PL208657B1

PL208657B1 - Sposób kontrolowania stężenia SO₃ w procesie spalania paliwa zawierającego siarkę

Info

Publication number: PL208657B1
Application number: PL381191A
Authority: PL
Inventors: Brian S. Higgins
Original assignee: Higgins Brian S
Priority date: 2004-02-14
Filing date: 2005-02-14
Publication date: 2011-05-31
Also published as: WO2005080868A1; US20050178303A1; PL381191A1; CZ2006512A3

Description

Opis wynalazku

Przedmiotowy wynalazek dotyczy sposobu kontrolowania stężenia SO3 w procesie spalania paliwa zawierającego siarkę. Sposób ten ma zastosowanie w procesach oczyszczania gazów odlotowych z pieców, w których spalane jest paliwo zawierające siarkę, takie jak węgiel.

Gazy kominowe z elektrowni od dawna uznawano za źródło zanieczyszczenia atmosfery. Podczas spalania paliw kopalnych pewne, występujące naturalnie pierwiastki ulegają utlenieniu do form kwasowych, takich, jak SO3, NOx, HCI, HF i tym podobnych. Te substancje kwasowe, a w szczególności SO3, mogą stanowić problem, jeśli ich stężenie przekroczy pewne wartości progowe. Przykładowo, wraz ze wzrostem stężenia SO3 wzrasta również kwasowa temperatura punktu rosy dla gazów kominowych. Jeśli temperatura gazów kominowych jest niższa niż kwasowa temperatura punktu rosy dla tych gazów kominowych, wówczas SO3 w gazach będzie ulegał kondensacji i reakcji z wodą z utworzeniem H2SO4, powodując w ten sposób problemy związane z korozją wewnątrz pieca. Również gazy kominowe wychodzące z pieca ulegają natychmiastowemu schłodzeniu, zaś SO3 i inne kwasy w tych gazach ulegają kondensacji, powodując lokalny kwaśny deszcz, który obejmuje kondensację i osiadanie SO3 i innych kwasów na powierzchni okolicznej ziemi i następującą po tym korozję. Nadwyżkowa ilość SO3 będzie ulegać kondensacji w małe kropelki, tworząc widzialną chmurę przy wylocie z pieca, co stanowi również problem estetyczny i problem władz lokalnych. Jeśli w gazach kominowych są obecne związki zbliżone pokrewne NH3, mogą one reagować z SO3 tworząc wodorosiarczan amonu (NH3HSO4), który następnie powoduje zanieczyszczenie ogrzewacza powietrza.

W zwią zku z tym istnieje potrzeba obniż enia kwasowej temperatury punktu rosy gazów kominowych tak, aby kwasowa temperatura punktu rosy była niższa od temperatury gazów kominowych w najchłodniejszych częściach pieca, takich, jak kanały i komin. Istnieje również potrzeba obniż enia zawartości składników kwasowych w gazach kominowych tak, aby zminimalizować lokalny kwaśny deszcz i inne problemy związane z gazami kominowymi o dużej zawartości składników kwasowych.

Rozdrobniony materiał niesiony przez gazy kominowe może być usuwany za pomocą filtrów elektrostatycznych, które sprawiają, że poszczególne cząstki przyjmują ładunek elektryczny, a następnie wykorzystują ten ładunek do przyciągnięcia ich do płyt kolektora w celu usunięcia tych cząstek. Wydajność tych filtrów elektrostatycznych zależy od zdolności poszczególnych cząstek do przejmowania ładunku, tj. oporność tych cząstek. Stwierdzono, że obecność SO3 w gazach kominowych skutecznie obniża oporność cząstek, sprawiając, że łatwiej ulegają one naładowaniu elektrostatycznemu.

Podczas spalania węgla pewna część naturalnie występującej w nim siarki przekształca się w SO3. Z drugiej strony, skuteczność SO3 w obniż aniu opornoś ci rozdrobnionej materii w gazach kominowych zależy od stężenia SO3, przy czym około 15 do 20 części na milion (ppm) daje optymalne wyniki. Tak więc, na wydajność filtra wpływa zdolność dostosowania ilości SO3 w gazach kominowych, niezależnie od zawartości siarki w spalanym węglu, w taki sposób, aby zapewnić uzyskanie optymalnego zakresu całkowitego stężenia SO3.

