СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ОТ NO И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F23J15/00 

Изобретение относится к области очистки дымовых газов и может быть использовано для снижения выбросов оксидов азота с продуктами сгорания топливосжигающих агрегатов методом высокотемпературного селективного некаталитического восстановления NO_x мочевиной.

Наиболее близким к изобретению по технологической сути и достигаемому результату является способ снижения концентраций NO_x в дымовых газах, включающий подачу в газовый тракт в качестве восстановителя NO_х водного раствора мочевины либо аммиака и его производных, либо циануровой кислоты посредством устройства, состоящего из подводящего трубопровода и системы впрыскивающих форсунок. Каждая из форсунок выполнена в виде двухканального диспергатора, по центральному каналу которого подается восстанавливающая смесь, а по кольцевому каналу пар для распыления раствора восстановителя при вводе его в поток продуктов сгорания. При этом центральная труба имеет возможность продольного перемещения относительно кольцевого канала.

Недостаток известного устройства заключен в том, что в поток продуктов сгорания восстановитель попадает в виде капель водного раствора, что замедляет начальную стадию процесса восстановления, так как требуется время для испарения капелек влаги и термодеструкции восстановителя. Кроме того, размер самих капелек колеблется в широком диапазоне, что затрудняет равномерное по массе заполнение восстановителем сечения теплоагрегатов в месте впрыска. В результате степень восстановления оксидов азота составляет около 47%
Целью изобретения является повышение степени очистки дымовых газов от NO_x.

Цель достигается тем, что в процессе обработке дымовых газов перед впрыском в газовый тракт водный раствор мочевины подвергают термогидролизу и испарению и образующуюся восстанавливающую парогазовую смесь подают в поток продуктов сгорания с критическими скоростями истечения. Термогидролиз и испарение ведут при температурах соответственно 60-150 и 100-350^оС перегретым паром, а в качестве теплоносителя используют горячий воздух или продукты сгорания.

Установка для очистки дымовых газов от NO_x, содержащая футерованный корпус с топливными горелками, камерой сгорания и размещенным за ней газоходом и линией подачи восстанавливающей смеси с системой форсунок, снабжена узлом гидролиза и испарения, к входу которого подключена линия подачи теплоносителя и водного раствора мочевины, а к выходу система форсунок, причем не более половины форсунок имеют диаметр выходных отверстий больше диаметра выходных отверстий оставшейся части, концы форсунок размещены в окнах, выполненных в толще футерованного слоя корпуса, а при количестве форсунок, кратном трем, диаметр выходных отверстий 1/3 части форсунок больше диаметра выходных отверстий остальной части форсунок в раза. Кроме того, форсунки могут быть установлены группами.

На фиг. 1 показаны устройство для подачи гомогенизированной восстанавливающей смеси и его размещение на котле; на фиг.2 дан разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 изображены три впрыскивающих элемента с коническими насадками, причем диаметр центрального отверстия одного из элементов в раза больше диаметра центрального отверстия двух других элементов.

Установка очистки продуктов сгорания от NO_x (фиг.1) включает в себя трубопровод 1 подачи пара с расположенным на нем регулятором 2 давления, впрыскивающий испаритель 3 со струйной форсункой 4 для подачи в испаритель прошедшего термогидролиз водного раствора мочевины, трубопровод 5 парогазовой восстанавливающей смеси, распределительные коллекторы 6, впрыскивающие элементы (форсунки) 7, которые выполнены в виде одноканальных трубок и снабжены коническими насадками 8 с центральным отверстием (фиг.3). Форсунки объединены в группы по три элемента таким образом, чтобы на одну форсунку с диаметром центрального отверстия d приходилось две форсунки с центральным отверстием d₁:
d₁= d.

Форсунки 7 размещены равномерно в окнах, выполненных в толще (фиг.2) футерованного покрытия стен радиационно-конвективного газохода 9 парового котла, содержащего экранированную камеру 10 сгорания с топливными горелками 11, а также поверхности 12 нагрева (фиг.1).

Установка очистки дымовых газов от NO_x работает следующим образом. Сначала водный раствор мочевины подается в гидролизер 13, где происходят нагрев до 60-150^оС и гидролиз мочевины.

