Способ очистки от оксидов азота продуктов сгорания топлива в газоходе теплового агрегата и установка для его осуществления
METHOD OF PURIFICATION FROM NITROGEN OXIDES OF FUEL COMBUSTION PRODUCTS IN GAS DUCT OF THERMAL UNIT AND INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано, в частности, для снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания тепловых агрегатов различного назначения, например, котлов при сжигании различных видов органического топлива.
Уровень техники
Очистка дымовых газов от оксидов азота, образующихся в результате сжигания угля, мазутов, нефтепродуктов и другого органического топлива является важной задачей ввиду того, что выброшенный в атмосферу оксид азота при реакции с атмосферной водой образует азотную кислоту, которая впоследствии выпадает на землю вместе с атмосферными осадками, отрицательно воздействуя на всех представителей флоры и фауны.
Из уровня техники известен принятый в качестве прототипа первого объекта заявляемого изобретения способ очистки от оксидов азота продуктов сгорания топлива в газоходе теплового агрегата, заключающийся в том, что в качестве восстановительного реагента используют водный раствор карбамида, который смешивают с перегретым паром, и затем подают полученную смесь в высокотемпературную и низкотемпературную зоны газохода, при этом в качестве активатора восстановительного реагента, который добавляют в смесь перегретого пара и водного раствора карбамида, подаваемую в низкотемпературную часть газохода, используют озон в виде озоновоздушной смеси (RU 113671 U1, опубл. 27.02.2012 г. (далее - [1])).
Из уровня техники известна принятая в качестве прототипа второго объекта заявляемого изобретения установка для очистки от оксидов азота продуктов сгорания топлива в газоходе теплового агрегата, содержащая источник восстановительного реагента - водного раствора карбамида, источник перегретого пара, смеситель восстановительного реагента с перегретым паром для подготовки восстановительной смеси, подаваемой в высокотемпературную зону газохода, источник активатора восстановительного реагента, устройство для подготовки активированной восстановительной смеси, подаваемой в низкотемпературную зону газохода, а также линии, соединяющие указанные элементы установки и линии для подачи восстановительной и активированной восстановительной смесей в соответствующие температурные зоны газохода. При этом в качестве активатора восстановительного реагента выбран озон в виде озоновоздушной смеси, а устройство для подготовки активированной восстановительной смеси выполнено в виде первого смесителя, один из входов которого соединен с источником восстановительного реагента, другой - с источником перегретого пара, и второго смесителя, один из входов которого соединен с выходом первого смесителя, другой - с источником активатора восстановительного реагента ([1]).
Недостатками известных из [1] способа и установки являются:
- использование озона в виде озоновоздушной смеси в качестве активатора окисления оксидов азота, т.к. озон является одним из самых сильных окислителей и в высоких концентрациях он чрезвычайно опасен для людей из-за возможности отравления;
- трудность поддержания стабильных концентраций озона из-за его быстрого разложения в воздушной и водной средах, что вызывает значительное неудобство в его эксплуатации;
- использование озона вызывает сильную коррозию оборудования, что приводит к необходимости использования специальных дорогостоящих антикоррозионных материалов;
- высокая энергоемкость процесса получения используемого озона;
- необходимость поддержания определенного температурного режима, не допускающего быстрого разложения озона, и соблюдение особых правил техники безопасности при его производстве.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемой группы изобретений является улучшение технологических и эксплуатационных характеристик процесса очистки от оксидов азота продуктов сгорания топлива в газоходе теплового агрегата, снижение энергоемкости процесса очистки дымовых газов от оксидов азота, снижение скорости коррозии оборудования установки и обеспечение безопасных условий при работе персонала с установкой, а техническим результатом - обеспечение более высокой и стабильной степени очистки дымовых газов от оксидов азота.
2
3
2
Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата применительно к первому объекту патентуемой группы изобретений, обеспечивается тем, что способ очистки от оксидов азота продуктов сгорания топлива в газоходе теплового агрегата, заключается в том, что в качестве восстановительного реагента используют водный раствор карбамида, который смешивают с перегретым паром, и затем подают первую полученную смесь в высокотемпературную и низкотемпературную зоны газохода. При этом активатор каталитического окисления оксидов азота смешивают с перегретым паром и затем подают вторую полученную смесь в низкотемпературную зону газохода, после чего активатор каталитического окисления оксидов азота выводят из газохода до области его низкотемпературной зоны, в которую подают первую полученную смесь водного раствора карбамида с перегретым паром. При этом в качестве активатора каталитического окисления оксидов азота используется природная руда, содержащая, масс. %: FeO - 3-29; MnO - 7-43; остальное - оксидные минералы до 100%.
