СИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЫДЕЛЕНИЯМИ NO ИЗ КОТЛОВ, СЖИГАЮЩИХ УГЛЕРОДНЫЕ ТОПЛИВА, БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВНЕШНЕГО РЕАГЕНТА Российский патент 2007 года по МПК B01D53/86 F23J15/02 F23C7/00 F23N3/00 

Изобретение относится к системе и способу управления содержанием NO_x в дымовых газах, выделяемых из котлов, сжигающих углеродные топлива. Более конкретно, настоящее изобретение относится к схеме управления NO_x, в которой отсутствует инжектирование внешнего восстановителя NO_x.

Выделения NO_x из котлов, сжигающих углеродное топливо, образуются из двух источников: (1) термический NO_x, вызванный окислением азота в воздухе и (2) топливный NO_x, вызванный окислением азота в топливе. В современных котлах с усовершенствованными системами сжигания термический NO_x является минимальным, и выделения NO_x в основном образуются из небольшой фракции азота в топливе. Содержание NO_x, произведенного в процессе сжигания, главным образом определяется температурой и стехиометрией в зоне первичного сжигания. Содержание выделений NO_x, выходящих из камеры сгорания в атмосферу, является результатом равновесия между реакциями образования NO_x и реакциями восстановления NO_x.

Существующие технологии для управления выделениями NO_x из источников сжигания, относятся к двум категориям: (1) минимизация образования NO_x в процессе сжигания и (2) понижение содержания NO_x в произведенном дымовом газе. В котлах для пылевидного угля образование NO_x может быть минимизировано путем использования специально сконструированных горелок с низким NO_x и путем завершения сжигания угля на верхнем уровне печи посредством воздуха для пережога. При сжигании в псевдоожиженном слое содержанием NO_x обычно управляют путем использования относительно низкой температуры сжигания и путем регулирования вторичного воздуха для оптимального перемещения воздуха. Основные технологии восстановления NO_x в дымовом газе включают избирательное каталитическое восстановление и избирательное некаталитическое восстановление, причем в обоих случаях обычно используют аммиак или мочевину для разложения NO_x, когда он образуется.

Современные новые котлы-утилизаторы для сжигания угля обычно имеют выделения NO_x в диапазоне 40-60 частей на миллион. Такие низкие содержания выделений NO_x достигаются путем оптимального объединения обеих категорий технологий управления NO_x. Например, обычное устройство для котлов для пылевидного угля представляет собой систему с горелками с низким NO_x/воздухом для пережога в сочетании с избирательным каталитическим восстановлением, использующую аммиак или мочевину в качестве восстановителя. При использовании системы с горелками с низким NO_x/воздухом для пережога содержание NO_x на выходе из печи обычно находится в диапазоне 90-180 частей на миллион.

В современных технологиях с низким NO_x, используемых в котлах, сжигающих углеродное топливо, придается особое значение точному управлению стехиометрией и температурой сжигания внутри зоны первичного сжигания. Хорошо известно, что низкое содержание избыточного воздуха в зоне сжигания может привести к повышенным выделениям СО и несгоревшего углерода в золе. Таким образом, настоящие технологии сжигания с низким NO_x (с горелками с низким NO_x и в псевдоожиженном слое) из-за проблем, связанных с выделениями СО, не обеспечивают возможность получения полной выгоды от оптимизации количества избыточного воздуха. Используемая в настоящее время концепция проектирования, таким образом, сосредоточена на понижении кислорода, имеющегося в зоне первичного сжигания, до низкого уровня, чтобы минимизировать образование NO_x, в то же время поддерживая высокую эффективность сжигания и низкое содержание выделений СО.

Проблема, связанная с системами избирательного каталитического восстановления и избирательного некаталитического восстановления, однако, заключается в том, что использование избыточных количеств аммиака или мочевины для достижения очень высоких уровней восстановления NO_x, приводит к опасным выделениям аммиака в окружающую среду. Системы обработки и инжекции аммиака создают значительные капитальные и эксплуатационные затраты. Использование аммиака также вызывает риски для безопасности рабочего персонала и может в результате вызвать образование соли аммония и загрязнение и коррозию на холодных поверхностях ниже по потоку канала дымового газа.

