СПОСОБ СЖИГАНИЯ С НИЗКИМ ВЫБРОСОМ NOx
METHOD FOR BURNING WITH LOW NOx EMISSION

Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится к сжиганию в печах, таких как стекловаренные печи, при котором материал подается в печь и нагревается и/или плавится под действием тепла от сгорания, которое происходит в печи.
Предпосылки создания изобретения
Сокращение выбросов NOх (оксидов азота) является общей экологической целью для многих отраслей промышленности, в которых в разных технологических процессах в качестве источника тепла и энергии используется углеводородное топливо. Обычно для высвобождения химической энергии углеводородного топлива его сжигают с участием окислителя, при этом также формируются один или множество факелов высокой температуры. Тепло от пламени передается технологическим потребителям для различных целей, таких как производство пара высокого давления для генерации электрической энергии или для плавления сырья при производстве стекол и металлов. В процессе горения пламени образуются высокотемпературные потоки дымового газа, содержащие основные продукты горения, такие как CO2 и H2O, а также нежелательные выбросы, такие как SO2 и NOx (которые включают в себя соединения NO, NO2, N2O и любую комбинацию из двух или всех трех составляющих). Как правило, NOx в дымовых газах, являющихся продуктом сгорания углеводородов, содержат NO.
Для снижения выбросов NOx разработан ряд технологий. Данные технологии включают в себя ступенчатое сжигание топлива, ступенчатое сжигание окислителя, дожигание, сжигание кислородно-топливной смеси, использование специально сконструированных горелок с низким выходом NOx, селективное некаталитическое восстановление (СНКВ), селективное каталитическое восстановление (СКВ) и очистку дымового газа. Выбор технологии снижения NOx в промышленности, кроме множества других факторов, зависит от снижаемого уровня NOx и связанных с этим расходов. В отдельных случаях на принятие решения также влияет наличие на предприятии места для установки оборудования, предназначенного для снижения NOx. Дополнительно, для достижения целевых уровней выбросов NOx можно комбинировать разные типы технологий снижения NOx.
В регенеративных стекловаренных печах, в которых природный газ сжигается с воздухом для горения, предварительно нагретым до высокой температуры, температура пламени становится очень высокой, что приводит к большим выбросам NOx. Один из способов снижения выбросов NOx представляет собой снижение температуры пламени посредством снижения температуры предварительного нагрева воздуха для горения. Тем не менее такой способ приводит к снижению количества тепла, рекуперированного из дымового газа печи.
Если далее по ходу дымового канала с регенератором отсутствует дополнительное устройство рекуперации тепла дымового газа, в дымоход поступает дымовой газ с более высокой температурой, что вызывает увеличение потребления топлива и, следовательно, более высокие эксплуатационные расходы. Поскольку выходящий из системы дымовой газ имеет высокую температуру, становится важным обеспечивать в условиях таких высоких температур работоспособность оборудования контроля футеровки и выбросов, располагающегося далее по ходу дымового канала. Существует потребность в снижении выбросов NOх из высокотемпературных печей без снижения эффективности рекуперации тепла.
Краткое изложение сущности изобретения
Один аспект настоящего изобретения представляет собой способ выполнения сжигания в печи, содержащий
(A) сжигание топлива в печи для образования газообразных продуктов горения, содержащих NOx, и
(B) поочередное
(1) пропускание газообразных продуктов горения, содержащих NOx, из печи в охлажденный первый регенератор и через него для нагрева первого регенератора и охлаждения указанных газообразных продуктов горения, пропускание первой части указанных охлажденных газообразных продуктов горения из указанного первого регенератора и топлива в нагретый второй регенератор, проведение во втором регенераторе эндотермической реакции газообразных продуктов горения и топлива для восстановления NOx в указанных газообразных продуктах горения до азота и для образования синтетического газа, содержащего водород, CO и указанный азот, пропускание указанного синтетического газа из второго регенератора в печь и сжигание его в этой печи с одновременным пропусканием оставшейся части указанных газообразных продуктов горения из указанного первого регенератора в выпускную трубу (как определено в настоящем документе), и
(2) пропускание газообразных продуктов горения, содержащих NOx, из печи в охлажденный второй регенератор и через него для нагрева второго регенератора и охлаждения указанных газообразных продуктов горения, пропускание первой части указанных охлажденных газообразных продуктов горения из указанного второго регенератора и топлива в нагретый первый регенератор, проведение в первом регенераторе эндотермической реакции газообразных продуктов горения и топлива для восстановления NOx в указанных газообразных продуктах горения до азота и для образования синтетического газа, содержащего водород, CO и указанный азот, пропускание указанного синтетического газа из первого регенератора в печь и сжигание его в этой печи с одновременным пропусканием оставшейся части указанных газообразных продуктов горения из указанного второго регенератора в выпускную трубу (как определено в настоящем документе).
