DE69408825T2 - Abgaskessel - Google Patents
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Description
- Vorliegende Erfindung betrifft Abgaskessel mit einer hierin einbezogenen Denitrierungsvorrichtung, die sich dadurch auszeichnen, daß, auch wenn im Verbrennungsgas Schwefeloxide enthalten sind, ein hoher Grad an Wärmerückgewinnung erreicht werden kann, indem auf der stromabwärts gelegenen Seite der Denitrierungsvorrichtung vorhandenes überschüssiges Ammoniak fast vollständig zersetzt wird, wodurch das Auftreten einer Störung infolge einer Ablagerung von saurem Ammoniumsulfat auf den Niedertemperatur-Heizröhren verhindert wird.
- Fig. 4 ist ein Schaubild der Anordnung von Wärmeübergangsflächen, das ein Beispiel für einen herkömmlichen Abgaskessel veranschaulicht. In dieser Abbildung bedeutet die Bezugsziffer 1 die Strömungsbahn eines Abgases; 2 ein Hochdrucküberhitzer (HP SH); 3 ein Hochdruckverdampfer (HP EVA), 5 ein Hochdruckvorwärmer (HP ECO); 6 ein Niederdruckverdampfer (LP EVA); 7 ein Niederdruckvorwärmer (LP ECO); 8 ein Hochdruckoberkessel; 13 eine Denitrierungsvorrichtung; 15 eine Ammoniakeinspritzdüse; 16 eine Hochdruckpumpe zur Wasserbeschikkung; 17 eine Niederdruckpumpe zur Wasserbeschickung; 18 einen Niederdruckoberkessel; und 19 ein Schornstein. Die Flüssigkeitstemperaturen innerhalb der verschiedenen Wärmeübergangsflächen dieses Abgaskessels, und die Gastemperaturen außerhalb von diesen sind, wie in Fig. 5 durch durchgezogene Linien dargestellt, verteilt.
- Bei dem zuvor beschriebenen herkömmlichen Abgaskessel kann, wenn Schwefeloxide im Verbrennungsgas enthalten sind, saures Ammoniumsulfat sich auf den Niedertemperatur-Heizrohren, die in einem Gastemperaturbereich, der stromabwärts von der Denitrierungsvorrichtung 13 liegt, und Temperaturen von 200ºC oder darunter aufweist, angeordnet sind, ablagern. In diesem Fall stellt der Anstieg des zugverlust auf der Gasseite, der durch Korrosion der Rohre oder deren Verstopfung (insbesondere, wenn es sich um gerippte Rohre handelt) verursacht wird, ein Problem dar. Deshalb können Wärmeübergangsflächen nicht in Bereichen niederer Temperatur (d.h. den Bereichen B und C in Fig. 5) angebracht werden. Infolgedessen kann die Wärmeübergangs-Flächenanordnung gemäß Fig. 4, die eine hoch wirksame Wärmewiedergewinnung erlaubt, nicht benutzt werden, und es muß eine einfachere Wärmeübergangs-Flächenanordnung, wie in Fig. 6 veranschaulicht, benutzt werden. Deshalb kann die Gasauslaßtemperatur lediglich auf ein Niveau, das so hoch wie 200ºC ist, herabgesetzt werden.
- Auch wenn ein sauberes Gas, wie z.B. LNG, verbrannt wird, muß gewöhnlich das Niveau an überschüssigem Ammoniak am Auslaß der Denitrierunqsvorrichtung auf 10 ppm oder weniger vermindert werden. Deshalb wurde es schwierig, die Wirksamkeit der Denitrierungsvorrichtung zu erhöhen.
