CZ294531B6 - Zařízení k desulfataci spalin uhelných kotlů Ca aditivem - Google Patents

Abstract

Zařízení k desulfataci spalin uhelných kotlů Ca aditivem s využitím tkaninového filtru (5.1) k realizaci procesu desulfatace spalin, jehož podstata spočívá v tom, že je tvořeno dvouchodým bezvýplňovým absorbérem (3.1) s nástřikem vody do spalin a popelovin a nezreagovaného CaO nebo Ca(OH).sub.2.n., nástřik vody je realizován dvojlátkovými tryskami (3.2) s tlakovým vzduchem, tryska (3.2) nebo trysky (3.2) jsou umístěny nad přívodem paliva do dvouchodého bezvýplňového absorbéru (3.1) a výstup spalin z dvouchodého bezvýplňového absorbéru (3.1) je zaústěn do tkaninového filtru (5.1).ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká ekologizace uhelných kotlů, spalujících uhlí s obsahem síry nad úroveň sirnatosti dle emisních limitů ČR pro čistotu spalin aditivní metodou desulfatace spalin Ca aditivem.

Dosavadní stav techniky

Desulfatace spalin uhelných kotlů s použitím Ca aditiva, tj. uhličitanu vápenatého CaCO₃, hydroxidu vápenatého Ca(OH)₂ různých stupňů koncentrace aktivní Ca složky v aditivu, je techniky plně zvládnuta systémy, které váží oxid siřičitý SO₂ za vzniku síranu vápenatého CaSÓ₄ nebo síranu a siřičitanu vápenatého CaSO₄ / CaSO₃ za uhelným kotlem. Jedná se o mokrou vápennou metodu, využívající CaCO₃ a semisuchou vápennou metodu s rozprašovací sušárnou, využívající Ca(OH)₂. Obě metody jsou investičně i provozně vysoce nákladné. Samotný přívod Ca(OH)₂ nebo CaCO₃ do topenišť uhelných kotlů se u roštových a granulačních kotlů vůbec neosvědčil, protože reakční pásmo sulfatace CaO v rozmezí 800 až 870 °C je u těchto kotlů příliš malé a doba kontaktu SO₂ a CaO je příliš krátká, a CaO odchází se spalinami z větší části nezreagovaného na CaSO₄. Předpokládalo se, že tyto problémy u uhelných kotů odstraní dvojstupňový systém zachycování SO₂, popsaný v příkladu provedení vynálezu CZ 283 457. Z hlediska zachycování SO₂ se jedná o dvojstupňový systém s fluidním spalováním uhlí v oxidační pískové vrstvě, která nadrcuje popeloviny a Ca aditivum kompletně na úletové frakci spalin. V příkladu provedení je popsán systém, kdy za tímto topeništěm je realizován nástřik vody do spalin před zdvojenou baterií cyklonů s teplotou spalin v rozmezí 90 až 130 °C, což vede k převodu nezreagovaného CaO na Ca(OH)₂, který je v této teplotní oblasti schopen desulfatace spalin. Z dispozičních důvodů byly tyto sériově zapojené baterie umístěny 15 m od kotlové jednotky.

Výše uvedený způsob sulfatace spalin byl aplikován na snížení obsahu SO₂ na uhelném granulačním kotli se jmenovitým výkonem 50 t/h páry. Kotel byl vybaven baterií cyklonů a ekofiltrem. Ve vzdálenosti 4 m před cyklonovou baterií byly umístěny dvojlátkové trysky pro nástřik vody s tlakovým vzduchem, před nimi byly umístěny jednolátkové trysky pro přívod vodní páry a granulační topeniště bylo vybaveno pneumatickými přívody granulovaného hydrátu vápenatého do teplotní oblasti 1000 až 1100 °C a do teplotní oblasti 800 až 900 °C. Do topeniště byl nejdříve přiváděn mletý CaCO₃. Při tomto řešení byl efekt desulfatace spalin při přívodu do obou teplotních oblastí topeniště a přívodu páry s nástřikem vody do spalin prakticky zanedbatelný. Evidentně ani při přívodu mletého CaCO₃ do pásma 1000 až 1100°C nedošlo ke kalcinaci CaCO₃ na CaO a pak celkový efekt zachycení SO₂ při Ca/S = 4 byl pouze 5 %.