SO3 jest również wytwarzany w instalacjach typu SCR (katalizator) przez utlenianie SO2, przy czym często przekracza się stężenie optymalne od 15 do 20 ppm. Blendy katalizatorów stosowane typowo w reaktorach SCR do redukcji NOx do N2 (w obecności amoniaku) powodują również utlenianie SO2 do SO3. Szybkość tej reakcji w dużym stopniu zależy od temperatury, zaś przy wyższych temperaturach więcej niż 1% SO2 może ulec przekształceniu w SO3. Amerykański węgiel o dużej zawartości siarki powoduje wytworzenie od 2000 do 3000 ppm SO2 w kotle, co prowadzi do uzyskania stężenia SO3 od 20 do 30 ppm wychodzącego z reaktora SCR. Problemem jest to, że mniej więcej 50%, lub od 10 do 15 ppm SO3 wychodzącego z reaktora SCR przechodzi przez płuczkę wieżową i wydostaje się przez komin. Przy okoł o 8 do 10 ppm, w zależ noś ci od stężenia drobnych czą stek, SO3 staje się widoczny w postaci błękitnej chmury.

Ponadto, SO3 może być również wytwarzany katalitycznie na powierzchniach innych kotłów w wyniku oddziaływania wzajemnego z pierwiastkami/substancjami chemicznymi takimi, jak wanad.

W związku z tym, ponieważ każda ilość SO3 utworzona przed SCR przyczynia się do zwiększenia ilości emitowanego SO3, zmniejszenie ilości SO3 tworzonego przed SCR jest ważne dla zmniejszenia ilości emitowanego SO3 i pozwala na zastosowanie SCR do redukcji NOx w przypadku gazów bez wytwarzania nadmiernej ilości SO3.

Jeśli stężenie SO3 jest zbyt małe, filtr pracuje z wydajnością poniżej wydajności optymalnej. Z drugiej strony, jeś li stężenie SO3 jest zbyt duż e, gazy kominowe stają się silnie kwasowe, tworzą c „błękitną chmurę” i przyczyniając się do kwaśnych deszczów. Dodatkowo, kwasowe gazy kominowe

PL 208 657 B1 przyczyniają się do korozji rur, którymi przechodzą gazy kominowe oraz, przy połączeniu z substancjami chemicznymi zbliżonymi do NH3, mogą powodować zatykanie się ogrzewaczy powietrza.

Ponadto, SCR jest często przewidziany jedynie do używania jedynie przez sześć miesięcy na rok (podczas letniego sezonu kontroli zawartości ozonu), zaś w zimie jest wyłączony z układu poprzez obejście. Powoduje to sezonową zmienność stężenia SO3 w filtrze, w kanałach i przy wylocie z komina.

Z tych przyczyn pożądane jest kontrolowanie stężenia SO3 w gazach kominowych w zależ noś ci od tego, czy reaktor SCR jest w użyciu, czy nie. Stężenie SO3 zbliżone do 40 ppm w znaczącym stopniu przyczynia się do lokalnych problemów związanych z kwaśnymi deszczami, przy czym chociaż problemy te niekoniecznie są uregulowane przepisami, to wciąż mogą stanowić zagrożenie dla środowiska naturalnego w pobliżu zakładu stanowiącego źródło emisji. Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (US EPA) wskazała, że należy oczekiwać dalszych regulacji dotyczących emisji SO3.

Pożądane jest więc posiadanie układu do kontroli SO3 w gazach kominowych, zdolnego do dostosowywania stężenia SO3 w gazach kominowych, przy zainstalowanym reaktorze SCR lub bez niego, w taki sposób, aby utrzymać stężenie SO3 na poziomie optymalnym przy zwiększonym wykorzystaniu ESP (filtra elektrostatycznego) bez zwiększonej lokalnej emisji SO3.