В автомобильной промышленности известно использование так называемых преобразователей тройного действия для одновременного понижения выделений NO_x, CO и углеводородов в выхлопном газе. Традиционный бензиновый двигатель эксплуатируют в условиях стехиометрии, управляемых посредством инжекции топлива. Преобразователь тройного действия содержит катализатор, который обычно изготовляют либо из платины, либо из палладия вместе с родием на керамической или металлической подложке. СО функционирует как восстановитель NO_x на родиевой поверхности.

Избыточный СО и углеводороды окисляются на платиновых или палладиевых поверхностях.

В патенте США №5055278 описан способ уменьшения количества оксидов азота в отработанном дымовом газе. В соответствии со способом ископаемое топливо проходит через постепенное сжигание путем пиролиза для продления времени пребывания, и образованные окись углерода, углеводороды и, возможно, оксиды азота, проходят через каталитическое окисление. В связи с субстехиометрическими условиями производятся очень высокие количества СО и углеводородов, и для окисления требуется большое количество катализатора. В противоположность этому количество оксидов азота в отработанном газе очень низкое, поскольку азот в топливе главным образом выделяется как NH₃. По этой причине воздух или кислород должен быть инжектирован как внешний окислитель и равномерно смешан с дымовым газом выше по потоку, чем катализатор. Способ сжигания путем пиролиза также имеет недостаток в виде низкой термической эффективности в связи с высоким содержанием несгоревшего углерода в золе.

По вышеуказанным причинам понятно, что существует потребность в новой простой системе интеграции между процессом сжигания в котле и восстановлением NO_x в дымовом газе ниже по потоку, которая поддерживает высокую термическую эффективность и приводит к очень низким выделениям NO_x, но не вызывает опасных выделений аммиака или СО.

Задачей настоящего изобретения является создание системы и способа управления выделениями NO_x из котлов, сжигающих углеродные топлива, которые включают простую и перспективную систему интеграции между процессом сжигания и восстановлением NO_x в дымовом газе ниже по потоку, которая поддерживает высокую термическую эффективность котла.

Другой задачей настоящего изобретения является создание системы и способа управления выделениями NO_x из котлов, сжигающих углеродные топлива, которые не приводят к увеличенным выделениям других загрязнений.

Особой задачей настоящего изобретения является создание системы и способа управления выделениями NO_x из котлов, сжигающих углеродные топлива, которые не используют внешнего реагента.

Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предусмотрен способ управления выделениями NO_x из котла, сжигающего углеродные топлива, включающий следующие стадии: (а) введение углеродного топлива и воздуха, поступающего в зону горения, в печь котла для сжигания углеродного топлива в условиях окисления и получение дымового газа, включающего NO_x и СО, (b) направление дымового газа из печи в секцию катализатора в канале дымового газа для превращения, без введения внешнего реагента для восстановления NO_x, NO_x в N₂ и СО в СО₂ путем использования СО в качестве восстановителя NO_x на катализаторе в секции катализатора.

При этом стадия (а) дополнительно содержит регулирование рабочих условий в печи для того, чтобы понизить молярную концентрацию NO_x и повысить молярную концентрацию СО на выходе из печи, так что молярная концентрация СО на выходе из печи составляет по меньшей мере 70% от молярной концентрации NO_x.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения содержание СО, выработанного в процессе сжигания в печи, регулируется до такого содержания, при котором он восстанавливает NO_x в азот (N₂) как в печи, так и в размещенной ниже по потоку секции катализатора без использования внешних реагентов, таких как аммиак. Предпочтительно, процессы сжигания в печи регулируются так, что отношение молярных концентраций СО и NO_x на выходе из печи выше, чем 0,7. Более предпочтительно, отношение молярных концентраций СО и NO_x на выходе из печи составляет от примерно 1 до примерно 3. Было обнаружено, что адекватное количество СО, требуемое для восстановления NO_x, может быть выработано путем оптимизации конструкции печи и рабочих параметров.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения требуемое содержание СО в печи в первую очередь достигается путем регулирования общего количества воздуха, поступающего в зону горения, вводимого в печь, так что достигается низкий диапазон избыточного воздуха в печи. Предпочтительно, особенно для камер сгорания, сжигающих уголь, диапазон избыточного воздуха в печи составляет от примерно 10% до примерно 20%, еще более предпочтительно от примерно 13% до примерно 20%. В некоторых условиях, особенно когда топливо является жидким или газообразным топливом, таким как жидкие топлива или природный газ, диапазон содержания избыточного воздуха в печи предпочтительно составляет менее 10%, и еще более предпочтительно менее 5%. Однако с целью поддержания адекватной эффективности сжигания печь работает в условиях окисления, т.е. избыточный воздух составляет выше 0%.

