СПОСОБ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕКАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ОТ ОКСИДОВ АЗОТА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ С МНОГОЗОННЫМ ВВОДОМ В НИХ ВОССТАНОВИТЕЛЯ
METHOD FOR HIGH-TEMPERATURE NON-CATALYTIC REMOVAL OF NITROGEN OXIDES FROM COMBUSTION PRODUCTS WITH MULTI-ZONE INPUT OF REDUCING AGENT

Область использования
x
x
Изобретение относится к высокотемпературной очистке продуктов сгорания всех видов органического топлива от оксидов азота (NO) путем их селективного некаталитического восстановления (СНКВ) и может быть использовано для уменьшения выброса NO в атмосферу с дымовыми газами тепловых агрегатов различного назначения, преимущественно паровых котлов тепловых электростанций.
Уровень техники
x
x
Очистка дымовых газов путем СНКВ проводится обычно вводом в газы аммиаксодержащего восстановителя. Известны способы высокотемпературной очистки продуктов сгорания от оксидов азота путем их СНКВ (US 4208386, B01D 53/56, 1980; US 4325924, B01D 53/56, 1982 [1]), использующие в качестве восстановителя карбамид. При этом температурный интервал газового потока, в зону которого вводят восстановитель, составляет 1900…2500°F (1000…1350°C). Недостатком указанных способов является низкая эффективность процесса очистки газового потока из-за существенной температурной зависимости эффективности восстановления оксидов азота внутри указанного интервала. Кроме того, снижение или повышение температуры внутри указанного интервала относительно оптимальной приводит и к увеличению свыше допустимых пределов содержания в очищенных газах вторичного загрязнителя - аммиака. Дело в том, что в процессе эксплуатации тепловых агрегатов происходят значительные колебания их тепловой нагрузки, а следовательно, и температуры очищаемого газового потока. В случае снижения температуры газового потока в зоне ввода восстановителя снижается эффективность процесса СНКВ. Для решения этой проблемы используют добавки к восстановителю, снижающие температуру процесса восстановления NO, например, кислородсодержащие органические соединения: альдегиды, кетоны, этиленгликоль (US 4719092, B01D 53/56 [2]) или водородсодержащие неорганические соединения: гуанидин, меламин и другие (US 4751065; US 4770863; US 4927612; US 4119702 (все - B01D 53/56) [3]). Однако ввод указанных добавок, снижающих температуру хода эффективного процесса восстановления NO, тем не менее, не обеспечивает достаточной эффективности процесса очистки при колебаниях нагрузки тепловых агрегатов, а в ряде случаев приводит к образованию вторичных загрязнителей.
Известен принятый в качестве прототипа изобретения способ высокотемпературной очистки продуктов сгорания в газоходе теплового агрегата от оксидов азота путем их селективного некаталитического восстановления, заключающийся в том, что в ограниченные температурным диапазоном 850…1100°C выбранные зоны газохода между расположенными в нем поверхностями нагрева вводят аммиаксодержащий восстановитель (Zellinger G., Tauschitz J. Betrieb-serfahrungen mit der nichtkatalytischen Stickstoffoxidreduktion in den Dampfkraftwerken der Osterreichischen Draukraftwerke AG // VGB Kraftwerkstechnik, 1989, Bd. 69, H. 12, S.1194-2000 [4]). Согласно [4] каждая из указанных зон предназначена для работы при определенной тепловой нагрузке агрегата, при которой температура дымовых газов наиболее близка к оптимальной для СНКВ. Недостатками такого технического решения являются сложность регулировочного процесса выбора рабочей зоны с переключением работы соответствующего оборудования, а также возможность загрязнения дымовых газов аммиаком из-за необходимости работы с максимально высоким коэффициентом расхода восстановителя по отношению к его стехиометрическому значению.
Раскрытие изобретения
x
Задачей изобретения является повышение эффективности очистки дымовых газов от оксидов азота при исключении выброса в атмосферу вторичного загрязнителя в виде избытка восстановителя, а техническим результатом - обеспечение максимальной степени восстановления NO без превышения стехиометрического соотношения расхода восстановителя.