Proto byl mletý CaCO₃ nahrazen granulovaným Ca(OH)₂ s parametry:

měrný povrch: sypná hmotnost: obsah Ca(OH)₂:

až 29 m²/g,

335 kg/m³,

%.

Byla spalována průmyslová směs s obchodním označením PSI SD Chomutov a.s. a do topeniště byl přiváděn granulovaný hydrát vápenatý Ca(OH)₂ s molámím poměrem Ca/S = 4,9. Bylo zjištěno:

- koncentrace SO₂, vztažená na uvedené referenční podmínky v topeništi, klesla při přívodu vody a páry ze 3 500 mg/m³ na 1 800 mg/m³ při 130 °C,

- dalším snižováním teploty spalin do úrovně 116°C se stupeň zachycení SO₂ nezvýšil; teplota 116 °C byla limitována kapacitou nástřiku vody do spalin,

-1 CZ 294531 B6

- zachycené popeloviny z cyklonu i elektrofiltru byly suché, popeloviny z cyklonu měly vlhkost 0,1 %, popeloviny z elektrofiltru měly vlhkost 1,4 %.

Výsledky ani zdaleka nesplnily očekávanou efektivnost desulfatace spalin. Proto byl provedeny rentgenové difrakční fázové analýzy popelovin na výsypu zbaterie cyklonů a elektrofiltru.

Bylo konstatováno, že veškeré vzorky popelovin z výsypů cyklonů a elektrofiltru obsahují AI6S12O13, CaCC>3, CaSO4, CaO a Ca(OH)2, nevzniká zde CaSO3 a byly určeny koncentrace jednotlivých výše uvedených složek v popelovinách.

Bylo zjištěno, že

- ve výspu z cyklonů bylo 16, 66 % nezreagovaného CaO na Ca(OH)2, přestože přívod vody do spalin řádově převyšuje stechiometrickou spotřebu vody na převod CaO na Ca(OH)2,

- stupeň sulfatace Ca aditiva na CaSO4 ve výsypu z elektrofiltru byl vůči Ca aditivu ve výsypu z cyklonů 1,43 krát vyšší, Ca(OH)₂ hydratovalo v trase spalin vodou ve formě vodní páry a po trase pokračovala sulfatace Ca(OH)2 na CaSO₄.

Tyto skutečnosti neodpovídají, zejména v oblasti hydratace CaO na Ca(OH)₂, současným poznatkům, kdy okamžitý vznik Ca(OH)2 z CaO byl pokládán za samozřejmost. Ca aditivum ve formě CaO není samozřejmě schopno v oblasti teplot spalin pod 800 °C desulfatace spalin.

Podstata vynálezu

Řešení problému zachycování SO₂ ze spalin uhelných kotlů, obsahujících ve spalinách vedle popelovin i CaO nebo Ca(OH)2, spočívá v podstatné míře v tom, že zařízení k vícestupňové desulfataci spalin z uhelných kotlů, využívající tkaninový filtr, je tvořeno dvouchodým bezvýplňovým absorbérem, opatřeným dvojlátkovými tryskami s přívody vody a tlakového vzduchu, dvojlátkové trysky jsou ve dvouchodém bezvýplňovém absorbéru umístěny nad přívodem spalin z uhelného kotle se směsí popelovin a nezreagovaného CaO nebo Ca(OH)₂ z uhelného kote, přičemž tkaninový filtr je opatřen přívodem spalin zdvouchodého bezvýplňového absorbéru.