- Als Gegenmaßnahme gegen die zuvor beschriebene Ablagerung von saurem Ammoniumsulfat ist ein Verfahren zum Unterdrücken des Anwachsens von saurem Ammoniumsulfat bekannt, bei dem ein Teil des Hochtemperaturgases auf der von der Denitrierungsvorrichtung stromaufwärts gelegenen Seite in geeigneter Weise den wärmeubergangsflächen zugeführt wird, die stromabwärts der De- Denitrierungsvorrichtung gelegen und Gegenstand der Ablagerung von saurem Ammoniumsulfat sind, so daß die Gastemperatur um die Heizrohre ansteigt. Jedoch ist dieses Verfahren unpraktisch, weil eine komplizierte Anordnung von Hochtemperaturleitungen erforderlich ist, und eine derart hohe Wirkung, die die Entfernung von schon abgelagertem sauren Ammoniumsulfat ermöglicht, nicht erwartet werden kann. Überdies wird, wenn das Hochtemperaturgas schon im Fluß ist, die Wärmeabsorption in dem stromaufwärts gelegenen Hochtemperaturabschnitt herabgesetzt, und die Wärmeabsorption im gesamten Abgaskessel wird auch vermindert. Infolgedessen kann dieses Verfahren, auch unter dem Gesichtspunkt der Wirksamkeit der Anlage, nicht als geeignet erachtet werden.
- Ferner wurde im Fall von Reingasen ein Verfahren zur Entfernung überschüssigen Ammoniaks durch Absorption am Ausgang der Denitrierungsvorrichtung vorgeschlagen. Jedoch zeigt dieses Verfahren den Nachteil z.B. einer Erhöhung der Anlagengröße.
- Aus E.P.-A-0 375 616 ist ein Abgaskessel mit einer Anordnung von Wärmeübergangsflächen bekannt, bestehend aus einem Überhitzer, einem Verdampfer, einer katalytischen Zersetzungsvorrichtung für Restammoniak und einen Vorwärmer. Die Zersetzungsvorrichtung ist zwischen dem Verdampfer und dem Vorwärmer oder als Teil des Vorwärmers angeordnet. Demzufolge kann, wenn Schwefeloxide im Verbrennungsgas enthalten sind, saures Ammoniumsulfat an den Rohren des Niedertemperaturbereichs des Kessels abgeschieden werden.
- Um die zuvor beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu lösen, stellt vorliegende Erfindung nachfolgend beschriebene Abgaskessel zur Verfügung
- Erstens wird ein Abgaskessel mit einem hintereinander angeordneten Überhitzer (2), einer Denitrierungsvorrichtung (13), angeordnet entweder stromaufwärts von oder zwischen zwei Hochdruckverdampfern (3a, 3b), einem Hochdruckvorwärmer (5) einem Niederdruckverdampfer (6) und einem Niederdruckvorwärmer (7), der hierin einbezogen ist, zur Verfügung gestellt, bei dem eine katalytische Zersetzungsvorrichtung 14 für Restammoniak an einer Stelle stromabwärts von der Denitrierungsvorrichtung (13) und zwischen den beiden unterteilten Hochdruckverdampfern (3a, 3b) angeordnet ist, welche das gleiche Dampfdruckniveau aufweisen.
- Zweitens wird ein Abgaskessel mit einem hintereinander angeordneten Überhitzer (2), einer Denitrierungsvorrichtung (13), die entweder stromaufwärts von oder zwischen zwei Hochdruckverdampfern (3a, 3b) angeordnet ist, einem Hochdruckvorwärmer (5), einem Niederdruckverdampfer (6) und einem hierin einbezogenen Niederdruckvorwärmer (7) zur Verfügung gestellt, bei dem eine katalytische Zersetzungsvorrichtung (14) für Restammoniak an einer Stelle stromabwärts von der Denitrierungsvorrichtung (13) und zwischen den beiden unterteilten Hochdruckverdampfern (3a, 3b) angeordnet ist, welche ein unterschiedliches Dampfdruckniveau aufweisen.
- Drittens wird ein Abgaskessel zur Verfügung gestellt, der so konstruiert ist, daß der zuvor beschriebene erste oder zweite Abgaskessel mit einer Vorrichtung zur Steuerung des Innendrucks des auf der stromaufwärts von der Zersetzungsvorrichtung für Restammoniak gelegenen Seite ausgestattet ist.
