СПОСОБ И МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ СОПЛО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕЖЕЛАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ В ДЫМОВЫХ ГАЗАХ И ТОПОЧНАЯ КАМЕРА ПАРОГЕНЕРАТОРА
METHOD AND MULTICOMPONENT NOZZLE FOR RECOVERY OF UNWANTED MATTERS IN FLUE GASES AND STEAM GENERATOR COMBUSTION CHAMBER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу восстановления нежелательных веществ за счет распыления реагента в дымовые газы парогенератора, при котором реагент распыляется через отверстие многокомпонентного сопла в топочную камеру парогенератора. Кроме того, изобретение относится к многокомпонентному соплу для распыления реагента в топочную камеру парогенератора для восстановления нежелательных веществ в дымовых газах, содержащему подвод для реагента, причем со стороны топочной камеры подвод для реагента заканчивается в отверстии для него. Наконец, изобретение относится также к топочной камере парогенератора с таким многокомпонентным соплом.
Уровень техники
Уже известны способы и устройства описанного типа. Реагентами являются, например, аммиак и/или мочевина, которые могут уменьшить долю оксидов азота в дымовых газах. Соответствующие способы называются селективным некаталитическим восстановлением (SNCR - selective non-catalytic reduction). Обычно аммиак и/или мочевина распыляются в водном растворе в топочную камеру в том месте, где температура составляет 850-1000°C и протекает одна из следующих реакций:
3
2
2
2
4NH+4NO+O→4N+6HO
2
2
2
2
2
2
NHCONH+2NO+½O→4N+CO+2HO
Для этого используются различные типы сопел, которые либо встроены в стенку топочной камеры, либо выдаются в нее в виде фурм. Фурмы могут нести соплодержатель, чтобы распределять реагент по сечению топочной камеры не только точечно, но и посредством большого числа отверстий. Использование соответствующих фурм имеет недостаток отложений золы и коррозии, поскольку фурмы подвержены воздействию дымовых газов и их высоких температур. Кроме того, в случае больших топочных камер требуются очень длинные фурмы и сложные соплодержатели для удовлетворительного смешивания дымовых газов с реагентом, причем придется считаться, например, с повышенным проникновением аммиака. К тому же, длинные фурмы могут вызывать нежелательные колебания. Кроме того, фурмы необходимо надежно охлаждать. При вертикальном расположении их приходится пропускать через расположенные над топочной камерой теплообменники, так что дооснащение существующих установок для снижения предельных значений почти невозможно. Горизонтальные и вертикальные фурмы могут быть, правда, извлечены из топочной камеры для обслуживания, если они выполнены трубчатыми, однако они закрывают его меньшее сечение.
Встроенные в стенку топочной камеры сопла имеют недостаток небольшой глубины проникновения. Ее можно увеличить за счет использования так называемых двухкомпонентных сопел. К ним обычно подается аммиак и/или мочевина в водном растворе. Раствор распыляется затем в топочную камеру через центральное отверстие.
Концентрично вокруг этого отверстия предусмотрено кольцевое отверстие, через которое дополнительно распыляется вытеснитель. В качестве вытеснителя применяются в большинстве случаев газы, в частности воздух. При этом воздух выходит из сопла настолько быстро, что он увлекает за собой в топочную камеру реагент, распыляя его. В результате образуются мелкие капельки реагента.
Глубина проникновения в случае двухкомпонентных сопел с жидкими реагентами больше, чем если бы распылялся газообразный аммиак. Однако глубины проникновения для больших парогенераторов или топочных камер недостаточно, поскольку мелкие капельки реагента увлекаются дымовыми газами и из-за высокой температуры испаряются. При повышении скорости выхода вытеснителя можно, правда, повысить также скорость капелек, что теоретически должно увеличить глубину проникновения. Однако тогда уменьшается также размер капелек и струей вытеснителя всасывается больше дымовых газов, в результате чего капельки быстрее испаряются и глубину проникновения невозможно существенно увеличить. Следовательно, только в случае меньших топочных камер реагент попадает близко к середине топочной камеры, так что дымовые газы могут вступать в контакт с реагентом по всему ее сечению. Двухкомпонентные сопла могут быть размещены также на фурмах в топочной камере, однако тогда они также подвержены отложениям и коррозии.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения поставлена задача создания и усовершенствования способа, многокомпонентного сопла и топочной камеры упомянутого и подробно описанного выше рода таким образом, чтобы реагенты можно было использовать в больших парогенераторах или топочных камерах, избежать недостаточного смешивания дымовых газов и реагента или использования чрезмерного количества реагента.
