PL244253B1

PL244253B1 - Ammonia water dosing system for retort burners of low-temperature boilers

Info

Publication number: PL244253B1
Application number: PL438250A
Authority: PL
Inventors: Bartosz Ciupek
Original assignee: Politechnika Poznanska
Priority date: 2021-06-24
Filing date: 2021-06-24
Publication date: 2023-12-27
Also published as: PL438250A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest układ dozowania amoniaku albo wody amoniakalnej dla palników retortowych kotłów niskotemperaturowych zawierający zbiornik cieczy (8) połączony z pompą (7). Układ posiada osadzony na palniku retortowym (1) pierścień dystrybucyjny cieczy (4) z co najmniej trzema osadzonymi prostopadle i rozmieszczonymi promieniście względem pierścienia dystrybucyjnego cieczy (4) wtryskiwaczami (5), przy czym w przedniej części pierścienia dystrybucyjnego cieczy (4) nie umieszcza się wtryskiwaczy (5), a pod pierścieniem dystrybucyjnym cieczy (4) znajduje się palenisko (2) z osadzonym na nim zawirowywaczem (3) umożliwiającym kąt napływu powietrza w przedziale od 0° do 90°, korzystnie od 0° do 60°, w kierunku powstającego płomienia, nadto wtryskiwacze cieczy (5) zakończone są kanałami wylotowymi cieczy, ugiętymi pod kątem od 75° do 90° w kierunku centrum spalanego paliwa stałego.The subject of the invention is an ammonia or ammonia water dosing system for retort burners of low-temperature boilers, including a liquid tank (8) connected to a pump (7). The system has a liquid distribution ring (4) mounted on the retort burner (1) with at least three injectors (5) mounted perpendicularly and arranged radially in relation to the liquid distribution ring (4), but there are no injectors placed in the front part of the liquid distribution ring (4). injectors (5), and under the liquid distribution ring (4) there is a furnace (2) with a swirler (3) mounted on it, enabling an air inflow angle ranging from 0° to 90°, preferably from 0° to 60°, towards the emerging flame, moreover, the liquid injectors (5) end with liquid outlet channels, bent at an angle from 75° to 90° towards the center of the burned solid fuel.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest układ dozowania wody amoniakalnej dla palników retortowych pozwalający na obniżenie ilości emitowanych tlenków azotu (NOx) z procesu spalania zachodzącego w nich lub kotłach niskotemperaturowych zaopatrzonych w palniki retortowe z przedziału mocy od 25 kW do 500 kW.The subject of the invention is an ammonia water dosing system for retort burners that allows for reducing the amount of nitrogen oxides (NOx) emitted from the combustion process taking place in them or in low-temperature boilers equipped with retort burners with a power range from 25 kW to 500 kW.

Wtryśnięcie wody amoniakalnej do celu ograniczenia emisji tlenków azotu znane jest z techniki pod nazwą: selektywnej niekatalitycznej redukcji tlenków azotu (SNCR) i szeroko stosowane wyłącznie w kotłach energetycznych i przemysłowych, których moc cieplna znacząco przekracza moce, z jakimi pracują kotły niskotemperaturowe bądź palniki retortowe. Zastosowanie znanej metody w połączeniu z opracowanym układem pozwala zastosować te same technologie w przypadku kotłów niskotemperaturowych uznanych jako główne źródło zanieczyszczenia powietrza w Polsce.The injection of ammonia water to reduce nitrogen oxide emissions is known from a technique called selective non-catalytic nitrogen oxide reduction (SNCR) and is widely used only in power and industrial boilers whose thermal power significantly exceeds the power of low-temperature boilers or retort burners. The use of a known method in combination with the developed system allows the use of the same technologies in the case of low-temperature boilers, recognized as the main source of air pollution in Poland.

W toku prac badawczych nad zasadnością stosowania wody amoniakalnej (ΝΗλ)ΟΗ bądź wodnego roztworu mocznika (NH2)2CO w procesach spalania paliw stałych zachodzących w palnikach retortowych, zaobserwowano bardzo korzystne efekty wynikające z wtryśnięcia wodnego roztworu amoniaku w płomień powstały z spalanego paliwa. Istotnym aspektem określonym w trakcie prowadzenia prac rozwojowych było określenie kąta, pod którym należy wtryskiwać ciecz oraz zakres ciśnień, z jakimi należy wykonywać wtrysk.In the course of research on the validity of using ammonia water (ΝΗλ)ΟΗ or an aqueous solution of urea (NH2)2CO in the combustion processes of solid fuels taking place in retort burners, very beneficial effects were observed resulting from the injection of an aqueous ammonia solution into the flame created from the burned fuel. An important aspect determined during the development work was determining the angle at which the liquid should be injected and the pressure range at which the injection should be performed.

