СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ТОПЛИВОСЖИГАЮЩИХ АГРЕГАТОВ
METHOD FOR DISINFECTION OF SMOKE GASES OF FUELBURN AGGREGATES

Изобретение относится к способам обеззараживания дымовых газов, а именно к способам снижения концентрации оксидов азота и углерода в дымовых газах, которые отходят от топливосжигающих агрегатов, в частности коксовых батарей, и может быть использовано в металлургической и других отраслях промышленности.
Известен способ очистки дымовых газов от оксидов азота путем введения в дымовые газы при температуре 1100-1400°С водной суспензии алюмосиликата (см. авт. свид. СССР №879157, М. кл. F23G 7/06, опубл. 07.11.81 г.).
Недостатками известного способа являются его высокая себестоимость, поскольку использование алюмосиликатного катализатора требует наличия специальных устройств, предназначенных для введения указанной суспензии в продукты сгорания, и недостаточная эффективность обеззараживания дымовых газов, которые отходят от топливосжигающих агрегатов.
Известен способ обеззараживания дымовых газов топливосжигающих агрегатов, принятый в качестве прототипа, который включает сжигание топлива в топливной камере топливосжигающего агрегата в режиме неполного сгорания топлива при минимально возможном коэффициенте избытка воздуха (α), а дожигание дымовых газов, которые отходят от топливосжигающего агрегата, осуществляют в реакторе путем введения в реактор дополнительного газообразного топлива и дополнительного воздуха (см. пат. Украины №47140 А, МПК F23G 7/00, опубл. 17.06.2002 г.).
Недостатком известного способа является недостаточная степень очистки дымовых газов от оксидов азота и углерода, которые отходят от топливосжигающего агрегата. Процесс дожига дымовых газов не является оптимальным, а именно дожиг происходит в статическом режиме без регулирования количества и теплотворной способности дополнительного газообразного топлива и количества дополнительного воздуха, которые подают в реактор. Также не учитывается содержание кислорода в дымовых газах, который приводит к необоснованным затратам дополнительного газообразного топлива.
Задачей заявляемого изобретения является разработка высокоэффективного и экономичного способа обеззараживания дымовых газов топливосжигающих агрегатов, который обеспечивает снижение концентрации оксидов азота и углерода в дымовых газах как за счет управления образованием дымовых газов в топливосжигающем агрегате в процессе сжигания топлива, так и в результате регулирования режима дожига дымовых газов, которые отходят от топливосжигающих агрегатов.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе обеззараживания дымовых газов топливосжигающих агрегатов, согласно которому сжигание топлива в топливной камере топливосжигающего агрегата ведут в режиме неполного сгорания топлива при минимально возможном коэффициенте избытка воздуха (α), а дожиг дымовых газов, которые отходят от топливосжигающего агрегата, осуществляют в реакторе путем введения в реактор дополнительного газообразного топлива и дополнительного воздуха, согласно заявляемому изобретению температуру в реакторе поддерживают на уровне 750-1200°С, при этом для сжигания горючих составляющих топлива и дымовых газов используют кислород, который содержится в дымовых газах, а регулирование режима дожига дымовых газов ведут путем регулирования подачи дополнительного газообразного топлива в реактор в соответствии со следующей зависимостью:
п
3
где φ - количество дополнительного газообразного топлива, м/ч:
дг
3
φ - количество дымовых газов, которые поступили на обеззараживание, м/ч;
дг
3
С - теплоемкость дымовых газов, ккал/м °С;
p
t - температура дымовых газов в реакторе, °С;
дг
t - температура дымовых газов на выходе топливной камеры топливосжигающего агрегата, °С;
внс
Q - затраты тепла, которое выделяется в окружающую среду, ккал/ч;
пс
Q - количество тепла, которое образуется в результате сжигания горючих составляющих, содержащихся в дымовых газах, ккал/ч;
п
3
q - теплотворная способность дополнительного газообразного топлива, ккал/м,
при этом регулируют подачу дополнительного воздуха для сжигания дополнительного газообразного топлива в соответствии со следующей зависимостью:
дп
3
где L - количество дополнительного воздуха, м/ч;
2т
3
3
О - теоретическое количество кислорода, которое необходимо для сжигания дополнительного топлива, м/м;
2дг
3
3
О - количество кислорода в дымовых газах, м/м;
р
α - коэффициент избытка воздуха в реакторе;
п
3
φ - количество дополнительного газообразного топлива, м/ч;
дг
3
φ - количество дымовых газов, которые поступили на обеззараживание, м/ч.
