Способ уменьшения выбросов оксидов азота при кислородотопливном сгорании

Способ уменьшения выбросов оксидов азота при кислородотопливном сгорании

Реферат

Данное изобретение относится к способу снижения выбросов оксидов азота при кислородотопливном сгорании; в этом способе в топку котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем подают по меньшей мере один поток первичного газа и по меньшей мере один поток вторичного газа, при этом первичный и вторичный газы получены путем смешивания кислорода и циркулирующего топочного газа.

Соображения, связанные с изменением климата, привели к поиску новых средств снижения выбросов диоксида углерода, вызывающих глобальное потепление, при получении энергии. Одним из таких средств, предполагаемых для снижения вызывающих парниковый эффект выбросов, является сжигание кислородотопливной смеси. Если топливо сжигают с помощью воздуха, топочный газ содержит значительное количество азота, который происходит из воздуха. Извлечение диоксида углерода из такого топочного газа является дорогим и технически сложным. Если при сжигании заменить воздух смесью кислорода и циркулирующего топочного газа, то получаемый в результате сгорания топочный газ содержит в основном диоксид углерода, кислород, пары воды и некоторые примеси. Кислородотопливное сгорание позволяет относительно просто извлекать диоксид углерода. После того как воду, поступающую вместе с топливом и получаемую в реакциях сгорания, удалили из топочного газа посредством конденсации, оставшийся диоксид углерода можно сжижать путем охлаждения и сжатия. Кислородотопливное сгорание можно применять как при сжигании распыленного топлива, так и при сжигании в псевдоожиженном слое.

При сгорании в циркулирующем псевдоожиженном слое сгорание происходит в суспензии твердых веществ, которая является псевдоожиженной и циркулирует посредством потока газа, подаваемого снизу. Псевдоожиженный слой состоит из псевдоожиженного материала в виде частиц (например, песка), топлива, газов, обеспечивающих горение, а также топочного газа и золы, полученных при сгорании. В данном контексте под газами, обеспечивающими горение, понимают первичный и вторичный газы, которые обычно содержат воздух или какую-либо другую кислородсодержащую газовую смесь. Поток первичного газа подают со дна топки, а поток вторичного газа подают в топку через форсунки, расположенные на ее стенках выше уровня колосниковой решетки. В котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем псевдоожиженный материал уносится вместе с топочным газом из псевдоожиженного пространства, и, для обеспечения равновесного состояния, его возвращают в топку через разделительные и циркуляционные устройства.

Котел с циркулирующим псевдоожиженным слоем использует низкую температуру сгорания (например, 700-900°С) по сравнению со сжиганием распыленного топлива, что, совместно с поэтапной подачей воздуха, позволяет получить низкие выбросы оксидов азота. Под оксидами азота (NO_x) понимают оксид азота (NO) и диоксид азота (NO₂), которые в основном получаются из азота, содержащегося в топливе при сгорании в псевдоожиженном слое. Поэтапная подача воздуха обеспечивает восстановительные условия в нижней секции слоя, в результате чего получают меньшее количество оксидов азота. Остальной воздух, необходимый для полного сгорания, подают в виде вторичного и, возможно, третичного воздуха. Технология с циркулирующим псевдоожиженным слоем позволяет также проводить обессеривание топочных газов уже в котле, посредством подачи известняка или доломита непосредственно в топку.

Патентные описания США 4704084 и США 4962711 раскрывают примеры котлов с циркулирующим псевдоожиженным слоем в соответствии с существующим уровнем техники, задачей которых является снижение выбросов NO_x путем поэтапной подачи необходимого для сгорания воздуха. В обоих патентных описаниях в нижней секции топки сформирована восстановительная зона путем регулирования подачи первичного, вторичного и, возможно, третичного воздуха в топку.

При кислородотопливном сгорании необходимый для сжигания воздух заменяют смесью кислорода и циркулирующих топочных газов. Если процесс протекает при стандартной концентрации кислорода, которая обычно существует при сгорании с воздухом, то уменьшение количества первичного газа с целью обеспечения восстановительной зоны снижает внутреннюю и внешнюю циркуляцию псевдоожиженного материала, в результате чего снижается также теплоперенос к стенкам топки и в возможном внешнем теплообменнике. Кроме того, температура псевдоожиженного слоя может подняться слишком высоко, что вызывает спекание твердых частиц.

Целью данного изобретения является избежание вышеупомянутых проблем и улучшение восстановления оксидов азота при кислородотопливном сжигании в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем.

Способ по данному изобретению отличается тем, что представлено в отличительной части п.1 формулы изобретения.