Другой аспект настоящего изобретения содержит способ выполнения сжигания в печи, содержащий
(A) сжигание топлива в печи для образования газообразных продуктов горения, содержащих NOx, и
(B) поочередное
(1) пропускание газообразных продуктов горения, содержащих NOx, из печи в охлажденный первый регенератор и через него для нагрева первого регенератора и охлаждения указанных газообразных продуктов горения, пропускание первой части указанных охлажденных газообразных продуктов горения из указанного первого регенератора и топлива в нагретый второй регенератор, проведение во втором регенераторе эндотермической реакции газообразных продуктов горения и топлива для восстановления NOx в указанных газообразных продуктах горения до азота и для образования синтетического газа, содержащего водород, CO и указанный азот, пропускание указанного синтетического газа из второго регенератора в печь и сжигание его в этой печи способом ступенчатого сжигания с одновременными подачей указанных газообразных продуктов горения, содержащих NOx, в печь в поток синтетического газа, поступающий в печь из второго регенератора, и восстановлением NOx в потоке синтетического газа в обогащенной топливом зоне ступенчатого сжигания, и
(2) пропускание газообразных продуктов горения, содержащих NOx, из печи в охлажденный второй регенератор и через него для нагрева второго регенератора и охлаждения указанных газообразных продуктов горения, пропускание первой части указанных охлажденных газообразных продуктов горения из указанного второго регенератора и топлива в нагретый первый регенератор, проведение в первом регенераторе эндотермической реакции газообразных продуктов горения и топлива для восстановления NOx в указанных газообразных продуктах горения до азота и для образования синтетического газа, содержащего водород, CO и указанный азот, пропускание указанного синтетического газа из первого регенератора в печь и сжигание его в этой печи способом ступенчатого сжигания с одновременными подачей указанных газообразных продуктов горения, содержащих NOx, в печь в поток синтетического газа, поступающий в печь из первого регенератора, и восстановлением NOx в потоке синтетического газа в обогащенной топливом зоне ступенчатого сжигания.
Предпочтительно, дымовой газ, который поступает в выпускную трубу (как определено в настоящем документе), содержит меньше NOx, чем их общее количество в дымовом газе, которое бы образовалось в случае эксплуатации печи в таких же условиях, за исключением пропускания указанной первой части дымового газа и топлива из одного регенератора в другой регенератор.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1–3 представлены схематические изображения различных аспектов способа в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
В настоящем изобретении реализован способ рекуперации тепла, в котором полезное тепло извлекается из выпускных потоков дымового газа с высокой температурой. Предпочтительные примеры процессов сжигания, с помощью которых может быть реализован способ в соответствии с настоящим изобретением, включают в себя стекловаренные печи, в которых стеклообразующие ингредиенты сплавляются с образованием расплавленного стекла.
