СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ УСЛОВИЙ ГОРЕНИЯ В КОТЛЕ С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ
METHOD AND DEVICE FOR OPTIMISATION OF COMBUSTION CONDITIONS IN BOILER WITH FLUIDISED BED

Изобретение относится к способу оптимизации условий горения в котле с псевдоожиженным слоем, где кислородсодержащий горючий газ подают на два или более уровней по высоте, первый из которых представляет собой первичный уровень, расположенный на высоте днища печи, и второй представляет собой вторичный уровень, расположенный на высоте вблизи уровня подачи топлива, причем над вторичным уровнем могут быть обеспечены еще другие уровни подачи горючего газа. Изобретение также относится к устройству для осуществления этого способа.
Беспокойство изменением климата вызвало поиск новых способов снижения выбросов диоксида углерода при выработке энергии, которые вызывают глобальное потепление. Одним из способов, предложенных для снижения выбросов парниковых газов, является сжигание кислородного топлива. Когда топливо сжигают традиционным способом посредством воздуха, дымовой газ содержит значительное количество азота, поступающего из воздуха. Извлечение диоксида углерода из такого дымового газа является дорогостоящим и технически трудным. Когда воздух, используемый при сжигании, заменяют смесью чистого кислорода и циркулирующего дымового газа, дымовой газ, образовавшийся в результате сжигания, в основном содержит диоксид углерода, кислород, пары воды и некоторые примеси. Сжигание кислородного топлива обеспечивает возможность относительно простого извлечения диоксида углерода. После того как воду, содержащуюся в топливе или образовавшуюся в реакциях горения, удаляют из дымового газа конденсацией, оставшийся диоксид углерода можно сжижать путем охлаждения и сжатия. Сжигание кислородного топлива можно использовать как при сжигании распыленного топлива, так и при сжигании в псевдоожиженном слое.
При сжигании в псевдоожиженном слое горение протекает в суспензии твердых веществ, которая находится в псевдоожиженном состоянии, и ее циркуляцию осуществляют с помощью потока газа, подаваемого снизу. Псевдоожиженный слой состоит из псевдоожиженного материала в виде частиц (например, песка), топлива, горючего газа, а также дымового газа и золы, образовавшихся при горении. В данном контексте термин «горючий газ» относится к первичному и вторичному газу, который обычно является воздухом или какой-либо другой смесью кислородсодержащих газов. Поток первичного газа подают из нижней части печи, а поток вторичного газа направляют в печь через сопла на стенках печи над колосниковой решеткой. В котле со стационарным кипящим псевдоожиженным слоем (СКПС) псевдоожиженный материал остается в зоне псевдоожижения, тогда как в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем (ЦПС) происходит унос псевдоожиженного материала вместе с дымовым газом из зоны псевдоожижения, и, чтобы обеспечить стабильное состояние, его возвращают в печь через устройства для разделения и циркуляции.
Х
2
Х
В котле с псевдоожиженным слоем используют низкую температуру горения (700-900°С) по сравнению с горением при распылении топлива, которая вместе со ступенчатой подачей воздуха обеспечивает низкое количество выбросов оксида азота. Оксид азота (NO) относится к оксиду азота (NО) и диоксиду азота (NO), которые в основном образуются из азота, содержащегося в горючем газе, при горении в псевдоожиженном слое. При ступенчатой подаче воздуха обеспечивают восстановительные условия в нижней части слоя, тем самым получают меньшее количество оксидов азота. Оставшуюся часть воздуха, требующуюся для полного сгорания, подают как вторичный и, при необходимости, третичный воздух. Технология сжигания в псевдоожиженном слое также обеспечивает возможность десульфуризации дымовых газов уже в котле, путем подачи извести или доломита непосредственно в печь. В US 4704084 и US 4962711 описаны примеры котлов с циркулирующим псевдоожиженным слоем уровня техники, которые направлены на снижение выбросов NO посредством ступенчатой подачи воздуха для сжигания.