Výše uvedené řešení vychází z následujících poznatků, získaných z poloprovozního a provozního výzkumu, předcházejícího prezentaci tohoto vynálezu:

- rovnovážná koncentrace CaSO₄, vznikajícího ve spalinách uhelných kotlů při spalování sirných uhlí je v teplotní oblasti pod 200 °C dosažitelná při době kontaktu CaO a SO2 v úrovni 10 až 15 minut,

- úroveň rovnovážné koncentrace CaSO4, vznikajícího sulfatací CaO, který v topeništi vznikl kalcinací CaCO₃ v teplotní oblasti 800 až 900 °C nebo dehydratací Ca(OĚ)₂ při teplotě vyšší než 400 °C, je ve spalinách za uhelným kotlem úměrná teplotě spalin a parciálnímu tlaku vodní páry ve spalinách,

- úroveň sulfatace CaO částic v uhelném topeništi při teplotě 800 až 900 °C je závislá na měrném povrchu CaO částice, částice CaO vzniklé kalcinací CaCO₃ mají poloviční měrný povrch oproti částicím CaO, které vznikly dehydratací Ca(OH)₂ v teplotní oblasti nad 400 °C,

- nástřik vody do spalin za kotlovou jednotkou s teplotami pod 200 °C k hydrataci CaO na Ca(OH)2 způsobuje zásadní sušárenský problém. Popeloviny absorbují nastřikovanou vodu a jako vlhké jsou lepivé a velice obtíž ně pneumaticky transportovatelné. Jako jediné technicky zvládnutelné řešení se ukázalo realizovat jejich vertikální trasu jako proudovou sušárnu. Výška vertikálního úseku trasy vlhkých popelovin musí zajistit jejich odsušení na vlhkost pod 2 %. Odpař vlhkosti popelovin je realizován na úkor poklesu teploty spalin. Pokud výška vertikální části dvouchodého bezvýplňového absorbéru není dostatečná k dokončení odparu vlhkosti popelovin, dojde sice k hydrataci CaO na Ca(OH)2, ale po krátké době se dvouchodý

-2CZ 294531 B6 bezvýplňový absorbér zanese, stane se neprůchodným a kotlovou jednotkou je nutno odstavit z provozu.

Pro jednoznačnou formulaci uvedených strojních technických pojmů pokládáme za potřebné definovat pojmy „dvouchodý bezvýplňový absorbér“ a „dvojlátková tryska“.

Dvouchodý bezvýplňový absorbér je reaktor s dvěma proudy spalin s přívodem vody do prvé vertikální trasy tohoto dvouchodého absorbéru. Prvý vzestupný vertikální proud v tomto reaktoru musí odparem nastřikované vody na úkor vstupní entalpie spalin zajistit vysušení nástřikem vody zvlhlých popelovin. Druhý sestupný proud spalin v tomto reaktoru zajišťuje pouze dopravu spalin do tkaninového filtru a je určen dispozičním uspořádáním kotlové jednotky, samozřejmě v tomto proudu dochází k desulfataci spalin, jež je dokončena na plachetce tkaninového filtru.

Z této definice dvouchodého bezvýplňového absorbéru vyplývá, že obě trasy reaktoru mohou být řešeny jako samostatné, ale, že vertikální vzestupná trasa je technologicky určena podmínkou odsušení vlhkosti popelovin.

Pod pojmem dvojlátkové trysky se rozumí trysky se souběžným tlakovým přívodem vody a tlakovým přívodem vzduchu, kdy přívod tlakového vzduchu v silně prašném prostředí spalin zajišťuje trvale čistý povrch čela trysky. Bez přívodu tlakového vzduchu se povrch čela trysky zanáší popelovinami, které posléze zabrání rozstřiku vody.

Zásadní výhodou prezentovaného řešení je nejen intenzifikace desulfatace spalin, ale i zvýšení životnosti plachetky tkaninového filtru. Při spalování uhlí a dřevních odpadů toto řešení navíc likviduje žhavé jiskry z pilin, které by zničily plachetku tkaninového filtru.

Přehled obrázků na výkresech

Popis řešení desulfatační jednotky je prezentován při její instalaci za fluidním uhelným parním kotlem s pískovou oxidační spalovací vrstvou. Jedná se o řešení fluidního kotle technologicky dle patentu CZ283 457 s dávkovačem uhlí dle patentu CZ 276 412. Prezentovaný obrázek 1 je strojně technologickým schématem této parní kotlové a desulfatační jednotky.

