PL210547B1 - Sposób zmniejszania stężenia zanieczyszczeń w gazach spalinowych pochodzących z procesu spalania paliw zawierających siarkę - Google Patents

Abstract

Wynalazek dotyczy układów i sposobów zmniejszania ilości zanieczyszczeń w procesach spalinowych przy wykorzystaniu kombinacji rotacyjnego powietrza wtórnego (ROFA) oraz bezpośredniego wprowadzania sorbentów (FSI) w celu zwiększenia reaktywności chemicznej.

Description

Opis wynalazku

Tło wynalazku

1. Dziedzina wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy ogólnie sposobu zmniejszania stężenia zanieczyszczeń w gazach spalinowych pochodzących z procesu spalania paliw zawierających siarkę, innymi słowy zmniejszania emisji produktów ubocznych z procesów spalania, a w szczególności sposobu regulowania ilości zanieczyszczeń w gazach spalinowych oraz piecach do spalań.

2. Opis stanu techniki

Spalanie substancji węglowych zawierających siarkę, zwłaszcza węgla, powoduje wytwarzanie gazowego produktu spalania zawierającego niedopuszczalnie wysokie stężenia ditlenku siarki.

Sposoby redukcji SO2.

Redukcja ditlenku siarki (SO2) jest kluczową sprawą dla przemysłu energetycznego i ciepłowniczego, ponieważ powstawanie kwaśnego deszczu jest skutkiem uwalniania SO2 do środowiska. W celu zwalczania kwaśnego deszczu, przepisy federalne są coraz bardziej surowe a przedsiębiorstwa są w większym stopniu narażone na kary federalne za nadmierną emisję SO2.

Ditlenek siarki jest bezbarwnym gazem, umiarkowanie rozpuszczalnym w wodzie i cieczach wodnych. Powstaje głównie w trakcie spalania paliw albo odpadów zawierających siarkę. Raz uwolniony do atmosfery, ditlenek siarki reaguje powoli tworząc kwas siarkowy (IV), nieorganiczne związki siarki oraz organiczne związki siarki.

Systemy kontroli zanieczyszczeń powietrza służące do usuwania ditlenku siarki są duże i skomplikowane, a opierają się na dwóch głównych technikach usuwania ditlenku siarki: absorpcji i adsorpcji. Oba sposoby polegają na zobojętnianiu zaabsorbowanego ditlenku siarki do soli nieorganicznej przy wykorzystaniu związków alkalicznych w celu zapobiegania emisji siarki do środowiska. Związki alkaliczne najczęściej stosowane w tej reakcji obejmują wapień - kalcytowy albo dolomityczny, wapno palone i gaszone - w postaci zawiesiny albo w postaci suchej; oraz wodorotlenek magnezu - dostępny handlowo albo produkt uboczny pochodzący od wapna Thiosorbic; jak również trona (soda śnieżna).

Absorpcja - sposoby absorpcyjne wykorzystują rozpuszczalność ditlenku siarki w roztworach wodnych w celu usuwania go ze strumienia gazu. Po rozpuszczeniu w roztworze, ditlenek siarki tworzy kwas siarkowy (IV), który reaguje z utleniaczami do utworzenia nieorganicznych siarczanów (IV) (SO3^2-) i siarczanów (VI) (SO^2-). Proces ten zapobiega dyfuzji rozpuszczonego ditlenku siarki poza roztwór i jego ponownej reemisji. Roztwór jest następnie przetwarzany w celu usunięcia siarki.

Wapień jest środkiem alkalicznym najczęściej stosowanym do reakcji z rozpuszczonym ditlenkiem siarki. Zawiesina wapienna jest rozpylana na strumień gazu zawierający ditlenek siarki. Reakcje chemiczne w obiegowej zawiesinie wapiennej oraz produkty reakcji muszą być dokładnie kontrolowane w celu utrzymania pożądanej wydajności usuwania ditlenku siarki oraz uniknięcia problemów. Mokre płuczki wieżowe stosowane do kontrolowania ditlenku siarki pracują zwykle przy pH cieczy równym od 5 do 9 w celu utrzymania wysokiej wydajności usuwania. Typowe wydajności usuwania ditlenku siarki w płuczkach wodnych mieszczą się w zakresie od 80 do 95%.

Inny typ układu absorpcyjnego nazywany jest suchą płuczką wieżową z rozpylaczem, należący do grupy płuczek wieżowych nazywanych suchymi płuczkami wieżowymi z suszarkami rozpyłowymi. W tym przypadku, zawiesina alkaliczna jest rozpylana na gorą cy strumień gazu w punkcie znajdują cym się przed urządzeniem do kontroli zanieczyszczeń nierozpuszczonych. Gdy krople zawiesiny parują, ditlenek siarki jest absorbowany przez krople i reaguje z rozpuszczonym materiałem alkalicznym i materiałem alkalicznym pozostającym w zawiesinie.

Duże komory suszarek rozpyłowych stosowane są w celu zapewnienia, że wszystkie krople zawiesiny wyparują zanim osiągną wysokowydajny układ kontroli zanieczyszczeń nierozpuszczonych. Termin „sucha płuczka wieżowa odnosi się do stanu wysuszonych cząstek docierających do układu kontroli zanieczyszczeń nierozpuszczonych. W układach kontroli zanieczyszczeń nierozpuszczonych stosowane są często filtry tkaninowe albo filtry elektrostatyczne.