Doprowadzenie wody amoniakalnej bądź wodnego roztworu amoniaku zalicza się do metody selektywnej niekatalitycznej redukcji tlenków azotu (SNCR), metody wcześniej nie stosowanej w przypadku kotłów grzewczych małej mocy najczęściej zaopatrzonych w palniki retortowe małej mocy. W przypadku opracowanej technologii zaobserwowano korzystne efekty redukcji tlenków azotu dla palników retortowych o mocach od 25 kW do 500 kW. Temperatura jaka była uzyskiwana w trakcie spalania paliw węglowych dla omawianych palników to 710°C do 960°C i w spaliny o takiej temperaturze wtryskiwana była woda amoniakalna (ΝΗλ)ΟΗ. Technologia opiera się na wysokotemperaturowej reakcji amoniaku z tlenkiem azotu, której efektem jest powstanie wolnych atomów azotu emitowanych z gazami spalinowymi. Zastosowanie tej technologii w palnikach retortowych bądź kotłach grzewczych małej mocy pozwoli znacząco ograniczy ilość emitowanych tlenków azotu, a to przyczyni się do poprawy jakości powietrza. Z szeregu badań i analiz, które przeprowadzono wynika, że skuteczność zaproponowanego rozwiązania technicznego z wykorzystaniem metod SNCR daje możliwość zredukowania ilości emitowanych tlenków azotu (NOx) o ok., 30%-70% co pozwala aktualnie produkowanym kotłom i palnikom retortowym na spełnienie rygorystycznych wymagań krajowych i unijnych. Najlepsze efekty redukcji tlenków azotu (NOx) przy wykorzystaniu omawianego układu otrzymano gdy ciśnienie wtryskiwanej cieczy mieściło się w przedziale od 0,2 bar do 1,5 bar a kąt wtrysku odchylony był od poziomu korony palnika w zakresie od 75° do 90°.Supplying ammonia water or an aqueous ammonia solution is included in the method of selective non-catalytic reduction of nitrogen oxides (SNCR), a method not previously used in the case of low-power heating boilers, most often equipped with low-power retort burners. In the case of the developed technology, beneficial effects of reducing nitrogen oxides were observed for retort burners with power ranging from 25 kW to 500 kW. The temperature obtained during the combustion of coal fuels for the discussed burners was 710°C to 960°C and ammonia water (ΝΗλ)ΟΗ was injected into the exhaust gases at this temperature. The technology is based on the high-temperature reaction of ammonia with nitrogen oxide, which results in the formation of free nitrogen atoms emitted with exhaust gases. The use of this technology in retort burners or low-power heating boilers will significantly reduce the amount of nitrogen oxides emitted, which will contribute to improving air quality. A number of studies and analyzes that have been carried out show that the effectiveness of the proposed technical solution using SNCR methods makes it possible to reduce the amount of nitrogen oxides (NOx) emitted by approx. 30%-70%, which allows currently manufactured boilers and retort burners to meet stringent requirements. national and EU. The best effects of reducing nitrogen oxides (NOx) using the discussed system were obtained when the pressure of the injected liquid was in the range of 0.2 bar to 1.5 bar and the injection angle was deviated from the level of the burner crown in the range of 75° to 90°.

Istotą wynalazku jest układ dozowania amoniaku albo wody amoniakalnej dla palników retortowych kotłów niskotemperaturowych zawierający zbiornik cieczy połączony z pompą.The essence of the invention is an ammonia or ammonia water dosing system for retort burners of low-temperature boilers, including a liquid tank connected to a pump.

Układ posiada osadzony na palniku retortowym pierścień dystrybucyjny cieczy (amoniaku albo wody amoniakalnej) z wtryskiwaczami, którego zadaniem jest doprowadzenie równomiernej ilości cieczy pod zadanym ciśnieniem do wtryskiwaczy cieczy. Prostopadle względem pierścienia dystrybucyjnego cieczy umieszczone są promieniście, co najmniej trzy wtryskiwacze cieczy zakończone kanałem wylotowym cieczy, ugiętym pod kątem od 75° do 90° w kierunku centrum spalanego paliwa stałego. Wtryskiwacze umieszczone są tylko na jednej połowie pierścienia dystrybucyjnego cieczy, aby zapewnić łatwe serwisowanie i obsługiwanie układu oraz aby umożliwić rozpalanie i wygaszanie paleniska palnika.The system has a liquid distribution ring (ammonia or ammonia water) with injectors mounted on the retort burner, whose task is to supply an even amount of liquid at a given pressure to the liquid injectors. At least three liquid injectors are placed radially perpendicular to the liquid distribution ring, ending with a liquid outlet channel, bent at an angle from 75° to 90° towards the center of the solid fuel being burned. The injectors are located only on one half of the liquid distribution ring to ensure easy servicing and operation of the system and to enable the burner furnace to be ignited and extinguished.