В способе по данному изобретению содержание кислорода в первичном газе регулируют так, что у дна топки формируют восстановительную зону, в которой оксиды азота, приносимые в топку вместе с циркулирующим топочным газом, восстанавливают до азота при реакции с моноксидом углерода и углеродистыми отложениями. Одновременно содержание кислорода во вторичном газе регулируют так, что выше восстановительной зоны формируют окислительную зону, в которой может происходить полное сгорание. Содержание кислорода в первичном газе и вторичном газе регулируют путем изменения отношения кислорода к циркулирующему топочному газу в упомянутых газовых потоках.

Кислород и циркулирующий топочный газ смешивают с помощью средств смешивания, связанных с топкой, непосредственно перед подачей первичного газа или вторичного газа в топку.

Скорость псевдоожижения можно поддерживать постоянной, или же ее можно регулировать независимо, в то время как содержание кислорода в первичном и вторичном газах можно по отдельности регулировать в широком диапазоне. При снижении содержания кислорода в первичном газе долю кислорода во вторичном газе можно эквивалентно увеличить, чтобы обеспечить желаемое общее содержание кислорода. Если содержание кислорода и объемную скорость обоих газовых потоков регулируют по отдельности, то поддерживать соответствующий уровень температуры как в восстановительной, так и в окислительной зонах будет легче, чем раньше.

Вторичный газ можно подавать на нескольких различных уровнях по высоте, и на различных уровнях можно использовать различные содержания кислорода, чтобы несгоревшие газы, выходящие из восстановительной зоны, не привели к значительному пику температуры на высоте инжекции вторичного газа. Таким образом, можно предотвратить образование горячей кислородсодержащей секции на высоте инжекции вторичного газа, что легко могло бы привести к образованию оксидов азота.

Данное изобретение обеспечивает легкий способ, основанный на проточном режиме восстановления оксидов азота в котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем. Путем изменения содержания кислорода в первичном и вторичном газе можно также регулировать температуры в топке, что важно, помимо прочего, для восстановления серы.

Эффективное восстановление оксидов азота уменьшает риск реакции NО_х с водой и кислородом, с образованием при этом вызывающей коррозию азотной кислоты в ходе сжатия топочных газов, что могло бы вызвать проблемы при очистке от диоксида углерода, а также в создающих давление устройствах.

Ниже данное изобретение описано со ссылкой на сопровождающий чертеж, которым, как предполагают, данное изобретение никоим образом не ограничено.

Чертеж схематически изображает сгорание в циркулирующем псевдоожиженном слое с использованием смеси кислорода и циркулирующего топочного газа.

Котел 10 с циркулирующим псевдоожиженным слоем, изображенный на чертеже, включает топку 11, в которой топливо сгорает в циркулирующем псевдоожиженном слое, циклонный сепаратор 12, в котором псевдоожиженный материал отделяют от топочного газа, и возвратный канал 13, посредством которого псевдоожиженный материал подают обратно в топку 11. Топливо 14 подают в топку 11, в которую также подают содержащий кислород газ, обеспечивающий псевдоожижение и сгорание, в качестве потока 15 первичного газа и в качестве потока 16 вторичного газа. Сгорание происходит в псевдоожиженном слое, который приводят в псевдоожиженное состояние и в котором обеспечивают циркуляцию посредством потока 15 первичного газа, подаваемого снизу. Топливо 14 может представлять собой, например, твердое топливо, такое как уголь.

Псевдоожиженный слой состоит из слоя твердого инертного материала (обычно песка), подаваемого в него топлива, зольного остатка топлива, возможно известняка, обеспечивающего горение газа и топочного газа, получаемого при сжигании. Газовые потоки 15, 16 регулируют так, что часть псевдоожиженного материала выходит вместе с топочным газом из верхней секции топки в циклонный сепаратор 12. Циклонный сепаратор 12 отделяет от топочного газа твердые частицы, которые возвращают в топку 11 по возвратному трубопроводу 13 и через, возможно, присоединенный к ней внешний теплообменник (не показан).

После отделения твердого вещества топочный газ направляют из циклонного сепаратора 12 на рекуперацию 17 тепла, и оттуда дополнительно на отделение 18 летучей золы, которое можно осуществить, например, с помощью электростатических или рукавных фильтров. После отделения 18 летучей золы топочный газ направляют в конденсатор 19, в котором воду и газы отделяют от него посредством конденсации. После конденсатора 19 топочный газ 20 от кислородотопливного сжигания содержит в основном диоксид углерода, который можно очистить и сжать способами, которые известны сами по себе.

Поток 15 первичного газа подают со дна топки 11 через дутьевую камеру (не показана) или эквивалентное устройство. Один или более потоков 16 вторичного газа подают выше дна с помощью инжекционных сопел (не показаны), расположенных на стенках топки 11. Оба газовых потока 15, 16 содержат кислород и циркулирующий топочный газ, основным компонентом которого является диоксид углерода и, возможно, пары воды. Кроме того, топочный газ содержит, помимо прочего, небольшие количества оксидов азота, диоксида серы, кислорода и моноксида углерода. Для того чтобы обеспечить хорошее псевдоожижение и циркуляцию суспензии твердых веществ, доля потока 15 первичного газа обычно составляет по меньшей мере 60% от общего количества обеспечивающих горение газов, подаваемых в топку 11.

