PL243551B1 - Sposób redukcji tlenków azotu oraz tlenku węgla w komorach paleniskowych kotłów wodnych i kotłów parowych, szczególnie kotłów rusztowych oraz układ do redukcji tlenków azotu i tlenku węgla w komorach paleniskowych kotłów wodnych i kotłów parowych, szczególnie kotłów rusztowych - Google Patents

Abstract

Sposób ograniczania powstawania tlenków azotu oraz/lub ich redukcji polega na tym, że do komory paleniskowej w kierunku przeciwbieżnym do głównego kierunku, głównego strumienia spalin przepływającego przez komorę paleniskową, wtryskiwany jest gaz procesowy lub w kolejnej odmianie gaz procesowy z reagentem z prędkością od 30 do 180 m/s korzystnie 135 m/s, przy czym punkty wtrysku zlokalizowane są w odległości do 0,5 głębokości komory paleniskowej od osi rur przedniego ekranu na jednym dwóch lub trzech poziomach przy czym najwyższy poziom znajduje się na wysokości dolnej krawędzi przewału kotła. Układ do realizacji sposobu do redukcji NOx zawiera lance wtrysku gazu procesowego (6), lance wtrysku reagenta (7), komorę paleniskową (10), czerpnię gazu procesowego (11), wentylator gazu procesowego (12), układ pomiarowy zabudowany na kolektorze gazu procesowego (13), element regulacyjno-odcinający zabudowany na kolektorze gazu procesowego (14), zbiornik reagenta (15), pompę reagenta (16), układ pomiarowy zabudowany na instalacji reagenta (17), element regulacyjno-odcinający zabudowany na instalacji reagenta (18), lancę centralnego wtrysku reagenta do gazu procesowego (19).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób redukcji tlenków azotu oraz tlenku węgla w komorach paleniskowych kotłów wodnych i kotłów parowych, szczególnie kotłów rusztowych oraz układ do redukcji tlenków azotu i tlenku węgla w komorach paleniskowych kotłów wodnych i kotłów parowych, szczególnie kotłów rusztowych, mający zastosowanie do ograniczenia powstawania tlenków azotu i tlenku węgla oraz/lub ich redukcji w komorach spalania kotłów grzewczych i kotłów energetycznych szczególnie kotłów rusztowych oraz układ do stosowania tego sposobu.

Sposoby opisane w patentach PL 196745 B1 oraz WO 95/15463 wymagają dużych nakładów inwestycyjnych z uwagi na konieczność instalowania złożonych układów chłodzenia, ponadto wprowadzenie rury do wnętrza komory spalania wymaga jej okresowego lub awaryjnego wysuwu, co skutkuje koniecznością instalowania kosztownych układów napędowych, a ponadto wymaga zapewnienia stosunkowo dużej przestrzeni wokół komory spalania, co nie zawsze jest możliwe i praktycznie uniemożliwia aplikację tych rozwiązań w niektórych przypadkach.

Sposoby opisane w patencie US 20160003473 A1 prezentują rozwiązania polegające na wprowadzeniu do komory spalania jednej bądź wielu lanc doprowadzających powietrze z reagentem przez jedną bądź dwie ściany boczne kotła. Rozwiązania te zakładają montaż lanc „na sztywno” bezpośrednio w poszyciu kotła oraz eliminują potrzebę instalowania układów napędowych służących do wysuwu lanc jak i zapewnienia znacznej przestrzeni wokół komory spalania, jednak okresowy przegląd i czyszczenie lanc wymaga wstrzymania procesu spalania wewnątrz kotła. Taki sposób montażu sprawia także, że długość jak i średnica lanc są ograniczone z uwagi na naprężenia jakim są one poddawane wewnątrz kotła oraz całkowitą masę urządzeń.

Sposoby opisane w patentach US 2006/0118013 A1 oraz WO 2013/09566 A2 skupiają się na sposobach wprowadzenia reagenta wraz z powietrzem wtórnym poprzez dysze umieszczone w jednej bądź wielu ścianach kotła. Taki sposób iniekcji reagenta wraz z powietrzem wtórnym wydatnie wpływa na obniżenie kosztów inwestycyjnych jak i eksploatacyjnych rozwiązania, jednakże ogranicza również dobór odpowiedniego kąta wtrysku reagenta wraz z powietrzem wtórnym oraz może powodować, że substancje te nie są wprowadzone bezpośrednio w sam środek procesu spalania, a jedynie oddziałują na jego część zlokalizowaną bliżej ścian kotła.

Sposób opisany w patencie WO 2004/085922 A2 zakłada ograniczenie emisji NOx poprzez zastosowanie metody pierwotnej redukcji związków toksycznych polegającą na podziale strumienia powietrza do spalania. W rozwiązaniu tym, część powietrza dostarczana jest w pobliżu podawania paliwa jako powietrze pierwotne, a pozostała część powietrza niezbędna do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa podawana jest powyżej punktu podawania paliwa, w wyższych częściach obszaru spalania, za pomocą dysz rozlokowanych na ścianach komory spalania, strumień powietrza podawany w tym obszarze tworzy wir równoległy lub zbliżony do płaszczyzny prostopadłej do osi pionowej komory spalania.

