PL189067B1

PL189067B1 - Urządzenie do spalania

Info

Publication number: PL189067B1
Application number: PL97332372A
Authority: PL
Inventors: York Tsuo; Carl Johnk; Yam Lee
Original assignee: Foster Wheeler Energia Oy
Priority date: 1996-09-27
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 2005-06-30
Also published as: US6019068A; DE69704953T2; ATE201499T1; ES2157598T3; DK0928399T3; AU4210997A; DE69704953D1; EP0928399B1; US5820838A; CN1122782C; CA2264832A1; PL332372A1; JP2000505873A; CN1231720A; JP3175943B2; WO1998013649A1; EP0928399A1

Abstract

1. Urzadzenie do spalania zawieraja- ce piec oraz zawierajace elementy do pod- trzymywania reakcji spalania, powierzch- nie wymiany ciepla wewnatrz pieca, ele- menty do wprowadzania srodka redukuja- cego tlenki azotu do pieca i elementy do odprowadzania gazów spalinowych z pie- ca, znamienne tym, ze elementy (30, 30', 32, 46, 50, 52, 54, 56) do wprowadzania srodka redukujacego tlenki azotu do pieca sa integralnie polaczone z wewnetrznymi powierzchniami wvmiany ciepla (16, 16', 16", 17). FIG 2a PL PL PL

Description

Chodzi tu zwłaszcza o urządzenie do spalania umożliwiające zmniejszenie stężenia tlenków azotu w gazach spalinowych wytwarzanych podczas spalania paliw węglowych w piecach. Zgodnie z wynalazkiem wykorzystano zmniejszanie zawartości NO_X w gazach spalinowych poprzez wprowadzanie do nich środków redukujących.

Urządzenie do spalania umożliwiające zmniejszenia zawartości tlenków azotu znaj duje się zastosowanie w kotłach wytwarzających parę wodną, zwłaszcza kotłach z obiegowymi złożami fluidalnymi.

Zmniejszanie emisji tlenku azotu NO_X z gazów wydechowych lub spalinowych przed ich wydaleniem do atmosfery jest płodnym tematem dyskusji w sferze aspektów ekologicznych wytwarzania energii poprzez spalanie materiałów palnych. Emisje NO_X są powiązane z różnymi aspektami ekologicznymi, więc minimalizacja ich uwalniania z układów spalania jest ciągle przedmiotem zainteresowania.

Jest oczywiste, że emisje tlenku azotu są skutkiem każdej reakcji spalania, w której jest obecne powietrze i/lub w której stosuje się paliwo zawierające azot. Spalanie paliw w złożach fluidalnych jest dobrze znane i stwierdzono, że jest korzystne w zmniejszaniu emisji tlenku azotu ze względu na jego stosunkowo niską temperaturę roboczą. Podczas spalania w złozu fluidalnym powietrze wprowadza się typowo przez komorę sprężonego powietrza, gdzie jest rozprowadzane za pomocą rusztu rozprowadzającego, tworzy się zawiesinę paliwa, stałych substancji fluidyzujących i ewentualnie sorbentów, takich jak kamień wapienny lub dolomit, które reagująw piecu w temperaturach zazwyczaj w zakresie około 700°C-1200°C.

Ciepło odzyskuje się z gorących gazów i materiału stałego, o ile jest, w kotłach wytwarzających parę wodną, za pomocą powierzchni wymiany ciepła, które najczęściej są zlokalizowane w komorze spalania, tj. piecu, i w sekcji konwekcyjnej znajdującej się za komorą spalania. W komorze spalania powierzchnie wymiany ciepła mogą znajdować się na ścianach zewnętrznych, które są, na przykład, ścianami membranowymi, oraz, zwłaszcza kiedy potrzebne są duże obszary wymiany ciepła, również wewnątrz przestrzeni gazowej w komorze spalania, jako wewnętrzne powierzchnie wymiany ciepła, np. jako cylindryczne panele ścian skrzydłowych lub panele rurowe typu omega. Cylindryczne panele ścian skrzydłowych i cylindryczne panele typu omega są specjalnymi konstrukcjami przeznaczonymi do wytrzymywania surowych warunków, jakie przeważają, na przykład w komorze spalania kotła ze złozem fluidalnym.

Tlenki azotu powstają podczas spalania paliw w wyniku termicznego wiązania azotu w powietrzu i przemiany azotu z paliwa. Pierwsza z tych reakcji przebiega głównie w wysokich temperaturach (powyżej około 950°C), natomiast druga przeważa w niższych temperaturach, na przykład takich jakie występują w systemach spalania ze złożem fluidalnym.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3,900,554 zaproponowano usuwanie tlenków azotu z gazów spalinowych wylatujących z konwencjonalnego pieca poprzez wtryskiwanie amoniaku (NH3) do strumienia gazów odlotowych. Głównymi problemami w stosowaniu sposobu ujawnionego w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3,900,554 jest zapewnienie odpowiedniego wymieszania środka redukującego z gazami spalinowymi oraz odpowiedni czas retencji przy optymalnej temperaturze reakcji.

W europejskim zgłoszeniu opisu patentowego nr 0 176 293 zaproponowano stosowanie NH3 do regulowania zawartości NOx w reaktorach z obiegowym złożem fluidalnym (reaktory CFB) techniką wtryskiwania amoniaku do strumienia gazów spalinowych bezpośrednio przed ich wpłynięciem do separatora odśrodkowego. Sposobem tym polepsza się mieszanie środka redukującego i gazów spalinowych, ale czas retencji może nadal być zbyt krótki. Ponadto temperatura reakcji może być również zbyt niska, zwłaszcza w warunkach niskiego obciążenia.