3
3
При сжигании топлива в топливной камере топливосжигающего агрегата устанавливают такой режим неполного сгорания топлива, который обеспечивает необходимый состав дымовых газов на выходе топливосжигающего агрегата, а именно при минимально возможном коэффициенте избытка воздуха α в топливной камере образуются дымовые газы с низким уровнем концентрации оксидов азота (250-450 мг/м) и с чрезмерным содержанием оксида углерода (1000-20000 мг/м). Это достигается как путем регулирования подачи воздуха к топливной камере топливосжигающего агрегата, так и за счет управления гидравлическим режимом топливосжигающего агрегата.
Дожигание дымовых газов, которые отходят от топливосжигающего агрегата, осуществляют в реакторе при температуре, которую поддерживают в реакторе на уровне 750-1200°С, путем введения в реактор дополнительного газообразного топлива. Процесс сгорания дополнительного газообразного топлива осуществляют с использованием кислорода, который содержится в дымовых газах, и дополнительного воздуха, который также вводят в реактор. Регулирование режима дожига дымовых газов ведут путем регулирования подачи дополнительного газообразного топлива в соответствии с вышеприведенной зависимостью (1), при этом регулируют подачу дополнительного воздуха для сжигания дополнительного газообразного топлива в соответствии с зависимостью (2).
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в снижении концентрации оксидов азота и углерода в газообразных отходах (дымовых газах) путем снижения начальной концентрации оксидов азота за счет выбора оптимальных режимов образования дымовых газов в топливосжигающем агрегате и их дожига. Выбор оптимальных режимов образования дымовых газов в топливосжигающем агрегате проводится с учетом исходного теоретического соотношения оксидов азота и углерода при различных коэффициентах избытка воздуха (α).
В результате регулирования режима дожига дымовых газов в реакторе при температуре 750-1200°С происходит снижение концентрации оксидов азота и углерода в газообразных отходах к предельно допустимым значениям, которые и есть тем техническим результатом, который достигается в заявленном изобретении.
На чертеже изображен топливосжигающий агрегат, в котором реализуется заявляемый способ обеззараживания дымовых газов топливосжигающих агрегатов.
Заявляемый способ осуществляется в топливосжигающем агрегате, в частности коксовой батарее (условно показанной на чертеже), которая используется при производстве кокса. Известно, что коксовая батарея имеет от 65 до 77 коксовых печей, каждая из которых содержит отдельную топливную камеру. При работе коксовой батареи режимы работы каждой топливной камеры существенно отличаются между собой, что зависит от состояния кладки отопительной системы коксовой батареи и других факторов, связанных с особенностями производства кокса в коксовых батареях.
Рассмотрим возможность реализации заявленного изобретения на примере одной топливной камеры коксовой батареи.
3
3
На чертеже показана топливная камера 1 коксовой батареи, в которую подавали топливо и воздух. При этом расход воздуха устанавливали таким образом, чтобы создать условия сгорания топлива при минимально возможном коэффициенте избытка воздуха α. Регулирование расхода топлива и воздуха, которые подаются на сгорание, осуществляли с помощью клапанов 2, установленных на подводных трубопроводах 3, 4 подачи топлива и воздуха к топливной камере 1 коксовой батареи соответственно. В качестве топлива использовали коксовый газ. Величина коэффициента избытка воздуха α в топливной камере 1 коксовой батареи составляла 1,1-1,3. Вследствие сгорания топлива в топливной камере 1 при минимально возможном коэффициенте избытка воздуха (α=1,1-1,3) происходило образование дымовых газов с повышенным содержанием оксида углерода при незначительном образовании оксидов азота, что объясняется высокой активностью атомарного углерода, который присоединяет к себе атомарный кислород в процессе горения. В результате концентрация оксидов азота на выходе топливосжигающего агрегата снижалась до 250-450 мг/м (см. Табл.1). (Концентрация оксидов азота, которая обычно образуется в топливных камерах коксовых батарей, находится на уровне 1000-1200 мг/м.) Указанное снижение концентрации оксидов азота в топливной камере 1 коксовой батареи при реализации заявленного технического решения обеспечивалось как путем регулирования подачи воздуха в топливную камеру топливосжигающего агрегата, так и за счет управления гидравлическим режимом топливосжигающего агрегата.
3
Предельные показатели повышенного содержания оксида углерода при указанных показателях коэффициента избытка воздуха α составляли 1000-10000 мг/м в дымовых газах на выходе топливной камеры 1.
