть использована в нескольких различных точках по линии тока дымовых газов, благодаря чему результаты измерения будут сопоставимыми друг с другом.
Несмотря на описание в предшествующем изложении котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем, само собой разумеется то, что изобретение также может быть использовано, например, и в котлах с псевдоожиженным слоем, в колосниковых печах, в перегонных кубах для извлечения натрия, в установках для газификации и в пиролизерах.
В объеме охраны, определенном в формуле изобретения, которая представлена в последующем изложении, возможны и многочисленные различные модификации изобретения.