УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ КОТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ОТ ОКСИДОВ АЗОТА Российский патент 1998 года по МПК F23J15/00 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для очистки дымовых газов от оксидов азота в котельных установках, сжигающих органическое топливо.

Широкое распространение получила очистка дымовых газов путем селективного некаталитического восстановления в химических реакциях

Для равномерного перемешивания весьма малого расхода аммиака с большим расходом обрабатываемых дымовых газов в зоне температур 900 - 1100^oC, при которых наиболее эффективно протекают реакции (1), аммиак приходится подавать в смеси с транспортирующим агентом (газом или паром).

Наиболее близким к изобретению является устройство для очистки дымовых газов котельной установки от оксидов азота, содержащее размещенный в ее газоходе поперек потока дымовых газов пучок параллельных труб, имеющих отверстия для подачи в поток смеси аммиака с транспортирующим агентом (1).

В этом устройстве отверстия в трубах размещены с относительным шагом
S/d ≤ 10
где S - шаг отверстий;
d - диаметр отверстий.

При этом предполагалось, что такое выполнение устройства обеспечит равномерное перемешивание аммиака с дымовыми газами и тем самым высокую эффективность их очистки от оксидов азота. Действительно, выбор шага S по приведенному условию обеспечивает равномерное перемешивание, однако при этом требуется значительный расход транспортирующего агента, что вызывает существенные потери энергии. При подаче аммиака газом (воздухом) необходимы затраты энергии на привод компрессора, а при подаче паром, отбираемым из турбины, происходит снижение ее мощности и необходимы затраты на восполнение потерь конденсата.

Результат изобретения - снижение потерь энергии на подачу аммиака с транспортирующим агентом за счет снижения расхода последнего.

Для этого в устройстве для очистки дымовых газов котельной установки от оксидов азота, содержащем размещенный в ее газоходе поперек потока дымовых газов пучок параллельных труб, имеющих отверстия для подачи в поток смеси аммиака с транспортирующим агентом, относительный шаг S/d отверстий в трубах соответствует условию

где W_c - скорость смеси аммиака с транспортирующим агентом на выходе из отверстиям;
W_r - скорость дымовых газов;
ρ_c - плотность смеси на выходе из отверстия;
ρ_г - плотность дымовых газов.

Параметры W_r и ρ_г в сечении газохода, где расположено устройство, определяются из теплового расчета котла на номинальном режиме или при его испытаниях.

Параметры W_c и ρ_c определяются заранее выбранным давлением и температурой транспортирующего агента.

Выбор шага по формуле (З) позволяет, как показали эксперименты, получить достаточно равномерное перемешивание аммиака с дымовыми газами, но при этом снизить в несколько раз расход транспортирующего газа (пара), а тем самым и соответствующие потери энергии. Если шаг S выбрать меньше левого предела в формуле (3), то неоправданно и резко завышается число отверстий и тем самым расход транспортирующего газа (пара) без улучшения перемешивания: если шаг S больше правого предела (3), то, как показали эксперименты, резко ухудшается равномерность перемешивания аммиака с газами в зоне оптимальных температур, что снижает эффективность очистки от оксидов азота (оси отверстий в трубах предпочтительно должны быть направлены под углом 90±45^o по отношению к вектору скорости потока газов).

Как показывают измерения на котлах с горизонтальным газоходом, в нем профиль температур имеет значительную неравномерность: при средней температуре, близкой к оптимальной для химических реакций (1), в верхней части газохода температура по ходу движения газов может выходить за нижний предел. В этом случае в соответствии с изобретением концы пучка параллельных труб в верхней части газохода могут быть выведены за его пределы, пропущены вне газохода в направлении зоны горения до места их последующего ввода в газоход в сечении, температурный режим в котором соответствует оптимальным условиям для реакции оксидов азота с аммиаком.

На чертеже схематично показано выполненное в соответствии с изобретением устройство, размещенное в газоходе котельной установки.

Пучок параллельных труб 1 с коллектором 2. имеющих отверстия 3 для подачи в поток смеси аммиака с транспортирующим агентом, установлен в горизонтальном газоходе 4 котельной установки 5. Шаг S отверстий 3 соответствует условию (3).

Пучок 1 размещен в зоне температур 900 - 1100^oC, при которой эффективны реакции (1).

В случае если в верхней части газохода в месте установки пучка параллельных и труб 3 температура дымовых газов ниже границы, необходимой для протекания реакций (1), что может быть установлено на основании расчетов или экспериментов, то концы 6 труб (показаны на чертеже штриховой линией) выводятся через потолок газохода за его пределы и пропускаются в сторону зоны горения до места их последующего ввода в газоход в сечении, температурный режим в котором соответствует оптимальному протеканию химических реакций (1).

