СПОСОБ ДЕСУЛЬФУРИЗАЦИИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРИ СЖИГАНИИ В ТОПКЕ КОТЛА ИЛИ ПЕЧИ ВЫСОКОСЕРНИСТЫХ ТОПЛИВ Российский патент 1997 года по МПК C10L10/04 C10L9/10 

Изобретение относится к способам десульфуризации продуктов сгорания и может быть использовано в теплоэнергетике при сжигании сернистых топлив в различных топливосжигающих устройствах любой мощности.

Известны присадки в виде известняка (СаСО₃), песка (SiO₂) и порошкового корунда (Al₂O₃), подмешиваемые в различных комбинациях к серосодержащим топливам (в том числе к смесям углей), сжигаемым затем последовательно в зонах печи при температурах до 1600 К. При этом по крайней мере часть указанных веществ может содержаться в каменном угле [1]
Сжигание различных топлив (лигниты, субитуминозные, битуминозные угли, мазут) в смеси с указанными присадками при мольных отношениях Са:S 1,5-2,5 и Si:С 0,6-1,2, избытке топлива в первой и второй зонах горения и избытке воздуха в зоне догорания топлива, а также при температурах, обеспечивающих образование и сохранение соединений серы в твердом виде в первой зоне, их взаимодействие с серосвязующими и сероудерживающими веществами в расплавленном состоянии во второй зоне (1600 К) и дожигание топлива в последней зоне, обеспечивают, по утверждению автора, высокую степень десульфуризации продуктов сгорания.

Наряду с непроизводительными тепловыми, а также дополнительными капитальными и эксплуатационными затратами применение этого способа на практике ограничивают возможность неполноты реакций связывания серы при недостатке кислорода в зонах активного горения, а также неизбежная диссоциация основных продуктов связывания серы, начинающаяся при температуре существенно меньшей 1600 К, и последующая потеря активности связывающих веществ из-за их оплавления легкоплавкими эвтектиками и образования сложных тугоплавких соединений.

Известно топливо, состоящее из высокосернистого угля и присадки - низкозольного бурого угля, содержащего в золе соединения Са и Мg, вводимой для снижения серосодержания и зольности топлива, а также для десульфуризации продуктов сгорания за счет связывания образующихся при его сжигании оксидов серы [2]
Однако только за счет такого улучшения исходного высокосернистого и высокозольного топлива высокой степени десульфуризации продуктов сгорания не достигается, т.к. даже при предельном количестве присадки (50 мас.) мольное отношение связывающих веществ к сере в получаемом топливе оказывается существенно меньше единицы.

Наиболее близким к предложенному является способ десульфуризации продуктов сгорания путем сжигания в топке котла или печи высокосернистых углей с присадкой карбонатосодержащих горючих сланцев [3]
Основной причиной, препятствующей достижению высокой степени десульфуризации продуктов сгорания при использовании этого способа, являются отмеченные выше существенная потеря активности связывающих оксиды серы веществ и неизбежная диссоциация сульфатов при высоких температурах в топливосжигающих устройствах.

Целью изобретения является повышение эффективности десульфуризации продуктов сгорания при сжигании высокосернистых топлив и снижение непроизводительных затрат, связанных с использованием присадок.

Указанная цель достигается тем, что в способе десульфуризации продуктов сгорания при сжигании в топке котла или печи высокосернистых топлив с присадкой карбонатсодержащих горючих сланцев в качестве дополнительной присадки используют бурые низкозольные угли с более высокой, чем у исходного высокосернистого топлива калорийностью и забалластированной оксидами кальция золой, причем присадки подготавливают и вводят в топку котла или печи последовательно или вместе и/или с исходным топливом; дополнительно: сжигание ведут при мольном отношении связывающих оксиды серы веществ, содержащихся в присадке, к оксидам серы, образующимся от сгорания высокосернистого топлива, больше единицы; сжигание ведут при температуре продуктов сгорания 970-1460 К; сжигание ведут при ступенчатой подаче высокосернистого топлива с присадками.

Способ реализуется с использованием общеизвестных технических средств в любых топках котлов или печей с твердым шлакоудалением, работающих при атмосферном или повышенном давлении, в следующей последовательности:
подбор и определение расходов присадок;
подготовка и ввод исходного высокосернистого топлива и присадок в топку котла или печи;
сжигание высокосернистого топлива и присадок и десульфуризация продуктов сгорания;
отвод продуктов десульфуризации вместе с продуктами сгорания из топки.

