Реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем, имеющий систему селективного каталитического восстановления - RU2267351C2

Чертежи

Описание

ОПИСАНИЕ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ Настоящее изобретение относится, в общем, к реакторам или камерам сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (СРВ), а более конкретно - к реактору или камере сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем, имеющему систему селективного каталитического восстановления (SCR), используемую ниже по технологической цепочке от реактора или топки камеры сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем для достижения повышенной способности восстановления окислов азота (NO_x).

ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Защита окружающей среды и контроль твердых, жидких и газообразных сбросов или выбросов являются основными элементами в конструкции парогенерирующих систем, в которых используется тепло, генерируемое камерой сгорания ископаемого топлива для получения водяного пара. В настоящее время самыми значительными такими выбросами являются сернистый ангидрид (SO₂), окислы азота (NO_х) и частицы аэрозоля.

Окислы азота (NO_x) относятся к совокупным выбросам окиси азота (NO), двуокиси азота (NO₂) и ничтожным количествам других веществ, выделяемых в процессе сгорания. Как только топливо выбрано, выбросы окислов азота (NO_x) минимизируют, используя технологию сжигания с низкими выбросами окислов азота (NO_x) и технологии обработки продуктов сгорания. Если одних модификаций сжигания не достаточно, то могут быть использованы такие технологии обработки продуктов сгорания, как селективное некаталитическое восстановление (SNCR) или селективное каталитическое восстановление (SCR). В системах селективного каталитического восстановления (SCR) или селективного некаталитического восстановления (SNCR) окислы азота (NO_x) восстанавливают до азота (N₂) и воды (Н₂О) посредством серии реакций с химическим реагентом, вводимым в дымовой газ. Аммиак и мочевина являются реагентами, наиболее часто используемыми с системами селективного некаталитического восстановления (SNCR), тогда как аммиак чаще всего используют в системах селективного каталитического восстановления (SCR).

Сжигание в псевдоожиженном слое имеет определенные преимущества для сжигания твердых видов топлива и регенерации энергии для получения водяного пара, причем основной движущей силой разработок в США камер сгорания для сжигания топлива в псевдоожиженном слое фактически является уменьшение выбросов сернистого ангидрида (SO₂) и окислов азота (NO_x). Как правило, эта технология может быть использована для сжигания угля с высоким содержанием серы и получения низких уровней выбросов сернистого ангидрида (SO₂) без необходимости дополнительного оборудования для удаления серы на выходе. Паровые котлы с псевдоожиженным слоем катализатора имеют такую конструкцию, чтобы рабочая температура слоя находилась в диапазоне 1500-1600°F (815,6-871,1°С), приводя к низким выбросам окислов азота (NO_x). Эти низкие рабочие температуры обеспечивают также возможность сжигания более низкокачественного топлива (применение которого, как правило, приводит к высокому зашлаковыванию и внешнему загрязнению) без многих эксплуатационных трудностей, которые, как правило, имеют место при сжигании такого топлива.

В реакторах и камерах сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (СРВ) реакционные и нереакционные твердые частицы захватываются в камере реактора восходящим газовым потоком, который переносит твердые частицы к выходу в верхней части камеры реактора. Там твердые частицы, как правило, улавливаются, первичным отделителем частиц импульсного типа или циклонного типа и возвращаются в нижнюю часть камеры реактора непосредственно или по одному или более трубопроводов. Первичный отделитель частиц импульсного типа, установленный на выходе камеры реактора, улавливает от 90% до 97% циркулирующих твердых частиц. В соответствии с требованиями технологического процесса ниже по технологической цепочке от первичного отделителя частиц импульсного типа может быть установлен дополнительный коллектор твердых частиц для улавливания дополнительных твердых частиц для возможного их возврата в камеру реактора.

Известны реакторы или камеры сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (СРВ) (смотри, например, патент США №5343830, выданный Александеру и др.), в которых установлено два или более рядов отбойных элементов, расположенных в камере топки или реактора, за которыми следует вторая матрица установленных в шахматном порядке отбойных элементов, которые дополнительно отделяют частицы от газового потока и возвращают их по каналу и с помощью средства для возврата частиц без внешних и внутренних рециркуляционных трубопроводов.

