PL241928B1

PL241928B1 - Method of determining temperatures inside the combustion chamber of a water-tube boiler for the purposes of selective non-catalytic reduction of nitrogen oxides (SNCR) process

Info

Publication number: PL241928B1
Application number: PL435759A
Authority: PL
Inventors: Konrad Borowski; Wojciech Czerwiński; Marek Dudyński
Original assignee: Celsium Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2022-12-27
Also published as: PL435759A1

Abstract

Sposób wyznaczania odpowiedniej temperatury w szczególnych punktach wewnątrz komory spalania kotła wodno-rurowego na potrzeby procesu selektywnej niekatalitycznej redukcji tlenków azotu (SNCR) charakteryzuje się tym, że wykorzystuje się zależność lokalizacji stref o temperaturze 850 - 1100°C, w komorze spalania kotła, od temperatury w szczególnych punktach zlokalizowanych na ścianach kotła, w których to punktach zmiana temperatury jest ściśle związana ze zmianą rozkładu temperatury w kotle, a sam gradient wystarczająco duży do przeprowadzenia wiarygodnych pomiarów. Zestaw danych pomiarowych przedstawiony jest jako wektor, na który działa macierz przekształcenia liniowego. Macierz przekształcenia tworzona jest z wykorzystaniem schematów na jakich operują sztuczne sieci neuronowe i przekształca sygnał z pomiarów temperatury w szczególnych punktach na ścianach kotła na informację o temperaturze wewnątrz komory spalania kotła.The method of determining the appropriate temperature at specific points inside the combustion chamber of a water-tube boiler for the purposes of the selective non-catalytic reduction of nitrogen oxides (SNCR) is characterized by the use of the dependence of the location of zones with a temperature of 850 - 1100°C in the combustion chamber of the boiler on the temperature at specific points located on the walls of the boiler, where the change in temperature is closely related to the change in the temperature distribution in the boiler, and the gradient itself is large enough to perform reliable measurements. The measurement data set is presented as a vector acted on by a linear transformation matrix. The transformation matrix is created using the schemes used by artificial neural networks and converts the signal from temperature measurements at specific points on the boiler walls into information about the temperature inside the boiler combustion chamber.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób wyznaczania temperatur wewnątrz komory spalania kotła wodno-rurowego na potrzeby procesu selektywnej niekatalitycznej redukcji tlenków azotu (SNCR).The subject of the invention is a method of determining temperatures inside the combustion chamber of a water-tube boiler for the purposes of the selective non-catalytic reduction of nitrogen oxides (SNCR).

Podczas spalania paliw stałych w kotłach wodno-rurowych w wysokich temperaturach powstają tlenki azotu - NOx. Z racji wysokiej szkodliwości dla środowiska, emisja tlenków azotu do atmosfery musi być ściśle kontrolowana oraz dotrzymane muszą być limity emisji nałożone przez ustawodawcę. Wyróżnia się metody odazotowania spalin, pierwotne oraz wtórne. Metody pierwotne znane dla kotłów węglowych, poprzez kontrolę procesu spalania ograniczają proces powstawania tlenków azotu w komorze spalania. Metody pierwotne nie umożliwiają osiągnięcia zadowalających poziomów emisji tlenków azotu, a proces automatyzacji i kontroli jest problematyczny. Z uwagi na konieczność dotrzymania limitów emisji zanieczyszczeń do atmosfery łączy się metody pierwotne z metodami wtórnymi.During the combustion of solid fuels in water-tube boilers, nitrogen oxides - NOx are formed at high temperatures. Due to the high harmfulness to the environment, the emission of nitrogen oxides into the atmosphere must be strictly controlled and the emission limits imposed by the legislator must be met. There are methods of flue gas denitrification, primary and secondary. Primary methods known for coal-fired boilers limit the formation of nitrogen oxides in the combustion chamber by controlling the combustion process. Primary methods do not achieve satisfactory levels of nitrogen oxide emissions, and the process of automation and control is problematic. Due to the need to meet the limits of pollutant emissions into the atmosphere, primary methods are combined with secondary methods.