X
Топливо подают в печь над первичным уровнем, вблизи вторичного уровня. Различные типы топлива распространяются в печи различным образом. Легкие фракции топлива, такие как мелкий торф или бумага и куски пластика, легко поднимаются, в виде единой массы, вверх от места их загрузки, без особенного распространения в стороны. Это особенно ярко выражено при сжигании в циркулирующем псевдоожиженным слое, где скорость псевдоожижения является высокой по сравнению с конечной скоростью частиц горючего, в результате чего топливо уносится вместе с псевдоожиженным газом вверх. Горизонтально равномерная подача вторичного воздуха подходит для хорошо распространяющегося топлива, такого как уголь или сырая древесина. Вместе с легкими фракциями, столб СО поднимается вверх от точек подачи топлива, и между точками подачи топлива образуются секции, обогащенные кислородом. Поскольку это явление нельзя регулировать с помощью современных технологий, профили распределения газа и температуры верхней части зоны горения изменяются неконтролируемым образом, когда меняется качество топлива. Это является недостатком, например, при регулировании профиля температуры и при регулировании выбросов, в частности NO, когда является существенным обеспечение подходящего содержания СО в дымовых газах, чтобы снизить количество NО в зоне горения и получить более низкое количество выбросов оксидов азота.
X
В US 5660125 описан способ минимизации образования оксидов азота в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем, в котором подачу вторичного воздуха осуществляют как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Каждый из каналов, через которые подают воздух для горения во вторичные сопла, снабжен заслонкой, с помощью которой возможно регулировать подачу воздуха для горения через соответствующее сопло в печь. Целью является локальное сохранение соотношения компонентов при горении в диапазоне 70-90% от стехиометрического, при этом образование NO является наименьшим. Проблема данного устройства состоит в том, что при увеличении и уменьшении подачи вторичного воздуха, проникновение воздуха в псевдоожиженный слой также изменяется.
При сжигании кислородного топлива воздух для горения заменяют смесью кислорода и циркулирующего дымового газа. Если процесс проводят при стандартной концентрации кислорода, как обычно при горении в присутствии воздуха, уменьшение количества первичного газа для обеспечения восстановительной зоны снижает внутреннюю и внешнюю циркуляцию псевдоожиженного материала, тем самым теплопередача на стенки печи и к наружному теплообменнику также снижается. Более того, температура в псевдоожиженном слое может подняться слишком высоко, что приводит к спеканию твердых частиц.
Первичный газ обычно подают в нижнюю часть печи с помощью воздушной коробки. Воздушная коробка может быть разделена на два или более блоков, чтобы увеличить пульсацию слоя. Однако в каждый блок подают один и тот же горючий газ, который при обычном сжигании в воздушной атмосфере является воздухом, а при сжигании кислородного топлива представляет собой смесь кислорода и циркулирующего дымового газа.
Возможно достичь улучшения восстановления оксидов азота при сжигании кислородного топлива посредством снижения содержания кислорода в первичном газе. Тогда ниже сопел подачи вторичного газа образуются восстановительные условия, которые улучшают восстановление оксидов азота, поступивших вместе с первичным газом, до азота. Проблема данного устройства состоит в том, что когда снижают подачу кислорода, температура слоя может слишком снизиться. Если в равной степени увеличивают содержание кислорода во вторичном газе, чтобы обеспечить полное сгорание, температурный максимум возникает на втором уровне, что является неблагоприятным для выбросов и способствует образованию агломератов.
Целью изобретения является предотвращение указанных выше проблем. Основной целью является улучшение регулирования условий горения и восстановления оксидов азота в котле с псевдоожиженным слоем.
Для достижения данных целей способ в соответствии с изобретением отличается тем, что представлено в отличительной части п.1 формулы изобретения. Равным образом, устройство в соответствии с изобретением отличается тем, что представлено в отличительной части п.5 формулы изобретения.