Eliminację powyższych niedogodności oraz ograniczeń, z gwarancją: dalszego obniżenia emisji NOx, obniżenia emisji CO, obniżenia do minimum lub zupełnego wyeliminowania reagenta w spalinach i popiołach, wzrostu sprawności układu poprzez ograniczenie udziału tlenu w spalinach, oraz zmniejszenia nakładów inwestycyjnych oraz kosztów eksploatacyjnych, w stosunku do znanych metod redukcji NOx i ograniczenia emisji CO, udało się uzyskać w prezentowanym sposobie, polegającym na wtrysku gazu procesowego w ilości do 20% strumienia powietrza potrzebnego do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa dostarczanego do urządzenia, w rozumieniu przyjętych standardów dla tego typu urządzenia, korzystnie 10%, z zachowaniem lub obniżeniem udziału tlenu w spalinach w stosunku do stanu wyjściowego, za pomocą lanc zlokalizowanych na górnej, bocznej, przedniej lub tylnej ścianie komory paleniskowej w taki sposób aby w komorze paleniskowej powstał wir o liniach, prądu równoległych od głównego, naturalnego kierunku przepływu przez układ produktów/półproduktów procesu spalania, przy czym kierunek wtrysku gazu procesowego jest przeciwbieżny do głównego kierunku przepływu produktów/półproduktów procesu spalania, przepływających przez komorę paleniskową urządzenia z zachowaniem odchylenia strugi wynoszącego +/-15°, w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory paleniskowej

Poprzez gaz procesowy rozumie się powietrze, spaliny lub mieszaninę tych gazów w dowolnej proporcji.

W odmianach sposobu oprócz .gazu procesowego do komory paleniskowej, w sposób analogiczny do gazu procesowego, lancami gazu procesowego lub dodatkowymi lancami może być wtryskiwany reagent, korzystnie NH3 lub CO(NH2)2.

Istota wynalazku, którym jest sposób redukcji tlenków azotu oraz tlenku węgla w komorach paleniskowych kotłów wodnych i kotłów parowych, szczególnie kotłów rusztowych, charakteryzuje się tym, że gaz procesowy, będący powietrzem, spalinami lub mieszaniną spalinowo powietrzną, w pełnym zakresie, to jest od 0 do 100% udziału,, lub w kolejnym zestawieniu gaz procesowy i reagent, do komory paleniskowej, wtryskiwane są w kierunku przeciwbieżnym do głównego, naturalnego kierunku przepływu spalin przez komorę paleniskową, korzystnie z góry na dół, z odchyleniem +/-15° w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory paleniskowej, to jest w przypadku wtrysku z górnej, przedniej lub bocznej ściany komory paleniskowej, w kierunku wzrostu temperatury w komorze paleniskowej, a w przypadku wtrysku, gazu procesowego poprzez lance z tylnej ściany komory paleniskowej, jako dodatkowego wzmocnienia wiru, gaz procesowy dostarczany jest w kierunku poziomym, z zachowaniem odchylenia wynoszącego +/- 45°, gaz procesowy do komory paleniskowej dostarczany jest z prędkością od 30 do 180 m/s, korzystnie 135 m/s, w ilości do 20% strumienia powietrza niezbędnego do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa z zachowaniem minimalnego udziału tlenu w spalinach, przy czym punkty wtrysku gazu procesowego zlokalizowane są na przedniej ścianie komory paleniskowej, na górnej ścianie komory paleniskowej, na bocznej ścianie komory paleniskowej bądź na tylnej ścianie komory paleniskowej, natomiast punkty wtrysku reagenta i gazu procesowego zlokalizowane są na przedniej ścianie komory paleniskowej, na bocznej ścianie komory paleniskowej bądź na górnej ścianie komory paleniskowej, przy czym przy wtrysku gazu procesowego lub gazu procesowego i reagenta z górnej, przedniej lub bocznej ściany komory paleniskowej punkty wtrysku znajdują się w odległości do 0,5 głębokości komory paleniskowej od osi rur przedniego ekranu, zaś przy wtrysku gazu procesowego z tylnej ściany komory paleniskowej punkty wtrysku gazu procesowego zlokalizowane są na wysokości dolnej krawędzi przewału kotła.

Sposób ten realizowany jest w kotle wodnym lub kotle parowym, szczególnie kotle rusztowym, zawierającym komorę paleniskową i układ według wynalazku, do redukcji tlenków azotu i tlenku węgla, gdzie komora paleniskowa posiada przednią ścianę, tylną ścianę i wylot spalin w górnej części ściany tylnej, gdzie wspomniany układ obejmuje zasilacz gazu procesowego z regulatorem przepływu, lance gazu procesowego, urządzenie mierzące stężenie NOx, CO i O2 w spalinach oraz element sterujący, którego istota charakteryzuje się tym, że gaz procesowy poprzez zasilacz gazu procesowego składający się z czerpni, wentylatora, grupy urządzeń służących do pomiaru strumienia, przepustnicy regulacyjno-odcinającej, kolektora, oraz poprzez lance wtryskowe umieszczone na co najmniej jednej ze ścian komory paleniskowej w odległości od osi rur przedniego ekranu do 0,5 głębokości komory paleniskowej wtryskiwany jest do komory paleniskowej, a kierunek wypływu gazu procesowego skierowany jest przeciwbieżnie do głównego, naturalnego kierunku przepływu spalin w komorze paleniskowej z odchyleniem +/-15° w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory paleniskowej, to jest w kierunku wzrostu temperatury w komorze paleniskowej wytwarzając w niej silną wewnętrzną recyrkulację spalin i silny wsteczny wir, natomiast urządzenie mierzące stężenie NOx, CO i O2, w spalinach zabudowane jest w części konwekcyjnej kotła bądź za nią, z którego sygnał wysyłany jest do urządzenia sterującego, które z kolei steruje natężeniem przepływu gazu procesowego poprzez urządzenia wykonawcze i pomiarowe zabudowane na tej instalacji.

W odmianie wykonania lance gazu procesowego umieszczone są na przedniej ścianie komory paleniskowej w specjalnie wykonanym odgięciu ściany ekranowej na jednym, dwóch lub trzech poziomach, a gaz procesowy wtryskiwany jest przeciwbieżnie w stosunku do głównego, naturalnego kierunku przepływu produktów/półproduktów procesu spalania, z zachowaniem odchylenia wynoszącego +/-15°, w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory paleniskowej, przy czym punkty wtrysku z najwyższego poziomu lanc znajdują się w odległości od 0,5 do 1 wysokości komory paleniskowej nad rusztem, korzystnie na wysokości dolnej krawędzi przewału, a pozostałe rzędy poniżej.