Stopniowanie spalania jest procesem spalania paliwa, tj. węgla, w dwóch lub większej liczbie etapów. Etap spalania w warunkach dużej dostępności paliwa, lub po prostu etap „bogaty”, to etap w którym nie ma dostatecznego dostę pu powietrza potrzebnego do cał kowitego spalenia paliwa. Etap spalania w warunkach niedostatecznego dostępu do paliwa to etap, w którym ilość dostępnego powietrza jest wystarczająca lub nadwyżkowa w stosunku do ilości potrzebnej do całkowitego spalenia paliwa. Stopniowanie w stanie techniki wykorzystywano do redukcji NOx przez a) redukcję temperatur szczytowych (termiczne NOx) oraz przez zapewnienie środowiska redukującego (redukcja NOx). Makrostopniowanie jest to podzielenie całych fragmentów pieca na etapy spalania w warunkach dużej dostępności paliwa i spalania w warunkach niedostatecznej dostępności paliwa, przy czym osiąga się to poprzez zastosowanie takich technik jak technika powietrza znad płomienia (Over-Fired Air [OFA]). Mikrostopniowanie jest to stworzenie sąsiadujących ze sobą mikrośrodowisk o funkcjonalnie różnych charakterystykach, takich, jak potencjał redukcyjny, temperatura i tym podobne. Mikrostopniowanie można osiągnąć w piecu na przykład w pierwszym etapie spalania poprzez zastosowania palników do spalania z niewielką emisją NOx z dostosowaniem ustawień łopatek wirników i zasuw kominowych. Zwiększone stopniowanie powoduje zwiększenie czasu przebywania w atmosferze redukującej i zwię kszenie wpł ywu atmosfery redukują cej.

W stanie techniki mikrostopniowanie wykorzystywano do redukcji emisji NOx z pieców do spalania. Etap z wykorzystaniem palników do spalania z niewielką emisją NOx (LNB) prowadzi się przez dostarczanie głównego strumienia powietrza o dużej zawartości paliwa do pieca, gdzie miesza się ono z pobocznym strumieniem powietrza przepływającym przez jedną lub większą liczbę zasuw kominowych pobocznego strumienia powietrza. LNB głównie wykorzystują mikrostopniowanie. Przepływ przez LNB jest tak uregulowany, że związki lotne z węgla mieszają się z dostępnym w pobliżu powietrzem w stosunku stechiometrycznym bliskim jedności (1,0), przez co utrzymuje się płomień w miejscu. Spalanie w centralnej, rdzeniowej części płomienia w pobliżu palnika w całości jest spalaniem w warunkach pełnej dostępności do paliwa i nie prowadzi do wytworzenia dużych ilości „termicznych” NOx, ponieważ temperatura spalania jest niska. Węgiel jest ostatecznie spalany w głębi pieca, w miarę, jak coraz więcej powietrza powoli miesza się z centralną, rdzeniową częścią płomienia. Większość NOx wytworzonych w tym obszarze pochodzi z azotu związanego w paliwie, który przereagował do NO poprzez produkt pośredni HCN. Szybkość, z jaką poboczny strumień powietrza miesza się z rdzeniowym przepł ywem ustala się za pomocą przepustnic i ł opatek wirników, jak również za pomocą łopatek obrotowych w przewodzie dostarczającym węgiel. Układy LNB przyczyniają się do zmniejszenia ilości NOx przez stopniowanie, ponieważ występuje w nich ciągłe mieszanie produktów spalania w warunkach pełnej dostępności paliwa z pobocznym strumieniem powietrza w całej strefie spalania.

W stanie techniki stosowano makrostopniowanie w celu zmniejszenie emisji z pieców do spalania. Makrostopniowanie obejmuje intensywnie mieszanie paliwa z powietrzem w dolnym piecu, przy czym mieszanie dla dużej części strumienia następuje w stosunku stechiometrycznym mniejszym od jedności. Ostatecznie wymagany jest nadmiar tlenu, aby zapewnić całkowite spalenie paliwa i zmniejszyć ryzyko eksplozji. W piecu nadmiarowe powietrze po etapie makrostopniowania wprowadza się współprądowo względem palników. Zwiększone stopniowanie uzyskuje się przez zwiększenie czasu przebywania, temperatury lub przez zmniejszenie jakości produktów spalania w braku tlenu.

PL 208 657 B1

W stanie techniki stosowano zarówno mikrostopniowanie (LNB) i makrostopniowanie (OFA) w celu zmniejszenia emisji NOx z pieców do spalania. W przypadku jednoczesnego stosowania mikrostopniowania i makrostopniowania, składniki każdego z nich stosuje się i dopasowuje tak, aby osiągnąć zmniejszenie emisji NOx.

Nigdzie wcześniej w stanie techniki nie ujawniono informacji o zastosowaniu stopniowania do zmniejszenia kwasowości gazów kominowych, do kontroli kwasowej temperatury punktu rosy lub do kontroli stężenia SO3 w gazach odlotowych.