Условия работы в печи, отрегулированные для осуществления относительно высокого производства СО, также значительно подавляют выработку NO_x в процессе сжигания. В дополнение к этому, когда NO_x, СО и древесный уголь производятся в печи, СО действует вместе с древесным углем для дальнейшего понижения содержания NO_x в соответствии со следующей реакцией:

(над поверхностью древесного угля, при высокой температуре).

В соответствии с настоящим способом печь должна работать с высокими концентрациями СО для достижения содержаний NO_x на выходе из печи, которые в связи с пониженным производством NO_x и восстановлением NO_x в печи являются значительно более низкими, чем те, которые получаются при использовании современных технологий сжигания с низким NO_x. Когда используется настоящий способ, содержание NO_x на выходе из печи может быть ниже 90 частей на миллион, даже ниже 60 частей на миллион.

Также в соответствии с настоящим изобретением предусмотрена система для управления выделениями NO_x из котла, в котором сжигаются углеродные топлива, содержащая печь, включающую средство для введения углеродного топлива и воздуха, поступающего в зону горения, в печь для сжигания углеродного топлива в условиях окисления и производства дымового газа, включающего NO_x и СО, канал дымового газа для направления дымового газа из печи в атмосферу и секцию катализатора в канале дымового газа, включающую катализатор для превращения NO_x в N₂ и СО в СО₂, в которой канал дымового газа выполнен без средства для введения внешнего восстановителя NO_x. При этом средство для введения углеродного топлива и воздуха, поступающего в зону горения, в печь обеспечивает возможность создания молярной концентрации СО на выходе из печи по меньшей мере 70% от молярной концентрации NO_x.

Содержание NO_x в дымовом газе, имеющем высокое отношение CO/NO_x, дополнительно понижается в секции катализатора в обратном проходе котла. Однако в связи с низким начальным содержанием NO_x в дымовом газе потребность в каталитическом восстановлении NO_x является относительно низкой.

В соответствии с настоящим изобретением восстановление NO_x на катализаторе имеет место без добавления любого внешнего реагента в процесс. В настоящих промышленных электростанциях аммиак и мочевина обычно используются для выполнения каталитического или некаталитического восстановления NO_x. Однако другие восстановители, такие как СО, углеводороды (НС), водород и древесный уголь, также известны для восстановления NO_x в азот. Восстановитель окисляется в той же реакции, как показано ниже для реакции между NO_x и СО:

(над металлическим катализатором, при низкой температуре).

Это такая же реакция, как реакция (1), но с внешним металлическим катализатором. Реакция (2) подтверждается и широко используется в автомобильной промышленности, в которой высокие величины превращения NO_x, обычно между 90 и 99%, являются достижимыми.

Ключевым элементом настоящего изобретения является выработка соответствующих условий процесса в печи, сжигающей углеродные топлива, особенно в печи котла, сжигающего уголь, для производства адекватного молярного отношения CO/NO_x в дымовом газе для того, чтобы обеспечить возможность использования процесса окисления-восстановления по формуле (2) для восстановления NO_x и окисления СО.

Как хорошо известно специалистам в области техники управления сжиганием, отношение CO/NO_x может также управляться при помощи других конструктивных и рабочих модификаций. Примеры таких общеизвестных модификаций включают управление общими или локальными температурами внутри камеры сгорания, модификации конструкции зоны первичного сжигания или конструкции горелки для инжекции воздуха в нее и т.п.

