СПОСОБ МОКРОГО ЗОЛОУЛАВЛИВАНИЯ С ТРУБОЙ ВЕНТУРИ Российский патент 2007 года по МПК B01D47/10 B01D53/18 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к способу мокрого золоулавливания в энергетических котлах (с трубами Вентури), сжигающих твердое топливо. Кроме того, изобретение может быть использовано для пылеулавливания в химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Наиболее эффективные (до 99%) способы мокрого золоулавливания с трубами Вентури, рекомендуемые в настоящее время, но внедренные очень ограниченно, представляют из себя следующее. Один из них - интенсивный режим орошения (Уралтехэнерго). Другой способ предусматривает переделку существующих мокрых золоуловителей в эмульгаторы - разработка ПО «Южмаш» [3].

Первый способ предусматривает увеличение расхода воды в 2,6-2,8 раза. При этом возрастают затраты электроэнергии на насосы, дымососы, дутьевые вентиляторы на 0,1-0,2%, снижение КПД брутто котла на 1,1-1,4%. Увеличение расхода воды вызывает снижение температуры газов после золоуловителя до 52°С (допустимая - 67...68°,С), поэтому приходится подогревать газы до 67°С.

Для внедрения способа необходимы значительные затраты:

а) на замену или реконструкцию дымососов ввиду возрастания гидравлического сопротивления золоуловителей;

б) на сооружение газоходов для подачи горячего воздуха;

в) на увеличение оборотного цикла водоснабжения.

Второй способ также связан со снижением температуры дымовых газов после очистки и необходимостью их подогрева, т.е. требует значительных капитальных затрат.

Следующий способ (аналог) применяется более широко. На сегодня большинством ТЭС, сжигающих твердое топливо, принят мокрый способ улавливания золы с трубой Вентури и каплеуловителем [1, 2, 3], технология которого давно и надежно освоена, приспособлена под выпускаемое в РФ оборудование, имеет удовлетворительный межремонтный цикл и сравнительно невысокие затраты.

Главный недостаток этого применяемого повсеместно способа - низкая эффективность улавливания золы, не превышающая 95-97%.

При скорости газов в горловине трубы Вентури 46-53 м/сек, гидравлическом сопротивлении трубы - 1000 Па, золоуловителя - 1400 Па, конечная запыленность газов 1,2-2,0 г/м³. В этом способе при удельном расходе воды 0,25 л/м³ конечная температура газов после золоулавливания 67-68°С.

Как видно из характеристики, низкая степень улавливания золы оставляет слишком высокую по современным масштабам запыленность газов, когда на каждые 0,1% приходятся сотни тонн неуловленной золы. Процент улавливания можно несколько поднять удельным расходом воды, но тогда возникают все проблемы, указанные в двух первых способах, связанные со снижением температуры дымовых газов после очистки и необходимостью их подогрева, т.е. требуются значительные капитальные вложения.

Еще один и наиболее эффективный способ мокрого золоулавливания с трубой Вентури предложен НИПИ «Энергосталь» - прототип, который предусматривает новую систему орошения трубы Вентури, включающую в себя две зоны орошения: первую - с помощью водяных форсунок (спрейеров); вторую - с помощью парожидкостных сопл Лаваля. Более тонкое распыливание воды позволяет, как утверждают авторы [3, стр.48], значительно увеличить поверхность контакта с очищаемыми газами, уменьшить объем подаваемой воды и повысить эффективность улавливания частиц золы до 99%.

Однако главными недостатками прототипа, как и рассмотренного аналога, являются следующие:

1. Конечная запыленность все еще очень высока, т.к., во-первых, в рассмотренном котле расход дымовых газов - до 1 млн. м³/час, т.е. до 660 кг/час неуловленной золы, а в котлах максимальной мощности эти цифры будут несравнимо выше. Во-вторых, испытания велись в котле, где угля сжигалось всего 20% (8% мазута, 72% газа), а котел при необходимости может работать только на угле (1-10% мазута в подсвечивающих форсунках). Начальная запыленность будет значительно выше, а конечная вообще неизвестна, но выше, чем дано в прототипе, т.к. эффективность способов и систем золоулавливания следует определять в экстремальных условиях, тогда для более мягких режимов ее можно предвидеть простой экстраполяцией.