Подбор и определение расходов присадок осуществляют из условия обеспечения мольного отношения связывающих оксиды серы веществ, содержащихся в присадке, к оксидам серы, образующимися от сгорания исходного топлива, например, СаО:SО₂, больше единицы, причем принимают, что вся сера топлива окисляется до сернистого ангидрида.

Подготовку присадок с момента их приемки и выгрузки, а также ввод их в дробленом и/или пылевидном состоянии в топку котла или печи осуществляют последовательно или вместе и/или с исходным топливом.

Сжигание топлива и присадок после участков воспламенения, а также десульфуризацию продуктов сгорания ведут в условиях умеренных (в пределах 970-1460 К) температур. Здесь нижний предел заявленного интервала температур соответствует температуре завершения образования оксидов серы и началу их взаимодействия с оксидом кальция, интенсивность образования которого при разложении кальцита и доломита, входящих в минеральную часть ископаемых топлив, резко возрастает с увеличением температуры примерно от 970 К.

Установленное ограничение температур позволяет осуществить максимальную полноту реакции сульфатизации
СаО + SO₂ + 0,5 О₂ СаSO₄
и практически исключает диссоциацию
CaSО₄ -> CaO + SO₂
с последующей потерей активности СаО из-за оплавления его стекловидными эвтектиками.

Обеспечение заявленного диапазона температур 970-1460 К в реальных действующих устройствах достигают организацией ступенчатого сжигания и/или путем отвода тепла из зоны активного горения к дополнительным поверхностям нагрева и/или к газам рециркуляции.

Пример 1. В камерной топке энергетического котла с твердым шлакоудалением в качестве исходного высокосернистого топлива используют подмосковный уголь с массовым содержанием серы Sr1

= 2,7%, зольностью Ar1 = 25,2%, влажностью Wrt1 = 32% и теплотой сгорания Qri1 = 10,43 МДЖ/кг.

При полном сгорании 1 кг топлива масса оксидов серы в пересчете на SO₂ составляет 0,054 кг. Так как в соответствии с реакцией сульфатизации для связывания одного моля SO₂ необходим один моль СаО, то при мольном отношении в гетерогенной системе CаО:SО₂ 1 на 1 кг SO₂ необходимо 56:64 0,875 кг СаО, а на 0,054 кг SO₂ требуется 0,0473 кг СаО.

В качестве присадок используют горючие сланцы с массовыми характеристиками: Ar1

= 44,2%, Wrt2 = 11,5%, Qri2 = 9,34 МДЖ/кг и массовым содержанием СаO в золе 46% низкозольный гумусовый бурый уголь Березовского месторождения с массовыми характеристиками: Ar3 = 4,7%, Wrt3 = 33,0%, Qri3 = 15,66 МДЖ/кг и массовым содержанием СаO в золе 42%
Приняв, что доля определенной выше необходимой массы СаО, вводимая с горючими сланцами, равна единице и учитывая зольность сланцев, содержание СаO в золе сланцев, а также коэффициент потери активности СаО в процессе сгорания, принятый равным 0,125, на 1 кг исходного топлива подают сланцев.

Избыток оксида кальция и соблюдение условия СаО:SО₂>1, а также повышение теплоты сгорания присадки обеспечивают вводом низкозольного бурого угля.

Исходное топливо, горючие сланцы и низкозольный бурый уголь смешивают в массовом соотношении 0,72:0,19:0,09 на стадии подготовки к сжиганию.

Размолотую пылевидную смесь с R₉₀ (30-60)% и R₁₀₀₀ (0,5-3,0)% подают в топку равномерно рассредоточено по трем ярусам горелок и сжигают ступенчато с недостатком окислителя (воздуха) в первом ярусе горелок, с близкой к стехиометрической подачей окислителя в промежуточном ярусе горелок и его избытком в горелках третьего яруса (1,05-1,15), обеспечивая температуру продуктов сгорания в зоне активного горения в диапазоне 970-1460 К за счет отвода тепла к дополнительным поверхностям нагрева.

В результате сгорания одного кг смеси исходного топлива с присадкой и десульфуризации продуктов сгорания образуется 0,07-0,075 кг сульфата кальция, который отводится из топки с летучей золой и шлаком. Степень десульфуризации продуктов сгорания составляет 85-90%
Такой же результат достигают ступенчатой подачей смеси исходного топлива с присадкой по ярусам горелок при равномерной подаче воздуха в них.

Пример 2. Указанные в примере 1 исходное топливо и присадку используют в тех же соотношениях в топке с кипящим слоем.

На стадии подготовки исходного топлива к сжиганию к нему подмешивают горючие сланцы. Полученную дробленую смесь с размерами куска до 15 мм вводят в слой.