Przedmiotem wynalazku jest sposób kontrolowania stężenia SO3 w procesie spalania paliwa zawierającego siarkę, charakteryzujący się tym, że w pierwszym etapie paliwo poddaje się częściowemu spaleniu do wytworzenia środowiska redukującego, następnie środowisko redukujące utrzymuje się przez okres wystarczający do zredukowania SO3 do SO2 do uzyskania pożądanego poziomu SO3, po czym pozostałości paliwa i pośrednie produkty spalania spala się w drugim etapie w ś rodowisku utleniają cym. W jednym z korzystnych wariantów realizacji sposobu wedł ug wynalazku prowadzi się go z wykorzystaniem selektywnej redukcji katalitycznej do kontrolowania emisji NOx, przy czym po pierwszym etapie środowisko redukujące utrzymuje się przez okres wystarczający do zredukowania SO3 do SO2 przed selektywną redukcją katalityczną do uzyskania pożądanego poziomu SO3. W kolejnym korzystnym wariancie realizacji sposób wedł ug wynalazku obejmuje ponadto etap mikrostopniowania pierwszego etapu spalania paliwa. W szczególnie korzystnym przypadku mikrostopniowanie zapewnia się przez zastosowanie palników do spalania z niewielką emisją NOx.

W nastę pnym korzystnym wariancie realizacji sposób wedł ug wynalazku obejmuje ponadto etap makrostopniowania pierwszego etapu spalania paliwa. W szczególnie korzystnym przypadku makrostopniowanie zapewnia się przez zastosowanie powietrza znad płomienia.

W dalszym korzystnym wariancie realizacji sposób według wynalazku obejmuje kombinację mikrostopniowania i makrostopniowania. W szczególnie korzystnym przypadku mikrostopniowanie zapewnia się przez zastosowanie palników do spalania z niewielką emisją NOx, zaś makrostopniowanie zapewnia się przez zastosowanie powietrza znad płomienia. W szczególnie korzystnym wariancie realizacji sposobu według wynalazku paliwem jest węgiel.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji zilustrowano na rysunku, na którym Fig. 1A przedstawia schemat technologiczny, na którym przedstawiono etapy procesu makrostopniowania w przedmiotowym wynalazku, zaś Fig. 1B przedstawia schemat technologiczny, na którym przedstawiono etapy procesu mikrostopniowania w przedmiotowym wynalazku.

W nastę pują cym opisie podobne odnoś niki oznaczają podobne lub odpowiadające części w szeregu wariantów. W odniesieniu do poniższego opisu należy również rozumieć, że okreś lenia takie, jak „naprzód, „wstecz”, „przód”, „tył”, „prawy”, „lewy”, „wnoszący”, „opadający i tym podobne, stanowią słowa pomocnicze i nie należy ich interpretować jako określenia ograniczające. W niniejszym opisie określenie „redukowalny kwas” odnosi się do kwasów, w których kwasowość może być zmniejszona lub wyeliminowana na drodze elektrochemicznej redukcji kwasu.

Jak wskazano powyżej przedmiotowy wynalazek dotyczy sposobu kontrolowania stężenia SO3 w procesie spalania paliwa zawierającego siarkę przy zastosowaniu stopniowania spalania. Sposób ten umożliwia wewnątrzpiecowe kontrolowanie kwasowej temperatury punktu rosy a także wewnątrzpiecowe kontrolowanie stężenia SO3. Zwiększone stopniowanie korzystnie wykorzystuje się do jednoczesnego obniżenia kwasowości, obniżenia kwasowej temperatury punktu rosy i zmniejszenia poziomu zawartości SO3 w gazach kominowych.

Podobnie do tego, w jaki sposób NOx są redukowane z powrotem do N2 w „bogatym” środowisku redukującym, SO3 jest redukowany w środowisku redukującym z powrotem do SO2. Dzięki wykorzystaniu makrostopniowania, centralna część pieca poniżej dyszy OFA w przeważającej części stanowi obszar spalania przy dużej dostępności paliwa. To stopniowane środowisko może być dostosowane do stanu, w którym będzie jeszcze mniej wymieszane w celu wytworzenia mikroetapów w ramach pierwszego etapu spalania. Mieszanie moż e być zmniejszone przez zmniejszenie ustawień szybkości obrotów łopatek wirników w głównym strumieniu powietrza i węgla lub dodatkowo lub w innym przypadku przez ustawienia ł opatek wirników i zasuwy kominowej dla pobocznego strumienia powietrza, dzięki czemu tworzy się redukujące mikroetapy, lub dodatkowo lub w innym przypadku zmieniane mogą być względne szybkości wylotowe pierwotnego strumienia powietrza i strumienia węgla oraz wtórnego strumienia powietrza.