Способ рекуперации тепла состоит из двух циклов, которые в настоящем документе называются циклом отвода и циклом риформинга. Данные два цикла выполняются поочередно в двух или более регенераторах, заполненных насадками. Способ рекуперации тепла предпочтительно осуществляют в сочетании с печами и другими камерами сгорания с применением «кислородно-топливных» способов сжигания, то есть сжигания топлива с газообразным окислителем, содержащим по меньшей мере 50% об. кислорода, предпочтительно — по меньшей мере 80% об. кислорода, более предпочтительно — по меньшей мере 90% об. кислорода и даже по меньшей мере 99% об. кислорода, поскольку дымовые газы, образующиеся при сгорании кислородно-топливной смеси, имеют более высокие концентрации H2O и CO2, каждая из которых поддерживает реакции эндотермического риформинга, которые используются в способе в соответствии с настоящим изобретением. В течение цикла отвода насадки в первом регенераторе извлекают и сохраняют тепло дымового газа с высокой температурой, который подается из печи в данный регенератор и через него. Затем в цикле риформинга часть (которую в настоящем документе называют рециклированным дымовым газом, или RFG) охлажденного дымового газа, который выходит из первого регенератора, подается в другой (второй) регенератор и смешивается с потоком топлива (которое в настоящем документе называют топливом для риформинга, или RF). Для наглядности в последующем описании в качестве топлива для риформинга упоминается чистый метан (CH4). Другие приемлемые виды топлива включают в себя любой горючий газ, смесь газов или испаренное жидкое топливо, включая, без ограничений, природный газ, пропан и сжиженный нефтяной газ (СНГ).
Как будет подробнее описано ниже, в RFG содержатся NOx. Дополнительное описанное ниже преимущество состоит в том, что RFG можно смешивать с другой композицией газов, которая содержит NOx, но образовалась не в той же печи, в которой получили RFG.
В цикле риформинга смесь RFG и топлива для риформинга поступает во второй регенератор, в котором насадка уже нагрета, как описано в настоящем документе, и движется через регенератор в направлении печи. Температура смеси RFG/RF, проходящей через второй регенератор, продолжает увеличиваться по мере извлечения тепла из предварительно нагретой насадки. По мере прохождения через второй регенератор смесь RFG/RF достигает температуры, при которой начинаются и продолжают проходить реакции риформинга, продукты которых включают в себя H2 и CO. Реакции риформинга являются эндотермическими, и необходимое для их поддержания тепло поглощается из нагретой насадки. Газообразная композиция, которая образуется в результате реакций риформинга, обычно содержит один или более компонентов, таких как H2, CO, непрореагировавшие газы, содержащие H2O, CO2, CH4, азот, остатки NOx и сажа. Образованную таким способом газообразную композицию в настоящем документе также называют «синтетическим газом». Синтетический газ выходит из второго регенератора в печь и сгорает в печи под воздействием окислителя с выделением тепловой энергии, которая используется для нагрева и/или плавления материала в печи.
Через некоторое время два регенератора меняются циклами, то есть регенератор, который использовался в цикле отвода, переключается в цикл риформинга, а генератор, который использовался в цикле риформинга, переключается в цикл отвода. Еще через некоторое время два регенератора снова меняются циклами. Периодичность смены циклов можно определять по времени, прошедшему с момента предыдущей смены циклов, или по другим критериям, таким как температура дымового газа, выходящего из первого регенератора, работающего в цикле отвода. Процесс смены циклов выполняется согласно предварительно определенным механизму и плану, в соответствии с которыми клапаны открываются и закрываются в определенное время.
Ниже описаны управление и контроль в соответствии с настоящим изобретением со ссылкой на Фиг. 1–3. Примером служит стекловаренная печь (10) с торцевыми горелками, оснащенная двумя регенераторами в торцевой стене (3). Тем не менее описанную в настоящем документе работу пары регенераторов можно организовать аналогичным образом, когда два регенератора расположены рядом на одной стороне печи (10) или расположены на противоположных сторонах печи (10).
Как показано на Фиг. 1, стекловаренная печь (10) с торцевыми горелками оснащена загрузочной станцией (20), через которую в печь загружают сырье (30) для нагрева и плавки, содержащее твердые исходные материалы для производства стекла (которые называют шихтой и/или стеклобоем). Поток расплавленного стекла на выходе из печи (10) обозначен номером (90). Печь (10) оборудована первым регенератором (100), расположенным с левой стороны печи, и вторым регенератором (200), расположенным с правой стороны печи. Подробный вид в вертикальном поперечном сечении двух регенераторов показан на Фиг. 2 и 3.