W kolejnej odmianie wykonania lance gazu procesowego umieszczone są na przedniej lub/i bocznej ścianie komory paleniskowej na jednym, dwóch lub trzech poziomach, a gaz procesowy do komory paleniskowej wprowadzany jest przy pomocy lanc w kształcie zbliżonym do litery „L”, w kierunku przeciwbieżnym do głównego, naturalnego kierunku przepływu produktów/półproduktów procesu spalania, z zachowaniem odchylenia strugi wynoszącego +/-15°, w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory paleniskowej, przy czym punkty wtrysku z najwyższego poziomu lanc znajdują się w odległości od 0,5 do 1 wysokości komory paleniskowej nad rusztem, korzystnie na wysokości dolnej krawędzi przewału, a pozostałe rzędy poniżej.

W innej odmianie wykonania do komory spalania zamiast gazu procesowego, tymi samymi lancami z tą samą prędkością co gaz procesowy, to jest od 30 do 180 m/s, korzystnie 135 m/s, wtryskiwana jest mieszanina gazu procesowego z reagentem, przy czym reagent, poprzez zasilacz reagenta, składający się ze zbiornika, pompy, regulatora przepływu, przepływomierza i co najmniej jednej lancy, wtryskiwany jest do kolektora gazu procesowego, w sposób centralny, przez co najmniej jedną lancę, w celu wytworzenia w nim jednorodnej mieszaniny, natomiast urządzenie mierzące stężenie NOx w spalinach zabudowane jest w części konwekcyjnej kotła bądź za nią, z którego sygnał wysyłany jest do urządzenia sterującego, które z kolei steruje natężeniem przepływu reagenta poprzez urządzenia wykonawcze i pomiarowe zabudowane na tej instalacji.

W następnej odmianie wykonania do komory spalania, oprócz gazu procesowego, dyszami usytuowanymi współosiowo w lancach gazu procesowego, wtryskiwany jest reagent w postaci płynnej, gazowej lub mieszaniny gazowo-płynnej, przy czym ilość dysz reagenta równa się ilości lanc gazu procesowego lub jest od niej mniejsza.

W kolejnej odmianie wykonania do komory spalania oprócz gazu procesowego, dyszami usytuowanymi niewspółosiowo w lancach gazu procesowego, wtryskiwany jest reagent w postaci płynnej, gazowej lub mieszaniny gazowo-płynnej, przy czym ilość dysz reagenta równa się ilości lanc gazu procesowego lub jest od niej mniejsza.

W innej odmianie wykonania do komory spalania oprócz gazu procesowego, lancami usytuowanymi pomiędzy lancami gazu procesowego, wtryskiwany jest reagent w postaci płynnej, gazowej lub mieszaniny gazowo-płynnej, przy czym ilość lanc reagenta równa się ilości lanc gazu procesowego lub jest od niej mniejsza.

W następnej odmianie wykonania, lance gazu procesowego umieszczone są na tylnej ścianie komory paleniskowej na wysokości dolnej krawędzi przewału komory, to jest w miejscu połączenia komory paleniskowej z ciągiem konwekcyjnym kotła, w ilości od kilku do kilkunastu w zależności od wielkości komory paleniskowej, lancami tymi dostarczany jest gaz procesowy w kierunku poziomym, z zachowaniem odchylenia strugi wynoszącego +/-45°, w ilości do 20%, korzystnie 10% strumienia powietrza dostarczanego do urządzenia, niezbędnego do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa, w rozumieniu przyjętych standardów dla tego typu urządzeń, z zachowaniem lub obniżeniem udziału tlenu w spalinach.

Są też odmiany wykonania, gdzie gaz procesowy wtryskiwany jest do komory paleniskowej urządzenia poprzez lance zainstalowane na tylnej ścianie komory paleniskowej, tak jak to opisano w jednej z odmian wykonania, natomiast reagent w postaci płynnej, gazowej lub mieszaniny gazowo-płynnej oraz część powietrza w ilości do 5% strumienia powietrza dostarczanego do komory paleniskowej, wtryskiwane są do komory paleniskowej poprzez lance zainstalowane na jednym, dwóch lub trzech poziomach z przeciwległej ściany komory paleniskowej w kierunku przeciwbieżnym do głównego, naturalnego kierunku przepływu produktów/półproduktów procesu spalania przepływających przez komorę paleniskową urządzenia z zachowaniem odchylenia strugi wynoszącego +/-15°. W następnej odmianie wykonania do komory spalania gaz procesowy wprowadzany jest poprzez lance na poziomie różnym od poziomu podawania reagenta.

W kolejnej odmianie wykonania ilość mediów przepływających przez lance może być różna dla poszczególnych lanc w zależności od obciążenia kotła, w celu wyrównania profili temperatur w komorze paleniskowej i w celu kształtowania strefy redukcyjnej i utleniającej.

W dalszej odmianie wykonania przy różnych obciążeniach urządzenia część lanc może być wyłączanych, w celu wyrównania profili temperatur w komorze paleniskowej i w celu kształtowania strefy redukcyjnej i utleniającej.