В способе в соответствии с изобретением по меньшей мере на одном уровне подачи горючего газа в различных местах печи в горизонтальном ее направлении подают горючие газы с различным содержанием кислорода так, что могут быть сформированы зоны с различным содержанием кислорода в горизонтальном направлении печи.
В одном из воплощений изобретения первичный уровень разделяют в горизонтальном направлении на две или более зоны и по меньшей мере в одну из этих зон направляют горючий газ с содержанием кислорода, отличным от содержания кислорода в горючем газе, направляемом по меньшей мере в одну из соседних зон. Это обеспечивают, например, разделением воздушной коробки, через которую подают горючий газ, на два или более блоков и подачей по меньшей мере в один блок горючего газа с содержанием кислорода, отличным от содержания кислорода в горючем газе, подаваемом в соседний блок, тем самым формируя по меньшей мере одну окислительную зону и по меньшей мере одну восстановительную зону на дне печи.
В другом воплощении изобретения вторичный уровень и/или один из уровней выше разделен/разделены в горизонтальном направлении на две или более зоны, и по меньшей мере в одну из этих зон направляют горючий газ с содержанием кислорода, отличающимся от содержания кислорода горючего газа, направляемого по меньшей мере в одну из соседних зон.
Преимущественно, подача топлива по высоте включает несколько точек подачи топлива, и зону формируют ниже и/или выше каждой точки подачи, где по меньшей мере на одном уровне подачи горючего газа обеспечивают подачу горючего газа с содержанием кислорода, отличающимся от содержания кислорода в зонах, более отдаленных от точки подачи топлива на том же уровне подачи.
С помощью регулировки содержания кислорода в первичном газе, подаваемом в различные блоки/камеры, в частности, возможно воздействовать на температуру печи и восстановление оксидов азота. Содержание кислорода и скорость псевдоожижения каждого блока можно регулировать независимо или совместно с некоторыми другими блоками. Блоки/камеры, обеспечивающие различную подачу горючего газа, можно чередовать в продольном или поперечном направлении печи. Альтернативно, можно располагать питающую камеру ниже точки подачи топлива на первичном уровне, посредством которой в печь подают первичный газ с содержанием кислорода, отличающимся от содержания кислорода в первичном газе, подаваемом по краям печи и/или между точками подачи.
X
X
С помощью регулировки содержания кислорода в различных блоках в воздушной коробке можно создать преимущественные условия восстановления NO и S в зоне ниже вторичного уровня. Таким образом, хорошее восстановление оксидов азота обеспечивают благодаря зонам восстановления, а достаточную температуру обеспечивают благодаря окислительным зонам. Окислительные зоны обеспечивают отсутствие ослабления восстановления серы. Регулировка содержания кислорода в блоках в воздушной коробке является новым дополнительным параметром регулирования профиля температур печи. Вследствие улучшенного восстановления NO и S, возникающего в печи, требования по использованию способов очистки вторичных дымовых газов менее высокие, чем ранее. Тогда очистка и сжижение диоксида углерода являются более экономически эффективными.
Когда газовые сопла вторичного и/или третичного уровня разделены по меньшей мере на две группы и в каждую группу подают горючие газы с различным содержанием кислорода, можно регулировать количество подачи и содержание кислорода горючего газа локально в горизонтальном направлении. Обычно, оптимальный поток газа вблизи точки подачи топлива необходимо распределять и перемешивать топливо для обеспечения однородного горения. Когда содержание кислорода такого газового потока регулируют отдельно, легче, чем ранее, регулировать условия горения и температуру в случае различного топлива.
Скорость псевдоожижения можно поддерживать постоянной или ее можно регулировать независимо, в широком диапазоне. Когда уменьшают содержание кислорода в первичном газе, долю кислорода во вторичном газе можно эквивалентно увеличивать, чтобы обеспечить требуемое общее содержание кислорода.
