СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ NO В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ КОТЛЕ Российский патент 2015 года по МПК F22B33/18 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и системе для селективного каталитического восстановления (СКВ) NO_x в использующем твердое или жидкое углеводородное топливо энергетическом котле. Более конкретно, настоящее изобретение относится к регулированию температуры топочного газа, поступающего на катализатор восстановления NO_x котла.

Описание предшествующего уровня техники

Оксиды азота, также известные как NO_x, способствуют образованию кислотного дождя и смога. В соответствии с положениями об охране окружающей среды, требующими снижения выбросов NO_x до приемлемых уровней, восстановление NO_x во время и после процесса сгорания представляет собой важную задачу при проектировании и эксплуатации современных электростанций.

Оксиды азота представляют собой побочные продукты сгорания твердого и жидкого углеводородного топлива, такого как порошкообразный уголь или мазут, и присутствуют в двух основных формах. Если азот образуется при сгорании на воздухе, NO_x называется «термический NO_x». Термический NO_x образуется, когда на молекулярный азот (N₂) воздействуют температуры, превышающие приблизительно 1500°C, которые заставляют его разлагаться с образованием атомарного азота (N), который может затем соединяться с атомарным или молекулярным кислородом, образуя NO или NO₂. Если азот происходит из органически связанного азота в топливе, NO_x называется термином «топливный NO_x».

Разнообразные способы используются для сокращения выбросов оксидов азота. Один способ представляет собой селективное каталитическое восстановление (СКВ), в котором используют катализатор и восстановитель, как правило газообразный аммиак, для восстановления NO_x до газообразного азота и воды согласно следующим уравнениям реакций:

4NO+4NH₃+O₂=>4N₂+6H₂O

2NO₂+4NH₃+O₂=>3N₂+6H₂O

Поскольку NO_x приблизительно на 95% состоит из NO, первая реакция представляет собой преобладающий процесс. Идеальный температурный интервал для осуществления СКВ обычно составляет от приблизительно 300 до приблизительно 400°C. Когда рабочая температура падает значительно ниже 300°C, увеличивается возможность осаждения бисульфата аммония и триоксида серы на поверхности катализатора. Это может вызывать постепенную потерю активности катализатора. Выше 400°C аммиак может разлагаться, уменьшая эффективность процесса. Если температура превышает приблизительно 450°C, активность катализатора может постепенно снижаться вследствие спекания.

Типичный энергетический котел с использованием СКВ в качестве способа восстановления NO_x включает печь в гидравлическом соединении с каналом топочного газа. Сгорание углеводородного топлива происходит в печи с образованием горячих топочных газов, которые поднимаются внутри печи, отдавая часть своей энергии для образования пара на испарительных поверхностях стенок печи. Топочные газы затем проходят через теплоутилизационную область (ТУО) канала топочного газа, где они отдают дополнительную энергию для перегрева пара и нагревания питательной воды на поверхностях экономайзера. Топочные газы, выходящие из секции экономайзера, проходят через катализатор восстановления NO_x, воздухоподогреватель и возможные системы очистки топочного газа, выходя, наконец, через вытяжную трубу в атмосферу.

В типичной системе СКВ в некоторой точке в канале топочного газа выше по потоку относительно секции катализатора реагент, такой как газообразный аммиак или раствор мочевины в воде, поступает и смешивается с потоком топочного газа. Смесь реагента и топочного газа затем поступает в секцию катализатора, в которой происходит каталитическое восстановление NO_x в реакции реагента и избытка кислорода в топочном газе.

Катализатор, как правило, включает множество слоев твердого каталитического материала, находящегося на пути потока топочного газа. Наиболее распространенные типы используемого каталитического материала и приблизительные интервалы температуры топочного газа, при которой они являются эффективными в качестве катализаторов, представляют собой следующие: диоксид титана (270-400°C), цеолит (300-430°C), оксид железа (380-430°C) и активированный уголь/кокс (100-150°C).

Патент США № 5555849 описывает работающую на ископаемом топливе электростанцию с системой экономайзера выше по потоку относительно катализатора восстановления NO_x, где система экономайзера включает обводную линию на водной стороне для поддержания желательной температуры топочного газа в катализаторе восстановления NO_x даже в режиме низкой нагрузки.

Европейская патентная публикация EP 0753701 A1 описывает котел с катализатором восстановления NO_x, находящимся в канале топочного газа между двумя экономайзерами, имеющий обводной канал топочного газа для экономайзера выше по потоку относительно катализатора восстановления NO_x.