Эта задача решается признаками п.1 формулы изобретения в способе, при котором через, по меньшей мере, одно, расположенное вне отверстия для реагента отверстие в топочную камеру распыляется обволакивающая среда, которая, по меньшей мере, частично обволакивает реагент в топочной камере, по меньшей мере, частично изолируя его от дымовых газов.
Поставленная задача решается также в многокомпонентном сопле признаками п.11 формулы изобретения за счет того, что предусмотрен подвод для обволакивающей среды, впадающий, по меньшей мере, в одно, расположенное вне отверстия для реагента отверстие для обволакивающей среды, и оба отверстия выполнены так, что обволакивающая среда, по меньшей мере, частично изолирует реагент в топочной камере от дымовых газов.
Наконец, поставленная задача решается в топочной камере признаками п.16 формулы изобретения за счет того, что, по меньшей мере, одно многокомпонентное сопло по одному из пп.11-15 встроено, по меньшей мере, в одну стенку топочной камеры.
Ниже способ, многокомпонентное сопло и топочная камера описаны сообща более подробно без различения подробностей между способом и устройствами, поскольку для специалиста предпочтительные признаки способа и устройств будут понятны из контекста.
Согласно изобретению, в принципе, обнаружено, что глубину проникновения реагента можно увеличить за счет использования обволакивающей среды, поскольку она, по меньшей мере, сначала частично изолирует реагент от дымовых газов. Поэтому происходит замедленное смешивание с дымовыми газами в топочной камере, а в случае жидкого реагента - замедленное испарение реагента, в частности, если обволакивающая среда заметно холоднее, чем дымовые газы.
Таким образом, обволакивающая среда отличается, в принципе, от используемого в двухкомпонентном сопле вытеснителя, поскольку вытеснитель способствует выходу реагента и/или его распределению. Следовательно, выходящий из многокомпонентного сопла реагент очень быстро смешивается с вытеснителем, в результате чего образуется смешанная струя и не происходит никакого существенного экранирования реагента от дымовых газов. При этом вытеснитель может создавать подсос для выходящего реагента, увлекая его за собой. За счет соответствующих отличий в отношении давления и/или скорости между реагентом и вытеснителем реагент мелко распределяется или распыляется, если он находится в жидком состоянии. В случае жидкого реагента образуется преимущественно спрей из капелек, которые могут быть настолько мелкими, что образуется туман.
Чтобы среда-оболочка могла, по меньшей мере, частично окружать реагент, по меньшей мере, одно отверстие для реагента и, по меньшей мере, одно отверстие для среды-оболочки должны располагаться подходящим образом. Особенно предпочтительно, если, по меньшей мере, одно отверстие для реагента расположено приблизительно посередине или по центру по отношению, по меньшей мере, к одному отверстию для среды-оболочки. Поэтому простоты ради следует употреблять термины «по центру» и «вне», хотя их, в принципе, можно понимать очень широко.
В первом предпочтительном варианте осуществления изобретения можно дополнительно использовать также вытеснитель, чтобы лучше вытеснить реагент из многокомпонентного сопла и/или распределить его в топочной камере. Как сказано выше, вытеснитель образует с реагентом смешанную струю с высокой степенью перемешивания. Затем смешанная струя, по меньшей мере, частично окружается средой-оболочкой, в результате чего реагент, по меньшей мере, частично экранируется от дымовых газов. Таким образом, могут быть объединены преимущества лучшего смешивания и распределения реагента за счет вытеснителя и экранирования от дымовых газов средой-оболочкой.