Системы селективного каталитического восстановления (SCR) и селективного некаталитического восстановления (SNCR) нашли применение для уменьшения выбросов окислов азота (NO_x) из парогенерирующих систем, сжигающих пылевидный уголь. Системы селективного некаталитического восстановления (SNCR) нашли также применение в парогенераторах с псевдоожиженным слоем и было предложено комбинировать парогенераторы с циркулирующим псевдоожиженным слоем (СРВ) для сжигания нефтяного кокса с системой селективного каталитического восстановления (SCR).

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение, в общем, относится к реакторам или камерам сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (СРВ) и обеспечивает получение системы для достижения низких выбросов окислов азота при наименьших эксплуатационных расходах. Технологии сжигания псевдоожиженного слоя обеспечивают температуры сжигания, которые намного ниже (1550-1600°F (843,3-871,1°С)) в точке впуска топлива, чем в системах сжигания пылевидного угля, где температуры сжигания могут составлять 2500-3000°F (1371,1-1648,9°С). Такая разность температур делает вклад в большой перепад в неконтролируемые выбросы окислов азота (NO₂) из псевдоожиженного слоя. Неконтроллируемые выбросы окислов азота (NO_x) при использовании пылевидного угля, как правило, находятся в диапазоне 0,3-0,7 фунтов/10⁶ британских тепловых единиц, но выбросы окислов азота (NO_x) при использовании псевдоожиженного слоя в несколько раз меньше и, как правило, составляют 0,12-0,2 фунтов/10⁶ британских тепловых единиц. Однако регламентации в отношении выбросов еще более строгие и, как правило, имеют порядок 0,10 фунтов/10⁶ британских тепловых единиц. Такая степень восстановления окислов (NO_x) имеет место при использовании технологий, основанных на применении псевдоожиженного слоя с системами селективного некаталитического восстановления (SNCR) (распыление аммиака в тех местах, где температура газа находится в диапазоне 1450-1650°F (787,8-898,9°С), и технологий, основанных на применении пылевидного угля с системами селективного каталитического восстановления (SCR) (распыление аммиака в тех местах, где температура газа находится в диапазоне 750°F (398,9°С). Однако опыт применения технологии селективного каталитического восстановления (SCR) показал, что для данного восстановления окислов азота (NO_x) требуется меньше аммиака и непрореагировавшего аммиака, покидающего систему, меньше, чем при использовании технологии селективного некаталитического восстановления (SNCR) (как правило, 5×10^-6при использовании технологии селективного каталитического восстановления (SCR) по сравнению с 25×10^-6 при использовании технологии селективного некаталитического восстановления (SNCR)). Поскольку исходное содержание окислов азота (NO_x) в системах с псевдоожиженным слоем меньше, после системы селективного каталитического восстановления (SCR) содержание окислов азота (NO_x) может быть намного ниже при только минимальном использовании катализатора и аммиака.

В соответствии с этим одним аспектом настоящего изобретения является комбинация реактора или камеры сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) и системы селективного каталитического восстановления (SCR). Комбинация содержит камеру реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) для подачи потока дымовой газ-твердые частицы, первичный отделитель частиц для отделения твердых частиц от потока дымовой газ-твердые частицы и средство для возврата твердых частиц, уловленных первичным отделителем частиц в камеру реактора. По меньшей мере, одна поверхность теплопередачи пароперегревателя или промежуточного пароперегревателя расположена ниже по технологической цепочке от первичного отделителя частиц относительно потока дымовой газ-твердые частицы. Многоциклонные пылеуловители, расположенные ниже по технологической цепочке, по меньшей мере, одной поверхности теплопередачи пароперегревателя и промежуточного пароперегревателя, предусмотрены для дополнительного отделения твердых частиц из потока дымовой газ-твердые частицы, вместе со средством для возврата твердых частиц, уловленных многоциклонными пылеуловителями, в камеру реактора. Система селективного каталитического восстановления (SCR) расположена ниже по технологической цепочке от многоциклонных пылеуловителей для удаления окислов азота (NO_x) из потока дымовой газ-твердые частицы, а скруббер сухой очистки расположен ниже по технологической цепочке от системы селективного каталитического восстановления (SCR). Наконец, предусмотрены средства для ввода аммиака в поток дымовой газ-твердые частицы выше по технологической цепочке от системы селективного каталитического восстановления (SCR) для побуждения химических реакций, которые уменьшают выбросы окислов азота (NO_x).