Патент США № 6405791 описывает трубчатый воздухоподогреватель с впускной камерой, которая допускает установку модернизированной системы селективного каталитического восстановления (СКВ) выше по потоку относительно воздухоподогревателя в существующем котле.

Помимо проблемы, рассматриваемой в патенте США № 5555849, оказалось, что особенно при установке модернизированной системы катализатора восстановления NO_x в существующем энергетическом котле температура топочного газа на катализаторе восстановления NO_x может становиться чрезмерно высокой, в частности при высоких нагрузках. Вследствие, например, изменений состава топлива или режима работы котла, или даже неудовлетворительной конструкции котла температура на выпуске экономайзера может превышать 430°C, т.е. находиться выше оптимального температурного интервала существующих катализаторов восстановления NO_x.

Таким образом, при установке СКВ ниже по потоку относительно экономайзера для восстановления NO_x может потребоваться использование особого катализатора. Другое решение этой проблемы представляет собой установку дополнительных поверхностей экономайзера в теплоутилизационной области (ТУО) котла. В данном способе, однако, увеличивается температура питательной воды, и если температура повышается и приближается к температуре насыщения барабана парового котла, это производит неблагоприятное воздействие на циркуляцию воды в котле и, в конечном счете, снижает производительность котла.

Патентные документы, в том числе японская патентная публикация JP 550700328 A, европейские патентные публикации EP 1956293 A1, EP 1959192 A1 и патент США 5078973 A, описывают котлы с воздухоподогревателем в канале топочного газа выше по потоку относительно денитрационного устройства. Японская патентная публикация JP 7208701 A описывает трубчатый воздухоподогреватель выше по потоку относительно катализатора восстановления NO_x и воздухоподогреватель ниже по потоку относительно катализатора восстановления NO_x.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ селективного каталитического восстановления NO_x в энергетическом котле, посредством которого можно свести до минимума описанные выше проблемы предшествующего уровня техники.

Еще одна задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить устройство для селективного каталитического восстановления NO_x в энергетическом котле, посредством которого можно свести до минимума описанные выше проблемы предшествующего уровня техники.

Согласно одному аспекту, настоящее изобретение предлагает способ селективного каталитического восстановления NO_x в энергетическом котле, причем данный способ включает следующие стадии: (a) сгорание топлива в печи котла и образование потока топочного газа, который содержит NO_x, (b) прохождение потока топочного газа из печи по каналу топочного газа в вытяжную трубу, (c) охлаждение потока топочного газа в теплоутилизационной области, включающей секцию экономайзера, установленную в канале топочного газа, (d) восстановление, по меньшей мере, части NO_x до N₂ в катализаторе восстановления NO_x, находящемся в канале топочного газа ниже по потоку относительно секции экономайзера, и (e) дополнительное охлаждение топочного газа и образование нагретого воздуха в газовом воздухоподогревателе, установленном в канале топочного газа ниже по потоку относительно секции экономайзера и выше по потоку относительно катализатора восстановления NO_x.

Согласно еще одному аспекту, настоящее изобретение предлагает энергетический котел с селективным каталитическим восстановлением NO_x, причем данный котел включает: (a) топочную камеру для сгорания топлива в печи котла и получения в результате этого потока топочного газа, содержащего NO_x, (b) канал топочного газа для прохождения потока топочного газа из печи в вытяжную трубу, (c) теплоутилизационную область, включающую секцию экономайзера, установленную в канале топочного газа для охлаждения потока топочного газа, (d) катализатор восстановления NO_x, находящийся в канале топочного газа ниже по потоку относительно секции экономайзера, для восстановления, по меньшей мере, части NO_x до N₂; и (e) газовый воздухоподогреватель, установленный в канале топочного газа ниже по потоку относительно секции экономайзера и выше по потоку относительно катализатора восстановления NO_x, для дополнительного охлаждения топочного газа и образования нагретого воздуха.

Настоящее изобретение, т.е. установка газового воздухоподогревателя выше по потоку относительно катализатора восстановления NO_x для охлаждения топочного газа, предоставляет преимущество возможной установки традиционного катализатора восстановления NO_x с использованием стандартного каталитического материала. Газовый воздухоподогреватель предпочтительно представляет собой трубчатый воздухоподогреватель, но в некоторых случаях он может представлять собой теплообменники других типов, которые переносят тепло от топочного газа к воздуху, поступающему для сгорания в котле. Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, газовый воздухоподогреватель представляет собой теплообменник с рециркулирующим теплоносителем. В некоторых случаях газовый воздухоподогреватель может, в качестве альтернативы, представлять собой еще один подходящий тип, например тепловую трубу.