В соответствии с настоящим изобретением СО действует на катализаторе как восстановитель, который восстанавливает NO_x в N₂. В то же время СО окисляется в СО₂. Материал, размер, геометрия и рабочая температура катализатора предпочтительно выбираются так, чтобы большая часть, или предпочтительно весь NO_x в дымовом газе, была восстановлена на катализаторе. Более того, любой избыточный СО в дымовом газе будет предпочтительно окисляться в CO₂ на поверхности катализатора посредством избыточного кислорода в дымовом газе.

Катализатор может быть выполнен из тех же материалов, как и катализаторы, используемые в TWC, т.е. либо из платины, либо из палладия вместе с родием на керамической или металлической подложке. Альтернативно, катализатор может быть выполнен из некоторых других материалов, например оксидов основных переходных металлов, таких как железо, никель, алюминий, кобальт или медь, или их смесей. Температура катализатора составляет предпочтительно от примерно 130°С до примерно 800°С, еще более предпочтительно от примерно 200°С до примерно 500°С.

Катализатор может предпочтительно содержать активные ингредиенты, такие как те, которые были упомянуты выше, нанесенные на керамическую подложку, экструдированные в формах либо сот, либо пластины. Катализатор также может быть использован в форме гранул или таблеток в слое насадки, размещенном в канале дымового газа. В особенности дешевый катализатор, который имеет форму порошка или гранул, может также быть непосредственно инжектирован в проход дымового газа. Затем катализатор, собранный в лепешку порошка пылесборника, может действовать как фиксированный слой для восстановления NO_x. Собранный катализатор может быть рециркулирован для улучшения его утилизации.

Дымовой газ из котла также содержит углеводороды обычно в концентрации на порядок ниже по величине, чем СО. Как было упомянуто ранее, углеводороды также могут восстанавливать NO_x посредством реакции окисления-восстановления, подобной реакциям NO_x-CO, показанным в формуле (2). Меры, принимаемые для увеличения количества СО в печи, будут также, до определенной степени, повышать концентрацию углеводородов. Однако в связи с их низкой концентрацией и аналогичным механизмом реакции влияние углеводородов на NO_x в соответствии с настоящим изобретением объединяется с эффектом восстановления посредством СО. Также в технических расчетах молярное отношение CO/NO_x может включать эквивалент отношения CH₄/NO_x.

Путем оптимизации всех процессов образования и разложения NO_x в соответствии с настоящим изобретением может поддерживаться высокая эффективность сжигания, и очень низкие содержания NO_x из системы котла могут быть достигнуты путем использования небольшой секции катализатора и без добавления любого внешнего восстановителя, такого как аммиак, обычно используемый для процессов избирательного каталитического восстановления.

На Фиг.1 изображена диаграмма влияния избыточного воздуха в печи на выделения NO_x и СО.

На Фиг.2 изображена схема предпочтительного варианта системы восстановления NO_x в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 показана качественная диаграмма влияния избыточного воздуха в печи на выделения NO_x и СО. Как показано на диаграмме, путем увеличения избыточного воздуха содержание NO_x возрастает, и содержание СО понижается. Поскольку регулирование избыточного воздуха влияет на содержания как NO_x, так и СО, но в противоположных направлениях, небольшое отклонение избыточного воздуха будет обеспечивать большое изменение в отношении CO/NO_x. В современных условиях котлы, сжигающие уголь, сконструированы для содержания избыточного воздуха 20-25%.

В соответствии с настоящим изобретением отношение CO/NO_x на выходе из печи предпочтительно составляет выше 0,7. Еще более предпочтительно, отношение CO/NO_x на выходе из печи составляет от примерно 1 до примерно 3. Наиболее эффективным средством для достижения отношения CO/NO_x, которое подходит для каталитического восстановления ниже по потоку, является регулирование отношения воздуха и топлива, вводимых в печь. В соответствии с настоящим изобретением избыточный воздух в печи предпочтительно находится в диапазоне от примерно 10% до примерно 20%, еще более предпочтительно в диапазоне от примерно 13% до примерно 20%.

На фиг.2 показан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения, содержащий котел 10, сжигающий пылевидный уголь (PC), с интегрированной системой восстановления NO_x. Котел 10 содержит печь 12, огражденную вертикальными трубчатыми стенками, из которых только стенки 14 и 16 показаны на фиг.2. Печь работает в условиях окисления, и поэтому стенки 14, 16 могут быть изготовлены из обычной углеродистой стали и не должны быть полностью покрыты огнеупорным материалом или быть изготовлены из коррозионно-стойкого материала.