W przemyśle stosowane są dwie metody wtórne redukcji emisji tlenków azotu do atmosfery, metoda selektywnej katalitycznej redukcji (SCR) oraz metoda selektywnej niekatalitycznej redukcji (SNCR), Redukcja tlenków azotu zachodząca na powierzchni katalizatora (SCR) jest wysoce efektywna i pozwala na osiągnięcie emisji rzędu kilku mg/Nm³. Z racji konieczności zabudowy katalizatora oraz modyfikacji kotła metoda ta cechuje się wysokimi kosztami inwestycyjnymi. Decyzja o wyborze SCR jest uzasadniona ekonomicznie dla instalacji o mocy powyżej 100 MW. Metoda SNCR polega na podaniu reagenta (roztwór wodnego mocznika lub wody amoniakalnej) do komory spalania, do spalin o temperaturze 850-1100°C. Następnie pomiędzy reagentem a tlenkami azotu zachodzi reakcja zgodnie z zapisem:The industry uses two secondary methods of reducing nitrogen oxide emissions to the atmosphere, the selective catalytic reduction (SCR) method and the selective non-catalytic reduction (SNCR) method. mg/Nm3 ^. Due to the necessity of installing the catalyst and modifying the boiler, this method is characterized by high investment costs. The decision to choose SCR is economically justified for installations with a capacity of more than 100 MW. The SNCR method consists in feeding a reagent (a solution of aqueous urea or ammonia water) to the combustion chamber, to the flue gas at a temperature of 850-1100°C. Then, a reaction takes place between the reactant and the nitrogen oxides as follows:

NH3 + NO ^ N2 + H2O + ½ H2 lub w przypadku wykorzystania mocznika:NH3 + NO ^ N2 + H2O + ½ H2 or if urea is used:

CO(NH2)2 + 2NO + ½ O2 ^ 2N2 + 2H2O + CO2CO(NH2)2 + 2NO + ½ O2 ^ 2N2 + 2H2O + CO2

Ponieważ lokalizacja wymaganego okna temperaturowego nie jest stała, do dozowania reagenta stosuje się wyspecjalizowane układy wtrysku reagenta. Umożliwiają one dozowanie reagenta w zasadzie do każdego miejsca w komorze spalania, przykładowy zestaw dysz przedstawiony jest na fig. 2. Dokładność takiego systemu jest ograniczona poprzez poprawne zdefiniowanie temperatury w komorze spalania a także odpowiedni dobór stężenia reagenta oraz ilości dozowanego roztworu. W temperaturze niższej niż 850°C reakcja pomiędzy reagentem a NOx zachodzi znacznie wolniej, w rezultacie część reagenta nie jest wykorzystywana i jest unoszona wraz ze spalinami. W każdej konfiguracji używanego reagenta jest to problematyczne dla użytkownika kotła. Mocznik łączy się z metalowymi powierzchniami wewnątrz kotła powodując ich korozję, z kolei amoniak ulatuje wraz ze spalinami do atmosfery co stwarza ryzyko przekroczenia limitów emisji (amoniaku), W temperaturze powyżej 1100°C reagenty utleniają się między innymi do NO i nie zachodzą reakcje redukujące NOx. Jak wynika z charakterystyki metody SNCR przedstawionej powyżej, lokalizacja wtrysku roztworu reagenta powinna być zdefiniowana temperaturą spalin.Since the location of the required temperature window is not constant, specialized reagent injection systems are used for reactant dosing. They make it possible to dose the reagent to virtually any place in the combustion chamber, an exemplary set of nozzles is shown in Fig. 2. The accuracy of such a system is limited by the correct definition of the temperature in the combustion chamber as well as the appropriate selection of the concentration of the reagent and the amount of the dosed solution. At temperatures lower than 850°C, the reaction between the reagent and NOx proceeds much more slowly, as a result, some of the reagent is not used and is carried along with the exhaust gas. In any configuration of the reactant used, this is problematic for the user of the boiler. Urea combines with metal surfaces inside the boiler, causing their corrosion, while ammonia escapes with flue gas into the atmosphere, which poses a risk of exceeding emission limits (ammonia). . As can be seen from the characteristics of the SNCR method presented above, the location of injection of the reagent solution should be defined by the exhaust gas temperature.