Takie rozwiązanie spowodowało, że w prezentowanym wynalazku według sposobu wykorzystano efekt dynamiczny strugi gazu procesowego do intensyfikacji procesu mieszania w komorze paleniskowej poprzez wywołanie we wnętrzu komory paleniskowej silnej wewnętrznej recyrkulacji spalin oraz silnego zawirowania, którego kierunek jest przeciwbieżny do głównego, naturalnego kierunku przepływu spalin, a płaszczyzna wirowania jest równoległa do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory paleniskowej. Rozwiązanie to skutkuje wyrównaniem profilu temperatury w komorze paleniskowej, które powoduje wyrównanie obciążenia cieplnego komory, co z kolei bezpośrednio przekłada się na wzrost wydajności i żywotności urządzenia, rozwiązanie według sposobu pozwala na precyzyjne sterowanie temperaturą w komorze spalania w obszarze gdzie dochodzi do zjawiska redukcji tlenków azotu i dopalania CO, powoduje zmniejszenie koncentracji reagenta w komorze paleniskowej co ogranicza do minimum ryzyko powstawania korozji elementów urządzenia, ponadto wynalazek według jednej z odmian wykonania poprzez rozlokowanie lanc na kilku poziomach komory paleniskowej, zwiększa możliwości układu, w szczególności w dużym zakresie zmienności obciążenia kotła i zwykle stosowane jest w jednostkach o większej mocy. Wynalazek według sposobu ponadto ogranicza w stosunku do znanych metod zużycie reagenta, a tym samym pozwala ograniczyć do minimum zawartość nieprzereagowanego reagenta w popiele lub spalinach co odgrywa bardzo ważną rolę jeżeli chodzi o koszty eksploatacyjne kotła, ochronę środowiska i zagospodarowanie popiołów. Przeciwbieżny kierunek wtrysku reagenta w stosunku do głównego, naturalnego kierunku przepływu spalin, z dala od miejsca połączenia komory paleniskowej z ciągiem konwekcyjnym urządzenia, w którym nie ma warunków, odpowiedniego okna temperaturowego, do zaistnienia reakcji redukcji, ma bardzo ważną zaletę w stosunku do tradycyjnych kierunków i miejsc wtrysku reagenta przytoczonych w badaniu stanu techniki, gdyż w opisanym sposobie według wynalazku nie zachodzi zjawisko lub jest ograniczone do minimum, polegające na „porywaniu” cząstek nieprzereagowanego reagenta, bezpośrednio po wtryśnięciu go do komory paleniskowej przez spaliny do konwekcyjnej części kotła, a dalej do układów oczyszczania i odprowadzania spalin, kolejną zaletą sposobu według wynalazku wynikającą z przeciwbieżnego kierunku podawania reagenta w stosunku do kierunku przepływu spalin z dala od miejsca wyprowadzenia spalin z komory paleniskowej jest to, że w stosunku do znanych metod znacznie wydłuża się czas od wtrysku reagenta do komory paleniskowej, w obszarze o stosunkowo niskiej temperaturze, do zaistnienia reakcji redukcji, w którym to czasie, reagent miesza się z wtryskiwanym gazem procesowym i produktami spalania poruszając się w kierunku wzrostu temperatury, to jest w kierunku obszaru spalania, gdzie w przedziale temperaturowym od 850°C do 1050°C i w obecności związków azotu zachodzi reakcja redukcji, dalej nieprzereagowane cząstki reagenta trafiają w obszar temperatur powyżej temperatury 1050°C gdzie wiążą się z tlenem i tworzą związki typu NOx, które następnie wraz z produktami spalania kierują się do góry komory paleniskowej, zgodnie z głównym, naturalnym ciągiem panującym w komorze paleniskowej, gdzie napotykają na w dalszym ciągu nieprzereagowany reagent oraz wymagane z punktu zaistnienia reakcji redukcji warunki temperaturowe do zaistnienia reakcji redukcji, część w dalszym ciągu nieprzereagowanego reagenta oraz niezredukowanych związków azotu (NOx), zawracana jest ponownie do obszaru dogodnego z punktu widzenia zaistnienia reakcji redukcji poprzez silny strumień spalin recyrkulujących wytwarzany przez strumień gazu procesowego. Takie prowadzenie procesu w sposób naturalny i samoistny wpływa na efektywność procesu redukcji i w szerokim zakresie zabezpiecza układ przed przedostawaniem się nieprzereagowanego reagenta do instalacji odprowadzających popioły, pyły czy do układów oczyszczania i odprowadzania spalin.

Taki sposób podawania gazu procesowego lub gazu procesowego i reagenta powoduje powstanie silnego wstecznego wewnętrznego wiru recyrkulacyjnego, który zasysa spaliny z głównego strumienia spalin, z obszaru tuż przed połączeniem komory paleniskowej z ciągiem konwekcyjnym, a tym samym stwarza optymalne warunki do prowadzenia procesu redukcji tlenków azotu i dopalania tlenku węgla, przy minimalnym udziale tlenu w spalinach, oraz minimalizuje stratę reagenta do komina, wynikającą z faktu iż punkt wtrysku reagenta oddalony jest od miejsca wyprowadzenia spalin z komory paleniskowej co zabezpiecza układ przed „porywaniem” nieprzereagowanych, świeżo wtryśniętych cząstek reagenta do ciągu konwekcyjnego kotła, przeciwbieżny kierunek wtrysku reagenta, w kierunku wzrostu temperatury w komorze paleniskowej, oraz silna wewnętrzna recyrkulacja daje czas na zmieszanie się reagenta z gazem procesowym i spalinami co skutkuje powstaniem homogenicznej mieszanki, a tym samym wpływa na skrócenie czasu potrzebnego na reakcję redukcji NOx, do której dochodzi po dostaniu się mieszaniny do obszaru o temperaturze od 850°C do 1050°C, nadmiar nieprzereagowanego reagenta następnie przedostaje się do obszaru o temperaturze powyżej 1050°C gdzie łączy się z tlenem tworząc związki NOx, które transportowane są wraz z głównym strumieniem spalin do obszaru, w komorze paleniskowej, o niższej temperaturze gdzie powtórnie napotykają reagent i zostają zredukowane, część spalin tuż przed połączeniem komory paleniskowej z ciągiem konwekcyjnym kotła jest powtórnie zawracana na skutek oddziaływania silnego wiru recyrkulacyjnego i trafia odpowiednio do kolejnych stref, takie samozapętlenie procesu według sposobu zapewnia małą emisję NOx z kotła przy małym zużyciu reagenta oraz niską emisję CO, przy niskim udziale tlenu w spalinach.