Котел 10 содержит средство 18 для введения топлива и первичного воздуха через горелки 20 в печь 12. Средство 22 для введения вторичного воздуха в печь 12 размещено примыкающим к горелкам 20. В верхней части печи 12 размещено средство 24 для введения воздуха для пережога. Средства для введения топлива, вторичного воздуха и воздуха для пережога предпочтительно содержат средства 26, 28, 30 для управления потоками топлива, вторичного воздуха и воздуха для пережога, соответственно, вводимыми в печь.

Дымовые газы, произведенные при сжигании топлива в печи 12, выходят из печи 12 через канал 32 дымового газа, пылесборник 34 и дымовую трубу 36 в атмосферу. Канал 32 дымового газа содержит секцию 38 теплопередачи и секцию 40 катализатора (имеющую катализатор, как описано более подробно ниже), размещенную ниже по потоку, чем секция 38 теплопередачи. Сжигание топлива в печи 12 предпочтительно выполняется при относительно низком избыточном воздухе, а именно 10-20%. В этих рабочих условиях количество NO_x на выходе из печи является низким, обычно ниже 90 частей на миллион. Одновременно концентрация СО в дымовом газе увеличивается до более высокого содержания, чем обычно. В связи с низким содержанием NO_x, катализатор в секции 40 катализатора имеет относительно небольшой размер.

В соответствии с настоящим изобретением СО действует на катализаторе в секции 40 катализатора как восстановитель, который восстанавливает NO_x в дымовом газе до N₂. В то же время СО окисляется до CO₂. Материал, размер, геометрия и рабочая температура катализатора в секции 40 катализатора выбираются так, что большая часть или предпочтительно весь NO_x в дымовом газе будет восстановлен на катализаторе. Любой избыточный СО в дымовом газе будет предпочтительно окислен в CO₂ на поверхности катализатора посредством избыточного кислорода в дымовом газе. В качестве примера катализатор может быть выполнен либо из платины, либо из палладия вместе с родием на керамической или металлической подложке. Другие возможные материалы катализатора включают оксиды основных переходных металлов, таких как железо, никель, алюминий, кобальт или медь, или смесь этих оксидов.

Предпочтительно, котел включает поверхности теплопередачи, такие как перегреватели 42 и экономайзеры 44 в канале дымового газа выше по потоку, чем секция 40 катализатора. Посредством поверхностей 42, 44 теплопередачи температуру дымового газа можно отрегулировать до оптимального рабочего диапазона катализатора. Катализатор предпочтительно работает при температуре от примерно 130°С до примерно 800°С, наиболее предпочтительно от примерно 200°С до примерно 500°С. В канале 32 дымового газа ниже по потоку, чем секция 40 катализатора, размещен подогреватель 46 воздуха для нагрева воздуха в канале 48 воздуха.

Как видно из фиг.2, котел, включающий средство для управления утилизацией интегрированного NO_x в соответствии с настоящим изобретением, является очень простым. Единственным основным отличием от традиционного котла, имеющего агрегат избирательного каталитического восстановления, является то, что настоящий котел не включает средства для обработки и инжекции внешнего восстановителя NO_x. В соответствии с настоящим изобретением концентрация СО в дымовом газе регулируется так, что СО восстанавливает большую часть или весь NO_x в дымовом газе в секции 40 катализатора.

Концентрация СО в дымовом газе предпочтительно регулируется путем использования соответствующего содержания избыточного воздуха в печи 12. Конструкция котла может также включать небольшие модификации, например определенные локальные температуры в печи 12, или модификации в зоне сжигания или конструкции котла для управления отношением CO/NO_x на выходе из печи. В общем, однако, сам котел не должен существенно отличаться от традиционного котла.

Значительным преимуществом настоящей системы является то, что СО заменяет аммиак для каталитического восстановления NO_x. Таким образом, секция катализатора по существу не включает аммиак избирательного каталитического восстановления. Капитальные затраты, эксплуатационные расходы и риски для безопасности, связанные с использованием аммиака, исключаются. Восстановитель вырабатывается самостоятельно в продолжение процесса сжигания в котле при отсутствии дополнительных затрат и без внешней обработки. Все оборудование, связанное с обработкой и инжекцией аммиака, такой как хранение в резервуаре, нагнетание и измерение расхода, испарение, распределение и инжекция, исключается.