Příklady provedení vynálezu

Uhlí a vápenec jsou z provozního zásobníku 2.1 dávkovány šnekovým podavačem 2.2 na fluidní oxidační pískovou spalovací vrstvu, vymezenou vyzděným fluidním topeništěm 1.2 a spalovací komorou 1.1. Spalovací vzduch a recyklážní spaliny jsou ventilátorem 1.8 dopravovány přes ohřívač 1.5 a ekonomizér 1.6 do trubkového propadového roštu fluidního topeniště 1.2. Napájecí voda je čerpadlem 1.7 přes ekonomizér 1.6 přiváděna do bubnu 1.4 kotle. Základní konvekční topnou část kotle tvoří vařák 1.3, napojený na buben 1.4 kotle systémem volné cirkulace vroucí vody.

Spaliny po průchodu vařákem 1.3, ekonomizérem 1.6 a vzduchovým ohřívačem 1,5 vstupují do dvouchodého bezvýplňového absorbéru 3.1. Nad vstupem spalin je zde umístěna řada dvoj látkových trysek 3.2 na rozstřik vody do spalin s využitím tlakového vzduchu k atomizaci vody. Voda je dodávána kontinuálně čerpadlem 3.4, vzduch je dodáván kontinuálně kompresorem 3.3. Spaliny po průchodu dvouchodým bezvýplňovým absorbérem 3.1 vstupují do tkaninového filtru 5.1 s profukem plachetky tlakovým vzduchem. Ten je dodáván kompresorem 5.2. Transport spalin kotlovou jednotkou je zajištěn kouřovým ventilátorem 6.1. Odvod popelovin zajišťuje šnekový dopravník 5.3.

-3CZ 294531 B6

Pro sulfatační testy různých druhů Ca(OH)₂ byla spalovací jednotka doplněna o podávači zařízení Ca(OH)₂ do kotlové jednotky. Toto podávači zařízení tvoří zásobník 4.1, turniketový podavač 4.2 a pneutrasa 4,3 s kompresorem 4.4. Kompresor 4.4 je trvale v provozu jako zdroj sekundárního vzduchu fluidního topeniště 42.

Při testování Ca(OH)₂ byly použity granulovaný Ca(OH)₂, Ca(OH)₂ obchodní jakosti a Ca(OH)₂ jako součást odpadů kotlové jednotky. Byly ověřovány trasy přívodu těchto Ca(OH)₂ jednak přímo do fluidního topeniště 42, jednak do dna dvouchodého bezvýplňového absorbéru 3.4

Konkrétní příklad provedení

Byla realizována fluidní kotlová uhelná jednotka s oxidační pískovou spalovací vrstvou jako zdroj syté páry s parametry:

tepelný výkon:	5,3 MW
produkce páry:	8 t/h
tlak páry:	1,3 MPa
teplota napájecí vody:	105 °C
teplota páry:	191 °C

Hlavní strojní zařízení jednotky:

fluidní topeniště 42 průřez: 2000 x 3400 mm půdorys fluidního kotle: 2600 x 6000 mm výška fluidního kotle: 7450 mm dvouchodý bezvýplňový absorbér3.1 průřez prvého kanálu: 800 x 1400 mm průřez druhého kanálu: 450 x 1400 mm

výška:

13 300 mm

trysky 3.2

počet:	3
tlak vody:	0,4 MPa
tlak vzduchu:	0,3 MPa

tkaninový filtr 5.1

plachetka:	400 m2
druh plachetky:	RYTON
max. teplota spalin:	190 °C

Uhlí:

Druh:

ořech o2 Severočeské doly a.s. Chomutov

-4CZ 294531 B6

Složení:

voda: popel(sušina): síra(sušina): výhřevnost:

24,6 %

9,91 %

1,25 %

18,98 MJ/kg

Vápenec:

zrnění: 0,5 až 1 mm lom Čížkovice

Složení vápence v hmotových procentech je uvedeno v tabulce 1.