Wynalazek w przykładowym, lecz nie ograniczającym wykonaniu został uwidoczniony na rysunku na którym pokazano;

fig. 1 - schemat blokowy systemu do realizacji sposobu, fig. 2 - ideę sposobu według wynalazku wraz z ilustracją przebiegu procesu oraz poglądowym przedstawieniem rozkładu stref w komorze paleniskowej dla punktów wtrysku zlokalizowanych na przedniej ścianie komory paleniskowej lub na suficie komory paleniskowej, dysze reagenta usytuowane we wnętrzu lanc gazu procesowego, fig. 3 - ideę sposobu według wynalazku wraz z ilustracją przebiegu, procesu oraz poglądowym przedstawieniem rozkładu stref w komorze paleniskowej dla punktów wtrysku zlokalizowanych na przedniej ścianie komory paleniskowej lub na suficie komory paleniskowej, lance reagenta usytuowane pomiędzy lancami gazu procesowego, fig. 4 - ideę sposobu według wynalazku wraz z ilustracją przebiegu procesu dla punktów wtrysku gazu procesowego zlokalizowanych na tylnej ścianie komory spalania i dla punktów wtrysku reagenta i gazu procesowego zlokalizowanych naprzeciwległej ścianie komory paleniskowej, fig. 5 - schemat kotła w przekroju w płaszczyźnie pionowej pokazujący usytuowanie lanc wtrysku na górnej ścianie komory paleniskowej z zaznaczonymi kierunkami przepływu spalin, gazu procesowego i reagenta oraz oznaczeniem powstającego wiru wstecznego i wewnętrznej recyrkulacji spalin, fig. 6 - schemat kotła w przekroju w płaszczyźnie pionowej pokazujący usytuowanie lanc wtrysku na przedniej ścianie komory paleniskowej w specjalnie wykonanym odgięciu ściany, z zaznaczonymi kierunkami przepływu spalin, gazu procesowego i reagenta oraz oznaczeniem powstającego wiru wstecznego i wewnętrznej recyrkulacji spalin, fig. 7 - schemat kotła w przekroju w płaszczyźnie pionowej pokazujący usytuowanie lanc wtrysku na przedniej ścianie komory paleniskowej, lance wtryskowe wykonane w kształcie litery „L”, z zaznaczonymi kierunkami przepływu spalin, gazu procesowego i reagenta oraz oznaczeniem powstającego wiru wstecznego i wewnętrznej recyrkulacji spalin, fig. 8 - schemat kotła w przekroju w płaszczyźnie pionowej pokazujący usytuowanie lanc wtrysku gazu procesowego na tylnej ścianie komory paleniskowej, oraz lanc gazu procesowego i reagenta na ścianie przedniej komory paleniskowej, z zaznaczonymi kierunkami przepływu spalin, gazu procesowego i reagenta oraz oznaczeniem powstającego wiru wstecznego i wewnętrznej recyrkulacji spalin, fig. 9 - schemat kotła w przekroju w płaszczyźnie pionowej pokazujący usytuowanie lanc wtrysku na przedniej ścianie komory paleniskowej, na dwóch poziomach, lance wtryskowe wykonane w kształcie litery „L”, z zaznaczonymi kierunkami przepływu spalin, gazu procesowego i reagenta oraz oznaczeniem powstającego wiru wstecznego i wewnętrznej recyrkulacji spalin, fig. 10 - schemat ideowy kotła w przekroju w płaszczyźnie pionowej, przedstawiający wektory wirów powstających w komorze paleniskowej według obliczeń CFD, fig. 11 - schemat ideowy kotła w przekroju w płaszczyźnie pionowej, przedstawiający linie prądów powstających w komorze paleniskowej według obliczeń CFD,.

Na figurze 1 przedstawiono schemat blokowy systemu do realizacji sposobu, gdzie: 6 - oznacza lancę wtryskową gazu procesowego, 7 - oznacza lancę/dyszę wtryskową reagenta, 10 oznacza komorę paleniskową urządzenia, 11 - oznacza czerpnię gazu procesowego,

-oznacza wentylator gazu procesowego, 13 - oznacza układ pomiarowy zabudowany na kolektorze gazu procesowego, 14 - oznacza element regulacyjno-odcinający zabudowany na kolektorze gazu procesowego, 15 - oznacza zbiornik reagenta, 16 - oznacza pompę reagenta, 17 - oznacza układ pomiarowy zabudowany na instalacji reagenta, 18 - oznacza element regulacyjno-odcinający zabudowany na instalacji reagenta, 19 - oznacza lancę centralnego wtrysku reagenta do gazu procesowego.

Na figurach 2, 3 i 4 przedstawiono w sposób schematyczny i poglądowy procesy zachodzące podczas spalania w komorze paleniskowej urządzenia, korzystnie kotła rusztowego, oraz główne kierunki przepływu i wirowania gazu procesowego, spalin i reagenta, gdzie: A - oznacza strumień powietrza podmuchowego (pierwotnego), PG - oznacza strumień gazu procesowego, R - oznacza strumień reagenta, FG - oznacza strumień spalin, iFGR - oznacza wewnętrzną recyrkulację spalin, PG+R określa obszar występowania mieszaniny gazu procesowego i reagenta, RZ - określa obszar w którym zachodzi reakcja redukcji, PZ - określa obszar produkcji związków azotu, CZ - określa główny obszar spalania. Na figurach 5, 6, 7, 8 i 9 przedstawiono w sposób schematyczny i poglądowy miejsce zabudowy lanc wtryskowych gazu procesowego i reagenta oraz linie prądu i kierunki wirowania, powstające podczas spalania w komorze paleniskowej urządzenia, korzystnie kotła rusztowego, gdzie: 1 - oznacza skrzynię podwoziową powietrza, 2 - oznacza warstwę paliwa przemieszczającą się na ruszcie, 3 oznacza ruszt, 4 - oznacza komorę paleniskową, 5 - oznacza kolektor gazu procesowego/reagenta, 6 - oznacza lancę wtryskową gazu procesowego, 7 - oznacza lancę/dyszę wtryskową reagenta, 8 - oznacza część konwekcyjną kotła, 9 - oznacza kolektor gazu procesowego, A - oznacza strumień powietrza podmuchowego (pierwotnego), PG - oznacza strumień gazu procesowego, PG+R - oznacza strumień gazu procesowego i reagenta, FG - oznacza strumień spalin, iFGR - oznacza wewnętrzną recyrkulację spalin.