Решение указанной задачи и достижение указанного технического результата обеспечиваются тем, что при осуществлении способа высокотемпературной очистки продуктов сгорания в газоходе теплового агрегата от оксидов азота путем их СНКВ, заключающегося в том, что в ограниченные температурным диапазоном 850…1100°C выбранные зоны газохода между расположенными в нем поверхностями нагрева вводят аммиаксодержащий восстановитель согласно изобретению восстановитель вводят одновременно во все указанные выбранные зоны, причем в каждую из этих зон его подают с коэффициентом расхода по отношению к стехиометрическому расходу, меньшим единицы. При этом число зон ввода восстановителя преимущественно составляет 2…5; коэффициент расхода восстановителя, подаваемого в каждую зону очистки, устанавливают в диапазоне 0,2…0,8; в качестве восстановителя используют аммиак или карбамид.
Причинно-следственная связь между указанным техническим результатом и отличительными признаками изобретения состоит в следующем. Известно, что оптимальная температура, соответствующая максимальной степени восстановления оксидов азота с использованием в качестве восстановителя аммиаксодержащего соединения, находится в диапазоне 900…1000°C, тогда как практический температурный диапазон продуктов сгорания в возможной области их обработки более широк и составляет 850…1100°C. Этот температурный диапазон имеет место практически во всех тепловых агрегатах при работе на различных нагрузках. Но целесообразно осуществлять ввод восстановителя не в одной узкой температурной зоне с оптимальными условиями для восстановительного процесса, а во всем возможном температурном диапазоне, в котором может протекать СНКВ-процесс.
Эффективность очистки газов в каждой зоне при многозонном вводе восстановителя может быть меньше по сравнению с эффективностью однозонной схемы ввода. Это объясняется тем, что температура дымовых газов в каждой зоне ввода восстановителя различна и может отличаться от оптимальной температуры процесса. Однако суммарная эффективность многозонной схемы очистки будет выше по сравнению с однозонной. Это связано с тем, что увеличивается протяженность пути газов, на котором в них происходит процесс восстановления, а также увеличивается время реакции для данного объема газов. Кроме того, при реализации многозонного ввода восстановителя сокращается количество выброса вторичного загрязнителя также за счет увеличения объема и времени реакции.
Восстановитель подается в каждую зону очистки с коэффициентом расхода (отношение действительного расхода восстановителя к стехиометрически необходимому) меньшим единицы. При этом общее количество подаваемого восстановителя должно быть достаточным для восстановления оксидов азота (не менее стехиометрически необходимого количества), содержащихся в дымовых газах.
Краткое описание чертежа
На чертеже представлена принципиальная технологическая схема одного из возможных примеров реализации способа высокотемпературной очистки продуктов сгорания от оксидов азота согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
Способ согласно изобретению иллюстрируется примером представленной на чертеже принципиальной технологической схемы. На участке газохода 1 теплового агрегата, в рассматриваемых ниже примерах - пылеугольного энергетического парового котла, с начальной температурой газов на этом участке приблизительно 1100°C, установлены поверхности нагрева, в том числе первый ширмовый пароперегреватель (ШПП) 2, вторая ступень 3 второго ШПП и первая ступень 4 второго ШПП, за которым продукты сгорания органического топлива охлаждаются до температуры 850°C. Для высокотемпературной очистки продуктов сгорания от содержащихся в них оксидов азота в свободном от поверхностей нагрева 2-4 пространстве газохода 1 выбраны три температурные зоны А, В, С, для ввода в которые восстановителя предусмотрена арматура соответственно 5-8. Восстановитель в чистом виде (аммиак, карбамид) или в смеси с водяным паром в качестве носителя одновременно вводят в начальные участки всех указанных зон с помощью арматуры 5-8, при этом коэффициент расхода восстановителя, подаваемого в каждую зону очистки, устанавливают в диапазоне 0,2…0,8. При смешении восстановителя с продуктами сгорания происходит реакция восстановления оксидов азота. Результаты опытной проверки указанной технологической схемы приведены ниже для четырех различных примеров. В первых двух примерах используется только одна зона, в двух последующих - три. Содержание оксидов азота и аммиака после очистки измерялось в охлажденных продуктах сгорания (дымовых газах) на выходе из котла перед их выбросом в дымовую трубу.