Возможно подавать горючий газ на нескольких различных уровнях по высоте и можно обеспечить различное содержание кислорода на различных уровнях, чтобы несгоревший материал, выходящий из зон восстановления, не вызвал высокий пик температуры на вторичном уровне. Таким образом, возможно предотвратить образование горячей кислородной зоны на вторичном уровне, что может легко привести к образованию оксидов азота.
Изобретение обеспечивает простой способ, основанный на рабочем режиме восстановления оксидов азота в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем. Изменяя содержание кислорода в первичных и вторичных газах, можно регулировать температуру печи, что является важным для восстановления серы, помимо прочего.
X
В связи со сжиганием кислородного топлива важно, что эффективное восстановление оксидов азота снижает риск взаимодействия NO с водой и кислородом с получением щелочи и азотной кислоты при увеличении давления дымового газа, что может вызвать проблемы в устройствах очистки и повышения давления диоксида углерода.
Посредством изобретения процесс можно лучше регулировать при работе с различными видами топлива. Помимо снижения выбросов NOx, преимуществом изобретения является снижение риска позднего горения в циклоне.
Далее изобретение описано со ссылками на прилагаемые чертежи, которыми изобретение не ограничено.
На Фиг.1 схематически показано действие котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем и подача горючих газов в печь.
На Фиг.2 представлена подача первичного газа по зонам.
На Фиг.3 схематически показан вид сбоку передней зоны печи и уровни подачи горючих газов.
На Фиг.4 показан вид спереди передней зоны печи и уровни подачи горючих газов.
На Фиг.5 показан вид сверху передней зоны печи в разрезе в месте первичного уровня Р.
На Фиг.6 представлен вид сверху передней зоны печи в разрезе в месте вторичного уровня S.
На Фиг.7 показан вид сверху передней зоны печи в разрезе в месте третичного уровня Т.
Котел 10 с циркулирующим псевдоожиженным слоем, представленный на Фиг.1, включает печь 11, в которой топливо сжигают в циркулирующем псевдоожиженном слое, циклонный сепаратор 12, в котором псевдоожиженный материал отделяют от дымового газа, и возвратный канал 13, по которому псевдоожиженный материал циркулирует обратно в печь 11. Топливо 14 подают в печь 11, в которую также подают кислородсодержащий псевдоожиженный и горючий газ в качестве первичного газа 15 и вторичного газа 16. Горение осуществляют в псевдоожиженном слое, в котором обеспечивают псевдоожижение и циркуляцию посредством первичного потока 15 газа, подаваемого снизу.
Псевдоожиженный слой состоит из твердого инертного материала, который обычно является песком, добавляемого в него топлива, золы топлива, возможно, известняка, горючего газа и дымового газа, получаемого при горении. Потоки 15, 16 газа обеспечивают такими мощными, что часть псевдоожиженного материала выходит вместе с дымовым газом из верхней зоны печи 11 в циклонный сепаратор 12. Циклонный сепаратор 12 обеспечивает отделение твердых частиц от дымового газа, и их возвращают в печь 11 по возвратному каналу 13 и, возможно, через внешний теплообменник (не показан на чертеже), присоединенный к этому каналу.
После отделения твердого вещества, дымовой газ направляют из циклонного сепаратора 12 на регенерацию 17 тепла и отделение 18 зольной пыли, которое можно осуществить, например, с помощью электростатических фильтров или пылеуловительных камер с рукавными фильтрами. После отделения 18 зольной пыли, дымовой газ можно направлять через вытяжную трубу наружу или, в случае сжигания кислородного топлива, в конденсатор 19, в котором воду и газообразные примеси отделяют посредством конденсации. После конденсатора 19 дымовой газ 20, полученный при сжигании кислородного топлива, в основном содержит диоксид углерода, который можно очистить и повысить его давление с помощью способов, известных как таковых.