Показанный на Фиг. 2 регенератор (200) находится в цикле отвода, в котором поток (50) дымового газа из внутренней части печи (10) поступает во входной проход (240), затем проходит в верхний отдел (530) регенератора (200) мимо анализатора (250) кислорода. Поток дымового газа нагревает насадки (обозначены номером (520)), когда проходит по каналам между насадками внутри регенератора (200), а затем попадает в нижний отдел (500) камеры через газовые каналы (515), поддерживаемые аркой (510), которая также удерживает вес всего слоя насадок. Как показано на Фиг. 1, часть (52) дымового газа, образовавшегося в печи (10), можно пропускать в обход по трубопроводу (70) (например, если нужно избежать перегрева регенератора) через частично открытый клапан (350) и далее в дымоход (340) на выход, то есть этот дымовой газ не вернется в печь, а вместо этого будет выпущен в атмосферу, и/или направлен на одну или более других станций для хранения и/или дополнительной обработки, или поступит на любую комбинацию из таких назначений. Для максимальной рекуперации тепла предпочтительно, чтобы клапан (350) был закрыт, чтобы по существу весь дымовой газ печи поступал на регенератор (200) в виде потока (50) дымового газа.
Как показано на Фиг. 1 и 2, охлажденный поток (201) дымового газа выходит из регенератора (200) в трубопровод (260), проходит через открытый клапан (210) и датчик (310) кислорода, а затем поступает на сторону всасывания вентилятора (300). Большая часть дымового газа (301), покидая сторону нагнетания вентилятора, проходит через заслонку (330), затем через расходомер (332) и наконец направляется в дымоход (340), через который дымовой газ покидает систему, как определено в настоящем документе. Часть (303) дымового газа рециклируется в нижнюю часть регенератора (100) посредством пропускания через трубопровод (320) и клапан (360). Это рециклированный дымовой газ (RFG). Его расход измеряют расходомером (322). Топливо для риформинга, которое будет подано на второй регенератор (100), поступает по трубопроводу (130) через клапан (120).
Как показано на Фиг. 3, топливо для риформинга (RF) из потока (130) пересекается и смешивается с RFG (303) в точке (127) в трубопроводе (128), который, в свою очередь, соединен с нижним отделом (400) регенератора (100). Данная смесь RFG/RF поступает в предварительно нагретую систему (420) насадок регенератора (100) через газовые каналы (415) на арке (410). Регенератор (100) уже был нагрет в предыдущем цикле посредством пропускания дымового газа из печи в регенератор (100) и через него. Температура смеси RFG/RF возрастает по мере прохождения через систему насадок регенератора (100). Когда температура RFG/RF достигает температуры риформинга, возникают эндотермические реакции риформинга, в процессе которых топливо для риформинга (например, CH4) вступает в реакцию с CO2 и H2O в RFG с образованием CO, H2 и некоторого количества сажи. Необходимое для эндотермических реакций риформинга тепло отбирается от нагретых насадок. Реакция риформинга продолжается, пока смесь RFG/RF продвигается в направлении верхнего отдела (430). Поток (425) газов (называемый в настоящем документе «подвергнувшийся риформингу» поток газа или поток «синтетического газа») выходит из верхней части системы (420) насадок. Поток (425) имеет высокую температуру и включает в себя такие соединения, как CO, H2, сажа, непрореагировавший CH4 и непрореагировавшие CO2 и H2O (а также азот и остатки NOx, как описано в настоящем документе). Поток (425) синтетического газа проходит через входной проход (140) и датчик (150) кислорода и поступает в печь (10). Поток синтетического газа покидает систему (420) насадок при температурах, которые, например, находятся в диапазоне от 982 °C до 1371 °C (от 1800 °F до 2500 °F). Данный синтетический газ сжигается в печи (10), представленной пламенем (40), с генерацией дополнительного тепла от сгорания, полезного для нагрева и/или плавления материала в печи, такого как материалы стекольной шихты. Окислитель, необходимый для сжигания синтетического газа, поступает по трубопроводу (135) через открытый клапан (115). Данный окислитель может представлять собой воздух или иметь большее содержание кислорода, чем воздух, то есть по меньшей мере 21% об., предпочтительно — не менее 80% об., более предпочтительно — не менее 90% об. или даже по меньшей мере 99% об.