п
дп
Дожигание дымовых газов, которые отходят от топливосжигающего агрегата, осуществляли в реакторе 5 путем введения в реактор 5 дополнительного газообразного топлива при температуре, которую поддерживали в реакторе 5 на уровне 750-1200°С. Процесс сгорания дополнительного газообразного топлива осуществляли с использованием кислорода, который содержался в дымовых газах, и дополнительного воздуха, который также вводили в реактор 5. Динамическое регулирование режима дожига дымовых газов обеспечивали путем регулирования количества дополнительного газообразного топлива (φ) и количества дополнительного воздуха (L), которые подавали в реактор 5 в соответствии с вышеприведенными зависимостями (1), (2).
дг
дг
p
дг
внс
пс
п
дп
2т
2дг
р
При этом учитывали такие показатели, как количество дымовых газов, которые поступили на обеззараживание (φ), теплоемкость дымовых газов (С), температуру дымовых газов в реакторе 5 (t), температуру дымовых газов на выходе топливной камеры 1 топливосжигающего агрегата (t), затраты тепла, которое выделяется в окружающую среду (Q), количество тепла, которое образуется от сжигания горючих составляющих, содержащихся в дымовых газах (Q), теплотворную способность дополнительного топлива (q), количество дополнительного воздуха (L), теоретическое количество кислорода, которое необходимо подать для сжигания дополнительного топлива (O), количество кислорода в дымовых газах (O) и коэффициент избытка воздуха в реакторе (α).
3
3
В связи с тем, что сгорание дополнительного газообразного топлива проводили со значительной балластировкой дымовыми газами, концентрация дополнительного содержания оксидов азота, которые образовывались при сгорании дополнительного топлива, была незначительной. Таким образом, при дожиге дымовых газов в реакторе 5 при температуре 750-1200°С концентрация оксида углерода в дымовых газах на выходе из реактора 5 снижалась до 5-150 мг/м, а концентрация оксидов азота оставалась на уровне 200-450 мг/м (см. Табл.2). Затем дымовые газы, которые выходили из реактора 5, подавали в котел-утилизатор 6, где они охлаждались до температуры 150-190°С, а потом с помощью дымососа 7 отводились в дымовую трубу 8.
п
При дожиге дымовых газов, которые отходили из топливной камеры 1 топливосжигающего агрегата, в качестве дополнительного газообразного топлива использовали или природный газ, или коксовый газ, или доменный газ, или смесь указанных газов, которые вводили в реактор 5 в соотношении 1:2-1:20 относительно количества дымовых газов в зависимости от теплотворной способности дополнительного топлива (q).
Примеры осуществления способа.
Испытания заявляемого способа проводились на коксовой батарее №1 ОАО «ЗАПОРОЖКОКС».
Пример 1.
дг
Количество дымовых газов (φ), которые поступали на обеззараживание - 120000
3
2
2
2
2
дг
м/ч. Состав дымовых газов, которые отходили из топливной камеры 1 коксовой батареи, был следующим, в мас.%: O=4,8; СO=5,8; НO=17,3; N=72,1; CO=0,2. Температура дымовых газов на выходе топливной камеры 1 топливосжигающего агрегата (t) равнялась 300°С. При этом минимальный выход оксидов азота (374
3
3
3
3
3
р
2
2
m
n
4
2
2
п
дп
п
п
дп
мг/м), содержащихся в дымовых газах, которые отходили из топливной камеры 1, был обеспечен при минимально возможном коэффициенте избытка воздуха α=1,3. Выход оксида углерода в дымовых газах на выходе из топливной камеры 1 составлял 2100 мг/м. Затем дымовые газы, которые отходили из топливной камеры 1, направляли в реактор 5, где дожигали при температуре 910°С и коэффициенте избытка воздуха в реакторе α=1,3. В качестве дополнительного топлива использовали коксовый газ следующего состава, в мас.%: СO=2,2; O=1,1; СН=2,2; СO=6,3; СН=25,3; N=58,0; Н=4,9. Динамическое регулирование режима дожига дымовых газов в реакторе 5 вели путем регулирования количества дополнительного газообразного топлива (φ) и количества дополнительного воздуха (L), которые подавали в реактор 5 в соответствии с вышеприведенными зависимостями (1), (2). Так, количество дополнительного газообразного топлива (φ) составило 6437 м/ч при теплотворной способности дополнительного газообразного топлива (q) - 4000 ккал/м, а количество дополнительного воздуха (L) - 14834 м/ч.