2. Удельный расход воды также велик, т.к. прототип имеет две зоны орошения. Первая - спрейерами, вторая - парожидкостными соплами Лаваля. Спрейеры (водяные форсунки низкого давления) дают очень грубый и неоднородный пленочный распыл с диаметром частиц воды от 1000 мкм и выше, поэтому площадь контакта частиц воды с дымовыми газами незначительна и требуется большое количество воды для захвата определенной фракции золы, на что и рассчитывали авторы, вводя спрейеры.

Парожидкостные сопла Лаваля (форсунки высокого давления) дают более тонкое распыливание воды (диаметром 150 мкм и выше), о чем прототип не сообщает, и площадь контакта с дымовыми газами резко увеличивается. Из таблицы прототипа [3] действительно, видно, что с повышением давления пара перед соплами удельный расход воды и конечная запыленность уменьшаются. Однако полученная площадь контакта воды с дымовыми газами, соответствующая достигнутой дисперсности, еще очень далека от оптимальной, т.к. сегодня можно получить более развитую поверхность контакта воды с дымовыми газами, имея дисперсность от 0,05 мкм и выше или создавая нужный (для максимального захвата летучей золы) интервал дисперсности. Тогда и конечная запыленность и удельный расход воды существенно снизятся, а степень улавливания летучей золы заметно увеличится.

3. Очень высок удельный расход пара для распыливания воды через сопла Лаваля. Учитывая, что около 50% воды проходит через сопла, то удельный расход пара равен 0,31074 кг на 1 кг воды.

Сегодня в энергетике допустимая норма расхода пара 0,01-0,03 кг на 1 кг распыливаемой среды, например мазута, т.е. прототип имеет удельный расход пара в 10 раз выше нормы.

Главная цель изобретения - повышение степени улавливания летучей золы из дымовых газов котлов, сжигающих твердое топливо.

Другой целью является снижение удельных расходов воды (л/м³ дымовых газов) и пара (кг/кг распыливаемой воды) для повышения КПД котла и эффективности способа.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе (прототип) улавливания летучей золы из дымовых газов мокрыми золоуловителями с трубами Вентури вместо водяных форсунок грубого распыливания в первой зоне и парожидкостных сопл Лаваля с более тонким распыливанием во второй зоне, для орошения проходящих дымовых газов устанавливается по оси трубы Вентури одна паромеханическая форсунка с акустической ступенью (акустическая форсунка), например по патенту 1241022 [8], с необходимым расходом воды и пара, создающая акустическое поле с требуемыми переменным звуковым давлением, интенсивностью и частотой, способствующих коагуляции частиц золы.

На фиг.1 представлена акустическая форсунка.

На фиг.2 представлен продольный разрез трубы Вентури с акустической форсункой, где видно, что труба находится в вертикальном положении и состоит из сужающейся части 1 (конфузора), цилиндрической части 2 (горловины) и расширяющейся части 3 (диффузора).

По оси трубы находится одна акустическая форсунка 4 с патрубками 5 и 6 для подвода соответственно воды и пара. Вода подается, как уже подчеркивалось, в отличие от прототипа, только через одну форсунку, ее расход определяется объемом орошаемых дымовых газов на входе в трубу Вентури и необходимостью максимального улавливания золы.

Пар подается под давлением не ниже 0,3 МПа (условия работы акустического узла), чем тоже отличается от прототипа, где оптимальное давление значительно выше (1,1 МПа) и отсюда более высокий удельный расход пара.

В акустической форсунке можно применять и более высокое давление пара. Расход его при этом не увеличится, т.к. истечение пара из сопла форсунки всегда сверхзвуковое.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что, во-первых, имеется принципиально новое устройство - форсунка акустическая - для более дисперсного распыливания воды и орошения дымовых газов. Во-вторых, сочетает в себе несколько факторов (механизмов) осаждения летучей золы, в том числе акустический (наложение колебаний определенных параметров на проходящие дымовые газы), никем ранее не применяемый для улавливания летучей золы.

Рассмотрим влияние каждого из указанных отличий на цели предлагаемого изобретения: повышение степени улавливания золы и снижение удельных расходов воды и пара.