Различные элементы новизны, которые отличают настоящее изобретение, описаны, в частности, в прилагаемой формуле изобретения, являющейся неотъемлемой составной частью этого описания. Для более хорошего понимания настоящего изобретения его эксплуатационных достоинств и характерных преимуществ, получаемых при его применении, ниже приведено подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, сделанное со ссылкой на сопроводительные чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - принципиальная схема комбинации реактора или камеры сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) и системы селективного каталитического восстановления (SCR), соответствующей первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - принципиальная схема комбинации реактора или камеры сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) и системы селективного каталитического восстановления (SCR), соответствующей второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - принципиальная схема комбинации реактора или камеры сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) и системы селективного каталитического восстановления (SCR), соответствующей третьему варианту осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Термин "камера сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CPB)", используемый в этой заявке, относится к типу реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB), в котором имеет место процесс сжигания топлива. Хотя настоящее изобретение направлено, в частности, на паровые котлы или парогенераторы, в которых используются камеры сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) в качестве средств, обеспечивающих генерирование тепла, очевидно, что настоящее изобретение может быть легко использовано в другом виде реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB). Например, настоящее изобретение может быть использовано в реакторе, который используется для проведения химических реакций, а не процесса сжигания, или где смесь газ-твердые частицы из процесса сгорания, проведенного где-либо еще, подают в реактор для дополнительной обработки, или где реактор обеспечивает только камеру, в которой частицы или твердые частицы увлекаются газом, который не обязательно является побочным продуктом процесса сгорания.

Общие принципы работы реакторов камер сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) описаны в главе 16 книги Штульца и Китто "Водяной пар. его генерирование и использование", сороковое издание, Eds, Copyright © 1992, The Babcock & Wilcox Company, и в патенте США № 5343830, выданном Александеру и др., которые включены в эту заявку в качестве ссылки. Данные о предшествующем уровне техники в отношении технологии восстановления окислов азота (NO_x) и, в общем, аппаратуры и, в частности, систем селективного каталитического восстановления (SCR) изложены в вышеупомянутой книге Шульца в ее главе 34, текст которой также включен в эту заявку в качестве ссылки.

Теперь обратимся к чертежам, на которых одинаковыми ссылочными номерами указаны аналогичные или функционально подобные элементы, в частности к чертежам, приведенных на фиг.фиг.1-3, где иллюстрируется реактор или камера сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB), указанный общим ссылочным номером 10, содержащий камеру 20 реактора, имеющую верхнюю часть 30. Камера 20 реактора, как правило, имеет прямоугольное поперечное сечение и ограничена стенками с жидкостным охлаждением, как правило, состоящими из трубок, транспортирующими воду и/или пар, отделенными друг от друга стальной мембраной для получения герметичной камеры 20 реактора.

Топливо 40, например уголь, сорбент 50, например, известняк, и воздух 60 для горения подают в камеру 20 реактора, используя средства, которые хорошо известны квалифицированным специалистам в этой области техники. Процесс горения, имеющий место в нижней части камеры 20 реактора, таким образом, генерирует поток 70 дымовой газ-твердые частицы, который подается вверх из камеры 20 реактора, проходя через несколько стадий удаления твердых частиц и тепла, как будет описано в этой заявке, перед выпуском его в атмосферу.