Na₂O 0,1

MgO 0,97

AI2O3 6,8

SiO₂ 21,4

P₂O₅ 0,16

SO₃ 0,38

K₂O 1,4

CaO 45,4

TiO₂ 0,33

Fe2O₃ 2,0

CO₂ 21,0

Tab. 1

Výsledky sulfatačních testů

Při spalování byla teplota fluidní spalovací vrstvy 830 až 850 °C.

Referenční koncentrace SO₂ ve spalinách, vztažená na suché spaliny 6% O₂ a normální podmínky (NTP) byla 2 700 mg/m³.

a) Spalování uhlí s vápencem s molámím poměrem Ca/S = 2,65 bez nástřiku vody.

Stupeň zachycení SO₂: 51,7 % al) nástřik vody do spalin o teplotě 145 °C teplota spalin za tkaninovým filtrem 5,1: 94 °C stupeň zachycení SO₂: 66,2 % a2) nástřik vody do spalin o teplotě 145 °C teplota spalin za tkaninovým filtrem 5.1: 82 °C stupeň zachycení SO₂: 79,1 %

b) Bylo spalováno uhlí s vápencem a Ca(OH)₂, které obsahovaly recyklážní popeloviny, transportované do fluidního kotle sekundárním vzduchem. Celkový molární poměr Ca/S = 2,25 byl ze 6 0 % zajištěn vápencem a ze 40 % Ca(OH)₂ z recyklážních popelovin. Byly dosaženy následující výsledky:

-5CZ 294531 B6 b 1) zachycení SO2 bez nástřiku vody: 56,2 % b2) zachycení SO₂ při nástřiku vody a zchlazení spalin na 82 °C: 72,1 %

c) Bylo spalováno uhlí s vápencem s parametry spalin za fluidním kotlem koncentrace SO₂ za kotlem: 1370 mg/m³ teplota spalin za fluidním kotlem při provozovaném minimálním výkonu fluidního kotle: 105 až 110 °C

Do dvouchodého bezvýplňového absorbéru 3.1 byl přiváděn granulovaný Ca(OH)₂ s molámím poměrem Ca/S = 4,65. Provoz fluidního kotle byl realizován bez přívodu sekundárního vzduchu a do dvouchodého bezvýplňového absorbéru 3,1 nebyl realizován nástřik vody. Shodně jako při technologickém režimu ad a) tohoto příkladu provedení se jednalo o určení technologických mezí sulfatace spalin, prokazujících efektivnost nástřiku vody do spalin.

stupeň zachycení SO₂: obsah SO₂ ve spalinách do komína:

76%

327,6 mg/m³

Průmyslová využitelnost

Prezentované řešení představuje intenzifikaci desulfatace spalin uhelných kotlů pomocí Ca aditiva. V případě použití granulovaného Ca(OH)₂ je možno touto metodou intenzifíkovat desulfataci spalin při využití Ca(OH)₂ u granulačních a roštových kotlů v případě, že jsou ze spalinové trasy vyřazeny cyklonový odlučovač a elektrofíltr a nahrazeny tkaninovým filtrem. V případě fluidních kotlů s oxidační pískovou spalovací vrstvou je takto možno intenzifíkovat desulfataci spalin i při přívodu CaCO₃ do fluidního topeniště při použití pouze tkaninového filtru k čištění spalin od tuhých látek.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (1)

1. Zařízení k desulfataci spalin uhelných kotlů Ca aditivem s využitím tkaninového filtru (5.1) krealizaci desulfatace spalin, vyznačujících se tím, že je tvořeno dvouchodým bezvýplňovým absorbérem (3.1), opatřeným dvojlátkovými tryskami (3.2) s přívody vody a tlakového vzduchu, dvojlátkové trysky (3.2) jsou ve dvouchodém bezvýplňovém absorbéru (3.1) umístěny nad přívodem spalin z uhelného kotle se směsí popelovin a nezreagovaného CaO nebo Ca(OH)₂, tkaninový filtr (5.1) je opatřen přívodem spalin z dvouchodého bezvýplňového absorbéru (3.1). ¹