Механизм термогидролиза водного раствора мочевины схематично можно изобразить следующим образом:
-
3 HNCO=(HNCO)₃ (2)
Лабораторные исследования термогидролиза водного раствора мочевины показали, что разложение мочевины в воде происходит с измеримой скоростью при температурах выше 60^оС. Образующиеся в процессе гидролиза аммиак и изоциановая кислота способны селективно восстанавливать оксиды азота, причем восстановление NO_x аммиаком и восстановление NO_xизоциановой кислотой самостоятельные процессы, каждый из которых состоит из определенных цепей реакций.

Образовавшаяся восстанавливающая смесь из продуктов гидролиза мочевины направляется в испаритель 3, где сначала за счет кинетической энергии теплоносителя происходит расплавление смеси, затем за счет его тепла полное ее испарение. Из испарителя гомогенизированная смесь поступает к распределительным коллекторам 6 и через впрыскивающие элементы 7 вводится в поток продуктов сгорания. Струи восстанавливающей смеси, истекающие из элементов с диаметром насадка d, равномерно заполняют верхнюю половину газохода 9. Струи восстанавливающей смеси, истекающие из элементов с диаметром насадка d₁, равномерно заполняют нижнюю половину газохода.

Критическое истечение струй обеспечивает равенство массовых расходов восстанавливающей смеси через форсунки с одинаковыми диаметрами отверстий насадок.

Использование предлагаемого способа высокотемпературного некаталитического селективного восстановления NO_x водным раствором мочевины и конструкции устройства для подачи обработанной восстанавливающей смеси в очищаемый поток дымовых газов топливосжигающих агрегатов позволяет интенсифицировать смешение реагентов и повысить эффективность процесса очистки продуктов сгорания топлива от NO_x.

Предварительное разложение водного раствора мочевины с помощью термогидролиза сокращает затраты времени и энергии, необходимые для разложения мочевины непосредственно в потоке дымовых газов. Одновременно увеличивается время пребывания восстановителей NO_x изоциановой кислоты и аммиака в зоне температур, оптимальных для протекания реакции восстановления NO_x, что приводит к углублению процесса очистки.

Кроме того, обработка восстановителя перед впрыском в поток отходящих дымовых газов позволяет расширить область применения метода селективного некаталитического восстановления для снижения NO_x в выбросах продуктов сгорания топливосжигающих агрегатов.

Становится возможным проводить очистку дымовых газов в таких котельных установках и технологических печах, где ранее из-за высокой скорости охлаждения продуктов сгорания или недостаточных размеров реакционной зоны этот метод был неприемлем. Испарение продуктов гидролиза, приводящее к тысячекратному увеличению их объема, а также использование предлагаемого устройства для ввода восстанавливающей смеси позволяют улучшить качество перемешивания восстановителя и обрабатываемого потока дымовых газов, что приводит к значительному повышению степени очистки, снижению расхода мочевины, сокращению проскока непрореагировавших реагентов.

Промышленные испытания способов очистки дымовых газов от NO_x путем селективного некаталитического восстановления NO_x водным раствором мочевины без применения термогидролиза и с применением термогидролиза и испарения восстанавливающей смеси в испарителе показатели преимущества последнего. Испытания проводились на промышленном котле БУККАУ Московской ГЭС. Технические характеристики котла следующие: паропроизводительность 100 т/ч, давление перегретого пара 90 кг/см², температура перегретого пара 490^оС, топливо природный газ.

П р и м е р 1. Котел БУККАУ работал в режиме 50%-ной нагрузки. Водный раствор мочевины концентраций 20% впрыскивался в очищаемый поток дымовых газов с помощью двух паровых форсунок типа ФП 125/500 по ОСТ 108.836.04-80, расположенных напротив друг друга. Процесс очистки проводился без предварительного термогидролиза восстанавливающей смеси. Температура в зоне впрыска составляла 1000^оС. Результаты испытаний приведены в табл.1.

П р и м е р 2. Котел БУККАУ работал в режиме 50%-ной нагрузки. Водный раствор мочевины концентраций 20% подавался в ту же температурную область потока продуктов сгорания, что и в примере 1. Впрыск производился с помощью двух паровых форсунок типа ФП 125/500 по ОСТ 108.836.04-80. Процесс очистки проводился с предварительным термогидролизом водного раствора мочевины и последующим испарением образовавшихся веществ, обеспечиваемым путем добавления перегретого пара с температурой 250^оС и давлением 5 атм. Результаты испытаний приведены в табл.2.