Форсунка акустическая, фиг.1, отличаясь от спрейеров (работающих без пара, где частицы распыливаемой воды имеют диаметр выше 1 мм) и парожидкостных сопл Лаваля (вода и пар подаются через одно сопло, где пар полностью конденсируется и фактически не участвует в улавливании золы), имеет два независимых канала и акустический генератор, работающий на паре с температурой в интервале 250-350°С. Отработанный в генераторе пар, диспергируя воду за счет переменного звукового давления (до 163 дБ), далее участвует в улавливании золы, смачивая ее частицы, которые затем быстрее и легче слипаются, образуя легкоулавливаемые агрегаты.

Вода, проходя через завихритель, на выходе из сопла образует (за счет центробежной силы) колокол (факел) 7 с необходимым углом раскрытия (регулируемым зазором 8), чтобы запереть горловину трубы Вентури и пропустить весь объем дымовых газов сквозь пароводяную среду, активизированную акустическим полем.

Степень диспергирования (0,05-300 мкм) на порядок выше сопл Лаваля и поддается регулированию с целью более полного улавливания золы. Необходимую фракцию можно увеличить [4]. Последнее особенно важно, т.к. запыленный газовый поток (от десятых долей мкм до 25 мкм) поступает в относительно короткий конфузор, где происходит ускорение движения газов и золовых частиц. При этом, чем мельче частицы золы, тем большую скорость они приобретают, а капли воды вследствие большей массы имеют меньшую скорость, чем частицы золы [2]. Из-за значительной разности их скоростей по всей длине конфузора, а так же в горловине и диффузоре происходит интенсивная коагуляция частиц золы и воды - инерционное осаждение. Этому механизму теория отдает решающую роль в очистке газов, однако он эффективен для частиц золы порядка 5-15 мкм [2, стр.9], а ниже 5 мкм и выше 15 мкм его эффективность резко снижается.

Частицы ниже 5 мкм в абсолютном большинстве не улавливаются, но именно они особо опасны экологически, т.к. обогащены токсичными микропримесями, в первую очередь тяжелыми металлами [2, стр.10].

Здесь-то и проявляется решающая роль акустической форсунки, которая не только дает тонкое распыливание с полным спектром размеров капель воды под все размеры частиц золы для инерционного осаждения, но и открывает возможность использования других механизмов улавливания летучей золы. Это с помощью:

1) конденсации пара на частицах летучей золы всех размеров, что характерно для форсунки акустической, где пар (при температуре 250-350 С°), отработанный в генераторе, становится насыщенным и продолжает движение по трубе Вентури, облегчая и ускоряя образование агрегатов золы, которые сами по себе («всухую») не слипаются, а также поддерживая температуру отходящих дымовых газов не ниже 67°С. Снижение температуры пара ниже 250°С приводит к падению температуры отходящих газов ниже 67°С, а превышение 350°С дает, наоборот, рост температуры отходящих газов выше 75°С, что ведет к потере тепла с отходящими газами;

2) акустической коагуляции, которая, как показали испытания, является эффективным методом тонкой очистки. Ее механизм воздействия заключается в том, что под действием переменного звукового давления переменное движение частиц в акустическом поле различно для частиц разной массы и зависит от частоты звука. При низких частотах (0,5-2 кГц) частицы любой величины полностью следуют за колебаниями среды. С увеличением частоты поля более тяжелые частицы принимают все меньшее участие в общем движении. При частотах порядка 100 кГц только ультрамикроскопически малые частицы совершают полные колебания, большие же частицы движутся по более или менее сложным траекториям [9] и с разными скоростями.

Большие различия в скоростях движения частиц различной массы приводят к тому, что, во-первых, значительно усиливается инерционное осаждение частиц золы всех без исключения размеров в отличие от инерционного осаждения, рассмотренного выше для трубы Вентури без акустического поля. Во-вторых, между частицами этой гетерогенной системы возникают гидродинамические силы притяжения (силы Бернулли), связанные с радиационным давлением, которые растут при сближении частиц [9].

Таким образом, в акустическом поле под действием эффектов разделения и гидродинамического притяжения значительно ускоряются процессы сближения, соударения и объединения частиц золы в агрегаты.