189 067

Zaproponowano również zapewnienie dłuższych czasów retencji i wyższych temperatur reakcji poprzez wprowadzanie środka redukującego przez dysze rozmieszczone w różnych miejscach na ścianach samego pieca. Jednakże sposób ten umożliwia tylko stosunkowo płytkie wnikanie środka redukującego do pieca, i z tego względu główny strumień gazu w centralnej strefie pieca nie zostaje skutecznie wymieszany ze środkiem redukującym. Zwłaszcza w reaktorach z szybkim złożem fluidalnym występuje tendencja do tworzenia się w pobliżu ściany pieca gęstej warstwy płynących w dół cząstek stałych. Warstwa ta uniemożliwia wprowadzanie gazu przez ściany. W reaktorach ze złozem fluidalnym występuje również na skoncentrowanych wzdłuz ścian cząstkach stałych potencjalne zjawisko przekształcania się wtryśniętych środków redukujących na bazie amonu, na przykład amoniaku, w NO_X.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4,181,705 zaproponowano wprowadzanie amoniaku lub związków uwalniających amoniak, w systemach spalania ze złożem fluidalnym, do złoża fluidalnego razem z paliwem i powietrzem używanym do fluidyzacji i spalania. Jednakże w sposobie tym może pojawić się ryzyko występowania zbyt wysokich temperatur, a w konsekwencji utleniania lub dysocjacji amoniaku przed jego zetknięciem z tlenkami azotu wytwarzanymi w procesie spalania.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4,115,515 ujawniono zmniejszanie emisji NO_X w poprzez umieszczanie w różnych miejscach na drodze przepływu gazów spalinowych wielu oddzielnych kolektorowych lub rurowych struktur wtryskowych ze znajdującymi się w pewnych odstępach otworami lub dyszami przeznaczonymi do wprowadzania amoniaku. W związku z tym trzeba było określić konkretne usytuowanie rzeczywiście używane do wtryskiwania amoniaku poprzez pomiar temperatury gazów w różnych miejscach w celu wtryskiwania amoniaku w stosownej temperaturze i zapobiegania jego dysocjacji w temperaturach za wysokich. Jednakże nadal może być konieczne z tego samego powodu oddzielne izolowanie lub chłodzenie wodą kolektorów, cylindrycznych wtryskiwaczy i dysz. Dysze są rozmieszczone we wtryskiwaczach w taki sposób, żeby kierowały amoniak przeciwprądowo w stosunku do przepływu gazów. Dla zapewnienia skutecznego mieszania amoniaku z gazami, trzeba pokryć dyszami cały przekrój poprzeczny przepływu gazów, na przykład przekrój konwekcyjny lub wylot pieca.

Duża liczba elementów do wtryskiwania środka redukującego z wielu dyszami, przechodzących przez drogę przepływu gorących gazów w różnych miejscach, stanowi liczne dodatkowe przeszkody na drodze przepływu gazów, czego należy na ogół unikać, ponieważ takie przeszkody zajmują miejsce, mają wpływ na przepływ gazów i trzeba je od czasu do czasu czyścić.

Dotychczas nie znaleziono prostego i trwałego rozwiązania dotyczącego usytuowania elementów do wtryskiwania środka redukującego. Istnieje potrzeba znalezienia ulepszonego i prostego rozwiązania wtryskiwania środka redukującego wewnątrz pieca oraz zapewnienia wystarczającego chłodzenia środka redukującego po wtryśnięciu.

Celem wynalazku jest zapewnienie urządzenia do spalania przeznaczonego do zmniejszania emisji tlenku azotu do atmosfery, w którym uzyskuje się skuteczne ich zmniejszenie oraz w którym wyeliminowano wspomniane powyżej wady znanych dotychczas urządzeń.

Bardziej konkretnym celem wynalazku jest zapewnienie rozwiązania umożliwiającego wprowadzanie środka redukującego w optymalnej temperaturze do gorących gazów wewnątrz pieca.

Kolejnym celem wynalazku jest zapewnienie rozwiązania skutecznego mieszania środka redukującego z gazami spalinowymi wewnątrz pieca.

Celem wynalazku jest również zapewnienie zajmującego mniej miejsca urządzenia do równomiernego wprowadzania środka redukującego do strumienia gazów.

Jeszcze innym celem wynalazku jest zapewnienie urządzenia do kotłów ze złożem fluidalnym przeznaczonych do wytwarzania pary wodnej cechującego się lepszym zmniejszaniem emisji NO_X.

Urządzenie do spalania zawierające piec oraz zawierające elementy do podtrzymywania reakcji spalania, powierzchnie wymiany ciepła wewnątrz pieca, elementy do wprowadzania środka redukującego tlenki azotu do pieca i elementy do odprowadzania gazów spalinowych z pieca, odznacza się według wynalazku tym, ze elementy do wprowadzania środka redukują189 067 cego tlenki azotu do pieca są integralnie połączone z wewnętrznymi powierzchniami wymiany ciepła. ...

Korzystnie w skład wewnętrznych powierzchni wymiany ciepła wchodzi co najmniej jedna panela typu omega uformowana z rur pary wodnej zespawanych razem i tworzących w przybliżeniu płaską panelę ścianową z pustą przestrzenią lub komorą pomiędzy każdymi dwiema sąsiednimi rurami do pary, oraz elementy do wprowadzania środka redukującego są zintegrowane z konstrukcją płaskiej paneli ścianowej poprzez kanał zasilający środka redukującego umieszczony w co najmniej jednej z pustych przestrzeni lub komór pomiędzy dwiema sąsiednimi rurami z parą wodną i poprzez co najmniej jeden element do wprowadzania środka redukującego w postaci dyszy lub otworu do wtryskiwania w zasadzie poziomego strumienia środka redukującego z kanału zasilającego do pieca, umieszczone w połączeniu, takim jak spoina, pomiędzy dwiema rurami z parą wodną.