П р и м е р 3. Котел БУККАУ работал в режиме 100%-ной нагрузки. Водный раствор мочевины концентраций 5% впрыскивался в очищаемый поток дымовых газов с помощью двух паровых форсунок типа ФП 125/500 по ОСТ 108.836.04 80, расположенных напротив друг друга. Процесс очистки проводился без предварительного термогидролиза восстановителя. Температура отходящих продуктов сгорания в зоне впрыска около 1060^оС. Результаты испытаний приведены в табл.3.

П р и м е р 4. Котел работал в режиме 100%-ной нагрузки. Водный раствор мочевины концентраций 20% подавался в ту же температурную область потока продуктов сгорания, что и в примере 3, однако впрыск осуществлялся посредством 18 форсунок, сгруппированных по три, причем диаметр центрального отверстия насадки одной форсунки в раза превышал диаметр двух других в каждой тройке. Процесс очистки дымовых газов проводился с предварительным термогидролизом водного раствора и его испарением, обеспечиваемым путем добавления перегретого пара с температурой 250^оС и давлением 5 атм. Гомогенизированная восстанавливающая смесь поступала в поток продуктов сгорания через систему форсунок с критическими скоростями струй из них. Результаты испытаний приведены в табл.4.

Как видно из примеров, степень восстановления оксидов азота увеличивается на 15-40% если водный раствор мочевины предварительно подвергнуть термообработке с последующим испарением продуктов реакции обменного разложения. Причем в случаях с использованием термогидролиза и гомогенизации восстановителя снижается проскок непрореагировавшего аммиака, и падение температуры продуктов сгорания в зоне впрыска восстанавливающего агента становится минимальным. Увеличение эффективности процесса очистки дымовых газов от NO_x происходит независимо от температуры продуктов сгорания в зоне впрыска восстановителя: и при температуре 1003^оС, и при температуре 1058^оС.

Анализ результатов испытаний, описанных в примерах 2 и 4, позволяет сделать вывод о том, что использование заявленного устройства ввода восстановителя в очищаемые газы одновременно с заявленным способом предварительной обработки водного раствора мочевины значительно увеличивает эффективность процесса восстановления NO_x за счет интенсификации процесса смешения впрыскиваемого восстановителя с потоком продуктов сгорания. Степень очистки при этом возрастает до 90%

Использование: для очистки дымовых газов энергетических и коммунальных котлов, промышленных печей и других топливосжигающих агрегатов от оксидов азота. Сущность способа очистки: предварительная обработка водного раствора мочевины термогидролизом и испарением и введение образующей восстанавливающей смеси в поток очищаемых газов, температура которых находится в пределах от 700 до 1200°С. Установка содержит футерованный корпус с топливными горелками, камерой сгорания и газоходом, узел термогидролиза водного раствора мочевины, его испарения и линии подачи образующейся восстанавливающей смеси в поток очищаемых газов с системой форсунок. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 4 табл. 3 ил.

1. Способ очистки продуктов сгорания от NO_x селективным некаталитическим восстановлением мочевиной, предусматривающий ее подачу в очищаемые продукты сгорания с температурой 700 1200^oС, отличающийся тем, что водный раствор мочевины предварительно перед подачей в поток очищаемых газов подвергают термогидролизу и испарению и образующуюся восстанавливающую парогазовую смесь подают в поток продуктов сгорания с критическими скоростями истечения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термогидролиз и испарение ведут при температуре 60 150 и 100 350^oС соответственно. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что термогидролиз и испарение осуществляются перегретым паром. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используется горячий воздух или продукты сгорания. 5. Установка для очистки продуктов сгорания от NO_x, содержащая футерованный корпус с топливными горелками, камерой сгорания и размещенным за ней газоходом и линией подачи восстанавливающей смеси с системой форсунок, отличающаяся тем, что она снабжена узлом гидролиза и испарения, к входу которого подключена линия подачи теплоносителя и водного раствора мочевины, а к выходу система форсунок. 6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что не более половины форсунок имеют диаметр выходных отверстий больше диаметра выходных отверстий оставшейся части. 7. Установка по п.5, отличающаяся тем, что концы форсунок размещены в окнах, выполненных в толще футеровочного слоя корпуса. 8. Установка по п.5, отличающаяся тем, что при количестве форсунок, кратном 3, диаметр выходных отверстий 1/3 части форсунок больше диаметра выходных отверстий остальной части форсунок в раз. 9. Установка по п.5, отличающаяся тем, что форсунки установлены группами.