При этом вытеснитель может выходить вместе с реагентом из отверстия для него. При необходимости вытеснитель может быть смешан с реагентом лишь незадолго до входа в топочную камеру. Подвод для вытеснителя может подавать его также к отверстию для него со стороны топочной камеры, причем это отверстие расположено вне отверстия для реагента, а отверстие для среды-оболочки - вне отверстия для вытеснителя. Особенно предпочтительно, по меньшей мере, одно отверстие для вытеснителя расположено вокруг, по меньшей мере, одного отверстия для реагента, а, по меньшей мере, одно отверстие для среды-оболочки - вокруг, по меньшей мере, одного отверстия для вытеснителя. Этого можно достичь, например, тогда, когда отверстие для вытеснителя расположено кольцеобразно вокруг отверстия для реагента, а отверстие для среды-оболочки - кольцеобразно вокруг отверстия для вытеснителя. При этом отдельные отверстия необязательно должны быть круглыми или вращательно-симметричными. Возможны также многоугольные или овальные сечения.
Отверстия для реагента и вытеснителя необязательно должны вести непосредственно в топочную камеру. Следовательно, например, в том случае, если подводы для реагента и вытеснителя образованы концентричными трубами, отверстие для реагента может быть расположено в направлении течения перед отверстием для вытеснителя, так что смешивание начинается еще перед входом в топочную камеру и реагент вместе с вытеснителем течет из отверстия для вытеснителя в топочную камеру или наоборот. Также может быть предусмотрено, что реагент и вытеснитель после выхода из своих отверстий сначала, по меньшей мере, частично смешиваются, а затем сообща входят в топочную камеру через дополнительное отверстие, которое можно назвать отверстием для смешанной струи.
При использовании дополнительного вытеснителя можно получить трехкомпонентное сопло, которое может дополнительно увеличить глубину проникновения, например, за счет усиления импульса течения.
Под реагентом следует понимать, в принципе, такой, который способствует уменьшению доли нежелательных веществ и/или нежелательные реакции в дымовых газах. Этими нежелательными веществами могут быть, например, оксиды азота и сернистые соединения. Под нежелательные реакции подпадают, например, минеральные превращения при нагреве и последующем размягчении топливной золы. Чтобы модифицировать температуру плавления золы, можно в зависимости от ее состава вводить определенные минералы. Нежелательные реакции приводят к возникновению нежелательных веществ в виде нежелательных продуктов реакции. Также в этом случае смешивание распыления с дымовыми газами и содержащимися в них зольными частицами имеет больше значение для эффективности.
Преимущественно реагент является газообразным, жидким и/или порошкообразным. При этом как часть реагента также рассматривается возможная используемая транспортная текучая среда, например растворитель. Другими словами, под реагентом следует понимать не только активный компонент, но и вещество или смесь веществ, подаваемая посредством подвода для реагента к отверстию для него. Под транспортной текучей средой, которая может быть газообразной или жидкой, понимается текучая среда, служащая только для транспортировки в топочную камеру. Транспортная текучая среда является целесообразной, в частности тогда, когда должен распыляться порошок. При этом речь может идти о воздухе или воде. Растворитель, которым может быть вода, служит помимо транспортировки в топочную камеру также для поглощения активного компонента реагента.
Активным компонентом может быть аммиак, мочевина или другое азотсодержащее соединение, которое преимущественно при повышенной температуре высвобождает аммиак и может использоваться для SNCR. В случае активного компонента, которым может быть преимущественно реактивный компонент, речь может идти о щелочноземельном металле, например кальции или магнии, преимущественно в виде оксида, гидроксида и/или карбоната. Это предпочтительно, в частности, для обессеривания. При этом рассматриваются также встречающиеся в природе смеси, такие как доломит или известняк. Например, для модификации температуры плавления увлекаемой дымовыми газами золы в качестве активного компонента реагента могут использоваться также различные минералы, целенаправленно выбираемые в зависимости от золы данного топлива. Таким образом, можно избежать, например, нежелательно низкой температуры плавления золы.