Критическим требованием традиционных технологий избирательного каталитического восстановления для эффективного восстановления NO_x и управления утечкой аммиака является равномерное смешение NO_x с дымовым газом. Это требование приводит к удорожанию оборудования, включая сеть инжекции аммиака, смесители потоков, множество поворотных лопастей и сеть ректификатора потока. Такое оборудование не является необходимым в настоящей системе, поскольку восстановитель (СО), достигший секции 40 катализатора, уже равномерно распределяется в канале 32 дымового газа, особенно когда он проходит через теплообменные ряды, т.е. перегреватели 42 и экономайзеры 44 в канале 32 дымового газа.

Кроме того, в настоящей системе также устраняются проблемы ниже по потоку, связанные с традиционными технологиями избирательного каталитического восстановления, такие как утечка аммиака и образование бисульфата аммония, которое может вызвать загрязнение и коррозию поверхностей 46 подогревателя воздуха, особенно когда сжигаются высокосернистые топлива.

Работа котла согласно настоящему изобретению отличается от работы традиционного котла тем, что она обеспечивает возможность полного потенциала управления NO_x путем регулирования избыточного воздуха, подлежащего утилизации. Таким образом, настоящий способ разрушает традиционное взаимоотношение между NO_x и СО в печи. Фактически эта концепция преобразует взаимоотношение CO/NO_x от противопоставления до поддержания путем использования СО в качестве восстановителя.

Настоящая концепция предусматривает экономичную систему для достижения низкого NO_x на выходе из печи и высокого конечного каталитического восстановления NO_x без создания увеличенных выделений СО или NH₃ или понижения эффективности котла. Настоящее изобретение применимо к котлам для пылевидного угля, котлам для сжигания углеродного топлива и другим камерам сгорания, используемым для сжигания твердого углеродного топлива. Изобретение может быть также применено к котлам, в которых сжигаются жидкие или твердые углеродные топлива.

В то время как изобретение было описано здесь посредством примеров, связанных с теми, которые в настоящее время считаются наиболее предпочтительными вариантами осуществления, необходимо понять, что изобретение не ограничено этими описанными вариантами осуществления, а предназначено для того, чтобы охватить различные сочетания или модификации его признаков и некоторых других применений, включенных в объем изобретения, как оно определено в прилагаемых пунктах формулы изобретения.

Изобретение относится к системе и способу управления содержанием NO_x в дымовых газах, выделяемых из котлов, сжигающих углеродные топлива. Способ включает введение углеродного топлива и воздуха, поступающего в зону горения, в печь котла для сжигания углеродного топлива в условиях окисления и получение дымового газа, включающего NO_x и СО, и направление дымового газа из печи в секцию катализатора в канале дымового газа для превращения без введения внешнего реагента для восстановления NO_x, NO_x в N₂ и СО в СО₂ путем использования СО в качестве восстановителя NO_x на катализаторе в секции катализатора. Результат изобретения: создание системы и способа управления выделениями из котлов, сжигающих углеродные топлива, которая поддерживает высокую термическую эффективность котлов, которые не приводят к увеличенным выделениям других загрязнений и которые не используют внешнего реагента. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления выделениями NO_x из котла, в котором сжигаются углеродные топлива, включающий следующие стадии:

(a) введение углеродного топлива и воздуха, поступающего в зону горения, в печь котла для сжигания углеродного топлива в условиях окисления и получение дымового газа, который включает NO_x и СО, и

(b) направление дымового газа из печи в секцию катализатора в канале дымового газа для превращения, без введения внешнего реагента для восстановления NO_x, NO_x в N₂ и СО в СО₂ на катализаторе в секции катализатора,

в котором стадия (а) дополнительно содержит регулирование рабочих условий в печи для того, чтобы понизить молярную концентрацию NO_x и повысить молярную концентрацию СО на выходе из печи, так что молярная концентрация СО на выходе из печи составляет, по меньшей мере, 70% от молярной концентрации NO_x.