Korzystnie w paneli typu omega złożonej z poziomych rur z parą wodną i mającej poziomy kanał zasilający w wielu pustych przestrzeniach pomiędzy sąsiednimi rurami, znajduje się wiele elementów do wprowadzania środka redukującego w postaci dysz na co najmniej dwóch różnych poziomach w pionie oraz w co najmniej dwóch różnych miejscach leżących w pewnych odległościach od siebie w poziomie, przy czym sąsiednie dysze są rozmieszczone w odległości poziomej około 200-1500 mm, korzystnie 500-1200 mm, a kolejne poziome rzędy dysz znajdują się w pionowej odległości od siebie wynoszącej około 100-500 mm.

Korzystnie na skrajnie górnych i skrajnie dolnych końcach lub krawędziach paneli typu omega znajdują się elementy do wprowadzania środka redukującego w postaci dodatkowych dysz wtryskujących pionowo środek redukujący.

Korzystnie w skład wewnętrznych powierzchni wymiany ciepła wchodzi co najmniej jedna ściana skrzydłowa uformowana z rur z wodą lub z parą wodną tak, że dwie sąsiednie rury są połączone żebrem, a elementy do wprowadzania środka redukującego są zintegrowane z konstrukcją ściany skrzydłowej poprzez rurę zasilającą środka redukującego równoległą do rur tworzących ścianę skrzydłową, która to rura zasilająca jest połączona z co najmniej jedną z rur oraz poprzez co najmniej jeden element do wprowadzania środka redukującego w postaci otworu lub dyszy umieszczonych w rurze zasilającej.

Korzystnie pomiędzy dwiema sąsiednimi rurami połączonymi za pomocą zebra znajduje się rura zasilająca środka redukującego, zastępująca część żebra i łącząca dwie sąsiednie rury.

Korzystnie rura zasilająca środka redukującego znajduje się wewnątrz co najmniej jednej z rur tworzących ścianę skrzydłową oraz rura zasilająca jest połączona z co najmniej jedną rurą wzdłuz, odpowiednio, powierzchni łączących rury zasilającej i wspomnianej rury oraz w rurze zasilającej i ścianach rury wzdłuż powierzchni łączących znajdują się elementy do wprowadzania środka redukującego w postaci przelotowych otworów lub dysz.

Korzystnie urządzenie zawiera co najmniej dwie rury zasilające z rzędami elementów do wprowadzania środka redukującego w postaci otworów lub dysz, przy czym sąsiednie dysze znajdują się od siebie w poziomej odległości około 200-1500 mm, korzystnie 500-1200 mm, a kolejne poziome rzędy dysz w pionowej odległości od siebie około 100-500 mm.

Dzięki umieszczeniu elementów do wtryskiwania środka redukującego na wewnętrznych powierzchniach wymiany ciepła, powierzchnie wymiany ciepła utrzymują temperaturę wprowadzanego środka redukującego na odpowiednio niskim poziomie i stanowią znakomitą bazę, z której środek redukujący można skutecznie mieszać z płynącym do góry strumieniem gazów wewnątrz pieca.

Zgodnie z wynalazkiem temperaturę środka redukującego na jego wlocie utrzymuje się na odpowiednio niskim poziomie, np. 100-600°C, i skutecznie miesza go z gorącymi gazami płynącymi głównie do góry. Elementy do wprowadzania do pieca środka zmniejszającego ilość tlenków azotu są integralnie połączone z wewnętrznymi powierzchniami wymiany ciepła.

W niniejszym wynalazku termin „wewnętrzna powierzchnia wymiany ciepła” jest używany w odniesieniu do powierzchni wymiany ciepła znajdujących się wewnątrz przestrzeni gazowej pieca. W zalecanym przykładzie wykonania wynalazku, powierzchnie wymiany ciepła są otoczone z co najmniej trzech stron, korzystnie z czterech (to znaczy ze wszystkich), przez gorące gazy płynące głównie ku górze.

189 067

W skład wewnętrznych powierzchni wymiany ciepła wchodzi, według pierwszego zalecanego przykładu wykonania wynalazku, co najmniej jedna panela typu omega. Panela typu omega jest uformowana z równoległych rur do pary wodnej ustawionych jedna na drugiej i zespawanych ze sobą tak, że tworzą panele z w przybliżeniu płaskimi ścianami. Ściany rur w paneli typu omega mają typowo w przybliżeniu kwadratowy lub prostokątny przekrój poprzeczny z co najmniej dwiema przeciwległymi równoległymi i płaskimi ścianami zewnętrznymi, które stanowią płaskie ściany paneli typu omega. Dwie pozostałe przeciwległe ściany zewnętrzne przekroju poprzecznego, to jest ściany łączące rur, są uformowane w taki sposób, żeby dwie sąsiednie rury można było łączyć za pomocą tych ścian łączących, na przykład techniką spawania.

W rurach paneli typu omega znajduje się zwykle w środku ich boków łączących rowek równoległy do rury. Rowki te tworzą, podczas łączenia dwóch rur, komory lub puste przestrzenie pomiędzy nimi, przy czym wspomniane rowki są równoległe do rur.

Elementy do wprowadzania środka redukującego do pieca mogą, według jednego z ukształtowan wynalazku, być zintegrowane z konstrukcją paneli typu omega poprzez umieszczenie kanału doprowadzającego środek redukujący w co najmniej jednej komorze lub pustej przestrzeni pomiędzy dwiema rurami w paneli. Kanał zasilający może mieć postać oddzielnej rury lub przewodu wstawionego w pustą przestrzeń. Alternatywnie, sama pusta przestrzeń może w pewnych zastosowaniach mieć postać kanału zasilającego.

Korzystnie, w spoinach pomiędzy dwiema rurami łączącymi mogą znajdować się dysze, szczeliny lub otwory do wtryskiwania środka redukującego do pieca z kanału zasilającego lub pustej przestrzeni.

Panele typu omega montuje się zazwyczaj w górnej części pieca tak, żeby wystawały z pierwszej ściany przez komorę pieca ku ścianie przeciwległej. Panela typu omega, która jest utworzona z równoległych rur ustawionych jedna na drugiej, opiera się zazwyczaj na ścianach i/lub innych elementach nośnych na zewnętrznej stronie pieca, przy czym końce rur wychodzą przez ściany ku zewnętrznej stronie pieca. Wskutek tego panele typu omega stanowią wewnętrzne sekcje ścian działowych głównie z płaskimi pionowymi ścianami bocznymi.