Чтобы улучшить смешивание и распределение реагента, вытеснитель может распыляться в топочную камеру с большей скоростью, чем он. В качестве альтернативы или дополнительно среда-оболочка может распыляться в топочную камеру с большей скоростью, чем скорость смешанной струи. Целесообразно может быть также предусмотрено, что выходная скорость среды-оболочки выше, чем относительная скорость дымовых газов в вертикальном направлении. В этом случае всасывается также больше дымовых газов, поскольку более высокая скорость связана с меньшим давлением. Наконец, можно, таким образом, достичь постепенного и равномерного смешивания реагента и дымовых газов.
Во избежание коррозии и отложений напрашивается решение, при котором реагент распыляется в топочную камеру, по меньшей мере, через одно многокомпонентное стеновое сопло. Оно встроено, следовательно, в стенку топочной камеры. Однако в той же стенке или в разных стенках могут быть предусмотрены также несколько многокомпонентных сопел. При этом они могут быть расположены напротив друг друга или со смещением по отношению друг к другу. Однако, в принципе, не исключено также, что многокомпонентное сопло устанавливается на фурме или соплодержателе в потоке дымовых газов, т.е. в топочной камере, даже если это, в принципе, будет менее предпочтительным.
Чтобы реагент можно было равномерно распределять по сечению также больших парогенераторов, он может распыляться через несколько многокомпонентных сопел, по меньшей мере, в одной плоскости топочной камеры. При этом многокомпонентные сопла могут быть ориентированы так, что реагент распыляется тангенциально к центральной окружности в плоскости для достижения хорошего перемешивания и равномерного распределения температуры. Это предпочтительно, в частности, тогда, когда в топочной камере предусмотрена тангенциальная топка, у которой горелки ориентированы также тангенциально к центральной окружности в плоскости горелок. При этом многокомпонентные сопла могут быть ориентированы в одном направлении или в противоположных направлениях относительно сопел горелок для создания вращающегося в одном направлении или в противоположных направлениях течения. Если посредством среды-оболочки создается высокий импульсный поток, то может быть предпочтительным, если направления вращения топки или горелок и многокомпонентных сопел противоположные.
Среда-оболочка может быть газообразной и/или жидкой. К тому же для задержки испарения реагента среда-оболочка должна быть холоднее дымовых газов. В принципе, простоты способа ради речь может идти о дымовых газах, паре, воде, выпаре и/или воздухе и/или смеси этих сред. Если среда-оболочка содержит долю жидкости, например воды и/или пара, такого как водяной пар, это может способствовать энергобалансу или задержке испарения реагента.
Чтобы не пришлось создавать дополнительную среду или можно было использовать уже имеющиеся среды, которые при известных условиях так и так должны подаваться в топочную камеру, в качестве среды-оболочки напрашивается так называемая технологическая текучая среда. Технологическими текучими средами являются такие, которые имеются в распоряжении в процессе вырабатывания пара или последующих процессов. Следовательно, речь может идти, например, о дымовых газах, которые отбираются до или после воздухоподогревателя или после пылеудаления. Речь может идти также о воздухе для сжигания топлива, который отбирается после вентилятора приточного воздуха, до или после воздухоподогревателя. Воздух может представлять собой также часть первичного воздуха мельницы для измельчения топлива для топки. Речь может идти также о технологическом паре, например из шины низкого, среднего или высокого давления или о выпаре, например от сушки топлива. Если в качестве среды-оболочки или в качестве ее части используется целесообразно вода, то речь может идти о питательной воде или конденсате.
С аэрогидродинамической точки зрения благоприятно, если отверстия для реагента, вытеснителя и/или среды-оболочки выполнены расположены друг другу. При этом одно или несколько отверстий для реагента могут быть расположены по центру. Концентрично вокруг них могут быть расположены тогда одно и/или несколько отверстий для вытеснителя. Концентрично, по меньшей мере, одному отверстию для реагента и/или, по меньшей мере, одному отверстию для вытеснителя могут быть расположены одно или несколько отверстий для среды-оболочки. Однако особенно предпочтительно, если по центру расположено отверстие для реагента, концентрично охватываемое кольцевым отверстием для вытеснителя. Концентрично ему может быть расположено кольцевое отверстие для отверстие для среды-оболочки. С точки зрения оборудования, это выполняется просто.