Применение акустической коагуляции известно, например, для аэрозолей серной кислоты и удобрений [5, 6], но использовались газоструйные генераторы (статические или динамические сирены), которые отличаются от акустических форсунок неоднородными акустическими полями и воздействием без воды [5].

Наиболее сложен выбор частоты воздействия, т.к. для улавливания летучей золы акустическое поле не применялось из-за установившегося мнения, что образовавшиеся в нем любые агрегаты немедленно разрушаются после выхода из акустического поля [6, 7].

В предлагаемом изобретении это не подтвердилось и авторами выяснено, что на процесс акустической коагуляции влияют как характеристики летучей золы (концентрация, дисперсность, слипаемость), так и характеристики поля (частота, переменное звуковое давление, интенсивность звука, время воздействия), которые можно устанавливать и регулировать для конкретных условий ГРЭС (ТЭЦ).

Так, учитывая, что способ по прототипу не обеспечивает улавливание частиц летучей золы до 5 мкм, авторами испытан и выбран интервал определенных частот, при котором, во-первых, указанные частицы летучей золы могли бы совершать колебания с частотой и амплитудой, близкой к этим параметрам акустического поля, когда резко повышается число столкновений частиц и образование агрегатов.

Во-вторых, частота воздействия поля на частицы летучей золы должна быть такой, чтобы успел завершиться процесс образования агрегатов в отходящих дымовых газах даже при максимальных скоростях их движения в горловине трубы Вентури - от 40 м/сек и выше. Например, при частоте поля 20 кГц каждый литр движущейся массы отходящих газов подвергнут воздействию переменного звукового давления 800 раз.

В-третьих, частота поля должна обеспечивать не только эффективность коагуляции летучей золы размером от 5 мкм и ниже, но и диапазон дисперсности распыливаемой воды, рассмотренный выше. При этом, чем выше частота поля, тем больше требуется приложить мощность при равной интенсивности поля.

Кроме того, применение частот ниже 16 кГц (область слышимых звуков) требует защиты персонала.

Авторами получены три частотных максимума, где наблюдалась наибольшая эффективность улавливания летучей золы, это: 20-22 кГц, 36-38 кГц и 44-48 кГц, что связанно, по-видимому, с неодинаковыми условиями сжигания твердого топлива, начальной запыленностью отходящих газов, меняющимся размерным составом летучей золы.

Предлагаемый способ мокрого золоулавливания с трубой Вентури реализован следующим образом.

По оси трубы Вентури, в конфузоре устанавливается акустическая форсунка, как показано на фиг.1, к которой подведены вода (5) и пар (6).

Давление измеряется манометрами. Форсунка [8] запускается в работу путем подачи пара под давлением не ниже 0,3 мПа при температуре в интервале 250-350°С.

Генератор колебаний, куда поступает пар со сверхзвуковой скоростью, образует вокруг форсунки акустическое поле требуемой частоты. В данном случае это: 20-22 кГц, 34-36 кГц или 44-48 кГц при переменном звуковом давлении не ниже 140 дБ (интенсивность не ниже 0,5 Вт/см²).

Форсунка [8] одинаково работает при любом более высоком давлении пара (с постоянным его расходом), что определяется только давлением пара, имеющимся на объекте, под которое рассчитываются конструктивные элементы форсунки.

Температура пара определяется необходимостью поддержания температуры отходящих дымовых газов не ниже 67°С.

Поскольку акустическое поле устанавливается одновременно с подачей пара, далее включается подача воды, давление и расход которой определяются условиями орошения трубы Вентури, т.е. условиями эксплуатации: габаритами трубы, объемом проходящих дымовых газов в час, начальной запыленностью, температурой отходящих газов и др.

Работающая форсунка (фиг.2) имеет угол раскрытия факела 60-80° (зависит от размеров труб Вентури) и запирает горловину трубы, чтобы все дымовые газы прошли через акустическое поле тонкораспыленной пароводяной среды с целью получения наибольшей эффективности золоулавливания. Форсунка при настройке может перемещаться за счет регулируемого зазора 8.