Korzystnie, na każdym płaskim pionowym boku paneli typu omegą znajduje się wiele dysz. Dysze te można rozmieścić w pionowych i/lub poziomych rzędach, ale, korzystnie, są one rozrzucone na panelach w układzie zapobiegającym niepożądanemu nakładaniu się wtrysków. Typowo, dysze w rzędzie poziomym znajdują się w odległości około 200-1500 mm, zwykle 500-1200 mm, od siebie, a kolejne rzędy poziome znajdują się w odległości około 100-500 mm. W płytach typu omega może ponadto znajdować się jeden rząd dysz na, odpowiednio, ich stronie skrajnie górnej i skrajnie dolnej. Takie dysze skrajnie górne i skrajnie dolne są rozmieszczone w warstwach chroniących przed korozją na górnych i/lub dolnych końcach lub krawędziach paneli.

Zazwyczaj w piecu znajdują się co najmniej dwie pionowe panele typu omega utworzone z rzędów poziomych rur połączonych tak, że jedna znajduje się na górze drugiej, przy czym panele te biegną, na przykład, od przedniej ściany pieca do jej ściany tylnej. Panele omega mogą być rozmieszczone w taki sposób, ze na górze każdej z nich znajduje się jedna lub więcej takich paneli, tj. mogą one znajdować się w piecu na różnych poziomach w pionie. Na tym samym pionowym poziomie mogą znajdować się również dwie lub więcej równoległych paneli omega usytuowanych w pewnej odległości od siebie.

Według jeszcze innego zalecanego przykładu wykonania wynalazku, w skład wewnętrznych powierzchni wymiany ciepła wchodzi co najmniej jedna ściana skrzydłowa, przy czym z konstrukcją tej ściany skrzydłowej mogą być zintegrowane elementy do wprowadzania środka redukującego do pieca.

Rury z wodą lub parą wodną, np. zwykłe rury o kołowym przekroju poprzecznym są połączone w ścianie skrzydłowej za pomocą żeber, w wyniku czego uzyskuje się konstrukcję w postaci ściany lub podobną do paneli. Ściany skrzydłowe są zazwyczaj połączone swoimi końcami dolnymi lub górnymi ze ścianami i/lub częścią górną pieca. Ściana skrzydłowa biegnie zazwyczaj prostopadle do ściany pieca. Układ ściany skrzydłowej umożliwia przepływ przez nią gorących gazów co najmniej z trzech jej stron. Zwykle pomiędzy ścianą skrzydłową

189 067 a ścianą pieca znajduje się przestrzeń umożliwiająca przepływ gorących gazów przez ścianę skrzydłowa z jej czwartej strony w pobliżu ściany pieca.

Według wynalazku, elementy do wprowadzania środka redukującego mogą być zintegrowane z konstrukcją ściany skrzydłowej poprzez połączenie rury doprowadzającej środek redukujący do co najmniej jednej z rur ściany skrzydłowej i równolegle do niej. Rura zasilająca może być umieszczona pomiędzy dwiema rurami sąsiednimi, ewentualnie zastępując część zebra łączącego wspomniane rury. Następnie w rurze zasilającej wykonuje się otwory lub dysze, na przykład w pewnej pionowej odległości około 100-500 mm, do wtryskiwania strumieni środka redukującego do pieca.

Alternatywnie lub dodatkowo, rura zasilająca dla środka redukującego może znajdować się, według wynalazku, wewnątrz niektórych lub wszystkich rur. Taka konstrukcja nadaje się zwłaszcza w przypadku łączenia elementów wtryskowych do wprowadzania środka redukującego za pomocą rur końcowych lub krawędziowych ściany skrzydłowej. Następnie rurę zasilającą łączy się ze ścianą wewnętrzną rury wzdłuz powierzchni łączących, odpowiednio, rury zasilającej i wspomnianej rury. W rurze zasilającej oraz w ścianach rury znajdują się otwory przechodzące przez powierzchnie łączące przeznaczone do wtryskiwania środka redukującego z rury do pieca. Do wtryskiwania środka redukującego w kierunku równoległym do głównej płaszczyzny ściany skrzydłowej jeszcze bliżej centralnej części pieca może służyć rura zasilająca włożona do pierwszej rury krawędziowej ściany skrzydłowej, która to rura wchodzi na połowę drogi do centralnej strefy pieca.

Jak wspomniano wcześniej, wynalazek zapewnia rozwiązanie oczyszczania gazów spalinowych z kotła do wytwarzania pary wodnej, zwłaszcza kotła z obiegowym złożem fluidalnym. W skład takich urządzeń do spalania mogą wchodzić, typowo, komora reaktora lub piec ze ścianami rurowymi do odparowywania wody lub do pary wodnej. W skład komory reaktora wchodzą dodatkowo wewnętrzne elementy do wymiany ciepła służące do przejmowania dodatkowego ciepła z komory reaktora. Ponadto, z komorą reaktora jest połączona roboczo sekcja konwekcyjna gazów spalinowych. Na proces wytwarzania pary wodnej i oczyszczania gazów spalinowych składają się następujące etapy:

- podtrzymywanie reakcji spalania w komorze spalania, w wyniku czego wytwarza się gazy spalinowe zawierające tlenki azotu;

- odzyskiwanie ciepła z gorących gazów i substancji stałych wewnątrz komory reaktora za pomocą ścian rurowych i wewnętrznych elementów wymiany ciepła, w skład których wchodzą rury do środka wymieniającego ciepło;

- równoczesne zmniejszanie ilości tlenków azotu poprzez doprowadzanie gorących gazów do kontaktu ze środkiem redukującym wtryskiwanym dyszami w urządzeniach wtryskowych, które są zintegrowane ze strukturą elementów do wymiany ciepła; oraz

- odprowadzanie gorących gazów spalinowych z komory reaktora i doprowadzanie ich do sekcji konwekcyjnej gazów spalinowych.