Обычно в процессе рекуперации тепла один регенератор работает в цикле отвода, и один регенератор — в цикле риформинга, как показано на Фиг. 1, в течение приблизительно от 20 до 40 минут или пока насадки в регенераторе риформинга не остынут настолько, что перестанут обеспечивать достаточное количество тепла для поддержания требуемых эндотермических химических реакций. С этого момента в настоящем описании считается, что, когда регенератор (200) работал в цикле отвода, а регенератор (100) работал в цикле риформинга, печь (10) подвергается процедуре реверсирования, при которой регенератор (200) переводится в цикл риформинга для рекуперации тепла, а регенератор (100) переводится в цикл отвода для накопления тепла. Перед реверсированием оставшаяся в регенераторе (100) часть синтетического газа должна продуваться в печь (10). В этом случае сначала блокируется подача топлива для риформинга на регенератор посредством закрытия клапана (120), и в то же время поддерживается поток RFG от вентилятора (300). Во время продувки можно увеличивать расход RFG, чтобы сокращать время, необходимое для завершения продувки. Оставшаяся в регенераторе (100) часть синтетического газа продувается с помощью RFG в течение заданного времени, так что практически весь синтетический газ в регенераторе вытесняется в печь и в конечном итоге сжигается.
После реверсирования дымовой газ из печи проходит через регенератор (100), и часть его поступает в выпускную трубу (как определено в настоящем документе), в то время как другая часть или остаток смешивается с топливом, и полученная смесь передается через регенератор (200) в печь. Клапан (110), находившийся в закрытом положении, теперь открыт, клапан (210) закрыт, клапан (360) закрыт, а клапан (380) открыт, что позволяет дымовому газу проходить из регенератора (100) к вентилятору (300) и через вентилятор (300), а части (303) данного дымового газа проходить в регенератор (200) после смешивания с топливом (230) для риформинга, которое поступает через клапан (220), который раньше был закрыт, а теперь открыт. Клапан (115), находившийся в открытом положении, теперь закрыт, поскольку на данном этапе не происходит сжигания с участием окислителя, поступающего через клапан (115), а клапан (225) открыт. Образовавшаяся смесь топлива для риформинга и рециклированного дымового газа вступает в регенераторе (200) в эндотермические реакции, которые проходили в предыдущем цикле в регенераторе (100), как описано в настоящем документе, с образованием синтетического газа (425), который поступает в печь (10), где сжигается с участием окислителя (235), который подается через клапан (225).
В течение процесса рекуперации тепла печь (10) может поджигаться вместе с другими горелками, такими как позиции (60) и (65), таким образом, чтобы как пламя (40) от синтетического газа, так и пламя (62) и (64) от горелок существовали одновременно. Дополнительно, горелки (60) и (65) могут поджигаться или не поджигаться в течение процесса смены циклов, когда работавший в режиме риформинга регенератор (100) или (200), в зависимости от обстоятельств, подвергается описанной выше последовательности продувки. Для максимальной рекуперации тепла предпочтительно, чтобы горелки (60) и (65) не горели одновременно с пламенем (40) синтетического газа. Предпочтительно также, чтобы горелки (60) и (65) не горели в течение последовательности продувки.