Таким образом, запыленный газовый поток поступает в относительно короткий конфузор, где происходит ускорение движения газов и золовых частиц (чем мельче частицы золы, тем большую скорость они получают).

В эту же зону конфузора акустическая форсунка подает тонкораспыленную воду с частицами размером 0,05-300 мкм и отработанный в генераторе пар с необходимой частотой, переменным звуковым давлением, интенсивностью.

Пересечение запыленного газового потока с распыленным водяным потоком (факелом) и паром, которые несут на себе акустические колебания, образует контерогенное (многокомпонентное) диффузное поле с мощной турбулизацией и особыми, рассмотренными выше эффектами, присущими только акустическому полю.

В результате этого взаимодействия (главным образом в конфузоре, горловине и частично в диффузоре) происходит интенсивная коагуляция частиц золы.

При этом, как показали испытания, не возможен не только 100%-ный проскок (неполнота осаждения) любой фракции золы, но даже и 30%-ный проскок по изложенным выше причинам.

Причем улавливание самых крупных частиц золы (выше 15 мкм) и самых мелких (меньше 5 мкм), не возможное способом по прототипу, выполняется в предлагаемом способе в основном разными механизмами.

В первом случае для каждой частицы золы имеется соответствующая водяная частица, с которой она имеет значительную разницу скоростей - инерционное осаждение.

Во втором случае коагуляция золовых частиц идет (на 90%) под действием эффектов разделения и гидродинамического притяжения, рассмотренных выше.

Активный пар, проникающий по всему объему конфузора, горловины и диффузора (за счет действия эффектов акустики), способствует коагуляции частиц летучей золы всех размеров.

Предлагаемый способ мокрого золоулавливания с трубой Вентури может быть реализован на любом котлоагрегате, сжигающем твердое топливо, а также на других объектах, использующих мокрые золоуловители с трубой Вентури для улавливания пыли, цемента и других твердых материалов.

Таким образом, сочетание нескольких механизмов улавливания летучей золы существенно повысило эффективность мокрых золоуловителей с трубами Вентури, что показано в таблице.

Использование предлагаемого способа наиболее эффективно для улавливания самых тонких фракций летучих материалов.

Главное - степень улавливания летучей золы повышена до 99,6%.

Расход пара снижен в 100 раз, с 0,3 кг/кг воды до 0,003 кг/кг воды за счет применения акустической форсунки [8], обеспечивающей использование пара и оптимального интервала его температур.

Расход воды для орошения трубы Вентури снижен 1,66 раза за счет более тонкого полидисперсного распыливания воды и применения акустического поля определенной частоты и мощности.

№п/п ПараметрыЗаявляемый способПрототипАналог1. Топливо1) Уголь разных марок - 98%
2) Мазут - 2%3) уголь марки АШ - 20%
4) газ - 72%
5) мазут - 8%1) уголь марки АШ - 20%
2) газ - 72%
3) мазут - 8%2. Расход дымовых газов на входе в золоуловитель, м³/час600000-1200000684000-1000000684000-10000003. Начальная запыленность, г/м³8840404. Конечная запыленность, г/м³0,3520,25-0,351,2-2,0

5. Эффективность улавливания золы, %99,699,1-99,395-976. Скорость газов в горловине трубы Вентури, м/сек45-55до 5346-537. Температура газов до золоуловителя, °С130-150130-150130-1508. Гидравлическое сопротивление трубы Вентури, Па10001050-110010009. Температура газов после золоуловителя, °С68-7064,5-6767-6810. Давление пара, МПа1.1 (перед форсункой)1.1 (перед соплами Лаваля)Пар не используется11. Температура пара, °С280не замеряласьПар не используется12. Удельный расход пара, кг/кг распыливаемой воды.0,0030,31074Пар не используется13. Удельный расход воды, л/м³ дымовых газов.0,05-0,070,09-0,110,2514. Частота акустического поля, кГц20-22Не используетсяНе используется15. Переменное звуковое давление поля, дБ.150Не используетсяНе используется16. Интенсивность поля, Вт/см²0,6-0,8Не используетсяНе используется

Проверка предлагаемого изобретения «Способ мокрого золоулавливания с трубой Вентури» проводилась на моделях, а также на котлах, сжигающих уголь различных марок. Предварительные испытания дали положительные результаты (приведены в таблице), подтверждающие правильность выбранного решения, и в настоящее время ведутся подготовительные работы для перевода котлов Воркутинской ТЭЦ-2 на указанный способ золоулавливания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методические указания по наладке мокрых золоуловителей с трубами Вентури. МУ 34-70-055-83. Союзтехэнерго, М., 1984 г.