Jedną z zalet wynalazku jest uzyskanie prostej i trwałej struktury do wtryskiwania środka redukującego poprzez zintegrowanie elementów wtryskujących środek redukujący z elementami do wymiany ciepła. Nie są potrzebne żadne dodatkowe złożone i zajmujące miejsce konstrukcje stanowiące przeszkody na drodze przepływu gorących gazów.

Kolejną zaletą jest zapobieganie dysocjacji środka redukującego dzięki zastosowaniu chłodzonej struktury.

Kolejną zaletą jest to, że urządzenie według wynalazku zapewnia osiągnięcie odpowiedniego wymieszania środka redukującego z gorącymi gazami, ponieważ można z łatwością rozmieścić wiele dysz lub otworów w taki sposób, żeby zapewnić głębokie wnikanie strumieni do pieca i w przybliżeniu pokrywanie całego pola przekroju pieca, którym płyną główne strumienie gorących gazów.

Środek redukujący można generalnie wprowadzać wokół wszystkich stron paneli typu omega, w dwóch poziomych i dwóch pionowych kierunkach. Ściany skrzydłowe umożliwiają skuteczne wprowadzanie co najmniej z trzech stron.

Korzystnie, co najmniej 90% dysz wtryskowych jest rozmieszczonych w taki sposób, zeby wtryskiwało środek redukujący poziomo i prostopadle do głównego strumienia gazów. Dysze doprowadzające środek redukujący można ponadto rozmieścić w taki sposób, żeby cały

189 067 poziomy bieg strumieni pokrywał wymaganą część poziomego przekroju poprzecznego pieca. Ponadto, jeszcze bardziej korzystnie, co najmniej 90% środka redukującego powinno się wprowadzać do centralnego obszaru pieca, to znaczy w odległości co najmniej 200 mm, korzystnie > 300 mm, od sąsiedniej ściany pieca.

Kolejną zaletę, jaką jest wystarczający czas retencji, nawet w warunkach niskiego obciążenia, uzyskuje się stosując elementy wtryskowe usytuowane na wewnętrznych powierzchniach wymiany ciepła na wczesnych etapach przepływu gorących gazów, to jest wewnątrz komory reaktora.

Według jednego z aspektów wynalazku, do gorących gazów spalinowych w komorze reaktora, to jest w piecu, wtryskuje się środek redukujący NOX taki jak amoniak, mocznik lub prekursor amoniaku, w optymalnej temperaturze, która w przypadku amoniaku wynosi > 700°C, a korzystnie pomiędzy 800°C a 1000°C. Powoduje to niekatalityczną redukcję tlenków azotu w gorących gazach.

Oprócz opisanego tu etapu niekatalitycznego redukowania NOX może występować drugi etap redukowania polegający na katalitycznym redukowaniu tlenków azotu, na przykład za piecem w sekcji konwekcyjnej, w miejscu, w którym temperatura gorących gazów spada do poziomu na przykład 175-600°C, korzystnie 250 f 500°C.

Miejsce (a) wtryskiwania w różnych strefach na powierzchniach wymiany ciepła w kotle można wybrać w zależności od obciążenia instalacji wytwarzaniem pary wodnej, zapewniając w ten sposób utrzymywanie odpowiednio niskiej temperatury wtryskiwania i wystarczającego czasu retencji amoniaku we wszystkich warunkach roboczych w układzie kotła wytwarzającego parę wodną. Urządzenia wtryskowe środka redukującego zintegrowane zgodnie z wynalazkiem z panelami rurowymi typu omega lub panelami rurowymi ściany skrzydłowej wewnątrz komory reaktora są szczególnie korzystne w warunkach niskiego obciążenia, kiedy temperatura w pozostałych możliwych miejscach wtryskiwania za komorą reaktora jest zbyt niska.

Rozumie się samo przez się, że w wynalazku można używać dowolnych znanych środków redukujących azot, ale, korzystnie, środki takie wybiera się z grupy, w skład której wchodzą w zasadzie środki zawierające aminy, amoniak, mocznik lub prekursor wytwarzania amoniaku.

Wynalazek można wykorzystać do zmniejszania zawartości tlenku azotu w gorących gazach powstających podczas reakcji w zasadzie dowolnych paliw palnych, w tym paliw stałych, paliw z osadów kanalizacyjnych, paliw gazowych lub podobnych w procesach spalania.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie do spalania w postaci kotła z obiegowym złożem fluidalnym przeznaczonego do wytwarzania pary wodnej wyposażonego w zespoły według wynalazku pozwalające zmniejszyć zawartość NOx schematycznie, w przekroju pionowym, fig. 2a - konstrukcję ściany skrzydłowej w urządzeniu według wynalazku, w rzucie częściowym, w powiększeniu, fig. 2b - inną konstrukcję ściany skrzydłowej w urządzeniu według wynalazku, w rzucie częściowym, w powiększeniu, fig. 3a - zespół paneli rurowej typu omega w urządzeniu według wynalazku, w rzucie z góry, schematycznie, oraz fig. 3b przedstawia panelę rurową typu omega, w przekroju poprzecznym, w powiększeniu.

Zalecany przykład wykonania wynalazku przedstawiono na fig. 1, na której widać urządzenie do spalania według wynalazku w postaci kotła 10 do wytwarzania pary wodnej. Kocioł do wytwarzania pary wodnej jest komorą spalania z obiegowym złożem fluidalnym z komorą reaktora lub piecem 11 z szybkim złożem fluidalnym złożonym wewnątrz z cząstek stałych. Do górnej części pieca 11 jest podłączony poprzez wylot 13 separator 12 cząstek przeznaczony do oddzielania wydalanego materiału stałego złoża od gazów spalinowych. Kanał powrotny 14 łączy separator 12 z dolną częścią pieca 11, co umożliwia odzyskiwanie oddzielonego materiału złoża. Do wylotu gazów separatora 12 cząstek jest podłączona sekcja konwekcyjna 15. Wewnątrz pieca, z przeznaczeniem do wytwarzania w nim pary wodnej, znajdują się wewnętrzne powierzchnie wymiany ciepła, w postaci paneli 16, 16' typu omega oraz paneli 17 ściany skrzydłowej.