Причем после вывода активатора каталитического окисления оксидов азота из газохода его повторно смешивают с перегретым паром и подают полученную смесь в газоход до области его низкотемпературной зоны, в которую подают первую полученную смесь водного раствора карбамида с перегретым паром.
2
3
2
Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата применительно ко второму объекту патентуемой группы изобретений обеспечивается тем, что установка для очистки от оксидов азота продуктов сгорания топлива в газоходе теплового агрегата, содержит: источник восстановительного реагента - водного раствора карбамида; источник перегретого пара; первый смеситель, первый вход которого соединен с помощью паропровода с источником перегретого пара, а второй вход - с помощью трубопровода, на линии которого установлен насос, с источником восстановительного реагента; первое раздающее устройство, установленное в высокотемпературной зоне газохода, вход которого соединен с помощью трубопровода с выходом первого смесителя; второй смеситель, первый вход которого соединен с помощью паропровода с источником перегретого пара, а второй вход - с помощью трубопровода, на линии которого установлен насос, с источником восстановительного реагента; и второе раздающее устройство, установленное в низкотемпературной зоне газохода, вход которого соединен с помощью трубопровода с выходом второго смесителя. При этом установка также содержит источник активатора каталитического окисления оксидов азота, выход которого соединен с помощью трубопровода с первым входом устройства для подготовки активатора каталитического окисления оксидов азота, второй вход которого соединен с помощью паропровода с источником перегретого пара, а выход - с помощью трубопровода с низкотемпературной зоной газохода перед установленным на ее линии до второго раздающего устройства инерционным улавливателем твердых частиц, линия вывода твердых частиц которого соединена с помощью трубопровода с третьим входом устройства для подготовки активатора каталитического окисления оксидов азота. При этом в качестве активатора каталитического окисления оксидов азота используется природная руда, содержащая, масс. %: FeO - 3-29; MnO - 7-43; остальное - оксидные минералы до 100%.
Установка также содержит трубопровод, предназначенный для подачи нагретого воздуха, который присоединен к устройству для подготовки активатора каталитического окисления оксидов азота, и нагреватель, установленный на линии трубопровода, соединяющего выход второго смесителя и вход второго раздающего устройства, установленного в низкотемпературной зоне газохода. Причем установка может содержать как минимум один дополнительный инерционный улавливатель твердых частиц, установленный на линии низкотемпературной зоны газохода до второго раздающего устройства. При этом все инерционные улавливатели твердых частиц на линии низкотемпературной зоны газохода до раздающего устройства устанавливаются последовательно.
Причинно-следственная связь между отличительными признаками заявляемой группы изобретений и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
Восстановление оксидов азота с помощью восстановителя - аммиака протекает по следующим реакциям:
Вследствие токсичности и сложности регулирования подачи аммиака, в заявляемой группе изобретений используются нетоксичный и достаточно широко распространенный карбамид (мочевина). Мочевина подается в виде 32,5% (по массе) водного раствора, которая смешивается с перегретым паром, и затем подается в высокотемпературную и низкотемпературную зоны газохода.
x
2
x
Эффективность конверсии NO существенно зависит от отношения NO/NO и достигает максимума, когда это отношение равняется 1, при этом условии может обеспечиваться снижение выбросов NO на 76-88%. Такой показатель эффективности высокотемпературного восстановительного процесса очистки явно недостаточен для современных требований в энергетике. Более высокая конечная эффективность может быть обеспечена дополнительной стадией низкотемпературного каталитического восстановления.
На первой стадии очистки осуществляется подача восстановительной смеси в высокотемпературную зону газохода к установленному внутри нее раздающему устройству.
На второй стадии очистки подача восстановительной смеси в низкотемпературную зону газохода к установленному внутри нее раздающему устройству осуществляется через нагреватель после проведения каталитического окисления монооксида азота до диоксида согласно реакции:
2
3
2
Функцию катализатора в реакции окисления (4) выполняют оксиды железа FeO и марганца MnO в составе оксидной минеральной композиции.
Диоксид марганца в виде пиролюзита, как основной окислительный компонент твердой смеси, может взаимодействовать с восстановителем -аммиаком при совместном их введении в очищаемый газовый поток, например, по следующей реакции:
Поэтому для наиболее эффективного использования восстановительного реагента его вводят в освобожденный от твердых частиц газовый поток.