Przykład wykonania według sposobu zostanie przybliżony na podstawie fig. 7, na której A oznacza powietrze pierwotne tłoczone przez wentylator podmuchu do zasuw regulacyjnych a następnie do skrzyń pod rusztowych 1, których zadaniem jest doprowadzenie w sposób kontrolowany utleniacza do paliwa 2 przemieszczającego się na ruszcie 3. Na ruszcie 3 i bezpośrednio nad nim paliwo jest spalane, a ilość utleniacza doprowadzana jako powietrze pierwotne A waha się w przedziale od 0,7 do 1,1 ilości stechiometrycznej powietrza potrzebnego do całkowitego i zupełnego spalania paliwa 2, korzystnie 0,9, przemieszczającego się na ruszcie 3 w rozumieniu standardów dla tego typu urządzeń. Produkty i półprodukty spalania FG, przemieszczają się ku górze komory paleniskowej 4 z czego znaczna ich część przemieszcza się w pobliżu tylnej ściany komory paleniskowej 4, co jest zjawiskiem normalnie występującym w komorach paleniskowych tego typu kotłów. W odległości do 0,5 głębokości komory paleniskowej 4, na wysokości dolnej krawędzi przewału kotła, na przedniej ścianie komory paleniskowej 4 poprzez kolektor 5 zabudowany na zewnątrz komory paleniskowej, poprzez szereg lanc 6 i 7 wykonanych i zamontowanych tak aby kierunek wtrysku gazu procesowego PG lub gazu procesowego z reagentem PG+R, był przeciwbieżny do głównego kierunku przypływu przez komorę paleniskową 4 produktów spalania FG z zachowaniem odchylenia strugi wynoszącego +/-15° w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny, symetrii komory paleniskowej. Prędkość wtrysku gazu procesowego PG lub reagenta R wynosi od 30 do 180 m/s, korzystnie 135 m/s, a strumień gazu procesowego wynosi do 20% strumienia powietrza niezbędnego do całkowitego i zupełnego spalania paliwa w rozumieniu standardów dla tego typu urządzeń, wysoka prędkość i znaczna masa strumienia gazu procesowego wywołuje we wnętrzu komory paleniskowej 4, silną wewnętrzną recyrkulację spalin iFGR oraz powstanie silnego wiru wstecznego w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory paleniskowej. Lance 6 i 7 ukształtowane są w kształcie zbliżonym do litery „L” i wprowadzone są przez odgięcia wykonane w przedniej ścianie komory paleniskowej 10. Sposób zamocowania lanc 6 i 7 umożliwia zmianę ich położenia w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny symetrii kotła o wartość +/- 15°. Zgodnie z zastrzeganym sposobem według wynalazku taki sposób podawania gazu procesowego PG oraz reagenta R sprzyja stworzeniu warunków do prowadzenia procesu redukcji tlenków azotu z bardzo wysoką skutecznością z uwagi na to, że punkt wtrysku reagenta oddalony jest od miejsca wyprowadzenia spalin z komory paleniskowej 4 co zabezpiecza układ przed porywaniem nieprzereagowanych cząstek reagenta do ciągu konwekcyjnego 8 kotła, reagent miesza się z wtryskiwanym gazem procesowym i produktami spalania poruszając się w kierunku wzrostu temperatury, to jest w kierunku obszaru spalania, gdzie w przedziale temperaturowym od 850°C do 1050°C i w obecności tlenków azotu zachodzi reakcja redukcji, nadmiar nieprzereagowanego reagenta R transportowany jest w obszar o coraz to wyższej temperaturze gdzie nieprzereagowany reagent wchodzi w reakcje z tlenem i tworzy tlenki azotu, które następnie wraz z produktami spalania kierują się do góry komory paleniskowej, zgodnie z głównym, naturalnym ciągiem panującym w komorze paleniskowej, gdzie napotykają na w dalszym ciągu nieprzereagowany reagent oraz wymagane z punktu zaistnienia reakcji redukcji warunki temperaturowe do zaistnienia reakcji redukcji, część w dalszym ciągu nieprzereagowanego reagenta oraz niezredukowanych związków azotu (NOx) tuż przed opuszczeniem komory paleniskowej, zawracana jest ponownie do obszaru dogodnego z punktu widzenia zaistnienia reakcji redukcji poprzez silny strumień spalin recyrkulujących wytwarzany przez strumień gazu procesowego. Podawanie gazu procesowego i reagenta w sposób według wynalazku powoduje powstanie silnego wstecznego wiru równoległego do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory spalania co sprawia, że układ w szerokim spektrum działania kotła jest układem samoregulującym się, a tym samym samozabezpieczającym się przed przedostawaniem się nieprzereagowanego reagenta do spalin i popiołów, ponadto kocioł i układ według wynalazku jest mało wrażliwy na wahania ilości tlenków azotu powstających w procesie spalania paliwa na ruszcie.

Wynalazek znajduje zastosowanie wszędzie tam gdzie kładziony jest nacisk na wysoką jakość procesu spalania, niską emisyjność szczególnie tlenków azotu, tlenku węgla, oszczędności inwestycyjne, oszczędność energii, oraz oszczędności reagenta czyli koszty eksploatacyjne. Przybliżony w opisie sposób według wynalazku znalazł zastosowanie w kotłach grzewczych oraz kotłach energetycznych w szczególności w kotłach rusztowych.