Z polskiego opisu patentowego nr PL228360 znany jest sposób wyznaczania lokalizacji wtrysku reagenta w układzie odazotowania SNCR za pomocą między innymi: danych dotyczących pomiaru temperatury, stężenia tlenków azotu, ilości generowanej pary wodnej, prędkości posuwu rusztu, położenia warstwownicy, ilości powietrza pierwotnego i wtórnego oraz kaloryczności paliwa. Dane te poddawane są analizie i poprzez porównanie ich z danymi wzorcowymi dokonywana jest korekta lokalizacji wtrysku. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że ilość danych zbieranych z instalacji w trakcie jej pracy na potrzeby układu sterowania wtryskiem reagenta jest znaczna i czyni to sposób podatnym na awarie lub niedokładności.From the Polish patent description No. PL228360, there is known a method for determining the location of the reagent injection in the SNCR denitrification system using, among others: data on temperature measurement, concentration of nitrogen oxides, amount of steam generated, grate feed speed, position of the stratum, amount of primary and secondary air and calorific value fuel. These data are analyzed and by comparing them with reference data, the injection location is corrected. The method according to the invention is characterized by the fact that the amount of data collected from the installation during its operation for the purposes of the reactant injection control system is significant and makes the method susceptible to failures or inaccuracies.

Z polskiego opisu patentowego nr PL233450 znany jest sposób wyznaczania lokalizacji wtrysku reagenta w układzie odazotowania SNCR za pomocą danych z pomiaru mocy cieplnej kotła rusztowego, pomiaru stężenia NOx oraz pomiaru temperatury spalin za festonem. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że pomiary temperatury w wyznaczonym miejscu są trudniejsze do zrealizowania niż pomiary przeprowadzane zgodnie z opisem w ramach zgłaszanego wynalazku, pomiary temperatury tylko w tym miejscu mogą w zależności od warunków występujących w kotle nawet w połączeniu z danymi z pomiarów dwóch innych parametrów, dawać za mało informacji powodując pracę układu SNCR z mniejszą skutecznością, ponadto umieszczając czujniki temperatury w tym miejscu naraża się je na działanie gorących spalin o dużej prędkości i zapyleniu.From the Polish patent description No. PL233450, there is known a method for determining the location of the reagent injection in the SNCR denitrification system using data from the measurement of the grate boiler's thermal power, measurement of NOx concentration and measurement of the flue gas temperature downstream of the festoon. The method according to the invention is characterized by the fact that temperature measurements in a designated place are more difficult to implement than measurements carried out in accordance with the description of the invention, temperature measurements only in this place may, depending on the conditions in the boiler, even in combination with data from measurements of two other parameters, provide too little information, causing the SNCR system to work with lower efficiency, moreover, by placing temperature sensors in this place, they are exposed to hot exhaust gas with high velocity and dust.

Z polskiego opisu patentowego nr PL230020 znany jest sposób pozwalający na utrzymanie optymalnej temperatury do wtrysku reagenta, w komorze spalania, modyfikując kocioł za pomocą pokryciaFrom the Polish patent description No. PL230020 there is known a method that allows to maintain the optimum temperature for reactant injection in the combustion chamber, by modifying the boiler with a coating

PL 241 928 B1 ekranów w górnej części komory spalania warstwą izolacji oraz poprzez usunięcie z początkowej części ciągu konwekcyjnego wymienników ciepła. W rezultacie spaliny wolniej wymieniają ciepło, dłużej utrzymują odpowiednią temperaturę do wtrysku czyniąc cały proces łatwiejszym do zrealizowania. Wadą takiego rozwiązania jest konieczność modyfikacji kotła a w przypadku zmodyfikowania kotła tylko w niezbędnym zakresie zwiększa się strata wylotowa z racji wyższej niż konieczna temperatury spalin na wylocie z kotła.PL 241 928 B1 the screens in the upper part of the combustion chamber with a layer of insulation and by removing the convection line of heat exchangers from the initial part. As a result, the exhaust gases exchange heat more slowly, maintain the appropriate temperature for injection for longer, making the entire process easier to implement. The disadvantage of such a solution is the need to modify the boiler, and in the case of modifying the boiler only to the extent necessary, the outlet loss increases due to higher than necessary flue gas temperature at the boiler outlet.