Do pieca wprowadza się materiał palny, taki jak paliwo węglowe, niepalny materiał złoża, taki jak piasek, ewentualnie z dodatkami, oraz materiał recyrkulowany, a także powietrze

189 067 pierwotne i wtórne, do spalania materiału palnego. Elementy wprowadzające gaz fluidyzujący, oznaczone jako ruszt 18 i skrzynia dmuchowa 20, znajdują się w dnie pieca i służą do szybkiej fluidyzacji złoża cząstek stałych w komorze reaktora. Wylot 13 gazów z komory reaktora znajduje się w najwyższej części komory 11 reaktora i służy do odprowadzania gazów spalinowych i porwanych przez nie cząstek stałych z komory reaktora. Cząstki stałe oddziela się od wydalanych gazów spalinowych w separatorze 12 cząstek, a oczyszczone gazy odprowadza się do sekcji konwekcyjnej 15. Oddzielone od gazów spalinowych cząstki stałe zawraca się w typowy sposób kanałem powrotnym 14 do komory 11 reaktora.

Strumień gorących gazów spalinowych wraz z porwanymi przez niego cząstkami stałymi unosi się, jak pokazano strzałką 22, od dna ku wylotowi 13 w górnej części komory reaktora lub pieca 11. Część cząstek stałych oddziela się juz od gazów w komorze reaktora i spada głównie wzdłuz ścian 24, 26 komory reaktora, jak pokazano strzałkami 28.

Górne części ścian 24, 26 komory reaktora są, korzystnie, tak zwanymi ścianami rurowymi typu membranowego i służąjako powierzchnie parowania do wytwarzania pary wodnej. Najnizsze części ścian są wyłożone materiałem ogniotrwałym. Ponadto kotły wytwarzające parę wodną zawierają zazwyczaj różne typy powierzchni wymiany ciepła, takie jak dodatkowe parowniki, przegrzewacze i dogrzewacze, które mogą znajdować się wewnątrz samej komory reaktora i/lub wewnątrz sekcji konwekcyjnej, ale które mogą znajdować się również w separatorze cząstek lub w kanale powrotnym cząstek.

Na figurze 1 przedstawiono dwa typy wewnętrznych powierzchni wymiany ciepła wewnątrz komory reaktora, tak zwane rurowe panele 16 i 16' typu omega oraz rurową panele 17 ściany skrzydłowej. Panele te są specjalnymi strukturami skonstruowanymi tak, żeby były odporne na surowe warunki w piecach z szybkim złozem fluidalnym, w których po powierzchniach wymiany ciepła stale płynie zawiesina cząstek stałych w gorącym gazie.

W celu zmniejszenia zawartości tlenku azotu w gorących gazach spalinowych wtryskuje się do nich środek redukujący, korzystnie NH3 o temperaturze >700°C, korzystnie o temperaturze z przedziału 800 do 1000°C. W takich temperaturach reakcje redukcji pomiędzy NO_Xa NH3 przebiegają w sposób niekatalityczny i dlatego nie są potrzebne zajmujące miejsce oddzielne duże katalizatory.

Na figurze 1 przedstawiono elementy 30, 30', 32 do wprowadzania środka redukującego tlenki azotu zintegrowane z rurową panelą 16, 16, typu omega i rurową panelą 17 ściany skrzydłowej. Wtryskowe elementy 30, 30' do wprowadzania środka redukującego tlenki azotu pokazano tutaj, wyłącznie dla wygody techniki rysunkowej, jako urządzenia wprowadzające środek redukujący pionowo do góry i w dół. Korzystnie, dysze wprowadzają środek redukujący 5 głównie w kierunku poziomym. Główną zaletą zintegrowania elementów 30, 30' i 32 do wprowadzania środka redukującego tlenki azotu ze strukturami do wymiany ciepła wewnątrz komory reaktora, jak pokazano na fig. 1, jest uzyskanie zwartej, trwałej i schłodzonej struktury, zapewniającej wtryskiwanie z wystarczającymi temperaturami (dość wysokimi) i zapewniającej wystarczające (dość długie) czasy retencji dla środka redukującego. Chłodzenie elementów wtryskujących jest konieczne ze względu na zapobieganie dysocjacji środka redukującego w wysokich temperaturach.

Wtryskiwanie środka redukującego przez wewnętrzne powierzchnie wymiany ciepła w postaci paneli 16, 16', 17 do głównego, płynącego w górę strumienia gazów pokazanego za pomocą strzałki 22, zapewnia również lepsze mieszanie gazów ze środkiem redukującym, w porównaniu z wtryskiwaniem środka redukującego dyszami znajdującymi się w ścianach pieca. Silny strumień materiału stałego wzdłuż ścian pokazany strzałką 28 uniemożliwia środkowi redukującemu głębokie wnikanie do pieca.