В варианте реализации настоящего изобретения дымовой газ, который поступает из печи в регенератор, находящийся в цикле отвода, содержит NOx. NOx могут образовываться в результате сгорания, происходящего в печи. Часть данного дымового газа, которая охлаждена в регенераторе, а затем смешана с топливом для риформинга и рециклирована в другой регенератор для реакций риформинга, содержит часть NOx, которые присутствовали в дымовом газе, подаваемом в первый регенератор. Концентрация NOx в дымовом газе, поступающем в первый или второй регенератор, в зависимости от обстоятельств, аналогична концентрации NOx в рециклируемом дымовом газе до его смешивания с топливом для риформинга или с любым другим газом. Общее количество рециклированных NОх зависит от объемного расхода и концентрации NOx в потоке рециклированного дымового газа.
Количество дымового газа, проходящего через регенератор, в котором он охлаждался, которое рециклируется в другой регенератор для риформинга, можно адаптировать к конкретной печи и конкретным характеристикам, таким как содержание NOx в дымовом газе, однако можно утверждать, что обычно до приблизительно 40% (по объему) и предпочтительно приблизительно от 6% до 27% дымового газа, который выходит из регенератора, работающего в цикле отвода, рециклируется для подачи на регенератор, работающий в цикле риформинга, и прохождения через него.
Несмотря на то что в способе в соответствии с настоящим изобретением можно эффективно использовать любое отношение RFG к RF (дымовому газу или CH4) при формировании потока газа, подаваемого в регенератор, который работает в цикле риформинга, предпочтительное отношение RFG к RF (по объему) составляет от 0,5 до 2,0 или даже до 3,0.
2
3
Как показано на Фиг. 1–3, демонстрирующих этап, на котором регенератор (100) работает в цикле риформинга, NOx, присутствующие в рециклированном дымовом газе, смешиваются с топливом (RF) для риформинга, которое поступает по трубопроводу (130), поступают в систему (420) насадок в регенераторе (100), работающем в режиме риформинга, и вступают в реакцию для преобразования (восстановления) NOx в N2. Реакции восстановления NOx происходят в регенераторе (100) одновременно с реакциями риформинга топлива. Более конкретно, но без связи с какой-либо определенной теорией работы, когда смесь RFG/RF (предпочтительно RF представляет собой CH4) подвергается риформингу в системе (420) насадок, поток (425) синтетического газа содержит такие соединения, как H2, CO, сажа, непрореагировавшие CO2, H2O, CH4 и фрагменты топлива, такие как CH, CH и CH. В реагирующей смеси RFG/RF могут проходить реакции с разными степенями восстановления NOx, начиная от нижней арки (410) камеры (100) и до входного прохода (140) в печь (10). Например, если дымовой газ содержит сажу (то есть мелкие частицы углерода), NOx могут восстанавливаться до N2 с помощью углерода в саже в таких реакциях, как C + 2NO=CO2 + N2 (уравнение a). Дополнительно, сосуществование газов CO и H2, образующихся в результате протекающих параллельно реакций риформинга, существенно повышает эффективность углерода в реакции восстановления рециклированных NOx до N2. Еще одним способом восстановления NOx, без ограничения какими-либо конкретными теорией работы или механизмом реакции, является реакция NOx с фрагментами топлива в таких реакциях, как NOx + CH4XN (уравнение b), где XN представляет NH3, или HCN, или NO, или смесь, состоящую из двух или трех из указанных составляющих соединений. Например, NOx можно восстановить до HCN с помощью CH посредством реакции, которая записывается в виде NO + CH=HCN + O (уравнение c). Фрагмент топлива CH образуется из топлива для риформинга (такого как CH4) в течение высокотемпературного риформинга и крекинга в системе (420) насадок в регенераторе (100), работающем в режиме риформинга. Ожидается, что некоторые из NOx в потоке RFG могут восстанавливаться до NH3, или HCN, или до смеси NH3 и HCN в регенераторе (100), в то время как параллельные реакции риформинга производят и поставляют фрагменты топлива, такие как CH, CH2 и CH3.