Первичный поток 15 газа подают из днища печи 11 через воздушную коробку (не показана на чертеже) или подобное устройство. Один или более вторичных потоков 16 газа подают выше днища посредством инжекционных сопел (не показаны на чертеже) на стенках печи 11. Горючие газы 15, 16 включают воздух, и/или кислород, и/или циркулирующий дымовой газ, смешанные в требуемом отношении. При сжигании кислородного топлива основными компонентами циркулирующего дымового газа являются диоксид углерода и, возможно, пары воды, в дополнении к которым дымовой газ включает небольшое количество оксидов азота, диоксида серы, кислорода и моноксида углерода, помимо прочего. При горении в присутствии воздуха, дымовой газ включает значительную долю азота, кроме указанных выше компонентов. Чтобы обеспечить хорошее псевдоожижение и циркуляцию суспензии твердого вещества, доля первичного газа 15 обычно составляет по меньшей мере 60% от общего количества горючих газов 15, 16, подаваемых в печь 11.
Первичный газ 15 получают посредством первого смесителя 21 путем смешивания воздуха и/или чистого кислорода 24 и циркулирующего дымового газа 25 в требуемом отношении. Аналогично, вторичный газ 16 получают посредством второго смесителя 22 путем смешивания воздуха и/или чистого кислорода 24 и циркулирующего дымового газа 25 в требуемом отношении. Кислород может быть получен, например, удалением азота из воздуха с помощью кислородной установки или с помощью других подходящих устройств. Циркулирующий дымовой газ 25 можно отбирать из пути потока дымового газа либо после отделения 18 зольной пыли, либо после конденсатора 19, в зависимости от требований использования влажного или сухого дымового газа.
Первый смеситель 21 для получения первичного газа 15 и второй смеситель 22 для получения вторичного газа 16 могут находиться в сообщении с инжекционными соплами, подающими газ в печь 11, или они могут быть обеспечены отдельно от печи 11, посредством чего инжекционные сопла снабжают готовой газовой смесью. Смесители 21, 22 могут состоять из средств регулирования содержания кислорода в горючем газе, подаваемом в печь, известных как таковые (клапаны, измерительные датчики, регуляторы и т.д.).
Сопла вторичного газа могут быть расположены на нескольких различных высотах, и каждое из них можно снабжать вторичными газами с различным содержанием кислорода. Тогда каждый поток 16 вторичного газа может быть снабжен отдельным смесителем 22 для регулирования содержания кислорода в потоке вторичного газа.
На Фиг.2 показан пример подачи первичного газа по зонам в горизонтальном направлении в нижнюю часть печи 11. На дне печи 11 расположена воздушная коробка 26, которая разделена разделительными стенками на пять камер 26а, 26b, в каждую из которых поступает первичный газ 15а, 15b, который представляет собой смесь воздуха, и/или кислорода, и/или циркулирующего дымового газа. В примере два различных первичных газа 15а, 15b с различным содержанием кислорода направляют в воздушную коробку 26. Первый первичный газ 15а, который имеет более высокое содержание кислорода, направляют в три камеры 26а, две из которых расположены на внешних краях воздушной коробки 26 и одна расположена посередине. Второй первичный газ 15b, который имеет более низкое содержание кислорода, направляют в две воздушные камеры 26b, которые расположены между камерами 26а, снабжаемыми первым первичным газом 15а. Следовательно, нижняя зона печи оказывается разделена в горизонтальном направлении на три окислительные зоны А и две восстановительные зоны В. В восстановительных зонах В происходит восстановление оксидов азота до азота, а в окислительных зонах А протекает эффективное горение. Границы между окислительными и восстановительными зонами А, В постепенно исчезают, по мере того как псевдоожиженный газ поднимается вверх. По мере того как границы между зонами А, В исчезают, содержание кислорода и температура также стабилизируются в горизонтальном направлении печи.
Очевидно, что воздушная коробка может быть разделена на камеры либо в продольном направлении, либо в поперечном направлении, либо в обоих направлениях, и порядок зон окисления и восстановления может отличаться от примера на Фиг.2.