Преимущественно энергетический котел включает горелку или, на практике, комплект горелок для сжигания топлива, направляемого в горелки потоком первичного воздуха. Согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, предназначенный для сжигания воздух, нагреваемый в газовом воздухоподогревателе, поступает в горелки в качестве вторичного воздуха. Вследствие использования вторичного воздуха в качестве охлаждающей среды в данном способе отсутствует риск перегрева охлаждающей среды, который может иметь место при использовании питательной воды в качестве охлаждающей среды. Кроме того, поскольку тепло, передаваемое вторичному воздуху, можно полностью использовать в котле, данный способ не влияет на работу или эффективность существующего котла. В качестве альтернативы, предназначенный для сжигания воздух, нагреваемый в газовом воздухоподогревателе, может также представлять собой другие типы предназначенного для сжигания воздуха, например первичный воздух, который поступает в печь.

При использовании способа согласно настоящему изобретению, в различных режимах нагрузки котла поток воздуха через газовый воздухоподогреватель можно регулировать или останавливать, чтобы обеспечивать желательную температуру топочного газа, поступающего на катализатор. Таким образом, поток воздуха можно преимущественно регулировать непосредственно в зависимости от режима нагрузки котла или в зависимости от измеренной температуры топочного газа, поступающего на катализатор восстановления NO_x. Таким образом, настоящее изобретение предлагает простой способ обеспечения оптимизированной работы катализатора в различных режимах нагрузки, например, без необходимости обеспечивать экономайзер обводным потоком топочного газа или обводным потоком на водной стороне для работы в режиме низкой нагрузки. Настоящее изобретение, таким образом, предлагает регулирование температуры в широком интервале без необходимости какого-либо изменения контура топочного газа или пара/воды в котле. Настоящее изобретение, таким образом, является особенно полезным для проведения модернизации установки, но его можно также использовать в новых энергоблоках, например, чтобы регулировать температуру топочного газа, поступающего на катализатор восстановления NO_x.

Представленное выше краткое описание, а также дополнительные задачи, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления со следующим подробным описанием предпочтительных в настоящее время, но, тем не менее, иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения, рассматриваемых в сочетании с сопровождающими чертежами.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет схематическое изображение примерного энергетического котла согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 представляет часть канала топочного газа энергетического котла согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Фиг.1 представляет схематическое изображение сжигающему порошкообразный уголь энергетического котла 10 согласно настоящему изобретению. Котел включает печь 12 с горелкой для введения в печь смеси порошкообразного угля 16 и первичного воздуха 18 из угольной мельницы 20. Как правило, энергетический котел включает множество горелок, но для простоты на фиг.1 представлена только одна горелка. Топливо сжигают в печи, используя первичный воздух и вторичный воздух 22, поступающий в печь через дутьевой короб 24 вблизи горелки, и образуется горячий топочный газ. Сгорание можно на практике осуществлять полностью, используя третичный воздух и/или двухступенчатое сжигание топлива с введением воздуха в печь ниже по потоку относительно горелок, но для простоты на фиг.1 не представлено введение третичного воздуха и/или воздуха для двухступенчатого сжигания топлива. Образующиеся горячие топочные газы поднимаются внутри печи, отдавая часть своей энергии испарительным поверхностям 30 на стенках печи для испарения питательной воды 26 и получения пара 28. Топочный газ выходит из печи по каналу топочного газа 32, присоединенному к верхней части печи.

Топочные газы затем проходят через теплоутилизационную область (ТУО) 34 канала топочного газа, где они отдают дополнительную энергию поверхностям нагрева пароперегревателя 36 для перегрева образующегося пара и поверхностям экономайзера 38 для подогрева питательной воды, поступающей на испарительные поверхности. Как правило ТУО включает множество перегревающих и подогревающих поверхностей, но поскольку это не имеет решающего значения для настоящего изобретения, на фиг.1 представлен только один пароперегреватель 36.

Топочные газы, выходящие из экономайзера 38, проходят через катализатор 40 восстановления NO_x, воздухоподогреватель 42, очищающую топочный газ систему 44 и вытяжную трубу 46 в атмосферу. Канал топочного газа 32 также включает инжектор 48 для введения восстановителя NO_x, такого как аммиак, выше по потоку относительно катализатора 40. Катализатор 40 предпочтительно включает традиционный каталитический материал, такой как диоксид титана или оксид железа. Как правило, очищающая топочный газ система включает несколько очищающих топочный газ блоков, таких как пылеуловитель и десульфуратор, но поскольку это не имеет решающего значения для настоящего изобретения, на фиг.1 схематически представлена только одна очищающая газ система 44.