Dzięki wynalazkowi udało uzyskać się następujące korzyści:

• minimalizację kosztów inwestycyjnych, • minimalizację kosztów eksploatacyjnych, • znaczące uproszczenie instalacji, • minimalizację miejsca potrzebnego do zainstalowania systemu, • niezawodność działania, • obniżenie emisji tlenków azotu NOx, • obniżenie emisji tlenku węgla CO, • podniesienie sprawności urządzenia poprzez zmniejszenie zawartości O2 w spalinach, • podniesienie sprawności kotła poprzez zastąpienie wtrysku wody do komory paleniskowej w celu rozprowadzenia reagenta w komorze lub w celu atomizacji reagenta, poprzez odpowiednio: gaz procesowy lub sprężone powietrze, • obniżenie w stosunku do znanych metod zawartości nieprzereagowanego reagenta w spalinach i popiele, • zwiększenie żywotności urządzenia poprzez zmniejszenie koncentracji reagenta w komorze paleniskowej oraz poprzez wyrównanie profilu temperatury w komorze paleniskowej, • zwiększenie wydajności cieplnej komory paleniskowej poprzez wzrost średniego strumienia ciepła oddawanego do ścian komory paleniskowej.

Claims (15)

1. Sposób redukcji tlenków azotu oraz tlenku węgla w komorach paleniskowych kotłów wodnych i kotłów parowych, szczególnie kotłów rusztowych, znamienny tym, że, gaz procesowy, będący powietrzem, spalinami lub mieszaniną spalinową powietrzną, w, proporcji od 0, do 100% udziału, lub w kolejnym zestawieniu gaz procesowy i reagent, są wtryskiwane do komory paleniskowej, w kierunku przeciwbieżnym do głównego, naturalnego kierunku przepływu spalin przez komorę paleniskową, korzystnie z góry na dół, z odchyleniem strugi +/-15° w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory paleniskowej, gdzie, gaz procesowy jest wtryskiwany z górnej, bocznej lub przedniej ściany komory, paleniskowej, w kierunku wzrostu temperatury w komorze paleniskowej, gdzie, dodatkowo, gaz procesowy jest wtryskiwany poprzez lance z tylnej ściany komory paleniskowej dla dodatkowego wzmocnienia wiru i jest on dostarczany w kierunku poziomym, przy zachowaniu odchylenia strugi wynoszącego +/-45°, w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory paleniskowej, przy czym gaz procesowy do komory spalania dostarczany jest z prędkością od 30 do 180 m/s, korzystnie 135 m/s, w ilości do 20% strumienia powietrza niezbędnego do całkowitego i zupełnego spalenia paliwa przy zachowaniu minimalnego udziału tlenu w spalinach, ponadto reagent do komory spalania dostarczany jest z prędkością od 30 do 180 m/s, korzystnie 135 m/s, przy czym punkty wtrysku gazu procesowego zlokalizowane są na przedniej, górnej bocznej bądź na tylnej ścianie komory paleniskowej, natomiast punkty wtrysku gazu procesowego z reagentem zlokalizowane są na przedniej ścianie komory paleniskowej, bocznej bądź na górnej ścianie komory paleniskowej, przy czym przy wtrysku gazu procesowego lub gazu procesowego z reagentem z górnej, bocznej lub przedniej ściany komory paleniskowej, punkty wtrysku znajdują się w odległości do 0,5 głębokości komory paleniskowej od osi rur przedniego ekranu, zaś przy wtrysku gazu procesowego z tylnej ściany komory paleniskowej punkty wtrysku zlokalizowane są w odległości do 0,2 głębokości komory paleniskowej od osi rur tylnego ekranu komory paleniskowej.

2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że punkty wtrysku gazu procesowego bądź gazu procesowego z reagentem w przypadku wtrysku z przedniej lub bocznej ściany komory paleniskowej zlokalizowane są na jednym, dwóch lub trzech poziomach, przy czym najwyższy rząd lanc wtryskowych zlokalizowany jest w odległości od 0,5 do 1 wysokości komory paleniskowej nad rusztem, korzystnie na wysokości dolnej krawędzi przewału.

3. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że punkty wtrysku gazu procesowego, w przypadku wtrysku z tylnej ściany komory paleniskowej, zlokalizowane są na wysokości dolnej krawędzi przewału.

4. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że oprócz gazu procesowego dostarczanego do komory paleniskowej poprzez lance przednie i tylne i reagenta dostarczanego do komory paleniskowej poprzez lance przednie, część reagenta i gazu procesowego, do 20%, korzystnie 10% reagenta i do 20%, korzystnie 10% gazu procesowego, wtryskiwana jest do komory paleniskowej z bocznej lub górnej ściany komory paleniskowej w obszar przewału kotła.

5. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że ilość mediów przepływających przez lance jest różna dla poszczególnych lanc w zależności od obciążenia kotła, w celu wyrównania profili temperatur w komorze paleniskowej i w celu kształtowania strefy redukcyjnej i utleniającej.

6. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że przy różnych obciążeniach urządzenia część lanc jest wyłączana, w celu wyrównania profili temperatur w komorze paleniskowej i w celu kształtowania strefy redukcyjnej i utleniającej.