В верхней части 30 камеры 20 реактора в направлении потока 70 дымовой газ-твердые частицы расположен первичный отделитель 80 частиц, который предусмотрен для улавливания твердых частиц из потока 70 дымовой газ-твердые частицы так, чтобы они могли быть возвращены в нижнюю часть камеры 20 реактора. Предпочтительно, чтобы первичный отделитель 80 частиц содержал матрицу установленных в шахматном порядке импульсных сепараторов (не показано). Установленные в шахматном порядке импульсные сепараторы являются непланарными; они могут быть U-образными, Е-образными, W-образными или другой формы, которая имеет чашеобразную или вогнутую конфигурацию поверхности для прохождения поступающего потока 70 дымовой газ-твердые частицы. В альтернативном варианте первичный отделитель 80 частиц может содержать циклонный сепаратор известной конструкции (не показана); в этом случае, как правило, не предусматривают многоциклонный пылесборник (как описано выше), устанавливаемый ниже по технологической цепочке.

Твердые частицы 90, удаленные из потока 70 дымовой газ-твердые частицы, возвращаются в камеру 20 реактора либо посредством L-клапанов, J-клапанов, либо посредством внутренней рециркуляции, например, так, как это описано в патенте США № 5343830, выданном Александеру и др., и, таким образом, этот возврат только схематически показан на приведенных ссылочных чертежах.

После этого поток 70 дымовой газ-твердые частицы транспортируют к и через одну или более батарей поверхности теплопередачи, содержащей поверхность 100 пароперегревателя (SH) и/или промежуточного пароперегревателя (RH), и затем, как показано на фиг.1 и фиг.2, на вторую стадию отделения частиц, как правило, использующую многоциклонный пылеуловитель (MDC) 110. Твердые частицы 120, удаленные посредством многоциклонного пылеуловителя (MDC) 110, возвращаются в камеру 20 реактора по трубопроводу 130 и после этого поток 70 дымовой газ-твердые частицы транспортируется к и через одну или более батарей поверхности 140 теплопередачи экономайзера (ЕС) перед подачей к системе 150 селективного каталитического восстановления (SCR).

В альтернативном варианте, иллюстрируемом на фиг.3, размещение многоциклонного пылеуловителя (MDC) 110 и экономайзера (ЕС) 140 может быть осущено в обратном порядке, так что поток 70 дымовой газ-твердые частицы транспортируется от поверхности 100 пароперегревателя/промежуточного пароперегревателя (SH/RH) к экономайзеру (ЕС) 140 и затем к многоциклонному пылеуловителю (MDC) 110. В любом из вариантов осуществления, иллюстрируемых на фиг.фиг.1-3, и также известных квалифицированным специалистам в этой области техники, используемая конкретная величина поверхности 140 теплопередачи экономайзера (ЕС) будет зависеть от требуемой температуры дымового газа, поступающего в систему 150 селективного каталитического восстановления (SCR) для соответствующей обработки. Оттуда поток 70 дымовой газ-твердые частицы будет транспортироваться к системе 150 селективного каталитического восстановления (SCR), как и прежде. Также предусмотрены средства 160 для ввода аммиака в поток 70 дымовой газ-твердые частицы в местоположении, находящемся выше по технологической цепочке от системы 150 селективного каталитического восстановления (SCR).

Как иллюстрируется на фиг.2, для обеспечения дополнительного восстановления окислов азота (NO_x) оказывается возможным комбинирование ввода мочевины или аммиака в соответствующем местоположении (по отношению к температуре и так далее) в потоке 70 дымовой газ-твердые частицы.

При выходе из системы 150 селективного каталитического восстановления (SCR) поток 70 дымовой газ-твердые частицы, как правило, подают к и через другую батарею поверхности экономайзера (ЕС), этот момент для ясности указан ссылочным номером 170, а затем к калориферу 180 известной конструкции. Калорифер 180 может быть регенеративного или рекуперативного типа. Затем в направлении потока 70 дымовой газ-твердые частицы предусмотрен конечный коллектор 190 частиц, который может содержать рукавный пылеуловитель или электростатический фильтр. Частицы 200, уловленные коллектором 190 частиц, также могут быть возвращены в камеру 20 реактора по трубопроводу 210. Ниже по технологической цепочке от коллектора 190 частиц также может быть предусмотрена система реактора скруббера сухой очистки (DSR), указанная общим ссылочным номером 220, предназначенная для захвата серы из потока 70 дымовой газ-твердые частицы. Системы скруббера сухой очистки и общие принципы их работы описаны в главе 35 книги Штульца и Китто "Водяной пар, его генерирование и использование". сороковое издание, Eds, Copyright © 1992, The Babcock & Wilcox Company, текст которой включен в эту заявку в качестве ссылки. Наконец, вентилятор 250 форсированной тяги примет поток 70 дымовой газ-твердые частицы и передаст его к вытяжной трубе 260 известным способом.