Układy absorpcyjne z suszarkami rozpyłowymi charakteryzują wydajności podobne do wydajności układów absorpcyjnych z mokrymi płuczkami wieżowymi. Urządzenia te wytwarzają suchy strumień odpadów, który jest łatwiejszy do obróbki niż szlam wytwarzany w mokrej płuczce wieżowej. Jednakże, oprzyrządowanie stosowane rozpylania zawiesiny alkalicznej jest skomplikowane i wymaga znacząco więcej zabiegów konserwacyjnych niż układy mokrych płuczek wieżowych. Układy absorpcyjne z suszarkami rozpyłowymi pracują przy wyższych temperaturach niż mokre płuczki wieżowe i są

PL 210 547 B1 mniej skuteczne w przypadku usuwania innych zanieczyszczeń ze strumienia gazu, takich jak kondensujące się cząstki nierozpuszczone.

Wybór pomiędzy układem absorpcyjnym z mokrą płuczką wieżową i układem absorpcyjnym z suszarką rozpyłową zależy głównie od kosztów zależnych od konkretnego zastosowania. Dla wyboru typu układu dla konkretnego zastosowania istotne jest również rozważenie dostępnych opcji środowiskowo-dopuszczalnego sposobu usuwania odpadów. Oba typy układów są zdolne do zapewnienia wysokiej wydajności usuwania ditlenku siarki. Oba typy układów są również bardzo kosztowne przy instalacji, obsłudze i konserwacji.

Adsorpcja - ditlenek siarki może być również zbierany w układach adsorpcyjnych. W tym typie układów kontrolujących, suchy proszek alkaliczny wstrzykiwany jest do strumienia gazu. Ditlenek siarki jest adsorbowany na powierzchni cząstek alkalicznych i wchodzi w reakcję tworząc związki, które mogą być wytrącone ze strumienia gazu. Najczęściej wykorzystywanym środkiem alkalicznym jest wapno gaszone (wodorotlenek wapnia), jednakże można z pozytywnym skutkiem wykorzystywać różnorodne środki alkaliczne. W przeciwieństwie do większych, bardziej skomplikowanych, suchych płuczek wieżowych z suszarkami rozpyłowymi, w mniejszych układach można stosować suche płuczki z suchym wtryskiwaczem. Jednakże, układy z suchym wtryskiwaniem są nieco mniej wydajne i wymagają więcej środków alkalicznych na jednostkę zebranego ditlenku siarki (albo innego gazu kwasowego). Zgodnie z tym, wymagania co do usuwania odpadów oraz koszty dla układów adsorpcyjnych są wyższe niż dla układów absorpcyjnych.

Ogólnie, sposoby absorpcyjne ze stanu techniki są bardziej kosztowne, ponieważ wymagają kosztownego oprzyrządowania, włączając w to stacje filtrów workowych i filtry elektrostatyczne, nie są wydajne z punktu widzenia wykorzystania środków alkalicznych oraz redukcji siarki, jak również wymagają dodatkowej konserwacji, ponieważ wtryskiwacze często się czopują.

Tak więc, układy i sposoby absorpcyjne i adsorpcyjne ze stanu techniki mają wady, które powodują że są one kosztowne oraz/lub mało wydajne. Z tego powodu istnieje zapotrzebowanie na układ i sposób usuwania SO2, w wyniku stosowania którego powstaje produkt uboczny łatwy do obróbki, uzyskujący większe niż 70% usuwanie siarki z gazów spalinowych przy wysokiej wydajności wykorzystania sorbentów, jak również który zmniejsza wymagania co do oprzyrządowania (oraz kosztów).

Bezpośrednie wprowadzanie sorbentów (FSI) w celu redukcji SOx.

Inne zanieczyszczenia, takie jak SO3, Hg, HCI, NOx oraz PM również usuwano ze strumienia wypływającego z procesu spalania przy pomocy techniki bezpośredniego wprowadzania sorbentów (FSI). Jednakże, sposoby ze stanu techniki służące do usuwania tych zanieczyszczeń są stosunkowo nieskuteczne i kosztowne przy stosowaniu.

ROFA

Technika rotacyjnego powietrza wtórnego (ROFA) wykorzystuje skoordynowane, wspomagane wprowadzanie wtórnego strumienia powietrza o wysokiej szybkości w celu wywołania wirowego mieszania, dzięki czemu uzyskuje się większą wydajność usuwania NOx w procesie spalania, taką jak opisana w amerykańskim dokumencie patentowym nr 5,809,910 wydanym 22 września 1998 dla Svendssena, opisującego układ ROFA, który zapewnia asymetryczne wprowadzanie powietrza górnego (OFA), w celu wywołania rotacji i intensywnych zawirowań w piecu, w ten sposób zapewniając bardziej dokładnie mieszanie powietrza wtórnego oraz gazów spalinowych. W stanie techniki ROFA stosowano w przypadku pieców do spalań wyłącznie w redukcji NOx oraz SO3.

Podsumowując, podczas gdy zastosowanie przyspieszonego powietrza górnego znane jest w stanie techniki, jego wykorzystanie w połączeniu z bezpoś rednim wprowadzaniem sorbentów w celu wydajnej, oszczędnej i skutecznej redukcji zanieczyszczeń nie było w stanie techniki sugerowane ani ujawnione. Tak więc, istnieje zapotrzebowanie na układy i sposoby umożliwiające obniżanie poziomu zanieczyszczeń w gazach spalinowych pochodzących z procesów spalania paliw kopalnych zawierających siarkę z układami wykorzystującymi powietrze górne o wysokim stopniu zawirowań.