Для целенаправленного смешивания реагента, вытеснителя и среды-оболочки подвод для реагента и/или подвод для вытеснителя может иметь со стороны топочной камеры соплообразное сужение сечения. В качестве альтернативы или дополнительно по той же причине подвод для среды-оболочки может иметь со стороны топочной камеры расширение сечения.
Простым, с точки зрения оборудования, является расположение, по меньшей мере, одного многокомпонентного сопла в виде многокомпонентного стенового сопла в стенке топочной камеры вместо снабжения сопла через фурму и его размещения в топочной камере.
Особенно равномерное смешивание достигается в топочной камере тогда, когда, по меньшей мере, в одной плоскости предусмотрено несколько многокомпонентных сопел. При этом далее может быть предпочтительным, если эта плоскость в направлении дымовых газов расположена между горелками и теплообменниками для вырабатывания пара. Там температура может быть удовлетворительной. Кроме того, может быть достигнуто благоприятно сказывающаяся на коррозии обработка дымовых газов, прежде чем они вступят в контакт с теплообменниками.
В частности, если дымовые газы текут снизу вверх приблизительно вертикально, для смешивания целесообразно, если, по меньшей мере, одно многокомпонентное сопло расположено так, что реагент распыляется в топочную камеру, в основном горизонтально. При этом особенно целесообразно, если угол распыления можно изменять, чтобы можно было реагировать, например, на различные рабочие состояния. Это может происходить, например, за счет того, что, по меньшей мере, одно многокомпонентное сопло может быть наклонено к вертикали. Если, по меньшей мере, одно многокомпонентное сопло в качестве альтернативы или дополнительно может быть наклонено к горизонтали, то за счет этого можно привести течение в топочной камере в более или менее сильное вращение.
Краткое описание изобретения
Ниже изобретение более подробно поясняется на чертежах, на которых изображены примеры его осуществления.
На чертежах представлено:
фиг.1 - сечение многокомпонентного сопла в стенке топочной камеры парогенератора в первом варианте;
фиг.2 - сечение топочной камеры на фиг.1;
фиг.3 - разрез топочной камеры во втором варианте;
фиг.4 - разрез топочной камеры в третьем варианте.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображено многокомпонентное сопло 1 в стенке 2 топочной камеры 3. Сопло 1 содержит расположенную по центру трубу 4, служащую в качестве подвода 5 для реагента 6, заканчивающегося в отверстии 7 для него со стороны топочной камеры. Центральная труба 4 размещена в концентрической трубе 8 большего диаметра для вытеснителя 10, которая вместе с трубой 4 образует подвод 9 для него. Вытеснитель 10 подается в промежутке между концентрическими трубами к отверстию 11 для него со стороны топочной камеры. Обе внутренние трубы охвачены также концентрической внешней трубой 12 для обволакивающей среды 15, которая образует с трубой 8 для вытеснителя подвод 13 для нее и отверстие 14 со стороны топочной камеры для выхода обволакивающей среды 15. Трубы 4, 8, 12 имеют круглое сечение, хотя, в принципе, возможны также другие сечения.
Сопло на фиг.1 включает в себя схематично сопло для реагента и сопло для вытеснителя. В принципе, для этого могут использоваться известные из уровня техники двухкомпонентные сопла или другие типы сопел.
Отверстие 7 для реагента 6 расположено в направлении его течения перед отверстием 11 для вытеснителя, так что реагент 6 смешивается сначала с вытеснителем 10 в подводе 9, образуя смешанную струю 16, которая через отверстие 11 попадает в топочную камеру 3. При использовании жидкого реагента 6 и газообразного вытеснителя 10 в направлении течения после отверстия 7 образуется туман реагента 6. Реагент 6 может быть также, например, смесью порошка и транспортного газа. В этом случае порошок, покидая отверстие 7, продолжает завихряться вытеснителем 10.