3
Пример 1. Расход очищаемых газов через газоход 1 составлял 1100000 нм/ч. При стопроцентной нагрузке в зону B газохода 1, расположенную в рассечке между ступенями 3, 4 второго ШПП, подавали предварительно полученную с использованием 40%-го раствора карбамида парогазовую восстановительную смесь. Температура продуктов сгорания в этой зоне составляла в среднем 1006°C. Коэффициент расхода карбамида был равен 1. Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
NN
Расход карбамида, л/ч
Содержание NO<sub>x</sub> в дымовых газах после очистки, мг/м<sup>3</sup>
Степень очистки, %
Содержание NH<sub>3</sub> в дымовых газах, мг/м<sup>3</sup>
1.
0
1080
0
0
2.
1930
490
55
35
3.
1900
540
50
27
4.
1850
530
51
20
3
Пример 2. Объем очищаемых газов 800000 нм/ч. При нагрузке 70% в высокотемпературную зону котла, расположенную в зоне В, подавали предварительно полученную с использованием 40%-го раствора карбамида парогазовую восстановительную смесь. Температура продуктов сгорания в этой зоне составляла в среднем 860°C. Коэффициент расхода карбамида был равен 1. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2
NN
Расход карбамида, л/ч
Содержание NO<sub>x</sub> в дымовых газах после очистки, мг/м<sup>3</sup>
Степень очистки, %
Содержание NH<sub>3</sub> в дымовых газах, мг/м<sup>3</sup>
1.
0
850
0
0
2.
1100
620
27
38
3.
1120
630
26
45
4.
1080
645
24
33
Пример 3. При стопроцентной нагрузке восстановительная смесь подавалась одновременно в три зоны А, В, С очистки. Температура продуктов сгорания в первой зоне A составляла в среднем 1049°C, во второй зоне B - в среднем 1006°C, в третьей зоне C - в среднем 963°C. Коэффициент расхода карбамида в каждой зоне очистки составлял от 0,2 до 0,5. Остальные условия испытаний аналогичны приведенным в примере 1. Результаты испытаний приведены в таблице 3.
Таблица 3
NN
Расход карбамида, л/ч
Содержание NO<sub>x</sub> в дымовых газах после очистки, мг/м<sup>3</sup>
Степень очистки, %
Содержание NH<sub>3</sub> в дымовых газах, мг/м<sup>3</sup>
Зона А
Зона В
Зона С
1.
0
0
0
1080
0
0
2.
390
980
570
240
78
3
3.
390
770
770
260
76
5
4.
580
390
770
300
72
2
Пример 4. При нагрузке 70% восстановительная смесь подавалась одновременно в три зоны А, В, С очистки. Температура продуктов сгорания в зоне A составляла в среднем 1045°C, в зоне B - в среднем - 933°C, в зоне C - в среднем 890°C. Коэффициент расхода карбамида в каждой зоне очистки составлял от 0,2 до 0,6. Остальные условия испытаний аналогичны приведенным в примере 1. Результаты испытаний приведены в таблице 4.
Таблица 4
NN
Расход карбамид, л/ч
Содержание NO<sub>x</sub> в дымовых газах после очистки, мг/м<sup>3</sup>
Степень очистки, %
Содержание NH<sub>3</sub> в дымовых газах, мг/м<sup>3</sup>
Зона A
Зона B
Зона C
1.
0
0
0
850
0
0
2.
330
550
220
240
72
3
3.
220
650
770
220
74
2
4.
220
550
330
215
75
3
Анализ приведенных в таблицах 1-4 результатов очистки отходящих продуктов сгорания от оксидов азота показал значительное повышение степени очистки газов при многоступенчатом вводе восстановителя по сравнению с одноступенчатым, существенное снижение содержания аммиака в очищенных дымовых газах, а также стабильно высокую степень очистки газов при изменении нагрузки котла.