Podsumowanie wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zmniejszania stężenia zanieczyszczeń w gazach spalinowych pochodzących z procesu spalania paliw zawierających siarkę, charakteryzujący się tym, że obejmuje zastosowanie w reaktorze stopniowego układu spalania, gdzie stopniowy układ spalania wyposażony jest w wiele przewodów ROFA oraz w wiele asymetrycznie ułożonych współosiowych urządzeń wprowadzających, służących do wprowadzania co najmniej jednego sorbenta do reaktora w sposób asymetryczny we wstępnie określonych, oddalonych od siebie pozycjach; gdzie każde z wielu współosiowych urządzeń wprowadzających posiada kanał do wstrzykiwania sorbenta oraz kanał do wprowadzania ROFA, wprowadzanie paliwa razem z powietrzem pierwotnym przez pierwszy

PL 210 547 B1 stopień przed wprowadzeniem powietrza wtórnego; wprowadzanie powietrza wtórnego przy wykorzystaniu wielu przewodów ROFA oraz przez kanały do wprowadzania ROFA wielu współosiowych urządzeń wprowadzających oraz wprowadzanie co najmniej jednego sorbenta przy wykorzystaniu kanałów do wstrzykiwania sorbenta wielu współosiowych urządzeń wprowadzających; oraz kontrolowanie asymetrycznego wprowadzania powietrza wtórnego z wywołaniem zawirowań powodujących rozproszenie co najmniej jednego środka chemicznego w układzie reakcyjnym.

Korzystnie, zanieczyszczenie stanowi SO2.

Korzystnie, stopniowy układ spalania obejmuje co najmniej dwa stopnie.

W innym korzystnym wariancie wynalazku stopniowy ukł ad spalania obejmuje co najmniej trzy stopnie.

W jeszcze innym korzystnym wariancie wynalazku stopniowy układ spalania obejmuje stopie ń główny, co najmniej jeden stopień ROFA oraz co najmniej jeden stopień FSI.

Korzystnie, stopniowy układ spalania obejmuje co najmniej jeden stopień ROFA oraz co najmniej jeden stopień FSI.

Korzystnie, stopień FSI i stopień ROFA są umieszczone w przybliżeniu w tym samym miejscu.

Korzystnie, stopień FSI i stopień ROFA są oddzielone.

Korzystnie, stopień ROFA znajduje się przed stopniem FSI, patrząc zgodnie z kierunkiem przepływu.

Korzystnie, stopień FSI i stopień ROFA umieszczone są współosiowo.

W innym korzystnym wariancie stopniowy układ spalania obejmuje połączenie układów ROFA i FSI, a korzystnie, stopień FSI i stopień ROFA umieszczone są współ osiowo.

Skutkiem kontrolowania asymetrycznego wprowadzania powietrza wtórnego dla wywołania zawirowań powodujących rozproszenie co najmniej jednego środka chemicznego w układzie reakcyjnym, jest zapewnienie zwiększonej reaktywności oraz wydajności reaktora, jak również redukcję SO2 w procesie reakcyjnym. Połączenie układów ROFA oraz FSI powoduje zwiększenie reaktywności we wstępnie określonej strefie reaktora, przez co uzyskuje się bardziej całkowitą, bardziej wydajną i bardziej skuteczną redukcję zanieczyszczeń w tej strefie.

Niniejszy wynalazek dotyczy zatem sposobu obniżania poziomu zanieczyszczeń, obejmujących między innymi SO2, SO3, Hg, HCI, NOx, PM oraz ich równoważniki i połączenia, w gazach spalinowych pochodzących z procesów spalania paliw kopalnych zawierających siarkę, z układami wykorzystującymi powietrze górne o wysokim stopniu zawirowań. Konkretnie, zwiększona szybkość oraz stopień zawirowań w górnej części pieca pochodzące z układu ROFA, połączone z FSI, w bardzo dużym stopniu zwiększa reaktywność i trwałość układu FSI w górnej części pieca. Zwiększone są nie tylko korzyści wynikające z zastosowania układu FSI, ale również te wynikające z zastosowania układu ROFA. Uzyskanie tego synergicznego, połączonego efekt jest celem wynalazku.

Zgodnie z niniejszym wynalazkiem, stosuje się układy do redukcji poziomu zanieczyszczeń w strumieniach wypływających z układów spalania, wykorzystujące połączenia układów ROFA i FSI, w których układy ROFA i FSI umieszczone są w oddalonych od siebie miejscach, przy czym układ ROFA jest zamontowany przed układem FSI, współosiowo z układem FSI, bądź też wynalazek obejmuje połączenie tych dwóch wariantów.

Te oraz inne aspekty niniejszego wynalazku staną się jasne dla specjalistów w dziedzinie po zapoznaniu się z poniższym opisem korzystnych wariantów wynalazku w połączeniu z rysunkami.

Krótki opis rysunków

Fig. 1 stanowi schematyczny rysunek układu stosowanego w sposobie według niniejszego wynalazku.

Fig. 2 stanowi schematyczny rysunek kolejnego układu stosowanego w sposobie według niniejszego wynalazku.

Szczegółowy opis wynalazku

W poniższym opisie, podobne symbole oznaczają podobne albo odpowiadające sobie elementy przedstawione na kilku rzutach. Ponadto, w poniższym opisie, terminy takie jak „przedni, „tylni „przód, „tył, „prawy, „lewy „wznosząco, „opadająco oraz podobne słowa nie mają znaczenia ograniczającego. W niniejszym wynalazku, termin „kwas ulegający redukcji odnosi się do kwasów, których kwasowość może być zmniejszona albo zlikwidowania poprzez elektrochemiczną redukcję kwasu. W niniejszym opisie, termin „przewód stosowany jest do opisu kanału wstrzykiwania reagenta nie obejmującego żadnego przewężenia na końcu. Termin „wtryskiwacz stosowany jest do określenia kanału wstrzykiwania reagenta

PL 210 547 B1 wyposażonego na końcu w zwężający się wylot. Otwór może stanowić otwór jako taki albo dysza. Urządzenie wtryskujące jest urządzeniem wyposażonym w przewody oraz/lub wtryskiwacze.