В топочной камере 3 реагент 6 и вытеснитель 10 продолжают смешиваться, что вызывает относительно более высокую скорость вытеснителя 10. Этому способствует еще сужение проходных сечений подводов 5 и 9, а именно перед отверстиями 7 и 11. Поскольку труба 12 для обволакивающей среды не изменяет своего сечения со стороны топочной камеры, в сопле возникает расширение проходного сечения подвода 13 для обволакивающей среды.
На фиг.1 штриховыми линиями изображены зона течения смешанной струи 16, образованной, в основном, реагентом 6 и вытеснителем 10, и зона течения обволакивающего потока 17, образованного, в основном, обволакивающей средой 15. Зона течения обволакивающего потока 17 полностью обволакивает смешанную струю 16, если смотреть в сечении перпендикулярно направлению течения. Поскольку обволакивающий поток 17 имеет более высокую скорость, чем смешанная струя 16 и дымовые газы 18, он все больше всасывает смесь и дымовые газы 18, что обозначено стрелками. Это смешивание приводит к постепенному контакту между реагентом 6 и дымовыми газами 18 вдоль струи, которая проникает дальше в топочную камеру 3. В случае жидкого реагента 6 он испаряется, следовательно, медленно, так что также далеко в топочной камере 3 происходит взаимодействие или реакция между реагентом 6 и дымовыми газами 18. Без обволакивающей среды 15 смешанная струя 16 сразу же вступила бы в контакт с горячими дымовыми газами 18, а в случае жидкого реагента 6 - сразу же испарилась бы.
Кроме того, обволакивающая среда 15 увеличивает импульс всей струи, сильно не уменьшая размер капелек. Это приводит к увеличению глубины проникновения реагента 6 в топочную камеру 3 и к дальнейшему перемешиванию дымовых газов 18, что способствует протеканию в ней реакций. Дымовые газы 18 протекают в топочной камере 3 вертикально снизу вверх, а реагент распыляется в нее горизонтально.
На фиг.2 показано расположение многокомпонентных сопел 1 в топочной камере 3. В ее нижней части расположены горелки 19. Создаваемые ими дымовые газы 18 поднимаются вверх, где предусмотрены две плоскости многокомпонентных сопел 1, которые горизонтально распыляют в топочную камеру соответственно смешанный 16 и обволакивающий 17 потоки. Они доходят до центральной части топочной камеры 3, причем, однако, от стенки 2 до центральной части происходит все большее смешивание смешанной струи 16 и обволакивающего потока 17 между собой и с дымовыми газами 18. На фиг.2 не обязательно должно быть две плоскости многокомпонентных сопел 1. Могут быть предусмотрены больше или меньше плоскостей. Кроме того, отдельные плоскости, например в зависимости от температурного профиля в топочной камере 3, могут активироваться и деактивироваться по отдельности. Над обеими плоскостями на расстоянии, обеспечивающем достаточную реакцию реагента 6 с дымовыми газами 18, расположен теплообменник 20, который отбирает у дымовых газов тепло и при этом вырабатывает пар.
На фиг.3 показано расположение многокомпонентных сопел 1 в другой топочной камере 3. Все сопла 1 ориентированы тангенциально к виртуальной окружности в центре сечения топочной камеры. Это расположение многокомпонентных сопел 1 вызывает в данной топочной камере 3 вращение дымовых газов. Такое же вращение достигается за счет такой же ориентации горелок. При этом говорят о тангенциальной топке.
На фиг.4 показана альтернативная ориентация многокомпонентных сопел 1 одной плоскости топочной камеры 3. Сопла 1 расположены напротив друг друга на противоположных стенках 2. В качестве альтернативы многокомпонентные сопла могут быть расположены горизонтально со смещением по отношению друг к другу на противоположных стенках 2. Также только одна или две противоположные стенки 2 могут содержать одно или несколько многокомпонентных сопел 1.