Poniżej pierścienia dystrybucyjnego cieczy, nad paleniskiem, znajduje się pierścień zawirowywacza odpowiedzialny za doprowadzenie powietrza wtórnego do spalanego paliwa i jednocześnie zawirowywując jego strugę.Below the liquid distribution ring, above the furnace, there is a swirler ring responsible for supplying secondary air to the combusted fuel and swirling its stream at the same time.

Kąt napływu powietrza przez pierścień zawirowywujący mieści się w przedziale od 0° do 90°, korzystnie od 0° do 60°, w kierunku powstającego płomienia i zależy od mocy palnika, z jakim układ ma współpracować.The angle of air inflow through the swirl ring is in the range from 0° to 90°, preferably from 0° to 60°, in the direction of the emerging flame and depends on the power of the burner with which the system is to cooperate.

W korzystnym wariancie co 90° układ posiada dokładnie trzy wtryskiwacze cieczy umieszczone promieniście względem pierścienia dystrybucyjnego cieczy co 90°.In a preferred variant, every 90° the system has exactly three liquid injectors placed radially relative to the liquid distribution ring every 90°.

Korzystnie zbiornik główny cieczy z pompą zasilającą i dalej z pierścieniem dystrybucyjnym cieczy połączone są przewodem giętkim a pompą generującą ciśnienie w regulowanym zakresie od 0,2 bar do 1,5 bar.Preferably, the main liquid tank with the feed pump and then with the liquid distribution ring are connected with a flexible conduit and a pump generating pressure in an adjustable range from 0.2 bar to 1.5 bar.

Układ cechuje centralne i stabilne umiejscowienie w średnicy paleniska palnika pozwalające w sposób bezpośredni niewymagający demontażu układu do obsługi serwisowej.The system is characterized by a central and stable location in the diameter of the burner furnace, which allows for direct servicing without requiring disassembly of the system.

Układ w przykładzie realizacji pokazano na rysunku, na którym fig. 1 pokazuje schemat układu, a fig. 2 pierścień dystrybucyjny cieczy z wtryskiwaczami w widoku z góry.The system in an embodiment is shown in the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of the system, and Fig. 2 shows the liquid distribution ring with injectors in a top view.

Układ dozowania amoniaku albo wody amoniakalnej dla palników retortowych kotłów niskotemperaturowych zawierający zbiornik cieczy połączony z pompą posiada osadzony na palniku retortowym 1 pierścień dystrybucyjny cieczy 4 z trzema niezależnymi wtryskiwaczami 5.The ammonia or ammonia water dosing system for retort burners of low-temperature boilers, containing a liquid tank connected to the pump, has a liquid distribution ring 4 with three independent injectors 5 mounted on the retort burner 1.