W odniesieniu do niniejszego wynalazku, poniż sze terminy oznaczają co następuje. Stopniowanie spalania używane jest do określania procesu spalania paliwa, np. węgla w co najmniej dwóch stopniach. Stopień bogaty w paliwo, albo stopień bogaty, stanowi stopień, w którym do spalania paliwa nie ma wystarczająco dużo powietrza. Stopień ubogi w paliwo, stanowi stopień, w którym występuje wystarczająco dużo powietrza do spalenia paliwa albo występuje dodatkowe powietrze. Stopniowanie wykorzystywano w stanie techniki do redukcji NOx poprzez a) zmniejszanie temperatury szczytowej (cieplny NOx) oraz b) poprzez zapewnienie środowiska redukcyjnego (redukcja NOx). Makrostopniowanie oznacza dzielenie całych części pieca na stopnie bogate i ubogie i jest realizowane poprzez wykorzystanie takich technik jak Powietrze Górne (OFA). Mikro-stopniowanie oznacza stosowanie bliskich mikro-środowisk o różnych cechach funkcjonalnych takich jak potencjał redukcyjny, temperatura i podobne. Mikro-stopniowanie w piecu można uzyskać, na przykład, w pierwszym stopniu pieca przy zastosowaniu Palników Niskoemisyjnych NOx (LNB) o regulowanych ustawieniach wirnika i zasuwy. Zwiększone stopniowanie zwię ksza czas przebywania w atmosferze redukcyjnej co zwiększa skutki działania atmosfery redukcyjnej.

Makro-stopniowanie stosowane jest do zmniejszania emisji z pieców do spalań. Makro-stopniowanie obejmuje wykorzystanie silnie zmieszanych paliwa i powietrza w dolnej części pieca, zmieszanych w stosunku stechiometrycznym równym mniej niż jeden w duż ej części przepł ywu. Nadmiar tlenu jest konieczny do zapewnienia, by całe paliwo uległo spaleniu oraz w celu zmniejszenia ryzyka eksplozji. W piecu z makro-stopniowaniem, nadmiar powietrza wprowadzany jest za palnikami. Zwię kszone stopniowanie osiągane jest poprzez zwiększanie czasu przebywania, temperatury czy potencjału redukcyjnego produktów spalania w nieobecności tlenu.

Mikro-stopniowanie (LNB) i makro-stopniowanie (OFA) mogą być stosowane osobno/łącznie w celu zmniejszania emisji NOx z pieców do spalań. W przypadku zastosowania zarówno mikrostopniowania i makro-stopniowania, elementy z każdej techniki wykorzystywane są i regulowane w celu zmniejszenia emisji NOx.

Technika ROFA o wysokim stopniu zawirowań stosowana jest do zmniejszania objętości reaktora wymaganej do spalania, zwalniając większą objętość reaktora ze stopnia bogatego, i w ten sposób zwiększając czas przebywania oraz/lub potencjał redukcyjny w stopniu bogatym.

Powietrze ROFA o wysokim stopniu zawirowań przemieszcza się w poprzek kolumny gazów spalinowych i jest odchylane przez naprzeciwległą ścianę. To mocne wdmuchiwanie wywołuje burzliwe mieszanie na co najmniej trzy sposoby (1) poprzez tworzenie zawirowań w kolumnie gazu, (2) poprzez tworzenie burzliwości w pobliżu naprzeciwległej ściany po odchyleniu napływającego powietrza przez ścianę, oraz (3) poprzez burzliwość wywołaną przez obrót kolumny gazów spalinowych w piecu nie-kolistym.

Zwiększone zawirowania uzyskane w wyniku zastosowania układów powietrza górnego o wysokiej szybkości takich jak ROFA powodują lepsze wypalanie produktów niezupełnego spalania wytworzonych w bogatym w paliwo makro-stopniowaniu nisko w piecu, tj. zwiększona szybkość i zawirowania w górnej części pieca będące wynikiem zastosowania ROFA znacznie zwiększa reaktywność i stabilność spalania w górnej części pieca.

Sposób redukcji SOx w piecu do spalań

Niniejszy wynalazek wykorzystuje układ ROFA w połączeniu z układem FSI w celu obniżania poziomu emisji zanieczyszczeń, włączając w to między innymi gazowe SO2, SO3, Hg, HCI, NOx, PM oraz ich równoważniki i połączenia, z pieców do spalań. Połączenie układów ROFA i FSI stosowane w sposobie wedł ug niniejszego wynalazku zapewnia energiczne mieszanie w przestrzeni spalania, co powoduje zwiększoną wydajność reakcji, w które wchodzi wprowadzony sorbent albo sorbenty oraz bardziej efektywne usuwanie szkodliwych związków.

Zgodnie z wariantami niniejszego wynalazku, układ ROFA jest utworzony, skonfigurowany i zastosowany przed wprowadzaniem FSI (wcześniejszy układ ROFA) jak również w tym samym miejscu co FSI (połączony układ ROFA). W pierwszym przypadku, zgodnie ze sposobem według niniejszego wynalazku, wcześniejszy układ ROFA wywołuje mieszanie, które następnie burzliwie oddziałuje z FSI. W przypadku połączonego układu ROFA/FSI, równoczesne, bliskie wprowadzenia ROFA i FSI zwiększa rozproszenie i mieszanie co najmniej jednego sorbenta w gazach spalinowych. Mieszanie zapewnione przez sposób według niniejszego wynalazku zapewnia, że wprowadzanie sorbenta jest bardziej wydajne, skuteczne i pełniejsze niż w układach i sposobach ze stanu techniki, wykorzystujących do

PL 210 547 B1 uzyskania lepszego spalania lub redukcji zanieczyszczeń osobno albo Bezpośrednie Wprowadzanie Sorbenta (FSI) albo Rotacyjne Powietrze Wtórne (ROFA).