Введение в газовый поток реагентов окисления в виде твердофазного компонента железомарганцевой руды с соединениями марганца в виде пиролюзита, выполняющего также и роль катализатора, ускоряющего взаимодействие реагирующих газовых сред посредством дополнительного оборудования ввода, сепарации и рецикла, позволяет повысить эффективность очистки от оксидов азота дымовых газов в целом. Вместе с тем, введение каталитической ступени окисления с дополнительным оборудованием не увеличивает нагрузку на штатный дымосос, так как необходимый напор газовой смеси в газоходе создается давлением воздуха и пара, проходящего через устройство для подготовки активатора каталитического окисления оксидов азота.
Использование в установке инерционного улавливателя твердых частиц, выполняющего функции сепарации и рецикла, обеспечивает снижение расхода твердого активатора каталитического окисления оксидов азота, стабильность и безопасность работы установки.
Краткое описание чертежа
На фиг. изображена схема установки для очистки от оксидов азота продуктов сгорания топлива в газоходе теплового агрегата в виде отдельных блоков.
Описание позиций чертежа
1 - энергетический котел;
2 - источник восстановительного реагента;
3 - источник перегретого пара;
4 - первый смеситель восстановительного реагента;
5 - трубопровод;
6 - насосы-дозаторы;
7, 8 - паропроводы;
9 - трубопровод;
10 - первое раздающее устройство;
11 - источник активатора окисления оксидов азота;
12 - устройство для подготовки активированной окислительно-восстановительной смеси;
13 - инерционный улавливатель твердых частиц;
14 - второе раздающее устройство;
15 - регенеративный воздухоподогреватель;
16 - дымосос;
17 - второй смеситель восстановительного реагента;
18 - нагреватель;
19 - трубопровод;
20 - паропровод;
21, 22, 23, 24, 25 - трубопроводы.
Осуществление изобретения
Ниже приведен частный пример осуществления способа очистки от оксидов азота продуктов сгорания топлива в газоходе теплового агрегата и принцип работы установки для его осуществления.
2
3
2
Установка для очистки от оксидов азота продуктов сгорания топлива в газоходе теплового агрегата, в данном примере энергетического котла 1, содержит источник восстановительного реагента 2 - водного раствора карбамида, в качестве которого используется мочевина в виде 32,5% (по массе) водного раствора, источник 3 перегретого пара, первый смеситель восстановительного реагента 4, соединенный с помощью трубопровода 5, оборудованного насосом-дозатором 6, с источником 2 восстановительного реагента и с помощью паропроводов 7, 8 с источником перегретого пара 3, и второй смеситель восстановительного реагента 17, соединенный с помощью трубопровода 19, оборудованного насосом-дозатором 6, с источником восстановительного реагента 2 и с помощью паропроводов 7, 20 с источником перегретого пара 3. С помощью трубопровода 9 первый смеситель 4 соединен с первым раздающим устройством 10, установленным в высокотемпературной зоне газохода энергетического котла 1. С помощью трубопровода 21, на линии которого установлен нагреватель 18, второй смеситель 17 соединен с вторым раздающим устройством 14, установленным в высокотемпературной зоне газохода энергетического котла 1. Установка также содержит источник активатора каталитического окисления оксидов азота 11, оборудованный шнековым питателем (на фиг. не показан), выход которого соединен с помощью трубопровода 22 с первым входом устройства для подготовки активированной окислительно-восстановительной смеси 12, выполненного в виде смесителя, второй вход которого соединен с паропроводом 7 и трубопроводом нагретого воздуха 23, а выход - с помощью трубопровода 25 с низкотемпературной зоной газохода перед установленным на ее линии до второго раздающего устройства 14 инерционным улавливателем твердых частиц 13, линия вывода твердых частиц которого соединена с помощью трубопровода 24 с третьим входом устройства для подготовки активированной окислительно-восстановительной смеси 12. На линии низкотемпературной зоны газохода после второго раздающего устройства 14 установлен регенеративный воздухоподогреватель 15, который нагревает воздух, поступающий через трубопровод для подачи нагретого воздуха 23, и дымосос 16 после него. При этом в качестве активатора каталитического окисления оксидов азота используется порошок природной руды Порожинского месторождения, содержащей, масс. %: FeO - 3-29; MnO - 7-43; остальное - оксидные минералы до 100% (Фиг. ).
Установка для очистки от оксидов азота продуктов сгорания топлива в газоходе теплового агрегата работает следующим образом.