- Bei dem zuvor beschriebenen ersten Mittel zur Lösung der Probleme wird der in der Denitrierungsvorrichtung nicht verbrauchte überschüssige Ammoniak zersetzt und durch die Zersetzungsvorrichtung für Restammoniak, die auf deren stromabwärts gelegenen Seite angebracht ist, vermindert. Infolgedessen besteht, auch wenn Schwefeloxide im Abgas enthalten sind, keine Möglichkeit, daß sich saures Ammoniumsulfat auf den Heizrohren des Niedertemperatur-Gasabschnitts abscheidet Infolgedessen kann der Abgaskessel auch im Niedertemperaturbereich des Abgases eine Wärmewiedergewinnung bewirken, was zu einer Verbesserung der Wirksamkeit der Anlage beiträgt.
- Die zuvor genannte Zersetzungsvorrichtung für Restammoniak ist zwischen zwei unterteilten Hochdruckverdampfern angeordnet und wird somit in einem Temperaturbereich betrieben, der einen hohen Grad an Ammoniakzersetzung bereitstellen kann. Überdies kann, da jeglicher überschüssiger Ammoniak, wie zuvor beschrieben, zersetzt wird, eine beträchtliche Menge Ammoniak sicher der stromaufwärts gelegenen Seite der Denitrierungsvorrichtung zugeführt werden, wodurch ein hoher Denitrierungsgrad erreicht werden kann.
- Beim zuvor beschriebenen zweiten Mittel zur Lösung der Probleme weisen die unterteilten Verdampfer unterschiedliche Dampfdruckniveaus auf. Infolgedessen kann zusätzlich zur zuvor beschriebenen Wirkung die Einlaßgastemperatur der Zersetzungsvorrichtung für Restammoniak verändert werden, indem man die Druckniveaus der Verdampfer steuert.
- Beim zuvor beschriebenen dritten Mittel zur Lösung der Probleme ist der Abgaskessel mit einer Vorrichtung zur Steuerung des Innendrucks des Verdampfers ausgestattet, die auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Zersetzungsvorrichtung für Restammoniak angebracht ist. Auf diese Weise kann die Zersetzungsvorrichtung für Restammoniak auf einer optimalen Temperatur gehalten werden, indem man den Druck dieses Verdampfers steuert.
- Bei den Abgaskesseln mit einer einbezogenen Denitrierungsvorrichtung, die gemäß vorliegender Erfindung ausgebildet sind, besteht, auch wenn Schwefeloxide im Verbrennungsgas vorliegen, keine Möglichkeit, daß sich saures Ammoniumsulfat auf den Heizrohren des Niedertemperaturgasbereichs ablagert. Dies ermöglicht es, eine Anordnung von Wärmeübergangsflächen anzuwenden, die derjenigen ähnlich ist, die bei herkömmlichen Abgaskesseln hoher Wirksamkeit benutzt wird. Infolgedessen kann die Gastemperatur am Auslaß des Gaskessels herabgesetzt werden, was in hohem Maße zu einer Verbesserung der Wirksamkeit der Anlage beiträgt. Überdies kann eine beträchtliche Ammoniakmenge ohne Erhöhung Überschüssigen Ammoniaks zugeführt werden, was zu einer Verbesserung der Wirksamkeit der Denitrierungsvorrichtung führt.
- Fig. 1 ist ein Schaubild einer Anordnung von Wärmeübergangsflächen, das eine erste Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht.
- Fig. 2 ist ein Schaubild einer Anordnung von Wärmeübergangsflächen und veranschaulicht eine zweite Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung.
- Fig. 3 ist ein Schaubild einer Anordnung von Wärmeübergangsflächen und veranschaulicht eine dritte Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung
- Fig. 4 ist ein Schaubild einer Anordnung von Wärmeübergangsflächen und veranschaulicht ein Beispiel eines herkömmlichen Abgaskessels;
- Fig. 5 ist eine Grafik, die die Verteilung von Gasund Flüssigkeitstemperaturen in dem durch Fig. 4 veranschaulichten herkömmlichen Abgaskessel zeigt;
- Fig. 6 ist ein Schaubild der Anordnung von Wärmeübergangsflächen, das ein anderes Beispiel für einen herkömmlichen Abgaskessel veranschaulicht;
- Fig. 7 ist eine Grafik, die ein Beispiel für die Leistung einer Ammoniakzersetzungsvorrichtung zeigt; und
- Fig. 8 ist eine Grafik, die ein Beispiel für die Leistung zeigt, welche durch die vereinte Benutzung einer Denitrierungs- und Ammoniakzersetzungsvorrichtung erhalten wird.