Дополнительную присадку дробят до тех же размеров кусков и вводят отдельно под слой.

Отвеиваемые мелкие, менее 1000 мкм, фракции исходного топлива и присадки вводят в надслоевое пространство через отдельные сопла или многоканальные горелки.

Сжигание в слое ведут при стехиометрической подаче окислителя (воздуха). В надслоевом пространстве и в зоне дожигания летучих фракций топлива поддерживают избыток окислителя (1,05-1,15).

Для удержания необходимой высоты и температуры слоя используют газы рециркуляции и дополнительные поверхности нагрева в верхней части слоя.

При температуре в слое 970-1120 К и в надслоевом пространстве 1120-1460 К степень десульфуризации продуктов сгорания достигает 90-95%
Пример 3. В камерной топке котла с твердым шлакоудалением в качестве исходного топлива используют высокосернистый мазут марки 100 с содержанием серы 2,7% по массе и теплотой сгорания 40,7 МДж/кг.

При полном сгорании 1 кг мазута для связывания образующихся оксидов серы требуется такое же, как в примере 1, количество СаO и присадок.

Подготовку мазута и присадки из смеси горючих сланцев и низкозольного бурого угля ведут отдельно.

Мазут вводят в топку через форсунки, расположенные в один ярус в нижней части топки, обеспечивая избыток воздуха равный единице.

Размолотую пылевидную присадку с R₉₀ (30-60)% и R₂₀₀ 0% вводят в топку через отдельные сопла или пылеугольные горелки в зоне активного горения мазута. При этом избыток воздуха поддерживают больше единицы (1,05-1,1).

Температуру продуктов сгорания поддерживают в пределах 970-1460 К за счет отвода тепла к дополнительным поверхностям нагрева и/или к газам рециркуляции, вводимым через отдельные каналы пылеугольных горелок или через специальные шлицы или сопла.

Образующиеся продукты связывания серы отводятся из топки вместе с продуктами сгорания, степень десульфуризации которых достигает 85-90%
Использование в соответствии с изобретением присадки с указанными выше свойствами и обеспечение заявленных условий сжигания высокосернистых топлив позволяет: использовать в различных топливосжигающих устройствах необходимое количество связывающих оксиды серы веществ без существенной реконструкции этих устройств и вспомогательного оборудования; обеспечить одновременное протекание процессов сжигания и десульфуризации без ограничений, дополнительных потерь и затрат, характерных для известных аддитивных способов.

Избыток связывающих оксиды серы веществ и ведение процессов в заявленном диапазоне температур обеспечивают устойчивое воспламенение и горение всех компонентов рабочей смеси, максимальную скорость и полноту реакций разложения карбонатов и связывания оксидов серы, а также высокую, до 90% и более, степень десульфуризации продуктов сгорания.

Использование: в теплоэнергетике при сжигании сернистых топлив в различных топливосжигающих устройствах любой мощности. Сущность изобретения: способ осуществляют путем сжигания в топке котла или печи высокосернистых топлив с присадкой, в качестве присадки используют карбонатсодержащие горючие сланцы и бурые низкозольные угли с более высокой, чем у исходного топлива калорийностью и забалластированной оксидами кальция золой, присадки подготавливают и вводят в топку котла или печи последовательно или вместе и/или с исходным топливом; сжигание ведут при мольном отношении связывающих оксиды серы веществ, содержащихся в присадках, к оксидам серы, образующимся от сгорания высокосернистого топлива, больше единицы; сжигание ведут при температуре продуктов сгорания 970-1460 К и при ступенчатой подаче исходного высокосернистого топлива с присадками. Применение способа возможно без существенной реконструкции топливосжигающих устройств. При этом обеспечивается снижение затрат на подготовку присадок, устойчивое воспламенение и горение высокосернистого топлива и присадок, а также высокая, до 90% и более, степень десульфуризации продуктов сгорания. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ десульфуризации продуктов сгорания при сжигании в топке котла или печи высокосернистых топлив с присадкой карбонатосодержащих горючих сланцев, отличающийся тем, что в качестве дополнительной присадки используют бурые угли с более высокой, чем у исходного высокосернистого топлива, калорийностью и забалластированной оксидами кальция золой, причем присадки подготавливают и вводят в топку котла или печи последовательно или вместе, и/или с исходным топливом. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сжигание ведут при молярном отношении связывающих оксиды серы веществ, содержащихся в присадках, к оксидам серы, образующимся от сгорания высокосернистого топлива, больше единицы. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сжигание ведут при температуре продуктов сгорания 970 1460 К. 4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что сжигание ведут при ступенчатой подаче высокосернистого топлива с присадками.