Na figurze 2a i 2b pokazano dwa dodatkowe sposoby realizacji wynalazku w przypadku stosowania paneli rurowej ściany skrzydłowej jako głównego elementu do wtryskowego wprowadzania środka redukującego. Na fig. 2a widać w powiększeniu część rurowej paneli 17 ściany skrzydłowej, częściowo w przekroju. Panela 17 ściany skrzydłowej jest skonstruowana z równoległych rur 34 do wody lub pary wodnej, które są połączone ze sobą bokami, tworząc konstrukcję podobną do płyty. Sąsiednie rury są połączone za pomocą płaskiej płytki metalowej, znanej pod nazwą żebra 36. Żebro takie jest przyspawane do sąsiednich rur, w wyniku czego uzyskuje się sztywną strukturę. Rurowa panela 17 ściany skrzydłowej jest,

189 067 jak widać na fig. 1, połączona swoim dolnym końcem z przednią ścianą 24 pieca tak, że dolna część 38 ściany skrzydłowej wystaje na pewną odległość, wynoszącą 1-2 m, do pieca, przy czym wspomniane tu rury są głównie poziome. Górna część 40 paneli rurowej ściany skrzydłowej jest wygięta ku górze, tworząc podłużną panele pionową, przy czym rury w tej części są głównie pionowe. Pionowa część paneli ściany skrzydłowej biegnie ku górze i przechodzi przez strop 42 na zewnątrz komory reaktora, gdzie łączy się z pozostałą częścią cyklu parowego, na przykład z walczakiem parowym, nie pokazanym.

Na figurze 2a pokazano przykład wykonania, w którym część żebra pomiędzy dwiema rurami 34' i 34 zastąpiono rurą zasilającą 44 do środka redukującego. W rurze zasilającej środka redukującego znajdują się elementy do wprowadzania środka redukującego w postaci dysz 46 rozmieszczonych w pewnych odstępach od siebie wzdłuż rury i za pomocą których można wtryskiwać do pieca poziome strumienie środka redukującego, głównie w kierunku równoległym do normalnej do płaszczyzny ściany skrzydłowej.

Na figurze 2b widać rozwiązanie, w którym rura zasilająca 48 środka redukującego znajduje się wewnątrz pierwszej lub końcowej rury 34' na krawędzi paneli rurowej ściany skrzydłowej. Zewnętrzna ściana obwodowa rury zasilającej 48 jest połączona stycznie z wewnętrzną ścianą rury 34'. W powierzchniach łączących rury 48 i rury 34' znajdują się elementy do wprowadzania środka redukującego w postaci dysz 50 do wtryskiwania środka redukującego w poziomie oraz w płaszczyźnie ściany skrzydłowej z rur zasilających do pieca.

Na figurze 3a pokazano panele 16, 16', 16 typu omega nadające się do integralnego łączenia z elementami do wprowadzenia środka redukującego. Na fig. 3a widać elementy do wprowadzania środka redukującego w postaci dysz wtryskowych 52 do wtryskiwania poziomych strumieni środka redukującego wzdłuż normalnej do płaszczyzny paneli. Ponadto widać również elementy do wprowadzania środka redukującego w postaci dysz 54, 56 wtryskujących środek redukujący pionowo do góry 54 i w dół 56.

Jak można zobaczyć na fig. 3b, panele rurowe typu omega są wykonane ze specjalnie ukształtowanych rur 58, 60, które tworzią po zespawaniu ze sobą, strukturę panelową będącą w przybliżeniu równą lub typu ścianowego, i mającą dwie przeciwległe płaskie ściany 62, 64. Przekrój poprzeczny rur 58, 60 jest głównie kwadratowy lub prostokątny, i co najmniej dwie przeciwległe strony 66, 68 każdej rury są płaskie, w wyniku czego powstają płaskie ściany 62, 64 paneli typu omega. Techniką tą można wytworzyć strukturę, która jest na tyle trwała, żeby mogła wytrzymać warunki erozyjne, np. w przypadku kiedy panela znajduje się w głównym strumieniu gazów w komorze reaktora w kotle z szybkim złożem fluidalnym.

W przykładzie wykonania według wynalazku, który pokazano na fig. 3b, pomiędzy każdą sąsiednią parą rur 58, 60 typu omega połączoną spoinami 71 powstają zapasowe komory 70. Komory te można używać jako rurociągi zasilające środka redukującego. W celu zapewnienia zespołu strumieni środka redukującego, pomiędzy sąsiednimi rurami typu omega wykonano zespół elementów do wprowadzania środka redukującego w postaci otworów lub dysz 52 o odpowiednich wymiarach. Panele z rur typu omega, jak widać na fig. 3a, można umieścić w komorze reaktora w taki sposób, że ich płaskie boki są pionowe. Zatem otwory lub dysze 52 w spoinie tworzą głównie poziome strumienie środka redukującego. Dysze te wytwarzają strumienie środka redukującego w przybliżeniu prostopadłe do strumienia gazów płynącego głównie w kierunku pionowym wzdłuz boków paneli rurowych typu omega.

Szkody powodowane przez siły erozyjne działające na panele rurowe typu omega są największe na ich górnym i dolnym końcu, więc końce te chroni się zazwyczaj za pomocą ekranów 72. Komory 74 pomiędzy ekranami erozyjnymi oraz ostatnimi rurami typu omega można również wykorzystać w roli rurociągów zasilających dla środka redukującego. W wyniku tego otwory lub dysze 54, 56 przechodzące przez ekrany wytwarzają strumienie skierowane pionowo ku górze i ku dołowi od paneli typu omega.

Otwory lub dysze 52 można rozmieścić w panelach typu omega w poziomych i pionowych rzędach, jak pokazano na fig. 3a. Odległość pomiędzy otworami lub dyszami można dobierać w zalezności od konieczności umożliwienia wyboru odpowiedniej temperatury dla wtryskiwania środka redukującego we wszystkich warunkach roboczych oraz w celu zapewnienia wymaganego pokrycia w poziomie strumieni płynącego gazu.

189 067

Ważną zaletą wynalazku jest zapewnienie przez niego struktur, za pomocą których można rozmieścić elementy do wtryskiwania środka redukującego w odpowiednich miejscach w głównym strumieniu gazów wewnątrz komory reaktora, a tym samym, dzięki wielu dyszom w każdym z elementów wtryskowych, można zagwarantować wystarczające mieszanie środka redukującego z gazem.