Niniejszy wynalazek zapewnia sposób w którym wprowadzanie sorbenta do pieca łączone jest z układem ROFA przed obszarem rotacji i wysokiej burzliwości. Nieoczekiwanie, sposób według niniejszego wynalazku łączy układy ROFA i FSI jak opisano wcześniej i wywołuje synergiczny efekt większy niż efekty uzyskane przy oddzielnym stosowaniu ROFA i FSI, jak również większy niż efekt, który można było by przewidzieć. Ponadto, nieoczekiwanie, połączenie układów ROFA i FSI zastosowane w sposobie według niniejszego wynalazku umożliwiają redukcję zanieczyszczeń w znacznie większym zakresie związków chemicznych, tj. nie tylko SOx, ale również Hg, HCI, NOx, PM, ich równoważników i połączeń. W oparciu o obszerne doświadczenia (weryfikowane niezależnie), uznaje się, że sposób według niniejszego wynalazku umożliwia znacznie większą redukcję zanieczyszczeń ze względu na synergiczny efekt związany z mieszaniem, dynamiką płynów i zawirowaniami wywoływanymi przez układ ROFA, wytwarzającymi zaskakujące efekty chemiczne. Udowodniono, że efekty chemiczne wnikają ze zwiększonej reaktywności chemicznej oraz bardziej intensywnych procesów chemicznych w strefie pieca, w której oczekuje się, że następować będzie redukcja zanieczyszczeń, tj. wskutek bardziej kompletnych i wydajnych reakcji powodujących skuteczniejszą redukcję zanieczyszczeń oraz lepsze wykorzystanie wprowadzonych związków chemicznych niż uzyskane w wyniku zwykłego mieszania i wprowadzania reagentów, stosowanych w dotychczasowym stanie techniki, w wyniku zarówno zwiększenia cał kowitego obszaru mieszania, w którym zachodzą reakcje chemiczne, jak również wskutek bardziej wydajnych reakcji w tym samym obszarze. Tak więc, nieoczekiwanie, sposób według niniejszego wynalazku jak określono powyżej, zapewnia lepszą niż oczekiwana redukcję w tym samym obszarze, jak również polepszoną redukcję w większym obszarze, a wszystko jest skutkiem zwiększonej reakcji redukcji zanieczyszczeń. Tak więc, niniejszy wynalazek nie tylko zapewnia zwiększony obszar zachodzenia reakcji redukcji zanieczyszczeń, ale również bardziej wydajne mieszanie w danym obszarze, dzięki czemu uzyskuje się nieoczekiwane efekty w postaci poprawionej reaktywności w danej objętości czy obszarze jednostki do spalań. Z tego powodu, synergia jest skutkiem poprawionego mieszania, dostępności składników oraz reaktywności składników w zadanym okresie czasu i temperaturze dzięki połączeniu wcześniejszego układu ROFA oraz FSI.

Ogólnie, w odniesieniu do rysunków, służą one do ilustracji korzystnych wariantów wynalazku i nie maj ą na celu ograniczania jego zakresu.

Wcześniejszy (patrząc zgodnie z kierunkiem przepływu) układ ROFA

W tym wariancie, ROFA wprowadzane jest przed wprowadzaniem FSI, przy czym wcześniejszy układ ROFA (patrząc zgodnie z kierunkiem przepływu) wywołuje mieszanie co najmniej jednego sorbenta który jest wprowadzany później. Układ ROFA obejmuje szereg przewodów wprowadzających powietrze wtórne z dyszami wprowadzającymi powietrze wtórne do przemieszczającej się kolumny gazów spalinowych, przy czym przewody są umiejscowione w oddaleniu od siebie, we wcześniej ustalony sposób, w celu wywołania rotacyjnego przepływu w strefie spalania, jak opisano w amerykańskim dokumencie patentowym nr 5,809,910, zawartym w niniejszym opisie w całości jako odnośnik. Przewody wprowadzające reagenty są korzystnie rozmieszczone tak by działały na innych poziomach lub w innych stopniach na wzajemnie przeciwległych ścianach reaktora. Ponadto, przewody mogą obejmować dodatkowo dysze, które korzystnie są rozmieszczone wzdłuż osi przepływu pieca z dala od paleniska, co powoduje utrzymanie rotacji w wyniku skoordynowanego, wzmacnianego, stycznego wdmuchiwania powietrza wtórnego o wysokiej szybkości do kolumny gazów spalinowych. Układ ten zapewnia energiczne mieszanie w przestrzeni spalania, co powoduje większe wydajności spalania i reakcji chemicznych.

Podobnie, energiczne mieszanie w przestrzeni spalania wywoływane przez niniejszy wynalazek, zapobiega powstawaniu przepływu laminarnego, a w konsekwencji zmniejszaniu się czasu przebywania bardziej bezwładnych cząstek sorbenta w reaktorze, pozwalając im na reagowanie w reaktorze przez dłuższy okres czasu, co zwiększa efektywność reakcji.

Bezpośrednie wprowadzenie sorbenta (FSI)

FSI może być realizowane przy wykorzystaniu różnorodnych sposobów i urządzeń znanych w stanie techniki.

Właściwości sorbenta

Sorbenty są dobierane na podstawie ich chemicznych i fizycznych właściwości w celu jak najlepszego wykorzystania ich przy redukcji SO2.

PL 210 547 B1

Właściwości chemiczne

Stosowane typy sorbentów obejmują środki alkaliczne przekształcające SO2 w sole nieorganiczne w celu zapobiegania emisji siarki do środowiska. Najczęściej stosowanymi środkami alkalicznymi do takiej reakcji są: wapień - kalcytowy albo dolomityczny, wapno palone i gaszone - w postaci zawiesiny albo w postaci suchej; oraz wodorotlenek magnezu - dostępny handlowo albo produkt uboczny pochodzący od wapna Thiosorbic; jak również trona (soda śnieżna).