PL 208 657 B1

Podczas, gdy większość związanej w paliwie siarki tworzy SO2, część tworzy SO3 bezpośrednio podczas spalania siarki związanej w paliwie. SO2 może reagować z utworzeniem dalszych ilości SO3 w wyniku nastę pują cej reakcji utleniania:

SO₂ + O (+M) SO₃ (+M)

Jednakże, ta trójcząsteczkowa reakcja jest bardzo powolna. Dodatkowe źródło SO3 w środowisku utleniającym stanowi reakcja:

502 + O2 ^- SO3 + O

Ta reakcja nie wymaga, aby nastąpiło jednoczesne zderzenie się trzech cząstek; jednakże jest ona bardzo wrażliwa na temperaturę, wymaga wysokiej temperatury, a także występuje duże prawdopodobieństwo zachodzenia reakcji odwrotnej:

503 + O ^- SO2 + O2

Żadna z trzech powyższych reakcji nie występuje w znaczącym stopniu w środowisku redukującym ze względu na brak O i O2. W środowisku redukującym bezpośrednia konwersja SO3 do SO2 zachodzi w wyniku następującej, ogólnej reakcji „redukcji”:

SO3 + R ^- SO2 + RO gdzie R oznacza dowolny rodnik o właściwościach redukujących. Głównym rodnikiem podczas spalania paliw kopalnych jest rodnik H.

SO3 + H SO2 + OH

Wiele rodników i cząsteczek może pełnić funkcję w środowisku redukującym, np. H, OH, C, CO, CH, CH2, C2H, CH3, CnHm, N, NHi i wiele innych.

Powyższe reakcje redukcji SO3 są bardzo szybkie przy znaczącym stężeniu rodników redukujących (R). Wystarczające stężenie występuje głównie w środowisku redukującym w ramach pierwszego etapu spalania (w warunkach dużego dostępu paliwa).

W podzielonym na stopnie ś rodowisku redukują cym w warunkach duż ego dostę pu paliwa chemia utleniania nie ma dużego znaczenia w związku ze znacznie obniżonym (zredukowanym praktycznie do zera) stężeniem indywiduów biorących udział w spalaniu, np. OH, O, O2, HO2, H2O2 i wielu innych. W tym środowisku różne substancje silnie ze sobą współzawodniczą w zakresie reakcji z każdym dostępnym indywiduum tlenowym. Cząsteczki zawierają ce atomy tlenu, które występują we względnie małym stężeniu, są zużywane przez indywidua potrzebujące tlenu, które występują w wysokim stężeniu, np. tlen w NO jest zużywany przez inne indywidua takie, jak C, CO, H i CH. Cząsteczki, które zawierają wiele atomów tlenu są szczególnie zagrożone, np. SO3 ulega szybkiemu przekształceniu z powrotem do SO2 w wyniku oddzielenia tlenu przez praktycznie każde indywiduum znajdujące się w pobliżu, najczęściej przez atomy wodoru.

Tak więc, w środowisku redukującym reakcja redukcji SO3 zachodzi bardzo szybko w sposób praktycznie nieodwracalny przy utrzymanym środowisku redukującym.

Nieoczekiwanie okazało się, że w przypadku sposobów według przedmiotowego wynalazku stwierdzono występowanie efektu opałowego polegającego na tym, że każda ilość SO3 wytworzonego podczas spalania ulega szybkiej redukcji SO2 w pierwszym etapie, zaś SO3 nie jest odtwarzany w wyniku utleniania SO2 ponieważ czas przebywania w wystarczająco wysokiej temperaturze w piecu jest zbyt krótki w dalszych etapach spalania w warunkach niedostatecznego dostępu paliwa. Tak więc, w przedmiotowym wynalazku z korzyś cią wykorzystuje się róż nice pomię dzy szybkoś ciami reakcji w celu zredukowania i utrzymania poziomu SO3 w gazach kominowych.

Zwiększone stopniowanie powoduje zwiększenie czasu przebywania w atmosferze redukującej lub zwiększenie potencjału redukcyjnego atmosfery, w celu zmniejszenia stężenia SO3 i obniżenia w ten sposób temperatury punktu rosy. Tak więc, aby zwiększyć redukcję SO3, można zwiększyć czas przebywania lub potencjał redukcyjny w gazach kominowych.