2. Л.И.Кропп, Е.Н.Медик. Разработка и освоение золоуловителей СВД-ВТИ-ЮТЭ. Всесоюзный институт повышения квалификации. Минэнерго СССР, М., 1989 г.

3. Г.М.Каненко и другие. Повышение эффективности мокрых золоуловителей. Журнал «Промышленная энергетика» №2, 1997 г.

4. В.А.Солоха, А.В.Лизогуб. Реконструкция горелочных устройств котлов КВГМ 20, КВГМ 100, КВТС 10 с переходом на паромеханические форсунки с акустической ступенью. Журнал «Промышленная энергетика» №2, 1992 г.

5. М.Л.Варламов и другие. «Исследование очистки отходящих газов производств серной кислоты и минеральных удобрений». Сборник «Материалы юбилейной научно-технической конференции». Одесса, 1968 г.

6. Н.Л.Широкова. Коагуляция аэрозолей. В книге «Физические основы ультразвуковой технологии.» М., Наука. 1970 г.

7. Л.Бергман. «Ультразвук и его применение в науке и технике.» Иностранная литература. М., 1957 г.

8. В.А.Солоха, К.Я.Корниенко, К.Д.Корнилов, В.М.Карачунов, П.Е.Каргин, Ю.И.Степанов. «Акустическая форсунка». Патент №1.241.022.

9. И.Матаушек. «Ультразвуковая техника». М., 1962 г.

Изобретение относится к способам мокрого золоулавливания с трубой Вентури, предназначенным для улавливания летучей золы из дымовых газов котлов, сжигающих твердое топливо, а также может быть применено для улавливания цементной пыли в производстве цемента и пылеулавливания в металлургической, химической и других отраслях промышленности, где применяются золо-пылеуловители с трубой Вентури. Цель изобретения - повышение степени улавливания летучей золы из дымовых газов котлов с трубами Вентури, сжигающих твердое топливо, а также снижение удельных расходов воды и пара для повышения КПД котлов путем орошения трубы Вентури, с проходящими в ней дымовыми газами, форсункой акустической, дающей более тонкое и равномерное распыливание воды при пониженном расходе как воды, так и распылителя (пара), где акустическое поле характеризуется строго определенной частотой, интенсивностью и переменным звуковым давлением, а пар находится в узком интервале температур. Дымовые газы, проходящие в трубе Вентури, орошают акустической форсункой, работающей на паре с температурой пара 250-350°С и создающей в объеме трубы акустическое поле, которое характеризуется частотой 20-22, 36-38 или 44-48 кГц, переменным звуковым давлением не ниже 140 дБ и интенсивностью акустического поля не ниже 0,5 Вт/см². Предлагаемый способ в отличие от применяемых в настоящее время позволяет воздействовать на дымовые газы, проходящие в трубе Вентури, одновременно несколькими методами осаждения золы: акустическим (коагуляция под действием колебаний определенной частоты, интенсивности и переменного звукового давления); увлажнением частиц золы в пароводяной атмосфере очень тонко распыленной воды с полным спектром размеров капель под все размеры частиц золы. Это значительно повышает степень улавливания летучей золы из дымовых газов котлов при одновременном снижении удельных расходов воды и пара и повышении КПД котлов. 2 ил., 1 табл.

Способ мокрого золоулавливания с трубой Вентури, при котором дымовые газы, проходящие в трубе Вентури, орошают водяными форсунками, отличающийся тем, что дымовые газы, проходящие в трубе Вентури, орошают акустической форсункой, работающей на паре с температурой пара 250-350°С и создающей в объеме трубы акустическое поле, которое характеризуется частотой 20-22, 36-38 или 44-48 кГц, переменным звуковым давлением не ниже 140 дБ и интенсивностью акустического поля не ниже 0,5 Вт/см².