Znane są rozwiązania wykorzystujące ultradźwiękowy pomiar temperatury pozwalający na dokładne wyznaczenie temperatur w całej mierzonej objętości. Wadą takiego rozwiązania są znaczne koszty aparatury pomiarowej.There are known solutions that use ultrasonic temperature measurement that allows for accurate determination of temperatures in the entire measured volume. The disadvantage of such a solution is the significant cost of measuring equipment.

Sposób według wynalazku służy do wyznaczania odpowiedniej temperatury w szczególnych punktach wewnątrz komory spalania kotła wodno-rurowego na potrzeby sterowania wtryskiem reagenta w procesie selektywnej niekatalitycznej redukcji tlenków azotu (SNCR). Sposób według wynalazku wykorzystuje fakt, że dla kotła wodno-rurowego istnieje szczególny zestaw punktów na ścianach komory spalania, w których pomiar gradientu temperatury pozwala wyznaczyć temperaturę w punktach określonych na etapie projektowania instalacji SNCR jako odpowiednie do wtrysku reagenta.The method according to the invention is used to determine the appropriate temperature at specific points inside the combustion chamber of a water-tube boiler for the purpose of controlling the injection of reactant in the process of selective non-catalytic reduction of nitrogen oxides (SNCR). The method according to the invention uses the fact that for a water-tube boiler there is a specific set of points on the walls of the combustion chamber, where the measurement of the temperature gradient allows to determine the temperature at the points specified at the design stage of the SNCR installation as suitable for reactant injection.