Rozkład wielkości i kształtu cząstek

Wielkość i kształt cząstek sorbenta są dobrane by zwiększać wydajność reakcji, zapewniać rozszerzoną powierzchnię katalityczną dla reakcji NOx, wywoływać mikrozawirowania, oraz zapewniać ich całkowite zużycie przed opuszczeniem pieca oraz/lub uzyskiwać oddziaływanie sorbenta z powierzchnią pieca - katalizatorami, wymiennikami ciepła, itp.

Pole powierzchni, kształt powierzchni

Rozmiar cząstek jest typowy dla sorbentów stosowanych w FSI. Dla przykładu, rozmiar cząstek mieści się w zakresie od 5 μm do 100 μm. Alternatywnie, pożądane jest by większość cząstek przechodziła przez sito o średnicy oka 325 mesh, co ogranicza średnicę cząstek do 35,6 μm. Drobne cząstki zapewniają większe pole powierzchni na jednostkę masy niż w przypadku dużych cząstek, co korzystnie wpływa na reakcje powierzchniowe.

Czynniki związane z pędem/bezwładnością

Energiczne mieszanie w obszarze spalania według niniejszego wynalazku zapobiega również powstawaniu przepływu laminarnego, a w konsekwencji zmniejszaniu się czasu przebywania bardziej bezwładnych cząstek sorbenta w reaktorze, pozwalając im na reagowanie w reaktorze przez dłuższy okres czasu, co zwiększa efektywność reakcji.

Zawirowania i zanieczyszczenia o niskich stężeniach, w tym Hg

Duże zawirowania wywołane przez układ ROFA, skutkują w uzyskaniu zaskakujących wyników w odniesieniu do zanieczyszczeń o niskich stężeniach, takich jak Hg, HCI, jak również SO2, SO3, NOx i PM, ich równoważników i połączeń, gdzie zanieczyszczenia zostały już zredukowane oraz/lub są w niskim stężeniu, ale nadal pożądana jest ich dalsza redukcja. Jak pokazano w Tabeli 1, stężenia tych zanieczyszczeń są zmniejszone nawet w większym stopniu niż oczekiwano dla sposobu według wynalazku. W układzie wyposażonym w wcześniejszy układ ROFA oraz połączony układ ROFA, jak pokazano na fig. 1, bardziej intensywne mieszanie wywoływane przez układy ROFA zwiększa prawdopodobieństwo kontaktu sorbenta z Hg oraz innymi zanieczyszczeniami o niskich stężeniach co powoduje, że reakcje tych zanieczyszczeń o niskich stężeniach z sorbentem, oraz lepsze wykorzystanie sorbenta. Ponieważ wydajność reakcji jest zwiększona, można skuteczniej i wydajniej wykorzystywać specjalne sorbenty, przeznaczone do zanieczyszczeń występujących w niskich stężeniach, do usuwania tych zanieczyszczeń z gazów spalinowych, albo przetwarzać je w formę nieszkodliwą.

T a b e l a 1: Procentowe wyniki testu redukcji zanieczyszczeń przy wykorzystaniu FSI i ROFA

% redukcji zanieczyszczenia	Wprowadzanie wapienia	Wprowadzanie trony
SO2	64%	69%
SO3	90%	90%
HCl	0%	75%
Rtęć	89%	67%
NOx	4%	11%
PM	18%	80%

Współ-wtryskujący układ ROFA/FSI

Wprowadzanie ROFA i FSI może przebiegać równocześnie, w przybliżeniu w tym samym miejscu, co określa się jako współ-wtryskujący układ ROFA/FSI. Bliskie, równoczesne wprowadzanie ROFA i FSI zwiększa rozproszenie i mieszanie sorbenta.

Tak więc, w kolejnym wariancie, układ do spalania obejmuje szereg przewodów ROFA w pobliżu dysz FSI, wprowadzających co najmniej jeden sorbent do przemieszczającej się kolumny gazów spalinowych, przy czym przewody ROFA są umiejscowione w oddaleniu od siebie we wcześniej ustalony sposób, w celu wywołania rotacyjnego przepływu w strefie spalania, jak opisano w amerykańskim dokumencie patentowym nr 5,809,910, zawartym w niniejszym opisie w całości jako odnośnik. Prze8

PL 210 547 B1 wody wprowadzające reagenty są korzystnie rozmieszczone tak, by działały na innych poziomach lub w innych stopniach na wzajemnie przeciwległ ych ś cianach reaktora. Jednakż e, do uzyskania równoważnego mieszania, możliwe jest zastosowanie innych konfiguracji, takich jak opisane w towarzyszącym, rozpatrywanym amerykańskim zgłoszeniu patentowym 1340-005 10/461735 o potwierdzonej dacie zgłoszenia 6/13/03, zawartym w niniejszym opisie w całości jako odnośnik.

Przewody umiejscowione są w oddaleniu od siebie wzdłuż osi przepływu pieca, z dala od paleniska, co powoduje utrzymanie rotacji w wyniku skoordynowanego, wzmacnianego, stycznego wdmuchiwania powietrza wtórnego o wysokiej szybkości do kolumny gazów spalinowych. Układ ten zapewnia energiczne mieszanie w przestrzeni spalania, co powoduje większe wydajności reakcji chemicznych sorbenta.

W korzystnym wariancie, przedstawionym na fig. 1, piec do spalań ogólnie określony jako 10 wyposażony jest w szereg przewodów ROFA 14, wprowadzających powietrze o wysokiej szybkości do pieca, jak również we wtryskiwacze FSI 16, wprowadzające sorbent poniżej przewodów ROFA. Przewody ROFA wywołują duże zawirowania, zwiększając rozproszenie i mieszanie wprowadzonego sorbenta.