Как показано на Фиг. 3, любые соединения XN (то есть NH3, HCN и NO), образующиеся в регенераторе (100), присутствуют в потоке (425) синтетического газа, который поступает в печь (10) через входной проход (140). Окислитель, поступающий по трубопроводу (135) через открытый клапан (115), сгорает с синтетическим газом, и образуется пламя (40). В процессе сжигания синтетического газа некоторые соединения XN могут в пламени (40) снова окислиться до NOx, а некоторые могут восстановиться до N2. Предпочтительно регулировать скорость смешивания синтетического газа с окислителем, чтобы контролировать длину пламени (40) и степень превращения соединений XN обратно в NOx. Например, окислитель для сжигания синтетического газа может подаваться множеством фурм в разных местах печи таким образом, чтобы сжигание синтетического газа выполнялось в соответствии со способами так называемого «ступенчатого сжигания». При ступенчатом сжигании общее количество кислорода, которое требуется по стехиометрическому соотношению для полного сжигания горючего материала (то есть топлива и синтетического газа) (или количество, которое в совокупности меньше, чем в целом требуется по стехиометрическому соотношению), подается в агрегат из по меньшей мере двух источников окислителя в разных местах печи, обозначенных на Фиг. 3 номерами 135 и 135A. Из каждого источника поступает меньшее количество кислорода, чем требуется по стехиометрическому соотношению. Таким образом, скорость подачи и скорость смешивания окислителя с топливом разбиты на этапы и контролируются. Данный способ сжигания обеспечивает снижение образования NOx, поскольку топливо не сгорает в условиях локального переизбытка O2, способствующего образованию NOx. Дополнительно, некоторая часть NOx в дымовых газах печи может попасть в обогащенную топливом зону пламени и вступить в реакцию с соединениями XN синтетического газа с преимущественным образованием N2. Дополнительно, поскольку обогащенный топливом синтетический газ (425) поступает в печь при высоких температурах (например, по меньшей мере 982 °C (1800 °F), предпочтительно — по меньшей мере 1093 °C (2000 °F), до 1371 °C (2500 °F)), а предшественники NOx (например, HCN, NH3) в синтетическом газе восстанавливаются в высокотемпературной зоне сгорания вместе с NOx, подаваемыми из дымовых газов печи, настоящее изобретение является особенно эффективным для восстановления выбросов NOx печи в N2, а также для преимущественного преобразования потенциальных предшественников NOx, таких как HCN и NH3, в синтетическом газе в N2, а не в NOx.
Способ в соответствии с настоящим изобретением можно также использовать для преобразования NOx, присутствующего в другом потоке газов, который не получают из печи. Этот вариант показан на Фиг. 1, на которой поток (315) представляет поток, содержащий NOx и поступающий из другого источника, такого как другая печь. Поток (315) может также содержать одно или более из NH3 и/или HCN. Поток (315) подается соединенным с трубопроводом (320) таким образом, чтобы поток (315) смешивался с RFG, когда открыт клапан (316). Затем получившийся смешанный поток поочередно смешивается с топливом для риформинга от трубопроводов (130) и (230) для образования смеси, которая поочередно подается в нагретые регенераторы (100) и (200) соответственно, в которых происходят реакции риформинга и восстановления NOx, как описано в настоящем документе.
Способ в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает множество преимуществ по сравнению с другими способами контроля или снижения NOx в дымовых газах печей. А именно, для снижения NOx далее по ходу печи не нужно устанавливать дополнительное оборудование. Кроме того, достигается более высокий и эффективный уровень удаления NOx без затрат в виде повышенного потребления топлива для проведения операций по удалению NOx. Снижение NOx происходит в течение времени пребывания, которое сравнительно больше, чем в случае обычных способов снижения содержания NOx, поэтому требуются большая надежность и больший допуск на изменение условий сжигания.
В следующем примере 1, не имеющем ограничительного характера, показаны проектные уровни снижения NOx при использовании настоящего изобретения. В примере 1 принято допущение, что природный газ (NG) и окислитель представляют собой соответственно чистые CH4 и O2, а топливо для риформинга представляет собой CH4. Во всех расчетах объемов для упрощения представлений за основу взят один моль CH4. Дополнительно принято допущение, что дымовой газ печи образуется в результате стехиометрического сгорания CH4 и O2.