- Fig. 1 ist ein Schaubild der Anordnung von Wärmeübergangsflächen, das eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform veranschaulicht. In dieser Abbildung sind Teile, die denjenigen ähnlich sind, welche weiter oben im Zusammenhang mit Fign. 4 und 6 beschrieben wurden, durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und keine nähere Beschreibung derselben wird im vorliegenden gegeben. Bei dieser Ausführungsform werden folgende Bezugsziffern zusätzlich benutzt: 3a und 3b, getrennte Hochdruckverdampfer; 10, ein Dampfdruckregelventil; 11, ein Gastemperatursensor, 12, ein Gastemperaturregler; 14, eine Zersetzungsvorrichtung für Restammoniak; 20, eine Umlaufpumpe für den Niederdruckvorwärmer. 21, ein Temperatursensor für die Einlaßflüssigkeit des Niederdruckvorwärmers; 22, ein Regelventil für die Einlaßtemperatur des Niederdruckvorwärmers und 23 eine Steuervorrichtung für die Einlaßtemperatur des Niederdruckvorwärmers.
- Bezüglich der Anordnung der Wärmeübergangsflächen in dieser Ausführungsform sind ein Hochdrucküberhitzer 2, Hochdruckverdampfer 3a und 3b, ein Hochdruckvorwärmer 5, ein Niederdruckverdampfer 6 und ein Niederdruckvorwärmer 7 in der Reihenfolge von der stromaufwärts zur stromabwärts gelegenen Seite angeordnet. Überdies sind eine Denitrierungsvorrichtung 13 und eine Zersetzungsvorrichtung 14 für Restammoniak zwischen den getrennten Hochdruckverdampfern 3a und 3b angeordnet. Durch eine Ammoniakeinlaßdüse 15, die auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Hochdruckverdampfers 3 liegt, wird Ammoniak eingeblasen.
- In der Denitrierungsvorrichtung 13 reagiert eingeblasener Ammoniak mit Stickstoffoxid unter dessen Reduzierung. Der überschüssige Ammoniak, der in der Denitrierungsvorrichtung 13 nicht verbraucht wurde, wird in der Zersetzungsvorrichtung für Restammoniak, die auf deren stromabwärts gelegenen Seite angebracht ist, in Stickstoffgas und Wasserdampf zersetzt. Demgemäß gibt es, auch wenn Schwefeloxide im Abgas enthalten sind, keine Möglichkeit, daß sich saures Ammoniumsulfat auf den Oberflächen des Niederdruckverdampfers 6, Niederdruckvorwärmers 7 und anderen Einheiten, die in dem stromabwärts gelegenen Bereich niederer Gastemperatur angebracht sind, ablagert. Infolgedessen kann der Abgaskessel auch im Bereich von Niedertemperaturgas Abwärme wiedergewinnen, was zu einer Verbesserung der Wirksamkeit der Anlage führt.
- Wenn der Gehalt an Schwefeloxiden im Abgas hoch ist, wird ein Steuerventil 22 für die Einlaßtemperatur am Niederdruckvorwärmer durch einen Regler 23 für die Einlaßtemperatur am Niederdruckvorwärmer auf Grundlage des Werts geöffnet, der durch einen Temperatursensor 21 für die Einlaßflüssigkeit am Niederdruckvorwärmer gemessen wird, um die Korrosion bei niederer Temperatur der Heizrohre im Abschnitt des Gases niederer Temperatur zu verhindern. Gleichzeitig wird eine Umlaufpumpe 20 am Niederdruckvorwärmer in Betrieb gesetzt, um einen Teil des aus dem Niederdruckvorwärmer 7 ausströmenden Wassers mit dem Kondensat am Einlaß des Niederdruckvorwärmers 7 zu vermischen. Infolgedessen kann die Oberflächentemperatur der Heizröhren auf hohem Niveau gehalten werden.
