PL241928B1 - Sposób wyznaczania temperatur wewnątrz komory spalania kotła wodnorurowego na potrzeby procesu selektywnej niekatalitycznej redukcji tlenków azotu (SNCR). - Google Patents

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.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wyznaczania temperatur wewnątrz komory spalania kotła wodno-rurowego na potrzeby procesu selektywnej niekatalitycznej redukcji tlenków azotu (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.

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:

NH3 + NO ^ N2 + H2O + ½ H2 lub w przypadku wykorzystania mocznika:

CO(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.

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.

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.

Z polskiego opisu patentowego nr PL230020 znany jest sposób pozwalający na utrzymanie optymalnej temperatury do wtrysku reagenta, w komorze spalania, modyfikując kocioł za pomocą pokrycia

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.

Znane są rozwiązania wykorzystujące ultradźwiękowy pomiar temperatury pozwalający na dokładne wyznaczenie temperatur w całej mierzonej objętości. Wadą takiego rozwiązania są znaczne koszty aparatury pomiarowej.

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.

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.

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.

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%.

PL 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.

Claims (1)

1. Sposób wyznaczania temperatury w trakcie pracy instalacji SNCR w szczególnych punktach wewnątrz komory spalania kotła wodno-rurowego, znamienny tym, że temperatury w szczególnych punktach wewnątrz komory spalania kotła wyznacza się poprzez algorytm sztucznej sieci neuronowej, a bazą do jej stworzenia są rozkłady temperatury w kotle, otrzymane w wyniku serii pomiarów lub analiz numerycznych przepływu i spalania, w funkcji mocy kotła, oraz wektora wejściowego, którego składowymi są wartości temperatury, zmierzone za pomocą termopar, umieszczonych w odległości nie większej niż 250 milimetrów od ekranu kotła w szczególnych lokalizacjach, a same lokalizacje - co najmniej 4, korzystnie 7 lub więcej wyznaczone zostały za pomocą funkcji korelacji, jako miejsca występowania największej zmiany temperatury w stosunku do zmiany temperatury wewnątrz komory spalania, to znaczy, cechujące się największym gradientem temperatury, w funkcji mocy kotła i w zależności od lokalizacji obszarów o poszukiwanej wartości temperatury mieszczącej się w przedziale 350-1100°C.