Ponadto ważną zaletą wynalazku jest możliwość wtryskiwania we wszystkich warunkach roboczych w dostatecznie niskiej temperaturze dzięki umieszczeniu elementów do wtryskiwania środka redukującego w różnych miejscach, w tym również w komorze reaktora. Kiedy przewody zasilające środka redukującego znajdują się w wysokich temperaturach, trzeba je chłodzić dla zapobieżenia dysocjacji środka. Wynalazek zapewnia nowe rozwiązanie umieszczania i chłodzenia elementów do wprowadzania środka redukującego wewnątrz komory reaktora bez zasadniczego zmieniania postaci znajdujących się w niej typowych struktur.

Urządzenie do spalania według wynalazku w postaci kotła do wytwarzania pary wodnej opisano tu jako urządzenie do spalania z obiegowym złożem fluidalnym, ale rozumie się samo przez się, że wynalazek można stosować w różnych innych technikach przejmowania ciepła ze strumienia gorących gazów zawierających tlenki azotu, takich jak urządzenia do spalania osadu kanalizacyjnego lub odpadów, oraz że powierzchnie wymiany ciepła zintegrowane z przewodami doprowadzającymi środek redukujący można, w razie potrzeby, umieszczać za rzeczywistą komorą spalania lub piecem.

Rozumie się również samo przez się, że intencją wynalazku jest objęcie nim różnych modyfikacji opisanych przykładów wykonania i równoważnych rozwiązań, mieszczących się w ramach istoty i zakresu wynalazku.

Claims

1. Urządzenie do spalania zawierające piec oraz zawierające elementy do podtrzymywania reakcji spalania, powierzchnie wymiany ciepła wewnątrz pieca, elementy do wprowadzania środka redukującego tlenki azotu do pieca i elementy do odprowadzania gazów spalinowych z pieca, znamienne tym, że elementy (30, 30', 32, 46, 50, 52, 54, 56) do wprowadzania środka redukującego tlenki azotu do pieca są integralnie połączone z wewnętrznymi powierzchniami wymiany ciepła (16,16', 16, 17).

2. Urządzenie do spalania według zastrz. 1, znamienne tym, że w skład wewnętrznych powierzchni wymiany ciepła wchodzi co najmniej jedna panela typu omega (16, 16', 16) uformowana z rur (58, 60) pary wodnej zespawanych razem i tworzących w przybliżeniu płaską panelę ścianową z pustą przestrzenią lub komorą (70) pomiędzy każdymi dwiema sąsiednimi rurami do pary, oraz elementy do wprowadzania środka redukującego są zintegrowane z konstrukcją płaskiej paneli ścianowej poprzez kanał zasilający środka redukującego umieszczony w co najmniej jednej z pustych przestrzeni lub komór (70) pomiędzy dwiema sąsiednimi rurami z parą wodną i poprzez co najmniej jeden element do wprowadzania środka redukującego w postaci dyszy (52) lub otworu do wtryskiwania w zasadzie poziomego strumienia środka redukującego z kanału zasilającego do pieca (11), umieszczone w połączeniu, takim jak spoina (71), pomiędzy dwiema rurami z parą wodną.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że w paneli typu omega (16,16', 16), złozonej z poziomych rur (58, 60) z parą wodną i mającej poziomy kanał zasilający w wielu pustych przestrzeniach (70) pomiędzy sąsiednimi rurami, znajduje się wiele elementów do wprowadzania środka redukującego w postaci dysz (52) na co najmniej dwóch różnych poziomach w pionie oraz w co najmniej dwóch różnych miejscach leżących w pewnych odległościach od siebie w poziomie, przy czym sąsiednie dysze są rozmieszczone w odległości poziomej około 200-1500 mm, korzystnie 500-1200 mm, a kolejne poziome rzędy dysz znajdują się w pionowej odległości od siebie wynoszącej około 100-500 mm.

4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że na skrajnie górnych i skrajnie dolnych końcach lub krawędziach paneli typu omega (16, 16', 16) znajdują się elementy do wprowadzania środka redukującego w postaci dodatkowych dysz (54, 56) wtryskujących pionowo środek redukujący.

5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że w skład wewnętrznych powierzchni wymiany ciepła wchodzi co najmniej jedna ściana skrzydłowa (17) uformowana z rur (34, 34', 34, 34') z wodą lub z parą wodną tak, że dwie sąsiednie rury są połączone żebrem (36), a elementy do wprowadzania środka redukującego są zintegrowane z konstrukcją ściany skrzydłowej (17) poprzez rurę zasilającą (44, 48) środka redukującego równoległą do rur tworzących ścianę skrzydłową (17), która to rura zasilająca (44, 48) jest połączona z co najmniej jedną z rur (34', 34, 34'), oraz poprzez co najmniej jeden element do wprowadzania środka redukującego w postaci otworu lub dyszy (46, 50) umieszczonych w rurze zasilającej (44, 48).

6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że pomiędzy dwiema sąsiednimi rurami (34', 34) połączonymi za pomocą zebra (36) znajduje się rura zasilająca (44) środka redukującego, zastępująca część zebrą i łącząca dwie sąsiednie rury (34', 34).

7. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że rura zasilająca (48) środka redukującego znajduje się wewnątrz co najmniej jednej z rur (34') tworzących ścianę skrzydłową (17), oraz rura zasilająca (48) jest połączona z co najmniej jedną rurą (34') wzdłuż, odpowiednio, powierzchni łączących rury zasilającej (48) i wspomnianej rury (34'), oraz w rurze zasilającej (48) i ścianach rury (34') wzdłuż powierzchni łączących znajdują się elementy do wprowadzania środka redukującego w postaci przelotowych otworów lub dysz (50).

8. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że zawiera co najmniej dwie rury zasilające (44, 48) z rzędami elementów do wprowadzania środka redukującego w postaci otworów lub dysz (50), przy czym sąsiednie dysze znajdują się od siebie w poziomej odległości

189 067 około 200-1500 mm, korzystnie 500-1200 mm, a kolejne poziome rzędy dysz w pionowej odległości od siebie około 100-500 mm.