На Фиг.3-7 показаны другие примеры возможной подачи в различные точки печи в горизонтальном направлении горючих газов с различным содержанием кислорода, чтобы сформировать зоны в печи в горизонтальном направлении, отличающиеся по содержанию кислорода.
На Фиг.3 показан вид сбоку, и на Фиг.4 показан вид спереди передней зоны печи 11. На передней стенке 29 печи на высоте F подачи расположено несколько точек подачи топлива, обозначенных позицией 30, посредством которых топливо 14 подают в печь. Над высотой F подачи расположен вторичный уровень S, включающий несколько сопел 31а, 31b подачи горючего газа, через которые вторичный газ 16 подают в печь. Над вторичным уровнем S расположен еще третичный уровень Т, включающий несколько сопел 32а, 32b подачи третичного газа, через которые третичный газ 28 подают в печь. На дне печи расположена воздушная коробка 26, верхняя поверхность которой образуют первичный уровень Р подачи в печь первичного газа 15а, 15b.
На Фиг.5 представлен вид сверху передней зоны печи, показанный с высоты первичного уровня Р. Воздушная коробка 26 включает постоянное сечение 26b и две камеры 26а, выделенные из него с помощью разделительных стенок 27, которые расположены в вертикальном направлении ниже точек 30 подачи топлива. В постоянное сечение 26b воздушной коробки подают горючий газ 15b с содержанием кислорода, отличающимся от содержания кислорода в первичном газе 15а, подаваемом в отдельные камеры 26а. Таким образом, возможно расположить ниже точки 30 подачи топлива зону с требуемым содержанием кислорода, не изменяя скорость подачи первичного газа.
На Фиг.6 показан вид сверху передней зоны печи, показанный с высоты вторичного уровня S. Как показано на Фиг.4, на передней стенке 29 печи расположены две точки 30 подачи топлива, вблизи которых сверху расположены первые сопла 31а для вторичного газа, в которые направляют вторичный газ 16а с первым содержанием кислорода. Между точками 30 подачи и вблизи боковых стенок печи расположены вторые сопла 31b для вторичного газа, через которые направляют в печь вторичный газ 16b со вторым содержанием кислорода. На Фиг.7 представлен вид сверху передней зоны печи, показанный с высоты третичного уровня Т. На передней стенке 29 печи, на третичном уровне Т, непосредственно над точками 30 подачи топлива, расположены первые сопла 32а для третичного газа 28а, через которые в печь направляют третичный газ 28а с первым содержанием кислорода. В горизонтальном направлении, немного дальше от воображаемой вертикальной линии, проходящей через точки 30 подачи, расположено по меньшей мере одно второе сопло 32b для третичного газа, через которое в печь направляют третичный газ 28b со вторым содержанием кислорода.
Ниже и сверху точек 30 подачи топлива возможно направлять, через камеры 26а воздушной коробки 26, сопла 31а вторичного газа и сопла 32а третичного газа, горючий газ, содержание кислорода в котором составляет, например, выше, чем содержание кислорода в горючем газе, который направляют в печь 11 через камеру 26b, сопла 31b вторичного газа и сопла 32b третичного газа в горизонтальном направлении дальше от точки 30 подачи топлива или воображаемой вертикальной линии, проходящей через нее. Сопла подачи вторичного и третичного газа разделены на две категории. Первая категория включает сопла 31а, 32а подачи, которые расположены по существу на одной линии по вертикали, что и столб топлива, поднимающегося вверх от точки 30 подачи топлива. Данная зона включает избыток топлива, и, для обеспечения хорошего горения, важно снабжать эту зону горючим газом, обогащенным кислородом. Вторая категория включает сопла 31b, 32b подачи, которые могут быть расположены вблизи краев печи и в зоне между точками 30 подачи топлива, где содержание топлива в псевдоожиженном материале явно ниже, чем непосредственно выше точек 30 подачи топлива.
Возможны различные модификации изобретения в пределах области защиты, определяемой представленной формулой изобретения.