- Die Zersetzungsvorrichtung 14 für Restammoniak ist von im wesentlichen gleicher Bauart wie die Denitrierungsvorrichtung 13, wobei jedoch anstelle des Denitrierungskatalysators ein Katalysator zur Ammoniakzersetzung verwendet wird. Als Katalysator zur Ammoniakzersetzung kann ein auf einem Kupferträger getragener Metallsilicatkatalysator verwendet werden, wie z.B. in den Japanischen Patentanmeldungen Nrn. 281996/1989, 051371/1991 und 192829/1991 offenbart. Auf dies Weise wird Restammoniak in stickstoffgas und Wasserdampf gemäß folgender Reaktionsformel
- 4NH&sub3; + 30&sub2; T 2N&sub2; + 6H&sub2;O
- zersetzt.
- Eine Ammoniakzersetzungsvorrichtung unter Verwendung eines Metallsilicatkatalysators auf einem Kupferträger besitzt die in Fig. 7 gezeigten Eigenschaften. In Fig. 7 beträgt die NH&sub3;-Konzentration 30 ppm, die Sauerstoffkonzentration ist 14,7%, und der SV-Wert 20.000 l/H. Der Gastemperaturbereich, indem die Wirksamkeit des Katalysators im größten Ausmaß ausgenutzt werden kann, ist 300-400ºC. Wenn die Gastemperatur 400ºC überschreitet, so wird in unerwünschter Weise Ammoniak unter Bildung von Stickoxid gemäß folgender Reaktionsformel oxidiert:
- 4NH&sub3; + 5O&sub2; T 4NO + 6H&sub2;O
- Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich, ist es wirksam, die Zersetzungsvorrichtung für Restammoniak in einem Gastemperaturbereich von 300-400ºC anzuordnen. Gemäß der zuvor beschriebenen Fig. 5 entspricht dieser Bereich einem Zwischenteil des Hochtemperaturverdampfers. Bei dieser Ausführungsform werden infolgedessen die getrennten Hochtemperaturverdampfer 3a, 3b so benutzt, daß die Zersetzungsvorrichtung 14 für den Restammoniak in einem Temperaturbereich von 300-400ºC liegen kann.
- Fig. 8 ist eine grafische Darstellung, die ein Beispiel für die Leistung zeigt, welche bei einer kombinierten Verwendung einer Denitrierungsvorrichtung und einer Zersetzungsvorrichtung für Ammoniak erhalten wird. In Fig. 8 ist die Konzentration von NOx 100 ppm, die Sauerstoffkonzentration ist 14,7%, und die Gastemperatur beträgt 360ºC. Bei dieser Ausführungsform verursacht eine Erhöhung der eingeblasenen Ammoniakmenge eine geringe Erhöhung an überschüssigem Ammoniak, so daß die Wirksamkeit der Denitrierung durch Zufuhr einer reichlichen Ammoniakmenge erhöht werden kann.
- Die Ausführungsform der Fig. 1 ist zur Verwendung in Fällen brauchbar, wo der Druck des Hochdruckoberkessels mit der Belastung nicht wesentlich schwankt. Um die Gasatmosphärentemperatur der Zersetzungsvorrichtung für den Reststickstoff so hoch wie möglich zu halten, während des Anfahrens oder dergleichen, und sie sobald wie möglich zu benutzen, wird ein Druckregelventil 10 durch eine Gastemperatursteuervorrichtung 12 auf Grundlage des Wertes gesteuert, der durch den Gastemperatursensor 11 gemessen wird, und der Druck des Hochtemperatur-Wasserdampfoberkessels 8 wird hierdurch auf einem hohen Niveau gehalten.
- Sodann ist Fig. 2 ein Schaubild für die Anordnung von Wärmeübergangsflächen, das eine zweite Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht. Auch in dieser Abbildung werden Teile, die den weiter oben beschriebenen ähnlich sind, durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet, und es wird im vorliegenden keine nähere Beschreibung derselben gegeben. Bei dieser Ausführungsform sind die Hochdruckverdampfer 3a und 3b vollständig voneinander isoliert und mit getrennten Hochdruck-Wasserdampf-Oberkesseln 8a bzw. 8b verbunden.