Na potrzeby sposobu konieczne jest wyznaczenie rozkładów temperatury w kotle dla wszystkich parametrów pracy, a zwłaszcza w funkcji mocy pracy kotła. Znane są sposoby umożliwiające realizację wyżej wymienionego wymagania. Rozkłady temperatur można wyznaczyć na drodze pomiarów eksperymentalnych i/lub przeprowadzając szereg obliczeń numerycznych właściwych dla mechaniki płynów (tzw. CFD - z ang. Computational Fluid Dynamics). Sposób według wynalazku nie determinuje z której metody należy skorzystać. Dla układu wtryskującego reagent do komory spalania kotła, wyznacza się zestaw punków zawierających się w stożkach wtrysku, gdzie do każdej dyszy przypisany jest co najmniej jeden unikalny punkt. Funkcja korelacji umożliwia poprzez powiązanie zmian temperatury w wyżej wspomnianych punktach ze zmianami temperatury na ścianach kotła, wyznaczenie co najmniej 4 punktów na ścianach, korzystnie 7 lub więcej (dla przykładowego kotła wodno-rurowego WR-25), w których gradient temperatury występujący dla całego zakresu parametrów pracy jest największy, jego pomiar jest możliwy do zrealizowania oraz można jednoznacznie powiązać go ze zmianą występowania warunków dogodnych do wtrysku. Pomiar jest realizowany poprzez termopary, korzystnie typu K, umieszczone w odległości nie większej niż 250 milimetrów od ekranu kotła. Aby możliwe było skorzystanie z danych otrzymywanych z termopar umieszczonych „na ścianach komory spalania kotła” potrzebna jest macierz przekształcenia, która informację o temperaturze na ścianach zamieni na informację o temperaturze w szczególnych punktach związanych ze stożkami wtrysku reagenta. Elementy mac ierzy determinowane są przy wykorzystaniu schematów sztucznych sieci neuronowej, za pomocą otrzymanych uprzednio rozkładów temperatury. Rozwiązując wielokrotnie zagadnienie wymiany ciepła sieć koryguje wagi połączeń pomiędzy neuronami do momentu uzyskania zadowalającej zbieżności w wyznaczaniu temperatury w punktach związanych ze stożkami wtrysku reagenta, w zależności od wektora wejściowego którego elementami są wyniki pomiarów temperatury na ścianach oraz wyjściowego składającego się z wartości temperatur w punktach związanych ze stożkami wtrysku. Utworzona macierz jest charakterystyczna dla zestawu danych wykorzystanych do jej wygenerowania i nie zmienia się w trakcie pracy kotła jeśli założenia dotyczące limitów emisji tlenków azotu są spełnione. W przypadku niedotrzymywania limitów emisji istnieje możliwość rekalkulacji macierzy wykorzystując dane z pomiarów, stężenia tlenków azotu wyemitowanych do atmosfery wraz ze spalinami oraz mocy kotła. Sposób według wynalazku nie stanowi o dokładności macierzy przekształcenia w funkcji ilości uzyskanych rozkładów temperatury.For the purposes of the method, it is necessary to determine the temperature distributions in the boiler for all operating parameters, especially as a function of the boiler's operating power. Methods are known to enable the fulfillment of the above-mentioned requirement. Temperature distributions can be determined by experimental measurements and/or by performing a series of numerical calculations appropriate for fluid mechanics (so-called CFD - Computational Fluid Dynamics). The method of the invention does not prescribe which method to use. For the system injecting the reactant into the combustion chamber of the boiler, a set of points contained in the injection cones is determined, where at least one unique point is assigned to each nozzle. The correlation function enables, by linking temperature changes in the above-mentioned points with temperature changes on the boiler walls, to determine at least 4 points on the walls, preferably 7 or more (for the example WR-25 water-tube boiler), in which the temperature gradient occurs for the entire range operating parameters is the largest, its measurement is feasible and can be unambiguously related to the change in the occurrence of conditions favorable for injection. The measurement is carried out by means of thermocouples, preferably type K, placed at a distance of not more than 250 millimeters from the boiler screen. In order to be able to use the data obtained from thermocouples located "on the walls of the boiler combustion chamber", a transformation matrix is needed, which will convert information about the temperature on the walls into information about the temperature at specific points related to the reactant injection cones. Matrix elements are determined using artificial schemes of the neural network, using the previously obtained temperature distributions. Solving the problem of heat exchange many times, the network corrects the weights of connections between neurons until a satisfactory convergence is obtained in determining the temperature at points related to the reactant injection cones, depending on the input vector whose elements are the results of temperature measurements on the walls and the output vector consisting of temperature values at points related to with injection cones. The created matrix is characteristic of the set of data used to generate it and does not change during boiler operation if the assumptions regarding nitrogen oxide emission limits are met. If the emission limits are not met, it is possible to recalculate the matrix using measurement data, the concentration of nitrogen oxides emitted to the atmosphere along with flue gases and the boiler power. The method according to the invention does not determine the accuracy of the transformation matrix as a function of the number of temperature distributions obtained.

Zaletą sposobu według wynalazku jest możliwość uzyskania redukcji emisji NOx do atmosfery z kotłów wodno-rurowych korzystających z wtórnej metody odsiarczania SNCR na poziomie poniżej 200 mg/m³. Sposób charakteryzuje się bardzo niskimi kosztami inwestycyjnymi ponieważ modernizacja kotła na potrzeby implementacji sposobu nie jest wymagana oraz eksploatacyjnymi, z racji prowadzenia pomiarów na ścianach kotła termopary nie są narażone na działanie wysokich temperatur oraz zapylonych spalin o dużej prędkości co pozwala na długą i bezawaryjną pracę. W wielu przypadkach byłaby możliwa implementacja sposobu według wynalazku do istniejących układów odazotowania spalin SNCR.The advantage of the method according to the invention is the possibility of reducing NOx emissions to the atmosphere from water-tube boilers using the secondary SNCR method at a level below 200 mg/m ³ . The method is characterized by very low investment costs, because modernization of the boiler is not required for the implementation of the method, and operational costs, due to the measurements carried out on the walls of the boiler, the thermocouples are not exposed to high temperatures and high-velocity dusty flue gases, which allows for long and trouble-free operation. In many cases, it would be possible to implement the method of the invention into existing SNCR flue gas denitrification systems.