Aby zwiększyć czas przebywania można zastosować szereg metod:

1. Można zwiększyć odległość pomiędzy etapami;

2. Można zwiększyć mieszanie w przypadku zastosowania makrostopniowania;

3. Można zmniejszyć mieszanie w przypadku zastosowania mikrostopniowania;

PL 208 657 B1

4. Można zmniejszyć masowe natężenie przepływu pomiędzy etapami (głębsze stopniowanie);

5. Można zwiększyć wykorzystanie objętości pomiędzy etapami (np. wirowanie)

6. Można zwiększyć ciśnienie;

7. Można zwiększyć gęstość.

Aby zwiększyć potencjał redukcyjny w gazach kominowych można zastosować szereg metod:

1. Można zwiększyć temperaturę;

2. Można zmniejszyć stosunek stechiometryczny (tj. stosunek powietrza do paliwa)

3. Można zwiększyć miejscowy przepływ paliwa (dla ustalonego przepływu powietrza);

4. Można zmniejszyć miejscowy przepływ powietrza (dla ustalonego przepływu paliwa).

Mieszanie w obrębie etapu również wpływa na proces redukcji. Najlepszy jest etap obejmujący całkowite wymieszanie przy mieszaninie stechiometrycznej, ponieważ te warunki reakcji pozwalają na uzyskanie najwyższej temperatury przy jednoczesnym utrzymaniu środowiska redukującego, tj. zminimalizowanie stężenia rodników utleniających takich, jak rodniki O. Jednakże, ponieważ mieszanie doskonałe jest niepraktyczne, w praktyce stosuje się stosunek stechiometryczny mniejszy od jedności, co pozwala na maksymalne ograniczenie występowania rejonów, w których stosunek stechiometryczny byłby większy od jedności. Jednakże, ze względu na zmniejszone mieszanie, konieczny jest dłuższy czas przebywania i/lub wyższa temperatura, aby osiągnąć podobne obniżenie całkowitej kwasowości kwasowej temperatury punktu rosy i/lub stężenia SO3. Jednakże temperatura gazów kominowych zależy w pewnym stopniu od poziomu mieszania i obniża się, gdy mieszanie jest zmniejszone. W zwią zku z tym, jeś li dla danej intensywnoś ci mieszania pożądana jest zwię kszona temperatura, musi być ona zwiększona za pomocą innych środków, takich, jak ogrzewanie wstępne powietrza, zmiana charakterystyki wymiany cieplnej pieca i tym podobnych. Alternatywnie lub dodatkowo, czas przebywania w środowisku redukującym może być zwiększony przez opóźnianie wprowadzenia powietrza w etapie spalania w warunkach niedostatecznego dostępu paliwa, takie jak wdmuchiwanie OFA.

Należy zauważyć, że SO3 jest tworzony przez utlenianie SO2 w katalizatorze, ponieważ katalizator umożliwia utlenianie SO2 w wyniku następującej reakcji:

SO2 + /2 O2 —— SO3

Wytwarzanie SO3 w katalizatorze jest niezależne od stężenia SO3 w gazach, ponieważ reakcja katalizowana jest zależna jedynie od stężenia SO2 i O2. Tak więc, każda ilość SO3, która ulega redukcji zgodnie z przedmiotowym wynalazkiem niezależnie obniża ilość SO3 na wyjściu i nie podlega wpływowi oraz sama nie wpływa na wytwarzanie SO3 w katalizatorze.

Przedmiotowy wynalazek zapewnia zatem sposób kontrolowania i zmniejszania kwasowości gazów kominowych, a w szczególności stężenia SO3 w gazach kominowych, w celu korzystnego wpływania na wydajność filtra elektrostatycznego, a bardziej szczegółowo, w celu zmniejszenia stężenia SO3 i innych redukowalnych substancji kwasowych w gazach kominowych w celu zmniejszenia kwasowości gazów kominowych i kwasowego punktu rosy, a przez to zmniejszając zatykanie się ogrzewacza powietrza, korozję przewodów i emisję SO3 do środowiska, która może stanowić źródło widocznych chmur i lokalnych kwaśnych deszczów.