Układ w przykładzie realizacji za fig. 1 i fig. 2 wyposażono tylko w trzy wtryskiwacze cieczy 5 osadzone prostopadle względem pierścienia dystrybucyjnego cieczy 4 i umieszczone na nim promieniście, co 90°. Ilość wtryskiwaczy cieczy 4 osadzonych korzystnie prostopadle względem pierścienia dystrybucyjnego 4 dobiera się w taki sposób, aby sumaryczne ciśnienie wtrysku cieczy redukującej pozwalało osiągnąć korzystne parametry procesu spalania w tym spadek ilości emitowanych tlenków azotu w zakresie o 0% do 100% korzystnie od 30% do 70%. Optymalną dla danego kotła ilość wtryskiwaczy cieczy 5 można dobierać eksperymentalnie na podstawie ilości emitowanych tlenków azotu (NO x) przez palnik lub kocioł oraz wielkości paleniska tak, aby cała instalacja redukcji tlenków azotu umieszczona była stabilnie na nim. Wtryskiwacze w przykładzie realizacji zakończone są kanałami wylotowymi cieczy, ugiętymi pod kątem 90° w kierunku centrum spalanego paliwa stałego. Kąt ten pozwala doprowadzić 100% wtryskiwanej cieczy w centrum płomienia. Wtryskiwacze 5 umieszczone są tylko na jednej połowie pierścienia dystrybucyjnego cieczy 4 do celów łatwego serwisowania i obsługiwania układu oraz aby umożliwić rozpalanie i wygaszanie paleniska palnika.The system in the embodiment shown in Fig. 1 and Fig. 2 is equipped with only three liquid injectors 5 placed perpendicularly to the liquid distribution ring 4 and placed radially on it, every 90°. The number of liquid injectors 4, preferably placed perpendicularly to the distribution ring 4, is selected in such a way that the total injection pressure of the reducing liquid allows achieving favorable parameters of the combustion process, including a decrease in the amount of emitted nitrogen oxides in the range of 0% to 100%, preferably from 30% to 70 %. The optimal number of liquid injectors 5 for a given boiler can be selected experimentally based on the amount of nitrogen oxides (NO x) emitted by the burner or boiler and the size of the furnace, so that the entire nitrogen oxide reduction installation is placed stably on it. In the embodiment, the injectors end with liquid outlet channels, bent at an angle of 90° towards the center of the solid fuel being burned. This angle allows 100% of the injected liquid to reach the center of the flame. The injectors 5 are placed only on one half of the liquid distribution ring 4 for easy servicing and operation of the system and to enable the burner furnace to be lit and extinguished.

Pod pierścieniem dystrybucyjnym cieczy 4 znajduje się palenisko 2 z osadzonym na nim zawirowywaczem 3 umożliwiającym kąt napływu powietrza w przedziale od 0° do 90° korzystnie od 0° do 60° w kierunku powstającego płomienia. Kąt napływu powietrza dla zawirowywacza 3 dobiera się w taki sposób, aby płomień powstały w trakcie spalania paliwa w złożu palnika mieścił się w obrębie wyznaczonym przez wtryskiwacze cieczy 4 i nie wykraczał poza ten obręb. Zatrzymanie procesu spalania w obrębie pola wyznaczonego przez wtryskiwacze cieczy pozwala dostarczyć do procesu spalania od 0% do 100% strumienia masy wtryskiwanej cieczy korzystnie od 50% do 90% wtryskiwanej cieczy.Under the liquid distribution ring 4, there is a furnace 2 with a swirler 3 mounted on it, enabling an air inflow angle ranging from 0° to 90°, preferably from 0° to 60° towards the emerging flame. The angle of air inflow for the swirler 3 is selected in such a way that the flame generated during fuel combustion in the burner bed is within the area designated by the liquid injectors 4 and does not extend beyond this area. Stopping the combustion process within the field defined by the liquid injectors allows for delivering from 0% to 100% of the mass flow of the injected liquid, preferably from 50% to 90% of the injected liquid, to the combustion process.

Zbiornik główny cieczy 8 z pompą zasilającą 7 i dalej z pierścieniem dystrybucyjnym cieczy 4 połączone są przewodem giętkim 6. Pompa generuje ciśnienie wtryskiwanej cieczy w zakresie od 0,2 bar do 1,5 bar i może być w tym zakresie regulowana w zależności od mocy palnika.The main liquid tank 8 with the feed pump 7 and further with the liquid distribution ring 4 are connected with a flexible pipe 6. The pump generates the pressure of the injected liquid in the range from 0.2 bar to 1.5 bar and can be adjusted in this range depending on the burner power .

Claims

1. Ammonia or ammonia water dosing system for retort burners of low-temperature boilers, comprising a liquid tank connected to a pump, characterized by having a liquid distribution ring (4) mounted on the retort burner (1) with at least three mounted perpendicularly and arranged radially in relation to the liquid distribution ring (4) injectors (5), where the injectors (5) are placed only on one half of the liquid distribution ring (4) and under the liquid distribution ring (4) there is a furnace (2) with a swirler (3) mounted on it, allowing for an angle air inflow in the range from 0° to 90°, preferably from 0° to 60°, in the direction of the emerging flame, moreover, the liquid injectors (5) end with liquid outlet channels, bent at an angle from 75° to 90° towards the center of the burned fuel permanent.

2. System according to claim 1, characterized in that it has exactly three liquid injectors (5) placed radially with respect to the liquid distribution ring (4) every 90°.

3. The system according to claim 1. 1 or 2, characterized in that the main liquid tank (8) with the supply pump (7) and further with the liquid distribution ring (4) are connected with a flexible conduit (6) to a pump generating the pressure of the injected liquid in an adjustable range from 0.2 bar to 1.5 bar.