- Wenn das Wasserdampfturbinensystem unter gleitenden Druckbedingungen betrieben wird, wird der Wasserdampfdruck geringer, wenn die Turbinenlast vermindert wird. Dies kann eine Lage hervorbringen, bei der die Gastemperatur der Ammoniakzersetzungsvorrichtung auch vermindert ist und dazu neigt, geringer als 300ºC zu sein. Auch bei einer derartigen Situation kann der Betrieb fortgesetzt werden, während die Gastemperatur in Nachbarschaft der Ammoniakzersetzungsvorrichtung im Bereich von 300-400ºC gehalten wird, indem der Druck des Wasserdampfsystems an der stromaufwärts gelegenen Seite der Ammoniakzersetzungsvorrichtung gesteuert wird. Bei dieser Ausführungsform sind die Hochdruckverdampfer 3a und 3b vollständig isoliert und mit den getrennten Hochdruck-Wasserdampfoberkesseln 8a bzw. 8b verbunden. Die Gasatmosphärentemperatur der Zersetzungsvorrichtung 14 für den Restammoniak wird durch den Gastemperatursensor 11 gemessen, und die Wasserdampfdrucke des Hochdruck-Wasserdampfoberkessels 8a und des Hochdruckverdampfers 3a werden durch den Temperaturregler 12 und das Druckregelventil 10 so gesteuert, daß die gemessene Temperatur einer zuvor festgelegten Temperatur in jedem Betriebsstadium gleich ist.
- Fig. 3 ist ein Schaubild der Anordnung von Wärmeübergangsflächen und veranschaulicht eine dritte Ausführungsform vorliegender Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Denitrierungsvorrichtung 13 an der stromaufwärts gelegenen Seite des Hochdruckverdampfers 3a angebracht. Auch in diesem Fall ist die Leistung (d.h. die Ammoniakabsorptionseigenschaften) der Zersetzungsvorrichtung 14 für Restammoniak mit derjenigen vergleichbar, welche weiter oben beschrieben wurde, so daß im wesentlichen die gleichen Wirkungen wie diejenigen der ersten und zweiten Ausführungsform erreicht werden können.
Claims (3)
1. Abgaskessel mit einem hintereinander angeordneten
Überhitzer (2), einer Denitrierungsvorrichtung (13)
angeordnet entweder stromaufwärts von oder zwischen
zwei Hochdruckverdampfern (3a, 3b), einem
Hochdruckvorwärmer (5), einem Niederdruckverdampfer (6) und
einem Niederdruckvorwärmer (7), der hierin
einbezogen ist, bei dem eine katalytische
Zersetzungsvorrichtung (14) für Restammoniak an einer Stelle
stromabwärts von der Denitrierungsvorrichtung (13)
und zwischen den beiden unterteilten
Hochdruckverdampfern (3a, 3b) mit gleichem Dampfdruckniveau
angeordnet ist.
2. Abgaskessel mit einem hintereinander angeordneten
Überhitzer (2), einer Denitrierungsvorrichtung
(13), die entweder stromaufwärts von oder zwischen
zwei Hochdruckverdampfern (3a, 3b) angeordnet ist,
einem Hochdruckvorwärmer (5), einem
Niederdruckverdampfer (6) und einem hierin einbezogenen
Niederdruckvorwärmer (7), bei dem eine katalytische
Zersetzungsvorrichtung (14) für Restammoniak an
einer Stelle stromabwärts, von der
Denitrierungsvorrichtung (13) und zwischen den beiden
unterteilten Hochdruckverdampfern (3a, 3b) angeordnet ist,
die ein unterschiedliches Dampfdruckniveau
aufweisen
3. Abgaskessel gemäß Anspruch 1 oder 2, der mit
Vorrichtungen (8, 8a, 10, 12) zur Steuerung des
Innendrucks des Verdampfers (3a) ausgestattet ist,
die auf der stromaufwärt gelegenen Seite der
katalytischen Zersetzungsvorrichtung (14) für den
Restammoniak angeordnet sind.
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