Jak najlepiej widać to na Fig. 1A, w preferowanym wariancie realizacji przedmiotowego wynalazku w celu uregulowania kwasowości panującej w piecu i stężenia SO3 w piecu makrostopniowanie realizuje się przez zastosowanie OFA. Jak najlepiej to widać na Fig. 1B, w innym preferowanym wariancie realizacji przedmiotowego wynalazku w celu uregulowania kwasowości panującej w piecu i stężenia SO3 w piecu mikrostopniowanie realizuje się przez zastosowanie palników do spalania z niewielką emisją NOx. W jeszcze innym preferowanym wariancie realizacji przedmiotowego wynalazku w celu uregulowania kwasowości panującej w piecu i stężenia SO3 w piecu stosuje się makrostopniowanie i mikrostopniowanie przez zastosowanie OFA i palników do spalania z niewielką emisją NOx w kombinacji. Dla pieców, w których działają reaktory SCR, kwasowość korzystnie regulowana jest tak, aby obniżyć całkowitą kwasowość gazów kominowych. Dla pieców bez reaktorów SCR lub pieców, w których reaktory SCR są ominięte, stężenie SO3 korzystnie jest regulowane tak, aby ilość SO3 kierowana do ESP zwiększała lub sprzyjała wytrącaniu. Dla obecnych ESP, w celu zapewnienia ich najlepszej wydajności, pożądane jest stężenie pomiędzy około 10 i około 15 ppm (objętościowo) przy wylocie.

Temperatura punktu rosy stanowi wygodny parametr dla oszacowywania i/lub dostosowywania zmiennych środowiska redukującego w celu osiągnięcia odpowiedniego zmniejszenia kwasowości i/lub

PL 208 657 B1 pożądanego stężenia SO3. Dla pożądanego stężenia SO3 i roboczej wilgotności względnej można wyznaczyć punkt rosy i odpowiednio dostosować zmienne środowiska redukującego tak, aby osiągnąć pożądany punkt rosy. Dla osiągnięcia tego samego celu można stosować inne sposoby wyznaczania kwasowości i/lub stężenia SO3 bez odejścia od zakresu przedmiotowego wynalazku.

W preferowanym wariancie realizacji przedmiotowego wynalazku, elektrownia jest sterowana w taki sposób, aby zapewnić głęboko stopniowane, mikrostopniowane lub makrostopniowane środowisko redukujące w dolnym piecu. OFA w górnym piecu dostarcza ilość tlenu konieczną do zapewnienia dopuszczalnego poziomu spalenia pozostałego, niespalonego paliwa, pośrednich produktów spalania i CO. Dodatkowo, w celu zmniejszenia stężenia NOx można stosować reaktor SCR. Tak więc, wariant realizacji według przedmiotowego wynalazku obejmuje piec do spalania z OFA i palniki do spalania z niewielką emisją NOx do zastosowania w przypadku paliw zawierających siarkę w celu zmniejszenia temperatury punktu rosy i zmniejszenia stężenia SO3. Dodatkowo, w celu w celu zmniejszenia stężenia NOx można stosować reaktor SCR. Korzystnie palniki do spalania z niewielką emisją NOx są urządzeniami takiej klasy, że zapewniają odpowiednie mieszanie w pierwszym etapie w celu zapewnienia odpowiedniego obniżenia kwasowej temperatury punktu rosy oraz zmniejszenia stężenia SO3, co pozwala na zastosowanie reaktora SCR, jeśli jest to potrzebne. Tak więc, jeden z wariantów realizacji przedmiotowego wynalazku obejmuje piec do spalania z wysokiej klasy palnikami do spalania z niewielką emisją NOx w celu redukowania kwasowości gazów kominowych, obniżania kwasowej temperatury rosy i zmniejszania stężenia SO3 w gazach kominowych. Ten wariant realizacji może również obejmować reaktor SCR.

Odpowiednie środowisko redukujące według przedmiotowego wynalazku to takie, w którym redukcja SO3 do SO2 następuje w czasie krótszym niż około 2 sekundy, a korzystniej - w czasie krótszym niż około 0,5 sekund. W przedmiotowym wynalazku takie środowisko redukujące można osiągnąć, jeśli temperatura gazów kominowych w pierwszym etapie jest większa niż lub równa 900 K (1166°F), korzystniej - większa niż około 1255 K (1800°F), jeszcze korzystniej - większa niż około 1650 K (2500°F). Środowisko redukujące to takie, w którym stosunek stężenia rodników redukujących do stężenia rodników utleniających jest większy od około 1; bardziej szczegółowo - w którym stosunek stężenia rodników H do stężenia rodników O jest większy od około 1. Lepszym środowiskiem redukującym jest środowisko, w którym stosunek stężenia rodników redukujących do stężenia rodników utleniających jest większy od około 10; bardziej szczegółowo - w którym stosunek stężenia rodników H do stężenia rodników O jest większy od około 10.