3
3
3
3
При этом концентрация оксида углерода в дымовых газах на выходе из реактора 5 составляла 82 мг/м, а концентрация оксидов азота снижалась до 276 мг/м. После чего очищенные дымовые газы с величиной концентрации оксидов азота - 276 мг/м и оксида углерода - 82 мг/м выводились в атмосферу.
Пример 2.
дг
Количество дымовых газов (φ), которые поступали на обеззараживание, - 130000
3
3
3
2
2
2
2
2
дг
р
2
2
m
n
4
2
2
м/ч. Состав дымовых газов, отходящих из топливной камеры 1 коксовой батареи, был следующим, в мас.%: O=4,5; СO=5,6; НО=16,4; N=73,3; СO=0,15; Н=0,05. Температура дымовых газов на выходе топливной камеры 1 топливосжигающего агрегата (t) равнялась 280°С. При этом выход оксидов азота (438 мг/м), содержащихся в дымовых газах, которые отходили из топливной камеры 1, был обеспечен при коэффициенте избытка воздуха α=1,3. Выход оксида углерода в дымовых газах на выходе из топливной камеры 1 составлял 1560 мг/м. Затем дымовые газы, отходящие из топливной камеры 1, направляли в реактор 5, где дожигали при температуре 1170°С и коэффициенте избытка воздуха в реакторе α=1,3. В качестве дополнительного топлива использовали коксовый газ следующего состава, в мас.%: СO=2,2; O=1,1; СН=2,2; СO=6,3; СН=25,3; N=58,0; H=4,9.
п
дп
п
п
дп
3
3
3
Динамическое регулирование режима дожига дымовых газов вели путем регулирования количества дополнительного газообразного топлива (φ) и количества дополнительного воздуха (L), которые подавали в реактор 5 в соответствии с вышеприведенными зависимостями (1), (2). Так, количество дополнительного газообразного топлива (φ) составило 10350 м/ч при теплотворной способности дополнительного топлива (q) - 4000 ккал/м, а количество дополнительного воздуха (L) - 35300 м/ч.
3
3
3
3
При этом концентрация оксида углерода в дымовых газах на выходе из реактора 5 составляла 12 мг/м, а концентрация оксидов азота снижалась до 367 мг/м. После чего дымовые газы, очищенные до концентрации оксидов азота - 367 мг/м и оксида углерода - 12 мг/м, выводились в атмосферу.
В Таблице 1 приведены данные относительно концентрации оксидов азота и углерода в дымовых газах, которые отходят от топливной камеры 1 топливосжигающего агрегата, в зависимости от коэффициента избытка воздуха α в топливной камере 1.
Таблица 1
Коэффициент избытка воздуха α
Концентрация оксида углерода (СО), мг/м<sup>3</sup>
Концентрация оксидов азота (NO<sub>x</sub>), мг/м<sup>3</sup>
1,1
>10000
<250
1,2
4500-6000
250-300
1,3
1000-3000
350-450
1,4
400-600
500-700
1,5
200-300
750-800
1,6
100-150
850-950
1,8
<100
1000-1100
п
дп
2
3
В Таблице 2 приведены данные, указывающие на концентрацию оксидов азота и углерода в дымовых газах после дожига в реакторе 5 топливосжигающего агрегата в зависимости от количества дополнительного газообразного топлива (φ) и количества дополнительного воздуха (L). При этом количество дымовых газов, которые отходили из топливной камеры 1 и поступали в реактор 5, составило 120000-140000 м/ч при температуре 270-320°С и содержании О, равном 4,4-4,7%.
Таблица 2
Температура дымовых газов в реакторе 5 (t<sub>p</sub>), °С
Количество дополнительного газообразного топлива (φ<sub>п</sub>),м<sup>3</sup>/ч
Количество дополнительного воздуха (L<sub>дп</sub>), м<sup>3</sup>/ч
Концентрация оксида углерода (СО), мг/м<sup>3 </sup>на выходе реактора 5
Концентрация оксидов азота (NO<sub>x</sub>), мг/м<sup>3</sup>
<750
4000-4800
1150-4360
>600
<200
750-850
5000-5500
5800-8200
85-150
200-250
850-950
6300-7000
12400-16500
65-85
250-280
950-1050
7000-7800
18100-23600
40-65
280-300
1050-1150
8000-9300
25700-32100
25-40
300-350
1150-1200
10000-10500
34250-39800
5-25
350-450
>1250
>11000
>42000
0-5
>600