В настоящем изобретении признается, что окись кальция (СаО), получаемая в слое реактора или камеры сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB), потенциально вредна для катализатора, используемого в системе 150 селективного каталитического восстановления (SCR). Ниже приведены результаты анализов содержания потока дымовой газ-твердые частицы, которого можно ожидать ниже по технологической цепочке от многоциклонного пылеуловителя (MDC) 110.

Результаты анализа газа (об.%)

Результаты анализа твердых частиц (масс.%)

Однако, если восстановление серы осуществляют при использовании подачи известняка, то в потоке дымовой газ-твердые частицы содержание окиси кальция (СаО) должно быть меньше, когда в циркулирующем псевдоожиженном слое (CFB) меньше отношение Ca/S для данного содержания серы. Кроме того, применение для захвата серы скруббера 220 сухой очистки как единственного средства или вместе с подачей сорбента в камеру 20 реактора может оказать дополнительное благоприятное воздействие на уменьшение содержания окиси кальция (СаО) в частицах золы, поступающих в систему 150 селективного каталитического восстановления (SCR), дополнительно уменьшая в соответствии с этим выбросы окислов азота (NO_x), поскольку окись кальция (СаО) работает как катализатор в выделении окислов азота (NO_x). Кроме того, хотя скруббер 220 сухой очистки показан на сопроводительных чертежах расположенным ниже по технологической цепочке от коллектора 190 частиц, может оказаться желательным изменить порядок расположения этих двух элементов 190 и 220 в технологической цепочке на обратный для уменьшения выбросов частиц в атмосферу, а также для того, чтобы обеспечить возможность введения, по меньшей мере, части неиспользованного сорбента (СаО), который может содержаться в потоке 70 дымовой газ-твердые частицы, в скруббер 220 сухой очистки и благодаря этому обеспечить дополнительный источник сорбента для использования в процессе восстановления окислов серы, имеющем место в скруббере 220 сухой очистки.

Хотя для пояснения применения принципов настоящего изобретения был описан и проиллюстрирован характерный вариант осуществления настоящего изобретения, должно быть очевидным, что без отклонения от таких принципов могут быть предложены другие варианты осуществления. Например, настоящее изобретение может быть применено при разработке новой конструкции, содержащей реакторы или камеры сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) или для ремонта, замены или модификации существующих реакторов и камер сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть использованы некоторые элементы настоящего изобретения без использования других элементов. В соответствии с этим все такие изменения и варианты осуществления должным образом находятся в пределах объема настоящего изобретения, ограниченного прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Предложенное изобретение относится к химической промышленности. Комбинация устройства реактора или камеры сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем и системы селективного каталитического восстановления содержит камеру реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем, первичный отделитель частиц и средство для возврата твердых частиц, уловленных первичным отделителем частиц, в камеру реактора, по меньшей мере, одну поверхность теплопередачи пароперегревателя или промежуточного пароперегревателя, систему селективного каталитического восстановления скруббер сухой очистки, расположенный ниже по технологической цепочке от системы селективного каталитического восстановления, и средство для ввода аммиака в поток дымовой газ-твердые частицы. Согласно одному из предложенных вариантов предложенное устройство содержит многоциклонный пылеуловитель и средство для возврата твердых частиц, уловленных многоциклонным пылеуловителем, в камеру реактора. Данное техническое решение обеспечивает низкие выбросы окислов азота при наименьших эксплуатационных расходах. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

Формула