При работе котельной установки смесь газа или пара с аммиаком поступает в коллектор 2 и пучок труб 1, откуда через отверстия 3 в виде струй вытекает в газоход 4, где на протяжении небольшого по ходу потока участка L равномерно перемешивается с потоком дымовых газов, обеспечивая по всей площади газохода протекание реакций (1), позволяющих снизить выбросы оксидов азота с уходящими газами.

Использование соотношения (3) позволяет применять относительные шаги, существенно большие рекомендованных в (1). Например, если транспортирующим агентом служит водяной пар с давлением 0.3 МПа и температурой 190^oC ( W_c = 550 м/с, ρ_c = 0,8 кг/м₃), а устройство установлено в газоходе, где W_r = 10 м/с и ρ_г -0,27 кг/м³, то (W_c/W_r ≈ 95, а допустимый интервал выбора относительных шагов - соответственно 42,5 - 190. При этом предпочтительно выбирать конкретное значение S/d вблизи центра интервала, т.е. 80 - 110, однако возможны и более далекие отклонения в его пределах в зависимости от протяженности в газоходе температурной зоны, соответствующей оптимальным условиям протекания химических реакций связывания оксидов азота. При небольшой протяженности этой зоны требуется организация максимально интенсивного перемешивания аммиачной смеси с дымовыми газами, что требует приближения S/d к нижней границе интервала и соответственно больших энергетических затрат при протяженности указанной температурной зоны, достаточной для завершения химических реакций (1) при больших величинах S/d, относительный шаг может быть увеличен в пределах вычисленного согласно (З) интервала вплоть до его верхней границы. При выборе шага S/d в указанном интервале можно также увеличивать или уменьшать его по высоте труб, меняя тем самым распределение расхода аммиака по высоте газохода, чтобы учесть имеющуюся неравномерность концентрации окислов азота в дымовых газах для условий конкретного котла. Абсолютный шаг S целесообразно выбирать исходя из минимально возможного значения диаметра d отверстий по условиям отсутствия влияния эрозии и забивания отверстия на его пропускную способность.

Устройство, выполненное в соответствии с изобретением, было испытано на котле N 7 Тальятинской ТЭЦ. Получено снижение выбросов оксидов азота более, чем на 50% при работе котла на угольной пыли Для транспортировки аммиака с расходом 0,2 т/ч потребовался расход пара 9 т/ч, что составило 1,5% паропроизводительности котла. Если бы вместо условия (3) для выбора шага S отверстий было принято условие (2) прототипа, то расход пара превысил бы 50 т/ч.

Из приведенного примера реализации видно, что предлагаемое устройство при простоте конструкции обеспечивает экономию энергоресурсов, что подтверждается результатами испытаний.

Литература
Скорик Л. Д. и др. Промышленная проверка метода очистки дымовых газов ТЭС от окислов азота вводом аммиака в высокотемпературный тракт котла. Теплоэнергетика, 7. 1986, с. 58 - 59.

Изобретение относится к теплотехнике, может быть использовано на тепловых электрических станциях и других промышленных объектах, связанных со сжиганием топлива, и позволяет повысить экономичность очистки продуктов сгорания от оксида азота. Согласно изобретению в устройстве для очистки дымовых газов котельной установки от оксидов азота, содержащем размещенный в ее газоходе поперек потока дымовых газов пучок параллельных труб, имеющих отверстия для подачи в поток смеси аммиака с транспортирующим агентом (газ или пар), относительный шаг S/d отверстий в трубах соответствует условию

где S - шаг отверстий; d - диаметр отверстий; w_c - скорость смеси аммиака с транспортирующим агентом на выходе из отверстия; w_r - скорость дымовых газов; ρ_c - плотность смеси на выходе из отверстия, ρ_г - плотность дымовых газов, 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для очистки дымовых газов котельной установки от оксидов азота, содержащее размещенный в ее газоходе поперек потока дымовых газов пучок параллельных труб, имеющих отверстия для подачи в поток смеси аммиака с транспортирующим агентом, отличающееся тем, что относительный шаг отверстий в трубах соответствует условию

где S шаг отверстий;
d диаметр отверстий;
W_с скорость смеси аммиака с транспортирующим агентом на выходе из отверстия;
W_г скорость дымовых газов;
ρ_c - плотность смеси на выходе из отверстия;
ρ_г - плотность дымовых газов. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что концы пучка параллельных труб в верхней части газохода выведены за его пределы, пропущены вне газохода в направлении зоны горения до места их последующего ввода в газоход в сечении, температурный режим в котором соответствует оптимальной температуре реакций аммиака и оксидов азота.