Пример 1
Для иллюстрации используются аппарат для снижения NOx и способ в соответствии с настоящим изобретением, как показано на Фиг. 1. Проектное снижение NOx приведено в таблице 1, представленной ниже.
Как показано на Фиг. 3 и в случае 1 в таблице 1, один моль дымового газа рециклирован по трубопроводу (320) и смешивается в точке (127) трубопровода (128) с одним молем топлива для риформинга CH4, которое подается в трубопровод (130) через клапан (120). Поэтому молярное соотношение RFG/NG равно единице. В предположении, что в системе (420) насадок регенератора (100) происходит полный риформинг, образуется четыре моля синтетического газа согласно уравнению CH4 + 1/3(CO2 + 2H2O) = 4/3CO + 8/3H2 (уравнение d). После стехиометрического сгорания в пламени (40) образовавшихся таким способом газов CO и H2 с чистым O2, подаваемым из трубопровода (135), молярный объем дымового газа остается равным четырем. Дополнительные газы, такие как CO2 и H2O, попавшие из шихты/стеклобоя, и инфильтрацию воздуха в стекловаренную печь (10) оценили в количестве 0,51 моля и 0,45 моля соответственно.
Как показано в случае 1 и на Фиг. 1, общий объем (50) дымового газа, поступающего в регенератор (200), составляет 4,96 моля (то есть 4 + 0,51 + 0,45). Объем дымового газа в регенераторе (200) остается равным 4,96 моля в предположении, что в регенератор не проникает воздух. Поскольку только 1 моль RFG поступил через трубопровод (320), расчетный коэффициент рециркуляции для случая 1 составил (1 / 4,96) x 100 = 20%. В предположении, что для NOx в рециклированном дымовом газе общая эффективность снижения NOx составляет 80%, общее снижение NOx в дымовом газе, поступающем в дымоход (340), составляет 0,8 x 0,2 = 0,16. Иными словами, снижение NOx составляет 16%. Если же эффективность снижения NOx составляет 50%, как показано в таблице 1, то общее снижение NOx в дымоходе составляет 10%.
В случаях 2 и 3 используются процедуры, аналогичные случаю 1, для оценки потенциала общего снижения NOx в соответствии с настоящим изобретением отдельно для отношений RFG/NG, равных 1,5 и 2. Как видно из таблицы 1, более высокое отношение RFG/NG обеспечивает более высокое общее снижение NOx, поскольку большее количество дымового газа рециклируется в камеру для риформинга для снижения NOx. Поскольку предлагаемый способ снижения NOx связан с рассмотренным выше процессом двухрегенераторной рекуперации тепла и предпочтительные отношения RFG/NG для максимальной рекуперации тепла могут находиться в диапазоне от 0,5 до 3, общий потенциал снижения NOx в соответствии с настоящим изобретением, представленным примером на Фиг. 1 и данными в таблице 1, ожидается в диапазоне от 10% до 27%, если отношение RFG/NG меняется в пределах от 1 до 2.
Таблица 1
Случай 1
Случай 2
Случай 3
Расход природного газа (NG)
1
1
1
Расход рециклированного дымового газа (RFG)
1
1,5
2
Объемное отношение RFG/NG
1
1,5
2
Объемный расход синтетического газа в камере для риформинга
4
4,5
5
Объем дымового газа после сжигания синтетического газа
4
4,5
5
Газы из шихты/стеклобоя
0,51
0,51
0,51
Утечка воздуха в печь
0,45
0,45
0,45
Общий объем дыма, покидающего печь
4,96
5,46
5,96
Общий объем дыма в камере теплообмена
4,96
5,46
5,96
Коэффициент рециркуляции RFG (%)
20
27
34
Эффективность снижения NOx (%)
80
80
80
Общее снижение NOx (%)
16
22
27
Эффективность снижения NOx (%) (поочередно)
50
50
50
Общее снижение NOx (%) (поочередно)
10
14
17