7. Kocioł wodny lub kocioł parowy szczególnie kocioł rusztowy, zawierający komorę paleniskową (4, 10) i układ do redukcji tlenków azotu i tlenku węgla, gdzie komora paleniskowa (4, 10) posiada przednią ścianę, tylną ścianę i wylot spalin w górnej części ściany tylnej, gdzie wspomniany układ obejmuje zasilacz gazu procesowego z regulatorem przepływu, zasilacz reagenta z regulatorem przepływu, lance gazu procesowego (6), lance reagenta (7), urządzenie mierzące stężenie NOx, CO i O2 w spalinach oraz urządzenie sterujące, znamienny tym, że zasilacz gazu procesowego składa się z czerpni (11), wentylatora (12), grupy urządzeń służących do pomiaru strumienia (13), przepustnicy regulacyjno-odcinającej (14) oraz kolektora, gdzie zasilacz reagenta składający się ze zbiornika (15), pompy (16), grupy urządzeń służących do pomiaru strumienia (17), elementu regulacyjno-odcinającego (18), gdzie zasilacz gazu procesowego i zasilacz reagenta są połączone z komorą paleniskową (4, 10) poprzez lance wtryskowe gazu procesowego (6) i lance reagenta (7) umieszczone na co najmniej jednej ścianie komory paleniskowej (4, 10) na 0,5 głębokości komory paleniskowej (4, 10), licząc od osi rur przedniego ekranu, gdzie lance gazu procesowego (6) i lance reagenta (7) są tak skierowane aby kierunek wypływu gazu procesowego, lub gazu procesowego i reagenta skierowany był przeciwbieżnie do głównego, naturalnego kierunku przepływu spalin w komorze paleniskowej z odchyleniem +/-15° w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory paleniskowej (4, 10), czyli w kierunku wzrostu temperatury w komorze paleniskowej, gdzie urządzenie mierzące stężenie NOx, CO i O2 jest wbudowane w obszarze spalin w części konwekcyjnej kotła bądź za nią, z którego to urządzenia sygnał wysyłany jest do urządzenia sterującego, które steruje natężeniem przepływu gazu procesowego poprzez urządzenia służące do pomiaru strumienia gazu procesowego (13) i przepustnicę regulacyjno-odcinającą (14) i które również steruje natężeniem przepływu reagenta poprzez urządzenia służące do pomiaru strumienia reagenta (17) i element regulacyjno-odcinający (18), gdzie urządzenie sterujące jest skonfigurowane do sterowania wtryskiem gazu procesowego i reagenta tak, aby spowodować wewnętrzną recyrkulację spalin we wnętrzu komory paleniskowej (4, 10), gdzie wspomniana recyrkulacja wewnętrzna jest wytwarzana przez wir wsteczny w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory paleniskowej, wtryśnięty gaz procesowy i reagent zasysają spaliny ze strumienia spalin płynących w kierunku wypływu spalin w komorze paleniskowej (4, 10) wzdłuż tylnej ściany i mieszanina reagenta, gazu procesowego i spalin przemieszcza się wzdłuż przedniej ściany komory paleniskowej w kierunku wzrostu temperatury w obszarze spalin (CZ) w komorze paleniskowej (4, 10)

8. Kocioł według zastrz. 7 znamienny tym, że lance wtryskowe gazu procesowego (6), dla wzmocnienia wiru są zabudowane na tylnym ekranie komory paleniskowej (4, 10) w odległości do 0,2 głębokości komory paleniskowej (4, 10) od osi rur tylnego ekranu, i są tak skierowane, że wypływ gazu procesowego z nich skierowany jest poziomo z odchyleniem +/-45°, w płaszczyźnie równoległej do wzdłużnej płaszczyzny symetrii komory paleniskowej (4, 10).

9. Kocioł według zastrz. 7 znamienny tym, że lance wtryskowe gazu procesowego (6) i lance reagenta (7) umieszczone są na przedniej lub/i bocznej ścianie komory paleniskowej (4, 10) na jednym dwóch lub trzech poziomach, przy czym najwyższy rząd lanc wtryskowych gazu procesowego (6) i lanc reagenta (7) zlokalizowany jest w odległości od 0,5 do 1 wysokości komory paleniskowej (4, 10) nad rusztem (3), korzystnie na wysokości dolnej krawędzi przewału, a pozostałe poniżej, w specjalnie wykonanym odgięciu tej ściany w odległości od osi rur przedniego ekranu do 0,3 głębokości komory paleniskowej (4, 10).

10. Kocioł według zastrz. 7 znamienny tym, że lance wtryskowe gazu procesowego (6) i lance reagenta (7) umieszczone są na przedniej lub/i bocznej ścianie komory paleniskowej (4, 10) na jednym, dwóch lub trzech poziomach, przy czym najwyższy rząd lanc wtryskowych gazu procesowego (6) i lanc reagenta (7) zlokalizowany jest w odległości od 0,5 do 1 wysokości komory paleniskowej (10) nad rusztem (3), korzystnie na wysokości dolnej krawędzi przewału, a pozostałe poniżej, lance mają kształt zbliżony do litery „L”, a wlot z nich znajduje się w odległości od osi rur przedniego ekranu do 0,5 głębokości komory paleniskowej (4, 10).

11. Kocioł według zastrz. 7 znamienny tym, że lance wtryskowe gazu procesowego (8) i lance reagenta (7) umieszczone są na górnej ścianie komory paleniskowej (4, 10) w odległości od osi rur przedniego ekranu do 0,5 głębokości komory paleniskowej (4, 10).

12. Kocioł według zastrz. 7 znamienny tym, że lance wtryskowe gazu procesowego (6) umieszczone są na tylnej ścianie komory paleniskowej (4, 10) w odległości od osi rur tylnego ekranu do 0,2 głębokości komory paleniskowej (4,10), oraz/lub na przedniej ścianie komory paleniskowej (4, 10) w odległości do 0,5 głębokości komory paleniskowej (4, 10).

13. Kocioł według zastrz. 7 znamienny tym, że co najmniej jedna lanca (19) służy do centralnego wtryskiwania reagenta do kolektora gazu procesowego.

14. Kocioł według zastrz. 7 znamienny tym, że we wnętrzu lanc wtryskowych gazu procesowego (6), znajdują się dysze (7) do wtryskiwania reagenta wraz z gazem procesowym do komory paleniskowej (4, 10), przy czym ilość dysz reagenta (7) jest równa lub mniejsza od ilości lanc gazu procesowego (6).

15. Kocioł według zastrz. 7 znamienny tym, że pomiędzy lancami wtryskowymi gazu procesowego (6) na poziomie lanc gazu procesowego, zabudowane są lance do wtryskiwania reagenta (7), przy czym ilość lanc reagenta (7) jest równa lub mniejsza od ilości lanc gazu procesowego (6.).