W różnych alternatywnych, korzystnych wariantach wynalazku, których dobór i zastosowanie zależy od konfiguracji pieca do spalań, temperatury, paliwa i różnych innych czynników, stopnie FSI i ROFA są oddzielone od siebie, tak że układ ROFA znajduje się przed układem FSI; są połączone ze sobą, współosiowo albo inaczej; albo znajdują się w kombinacji tych dwóch możliwości.

Urządzenie do wprowadzania współosiowego

Urządzenie do współosiowego wprowadzania ROFA/FSI przeznaczone do wprowadzania sorbenta określone jest w korzystnym wariancie jak w amerykańskim zgłoszeniu patentowym 1340-005 10/461735 o potwierdzonej dacie zgłoszenia 6/13/03, zawartym w niniejszym opisie w całości jako odnośnik, i pozwala na rozproszenie niejednorodnych rozmiarowo populacji cząstek, które zaczopowałyby tradycyjne dysze rozpylające. Ta zdolność obniża wymagania co do ścisłej kontroli rozmiarów cząstek i umożliwia zastosowanie cząstek o większych rozmiarach, zmniejszając koszty związane z sorbentem.

Niniejszy wynalazek eliminuje również potrzebę zastosowania dysz rozpylających do rozpraszania co najmniej jednego sorbenta, jak również eliminuje konieczność zastosowania mokrej płuczki wieżowej. Zastosowanie cząstek o większych rozmiarach jest korzystne, gdyż dzięki większemu pędowi takich cząstek lepiej tworzą się mikro-zawirowania w gazach spalinowych. Takie mikrozawirowania usprawniają mieszanie, ułatwiając reakcje w przestrzeni spalania.

Tak więc, w korzystnym wariancie, przedstawionym na fig. 2, piec do spalań wyposażony jest w szereg przewodów ROFA 14, wprowadzających powietrze o wysokiej szybkości do pieca, jak również we współosiowe urządzenia do wprowadzania 18 ROFA/sorbenta. Wcześniejsze i współosiowe przewody ROFA wywołują duże zawirowania, zwiększając rozproszenie i mieszanie wprowadzonego sorbenta.

Woda chłodząca

Niniejszy wynalazek może obejmować ponadto wprowadzanie innych materiałów wpływających na fizyczne i chemiczne właściwości przestrzeni spalania, a przez to na reakcje. Dla przykładu, do przestrzeni spalania może być wtryskiwana woda, jak opisano w amerykańskim zgłoszeniu patentowym nr 10/757,056 złożonym 01/14/2004 1340-007, zawartym w niniejszym opisie w całości jako odnośnik. Woda taka chłodzi przestrzeń spalania, pozwalając na kontrolowanie przestrzeni reakcyjnej sorbenta, jak również zwiększa gęstość prowadzanego powietrza i materiałów, zapewniając lepsze mieszanie.

Sposoby redukcji SOx i NOx w piecu do spalań

Wprowadzanie sorbenta do palnika wyposażonego w układ ROFA wywołało redukcję SO2, jak również, nieoczekiwanie dodatkową redukcję NOx w porównaniu do układu zawierającego jedynie układ ROFA. Nieoczekiwana i niespodziewana redukcja NOx ze względu na powierzchnię katalityczną zapewnianą przez cząstki sorbenta, osiągnęła maksymalny poziom w trakcie testów.

Tak więc, mieszanie zapewnione przez połączenie układów ROFA i FSI jak określono wcześniej, zwiększa prawdopodobieństwo kontaktu wszystkich cząsteczek chemicznych, co skutkuje większą wydajnością reakcji związków występujących w stosunkowo wysokich stężeniach, takich jak SO2, a zwłaszcza związków występujących w niskich stężeniach, takich jak Hg, jak również powoduje lepsze wykorzystanie sorbenta. Warto podkreślić, iż inne rodzaje zanieczyszczeń, włączając w to między innymi SO2, SO3, Hg, HCI, NOx, PM ich równoważniki i kombinacje, również reagują wydajniej, skuteczniej, a reakcje przebiegają w bardziej kompletny sposób.

P r z y k ł a d y

Poniższe przykłady ilustrują wyniki, które można uzyskać przy zastosowaniu sposobu według niniejszego wynalazku, jednakże ich rolą nie jest ograniczenie zakresu wynalazku.

PL 210 547 B1

Sposób według niniejszego wynalazku był stosowany do kontrolowania SO2 jak przedstawiono poniżej.

Bezpośrednie wprowadzenie sorbenta (FSI) przy wykorzystaniu wapienia i trony badano w połączeniu z ROFA w jednostce 154 MW w elektrowni w celu określenia, jaką można uzyskać redukcję zanieczyszczeń przy połączeniu razem układów ROFA i FSI.

Zaskakujące rezultaty badań podsumowane są w Tabeli 1.

Wprowadzanie trony zapewnia lepszą redukcję SO2, HCl, NOx oraz zanieczyszczeń pyłowych, podczas gdy wapień zapewnił lepszą redukcję Hg. Oba związki zapewniały podobną redukcję SO3.

Obecne badania zostały podjęte ze względu na potencjalne znaczenie połączenia układów ROFA i FSI dla redukcji emisji SO2, Hg i HCl do powietrza przy niewielkich kosztach w przeliczaniu na kilowat. Podstawową zaletą układu FSI w stosunku do innych układów FGD jest prostota procesu i niewielki koszt inwestycyjny.

Poprzednie zastosowania FSI wykazywały redukcję SO2 w zakresie 25-50%. Po połączeniu z ROFA, zastosowanie FSI dało redukcję na poziomie 65% dla jednostki 154 MW, oraz 90% redukcji SO2 w opalanej węglem jednostce 78 MW w Szwecji należącej do Danisco Sugar.