Согласно настоящему изобретению, канал топочного газа включает газовый воздухоподогреватель, в данном случае трубчатый воздухоподогреватель 50, установленный выше по потоку относительно катализатора 40 восстановления NO_x. Используя трубчатый воздухоподогреватель, можно охлаждать топочный газ, насколько это желательно, до оптимального температурного интервала для катализатора, например до температуры, составляющей менее чем приблизительно 400°C.

Трубчатый воздухоподогреватель 50 преимущественно присоединен таким образом, чтобы обеспечивать возможное дополнительное нагревание вторичного воздуха 22. В некоторых вариантах осуществления можно также использовать трубчатый воздухоподогреватель для нагревания первичного воздуха 18 или третичного воздуха и/или воздуха для двухступенчатого сжигания топлива, который не представлен на фиг.1. Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, трубчатый воздухоподогреватель 50 соединен параллельно с воздухоподогревателем 42, который здесь также называется термином «второй воздухоподогреватель» и который установлен в канале топочного газа 32 ниже по потоку относительно катализатора 40 восстановления NO_x. Таким образом, поток вторичного воздуха из вторичной воздуходувки 52 можно разделять, используя регулирующие устройства, такие как регулирующие клапаны 54, 54', между трубчатым воздухоподогревателем 50 и воздухоподогревателем 42 ниже по потоку относительно катализатора 40.

Соотношение воздушных потоков через трубчатый воздухоподогреватель 50 и воздухоподогреватель 42 ниже по потоку относительно катализатора 40 можно преимущественно устанавливать в зависимости от нагрузки котла или в зависимости от температуры топочного газа выше по потоку относительно катализатора, которую измеряют определяющим температуру устройством, таким как термометр 56. Таким образом, система преимущественно включает регулятор 58 для управления регулирующими клапанами 54, 54' в зависимости от измеренной температуры.

Как правило, при высоких нагрузках, когда температура топочного газа выше по потоку относительно катализатора склонна увеличиваться и превышать оптимальную рабочую температуру катализатора, основную часть вторичного воздуха пропускают через трубчатый воздухоподогреватель 50 путем, по меньшей мере, частичного закрытого клапана 54', установленного на разветвлении линии вторичного воздуха, проходящей через воздухоподогреватель 42, установленный ниже по потоку относительно катализатора 40. Соответственно, при низких нагрузках меньшую часть вторичного воздуха пропускают через трубчатый воздухоподогреватель путем, по меньшей мере, частичного закрытия клапана 54, установленного на разветвлении питающей вторичным воздухом линии, проходящей через трубчатый воздухоподогреватель 50. Таким образом, путем регулирования разделения воздушного потока между трубчатым воздухоподогревателем 50 и воздухоподогревателем 42 ниже по потоку относительно катализатора 40 восстановления NO_x можно оптимизировать температуру топочного газа, поступающего на катализатор восстановления NO_x при различных режимах нагрузки.

Фиг.2 представляет часть канала топочного газа 32 энергетического котла согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Газовый воздухоподогреватель 50' установлен в канале топочного газа выше по потоку относительно секции катализатора 40, и традиционный воздухоподогреватель 42 установлен ниже по потоку относительно секции катализатора 40. Согласно данному варианту осуществления, газовый воздухоподогреватель 50' включает охладитель 60 топочного газа в канале топочного газа 32 и отдельный воздухоподогреватель 62 на разветвлении 64 подающей воздух линии 66. Охладитель 60 топочного газа и воздухоподогреватель 62 соединены с помощью трубы 68 для циркуляции теплоносителя посредством насоса 70.