В энергетическом котле 1 при сжигании топлива в продуктах его сгорания образуются оксиды азота. Для уменьшения содержания оксидов азота в выбрасываемых через дымовую трубу (на чертеже не показана) дымовых газах в высокотемпературной (900…1000°С) и низкотемпературной (250…350°С) зонах газохода энергетического котла 1 проводят очистку газообразных продуктов сгорания путем их обработки в каждой зоне реакционной смесью - восстановительным водным раствором карбамида, который разлагается при указанных температурах с образованием восстановителя аммиака, и перегретым паром.
Для приготовления реакционной смеси, поступающей в высокотемпературную зону газохода, сначала водный раствор карбамида направляют из источника восстановительного реагента 2 с помощью насоса-дозатора 6 по трубопроводу 5 в первый смеситель 4, в который также поступает перегретый пар из источника 3 по паропроводам 7, 8. При этом смешение водного раствора карбамида и перегретого пара производят при температуре в диапазоне 150…400°С, давлении 0,3…1,0 МПа, в течение 0,5…5,0 с. Затем полученная в первом смесителе 4 реакционная смесь поступает в высокотемпературную зону газохода через трубопровод 9 и первое раздающее устройство 10.
Для приготовления реакционной смеси, поступающей в низкотемпературную зону газохода, сначала водный раствор карбамида 32,5% (по массе) водного раствора, направляют из источника восстановительного реагента 2 с помощью насоса-дозатора 6 по трубопроводу 19 во второй смеситель 17, в который также поступает перегретый пар из источника 3 по паропроводам 7, 20. При этом смешение водного раствора карбамида и перегретого пара также производят при температуре в диапазоне 150…400°С, давлении 0,3…1,0 МПа, в течение 0,5…5,0 с. Затем полученная во втором смесителе 17 реакционная смесь поступает в низкотемпературную зону газохода через трубопровод 21 с установленным на его линии нагревателем 18, в котором она нагревается до температуры 250-350°С для повышения химической активности, и второе раздающее устройство 14.
2
3
2
Для более глубокого восстановления оксида азота аммиаком в вышеуказанных диапазонах температур необходимо его предварительное окисление до диоксида. В процессе окисления участвует газо-твердая каталитическая смесь, состоящая из воздуха, водяного пара и активатора каталитического окисления оксидов азота, в качестве которого используется природная руда, содержащая, масс. %: FeO - 3-29; MnO - 7-43; остальное - оксидные минералы до 100%.
Для приготовления газо-твердой каталитической смеси сначала твердый активатор каталитического окисления оксидов азота поступает из источника активатора окисления оксидов азота 11 с помощью шнекового питателя (на фиг. не показан) через трубопровод 22 в устройство для подготовки активированной окислительно-восстановительной смеси 12, в которое также поступает перегретый пар из источника 3 по паропроводу 7 и воздух, нагретый до температуры 250-350°С с помощью регенеративного воздухоподогревателя 15, по трубопроводу 23. Затем полученная в устройстве 12 активированная окислительно-восстановительная смесь поступает в низкотемпературную зону газохода перед установленным на ее линии инерционным улавливателем твердых частиц 13. Оседая на дне инерционного улавливателя 13, твердые частицы вновь поступают через трубопровод линии вывода твердых частиц 24 в устройство 12, либо частично уносятся и улавливаются в фильтрующих устройствах до дымососа (на схеме не показаны). При этом унос твердых частиц компенсируется подачей их из источника активатора окисления оксидов азота 11.
Подача водного раствора карбамида, смешанного с перегретым паром, и активатора каталитического окисления оксидов азота, смешанного с перегретым паром и нагретым воздухом, может осуществляться одновременно в высокотемпературную и низкотемпературную зоны газохода или последовательно по ходу выброса дымовых газов из газохода энергетического котла.
Использование смеси газа и твердых частиц оксидов металлов позволяет получать взвешенный активатор непосредственно в месте его технологического применения, что исключает необходимость отдельного производства и транспортировки опасного озонового активатора окисления. Кроме того, химическая активность каталитической паровоздушной смеси значительно выше по сравнению с паровой озоновой смесью и позволяет достигать более высокой степени очистки от оксидов азота при прочих равных условиях.
Промышленная применимость
Способ очистки от оксидов азота продуктов сгорания топлива в газоходе теплового агрегата и установка для его осуществления согласно патентуемой группе изобретений отвечает условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле, описании и чертеже достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами на основании современного уровня техники в области теплоэнергетики.