Przykładowa instalacja w której zastosowano układ odazotowania spalin wykorzystujący technologię SNCR bazując na sposobie według wynalazku, osiągnęła według akredytowanego pomiaru, gdzie źródłem emisji był obciążony w 85% kocioł WR-25, średnią emisję tlenków azotu na poziomie 177,4 mg/m³ w przeliczeniu na zawartość tlenu O2 = 6%.An example installation in which a flue gas denitrification system using the SNCR technology was used, based on the method according to the invention, achieved, according to an accredited measurement, where the emission source was the WR-25 boiler at 85% load, the average emission of nitrogen oxides at the level of 177.4 mg/m ³ calculated to oxygen content O2 = 6%.

PL 241 928 B1PL 241 928 B1

W przykładowym wykonaniu rozkłady temperatury wewnątrz komory spalania kotła WR-25 wyznaczone zostały poprzez przeprowadzenie obliczeń numerycznych w funkcji mocy kotła oraz weryfikujące je pomiary temperatury wewnątrz komory spalania przez 4 termopary umieszczone na głębokości 1,5 m od ściany w różnych przekrojach kotła ujawnionych na Fig. 1. Rozmieszczono 3 rzędy dysz ze względu na wyznaczone obszary występowania okna temperaturowego właściwego dla metody SNCR. Dla każdego rzędu dysz utworzono, za pomocą funkcji korelacji, mapy wrażliwości temperaturowej ukazujące miejsca na ścianach kotła najbardziej wrażliwe na zmiany temperatury wokół dysz. Pozwoliło to na wyznaczenie punktów pomiarowych i utworzenia dla nich macierzy przekształcenia. W rezultacie na pracującej instalacji udało się uzyskać redukcję ze średniego poziomu około 400 mg NOx/m³ do poziomu, poniżej 180 mg NOx/m³ Fig. 1 przedstawia rozmieszczenie termopar wykorzystanych do weryfikacji obliczeń numerycznych. Fig. 2 przedstawia rozmieszczenie dysz dozujących reagent. Fig. 3 przedstawia mapę wrażliwości temperaturowej wyznaczoną za pomocą funkcji korelacji dla pierwszego rzędu dysz gdzie wartości skrajne odpowiadają miejscom w których temperatura zm ienia się w największym zakresie w zależności od temperatury wokół dysz.In the exemplary embodiment, temperature distributions inside the combustion chamber of the WR-25 boiler were determined by performing numerical calculations as a function of the boiler power and verifying them by measuring the temperature inside the combustion chamber by 4 thermocouples located at a depth of 1.5 m from the wall in various cross-sections of the boiler, as shown in Fig. 1. 3 rows of nozzles have been arranged due to the designated areas of the temperature window appropriate for the SNCR method. For each row of nozzles, temperature sensitivity maps were created using the correlation function, showing the places on the boiler walls most sensitive to temperature changes around the nozzles. This made it possible to determine the measurement points and create a transformation matrix for them. As a result, a reduction from an average level of about 400 mg NOx/m ³ to a level below 180 mg NOx/m ³ was achieved on the operating installation. Fig. 1 shows the arrangement of thermocouples used to verify numerical calculations. Fig. 2 shows the arrangement of reagent dosing nozzles. Fig. 3 shows the temperature sensitivity map determined by the correlation function for the first row of nozzles, where the extreme values correspond to the places where the temperature changes to the greatest extent depending on the temperature around the nozzles.

Claims

1. The method of determining the temperature during the operation of the SNCR installation at specific points inside the combustion chamber of a water-tube boiler, characterized in that the temperatures at specific points inside the boiler combustion chamber are determined using an algorithm of an artificial neural network, and the basis for its creation are temperature distributions in boiler, obtained as a result of a series of measurements or numerical analyzes of flow and combustion, as a function of boiler power, and the input vector, whose components are temperature values, measured with thermocouples, located not more than 250 millimeters from the boiler screen in specific locations, and the same locations - at least 4, preferably 7 or more, have been determined using the correlation function as the places of the greatest temperature change in relation to the temperature change inside the combustion chamber, i.e., characterized by the largest temperature gradient, as a function of the boiler power and depending on the location areas for exploration temperature value within the range of 350-1100°C.