Хотя настоящее изобретение описано в данном документе посредством примеров в связи с тем, что в настоящее время считается наиболее предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, но предназначено для распространения на разнообразные сочетания или модификации своих отличительных особенностей и некоторые другие приложения, включенные в объем настоящего изобретения, которые определены в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к энергетике и может использоваться при регулировании температуры топочного газа, поступающего на катализатор восстановления оксидов азота в котлах. Предложен способ селективного каталитического восстановления NO_x в энергетическом котле и энергетический котел с селективным каталитическим восстановлением NO_x. Поток топочного газа, содержащий NO_x, выходит из печи по каналу топочного газа в вытяжную трубу и охлаждается в теплоутилизационной области, включающей секцию экономайзера, расположенную в канале топочного газа. По меньшей мере, часть NO_x восстанавливается до N₂ на катализаторе восстановления NO_x, находящемся в канале топочного газа ниже по потоку относительно секции экономайзера. Энергетический котел включает дополнительный воздухоподогреватель, установленный в канале топочного газа ниже по потоку относительно катализатора восстановления NO_x, при этом газовый воздухоподогреватель и дополнительный воздухоподогреватель соединены параллельно. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ селективного каталитического восстановления NO_x в энергетическом котле (10), причем данный способ включает следующие стадии:
(a) сгорание топлива в печи (12) котла и образование потока топочного газа, который содержит NO_x;
(b) прохождение потока топочного газа из печи по каналу (32) топочного газа в вытяжную трубу (46);
(c) охлаждение потока топочного газа в теплоутилизационной области (34), включающей секцию экономайзера (38), которая расположена в канале топочного газа;
(d) восстановление, по меньшей мере, части NO_x до N₂ на катализаторе (40) восстановления NO_x, находящемся в канале топочного газа ниже по потоку относительно секции экономайзера; и
(e) дополнительное охлаждение топочного газа и образование нагретого воздуха в газовом воздухоподогревателе (50), установленном в канале топочного газа ниже по потоку относительно секции экономайзера и выше по потоку относительно катализатора восстановления NO_x,
причем энергетический котел включает дополнительный воздухоподогреватель (42), установленный в канале топочного газа ниже по потоку относительно катализатора восстановления NO_x, и данный способ отличается тем, что газовый воздухоподогреватель и дополнительный воздухоподогреватель соединены параллельно
относительно воздушного потока.

2. Способ по п.1, в котором газовый воздухоподогреватель (50) присоединен к воздушному потоку для получения нагретого воздуха, поступающего в качестве вторичного воздуха в горелку (14), расположенную в печи.

3. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию регулирования потока воздуха, поступающего в газовый воздухоподогреватель (50), в зависимости от режима нагрузки энергетического котла.

4. Способ по п.1, дополнительно включающий стадии измерения температуры топочного газа, поступающего на катализатор (40) восстановления NO_x, и регулирования потока воздуха, поступающего в газовый воздухоподогреватель (50), в зависимости от измеренной температуры.

5. Способ по п.1, в котором газовый воздухоподогреватель (40) представляет собой трубчатый воздухоподогреватель.

6. Способ по п.1, в котором газовый воздухоподогреватель представляет собой теплообменник (50') с рециркулирующим теплоносителем.

7. Энергетический котел (10) с селективным каталитическим восстановлением NO_x, причем данный котел включает:
(a) топочную камеру для сжигания топлива в печи (12) котла и получения в результате этого потока топочного газа, содержащего NO_x;
(b) канал (32) топочного газа для прохождения потока топочного газа из печи в вытяжную трубу (46);
(с) теплоутилизационную область (34), включающую секцию экономайзера (38), установленную в канале топочного газа для охлаждения потока топочного газа;
(d) катализатор (40) восстановления NO_x, находящийся в канале топочного газа ниже по потоку относительно секции экономайзера, для восстановления, по меньшей мере, части NO_x до N₂; и
(e) газовый воздухоподогреватель (50), установленный в канале топочного газа ниже по потоку относительно секции экономайзера и выше по потоку относительно катализатора восстановления NO_x, для дополнительного охлаждения топочного газа и получения нагретого воздуха,
причем энергетический котел включает дополнительный воздухоподогреватель (42), установленный в канале топочного газа ниже по потоку относительно катализатора восстановления NO_x, и отличается тем, что газовый воздухоподогреватель и дополнительный воздухоподогреватель соединены параллельно относительно воздушного потока.

8. Энергетический котел по п.7, в котором топочная камера для сжигания топлива включает горелку (14), и газовый воздухоподогреватель (50) присоединен к воздушному каналу для прохождения нагретого воздуха в печь в качестве вторичного воздуха вблизи горелки.

9. Энергетический котел по п.7, дополнительно включающий регулятор (58) для регулирования потока воздуха, поступающего в газовый воздухоподогреватель (50), в зависимости от режима нагрузки энергетического котла.

10. Энергетический котел по п.7, дополнительно включающий
термометр (56) для измерения температуры топочного газа, поступающего на катализатор (40) восстановления NO_x, и регулятор (58) для регулирования потока воздуха, поступающего в газовый воздухоподогреватель (50), в зависимости от измеренной температуры.

11. Энергетический котел по п.7, в котором газовый воздухоподогреватель (50) представляет собой трубчатый воздухоподогреватель.

12. Энергетический котел по п.7, в котором газовый воздухоподогреватель (50') представляет собой теплообменник с рециркулирующим теплоносителем.