W poniż szych przykładach przedstawiono wyniki, które moż na uzyskać przy zastosowaniu sposobu według przedmiotowego wynalazku. Sposób według przedmiotowego wynalazku stosowano do zmniejszenia emisji SO3 w trzech różnych elektrowniach. Dane doświadczalne, przedstawione w tabeli 1 i 2 uzyskane zostały przez zastosowanie strumienia powietrza znad płomienia o dużej szybkości przepływu, zaś zmierzone zostały przez odrębne, niezwiązane przedsiębiorstwa.

T a b e l a 1.

Wpływ głębokości stopniowania na stężenie SO3 w dwóch różnych elektrowniach

Parametry	Elektrownia 1	Elektrownia 2
Głębokość stopniowania
płytko	głęboko	płytko	głęboko
Obciążenie (MW _net)	182	179	154	154
NOx (Ib/MBtu)	0,64	0,36	0,63	0,28
% zawartości siarki w węglu	1,22	1,22	0,87	0,87
stężenie SO2 w gazach wylotowych (ppm)	1100	1100	720	720
stężenie SO3 w gazach wylotowych (ppm)	19	5,7	11*	0,5
stosunek SO₃/SO₂ (%)	1,7	0,52	1,5*	0,07
Redukcja zawartości SO₃		70%		95%

* - Oszacowane na podstawie założenia, że 98,5% siarki w węglu przekształca się w SO2, zaś 1,5% siarki przekształca się w SO3.

PL 208 657 B1

W przypadkach „pł ytkiego” stopniowania dysze powietrza znad pł omienia był y prawie cał kowicie zamknięte, ale wciąż występował w nich strumień schładzający (około 10% całkowitego strumienia powietrza). W przypadkach „pośredniego” stopniowania przez dysze powietrza znad płomienia wprowadzano prawie 20% całkowitego strumienia powietrza. W przypadkach „głębokiego” stopniowania przez dysze powietrza znad płomienia wprowadzano prawie 30% całkowitego strumienia powietrza. Wszystkie trzy jednostki stanowiły jednostki umieszczone kątowo ponad płomieniem, zaś układ OFA był umieszczony sporo powyżej strefy palnika.

T a b e l a 2.

Wpływ trzech poziomów stopniowania w jednej elektrowni (Elektrownia 3, inna niż podane w tabeli 1)

	Głębokość stopniowania
Parametry	Płytko	Pośrednio	Głęboko
Obciążenie (MW_net)	72	72	72
NOx (Ib/MBtu)	0,56	0,48	0,34
% zawartości siarki w węglu	2,85	2,85	2,85
stężenie SO2 w gazach wylotowych (ppm)	1856	1855	1856
stężenie SO3 w gazach wylotowych (ppm)	5,9	1,9	1,1
stosunek SO3/SO2 (%)	0,32	0,1	0,06
Redukcja zawartości SO3 (w porównaniu do przypadku „płytkiego”)		68%	81%

Tak więc, dane doświadczalne pokazują możliwość regulowania/kontrolowania stężenia SO3 przy użyciu sposobu według przedmiotowego wynalazku.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób kontrolowania stężenia SO3 w procesie spalania paliwa zawierającego siarkę, znamienny tym, że w pierwszym etapie paliwo poddaje się częściowemu spaleniu do wytworzenia środowiska redukującego, następnie środowisko redukujące utrzymuje się przez okres wystarczający do zredukowania SO3 do SO2 do uzyskania pożądanego poziomu SO3, po czym pozostałości paliwa i poś rednie produkty spalania spala się w drugim etapie w ś rodowisku utleniają cym.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prowadzi się go z wykorzystaniem selektywnej redukcji katalitycznej do kontrolowania emisji NOx, przy czym po pierwszym etapie środowisko redukujące utrzymuje się przez okres wystarczający do zredukowania SO3 do SO2 przed selektywną redukcją katalityczną do uzyskania pożądanego poziomu SO3.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że obejmuje ponadto etap mikrostopniowania pierwszego etapu spalania paliwa.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że mikrostopniowanie zapewnia się przez zastosowanie palników do spalania z niewielką emisją NOx.
5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że obejmuje ponadto etap makrostopniowania pierwszego etapu spalania paliwa.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że makrostopniowanie zapewnia się przez zastosowanie powietrza znad płomienia.
7. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że obejmuje ponadto kombinację mikrostopniowania i makrostopniowania.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że mikrostopniowanie zapewnia się przez zastosowanie palników do spalania z niewielką emisją NOx, zaś makrostopniowanie zapewnia się przez zastosowanie powietrza znad płomienia.
9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że paliwem jest węgiel.