Do wprowadzania wybrano tronę i wapień. W piecu, sorbent najpierw przechodzi prażenie, tworząc wysoce reaktywne tlenki, które łatwo reagują z SO2 w gazach spalinowych. W zależności od wprowadzonego sorbenta, w wyniku reakcji powstaje albo siarczan sodu albo wapnia, który przejmowany jest przez urządzenia kontrolujące zanieczyszczenia nierozpuszczone. W wyniku rozkładu albo prażenia sorbenta, procesu podobnego do prażenia kukurydzy, w wyniku transportu nieprzereagowanego węglanu sodu albo wapnia powstają duże i reaktywne powierzchnie służące do zobojętniania Hg, HCl oraz SO2. Tronę uzyskano z przedsiębiorstwa Solvay Minerals a wapień dostarczony został przez przedsiębiorstwo Chemical Line.

Aktywacja, jak również zwiększenie chemicznej reaktywności trony i wapienia przyspieszane było przez energiczne mieszanie uzyskane na skutek wprowadzania powietrza przez system Rotamix oraz zawirowań w produktach spalania w piecu poniżej wlotów ROFA.

Próby wprowadzania sorbentów przeprowadzano w jednostce w elektrowni w USA.

Specyfikacja jednostki była następująca:

* jednostka CE - opalana w czterech punktach * maksymalna wytwarzana moc 154 MWe * cztery poziomy palników wybudowane 1957 * systemy OFA lub FGR wcześ niej nie zainstalowane * brak modyfikacji palników

Dane eksperymentalne zbierano ręcznie oraz przy pomocy rozproszonego systemu kontrolnego. Program testowy dla celów analizy obejmował:

* maksymalna wytwarzana moc 154 MWe * skład węgla * rozmiar cząstek sorbenta * ESP: Rtęć (pierwiastkową i występującą w związkach), HCI, SO3/SO2.

* Dane z pomieszczenia kontrolnego CEM: NOx, SO2, O2, CO, CO2, nieprzezroczystość

Rozmiary cząstek sorbenta przedstawione są w Tabeli 2

T a b e l a 2: Rozmiary cząstek sorbenta (przechodzących)

Wapień	92% mniejsze niż 74 μιτι
Wapień	80% mniejsze niż 44 μτ
Trona	75% mniejsze niż 70 μτ
Trona	50% mniejsze niż 28 μτ
Trona	10% mniejsze niż 6 μm

Poniższe dane przedstawiają nieobrobione dane testowe i przedstawiają redukcję jako funkcję stosunku molowego jak również specjację redukcji rtęci.

PL 210 547 B1

Warunki Linia odniesienia Wapień Trona

PL 210 547 B1

PL 210 547 B1

oszacowano jako równe wartościom uzyskanym dla trony.

*** Ib/MMBtu (funt/milion brytyjskich jednostek cieplnych) w oparciu o sposób EPA 19. Czynnik Fd równy 9780 dscf/MMBtu (Suchych stand, ft³/ milion

PL 210 547 B1

Po zapoznaniu się z opisem patentowym, specjalistom w dziedzinie mogą nasunąć się pewne modyfikacje i usprawnienia. Wszystkie modyfikacje i usprawnienia zostały usunięte z opisu w celu zachowania zwięzłości i jasności, ale znajdują się w zakresie poniższych zastrzeżeń.

Claims (12)

1. Sposób zmniejszania stężenia zanieczyszczeń w gazach spalinowych pochodzących z procesu spalania paliw zawierających siarkę, znamienny tym, że obejmuje zastosowanie w reaktorze, stopniowego układu spalania, gdzie stopniowy układ spalania wyposażony jest w wiele przewodów ROFA (14) oraz w wiele asymetrycznie ułożonych współosiowych urządzeń wprowadzających (18), służących do wprowadzania co najmniej jednego sorbenta do reaktora w sposób asymetryczny we wstępnie określonych, oddalonych od siebie pozycjach; gdzie każde z wielu współosiowych urządzeń wprowadzających (18) posiada kanał do wstrzykiwania sorbenta oraz kanał do wprowadzania ROFA, wprowadzanie paliwa razem z powietrzem pierwotnym przez pierwszy stopień przed wprowadzeniem powietrza wtórnego;

wprowadzanie powietrza wtórnego przy wykorzystaniu wielu przewodów ROFA (14) oraz przez kanały do wprowadzania ROFA wielu współosiowych urządzeń wprowadzających (18) oraz wprowadzanie co najmniej jednego sorbenta przy wykorzystaniu kanałów do wstrzykiwania sorbenta wielu współosiowych urządzeń wprowadzających (18); oraz kontrolowanie asymetrycznego wprowadzania powietrza wtórnego z wywołaniem zawirowań powodujących rozproszenie co najmniej jednego środka chemicznego w układzie reakcyjnym.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zanieczyszczenie stanowi SO2.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stopniowy układ spalania obejmuje co najmniej dwa stopnie.

4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stopniowy układ spalania obejmuje co najmniej trzy stopnie.

5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stopniowy układ spalania obejmuje stopień główny, co najmniej jeden stopień ROFA (14) oraz co najmniej jeden stopień FSI.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że stopniowy układ spalania obejmuje co najmniej jeden stopień ROFA (14) oraz co najmniej jeden stopień FSI.

7. Sposób według zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, że stopień FSI i stopień ROFA (14) są umieszczone w przybliżeniu w tym samym miejscu.

8. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że stopień FSI i stopień ROFA (14) są oddzielone.

9. Sposób według zastrz. 1 albo 6, znamienny tym, że stopień ROFA (14) znajduje się przed stopniem FSI, patrząc zgodnie z kierunkiem przepływu.

10. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że stopień FSI i stopień ROFA umieszczone są współosiowo.

11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stopniowy układ spalania obejmuje połączenie układów ROFA i FSI.

12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że stopień FSI i stopień ROFA umieszczone są współosiowo.