Первичный газовый поток 15 получают с помощью первых средств 21 смешивания, посредством смешивания кислорода 24 и циркулирующего топочного газа 25, в желаемом соотношении. Эквивалентно, поток 16 вторичного газа получают с помощью вторых средств 22 смешивания, посредством смешивания кислорода 24 и циркулирующего топочного газа 25, в желаемом соотношении. Кислород 24 можно получить, например, удаляя азот из воздуха посредством кислородной установки 23, или с помощью каких-либо других эквивалентных средств. Циркулирующий топочный газ 25 можно отобрать от отходящих газов топки или перед конденсатором 19, или после конденсатора 19, в зависимости от желания использовать влажный или сухой топочный газ.

Первые средства 21 смешивания для получения потока 15 первичного газа и вторые средства 22 смешивания для получения потока вторичного газа могут быть связаны с инжекционными соплами, подающими газ в топку 11, или это могут быть отдельные от топки 11 средства, посредством которых в газовые сопла подают готовую газовую смесь. Средства 21, 22 смешивания могут состоять из средств регулирования содержания кислорода в газовом потоке, подаваемом в топку, которые известны сами по себе (клапаны, измерительные датчики, регуляторы и т.д.).

Содержание кислорода в потоке 15 первичного газа регулируют так, что у дна топки 11 формируют восстановительную зону I, в которой кислорода меньше, чем необходимо для полного сгорания топлива. Скорость потока первичного газа также регулируют так, что можно обеспечить соответствующий уровень внутренней и внешней циркуляции псевдоожиженного материала.

В восстановительной зоне I преобладают субстехиометрические соотношения, при которых получают больше моноксида углерода и несгоревшего угля, то есть углеродистых отложений, чем при нормальном стехиометрическом сгорании. Под действием углеродистых отложений и моноксида углерода оксиды азота NО_х, как принесенные с первичным газом, так и полученные из топлива, восстанавливают в этой зоне до газообразного N₂.

Содержание кислорода в потоке 16 вторичного газа регулируют так, что выше восстановительной зоны I формируют окислительную зону II, в которой кислорода больше, чем требуется для полного сгорания топлива. В окислительной зоне II происходит полное сгорание топлива.

Сопла для вторичного газа можно расположить на нескольких различных уровнях, и в них можно подавать вторичный газ, имеющий различное содержание кислорода. Затем каждый поток 16 вторичного газа можно снабдить собственными смешивающими средствами 22 для регулирования содержания кислорода в потоках вторичных газов.

Из-за циркуляции топочного газа и создания восстановительной зоны топочный газ, выходящий из котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем на извлечение диоксида углерода, содержит лишь очень небольшое количество оксидов азота.

Возможно большое количество различных вариаций данного изобретения в пределах объема изобретения, определенного представленной далее формулой изобретения.

1. Способ уменьшения выбросов оксидов азота при кислородотопливном сгорании, включающий подачу в топку (11) котла (10) с циркулирующим псевдоожиженным слоем по меньшей мере одного потока (15) первичного газа и по меньшей мере одного потока (16) вторичного газа, где первичный газ (15) и вторичный газ (16) получены смешиванием кислорода и циркулирующего топливного газа, отличающийся тем, что содержание кислорода в первичном газе (15) регулируют так, что у дна топки (11) формируют восстановительную зону (I), а содержание кислорода во вторичном газе (16) регулируют так, что над восстановительной зоной (I) формируют окислительную зону (II), причем содержания кислорода в первичном газе (15) и вторичном газе (16) регулируют путем изменения отношения кислорода к циркулирующему топочному газу в упомянутых газовых потоках (15, 16).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что два или более потока вторичного газа подают в топку (11) на двух или более различных уровнях.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что содержания кислорода во вторичных газовых потоках, подаваемых на различных уровнях, регулируют так, что содержания кислорода отличаются друг от друга.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что кислород (24) и циркулирующий топочный газ (25) смешивают с помощью средств смешивания, связанных с топкой (11), непосредственно перед подачей первичного газа (15) или вторичного газа (16) в топку (11).

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что кислород (24) и циркулирующий топочный газ (25) смешивают с помощью средств (21, 22) смешивания непосредственно перед подачей первичного газового потока (15) или вторичного газового потока (16) в соединение с топкой (11).

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что температуру в топке регулируют путем изменения содержания кислорода в первичном газе (15) и/или во вторичном газе (16).