RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 181254 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 314258 (51) IntCl7 F22B 37/00 Urząd Patentowy (22) Data zgłoszenia: 15.05.1996 F23J 15/00 Rzeczypospolitej Polskiej B 0 1 J 8 / 0 2 (54) Wytwornica pary oraz sposób regulacji temperatury gazu spalania w wytwornicy pary (30) Pierwszeństwo: (73) Uprawniony z patentu: 31.05.1995,EP,95810358.2 Asea Brown Boveri AG, Baden, CH (43) Zgłoszenie ogłoszono: (72) Twórcy wynalazku: 09.12.1996 BUP 25/96 Georg Ziegler, Winterthur, CH (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: (74) Pełnomocnik: 29.06.2001 WUP 06/01 Dziamowska Monika, POLSERVICE PL 181254 B1 (57)1. Wytwornica pary, stosowana w układzie do bezpośredniej selektywnej redukcji katalitycznej (metoda SCR) tlenków azotu w spalinach, z włączoną za komorą paleniskową częścią radiacyjną oraz z położoną przy niej częścią konwekcyjną, przy czym ta ostatnia składa się z połączonych jeden za drugim od strony spalinowej: konwencyjnego wymiennika ciepła, przegrzewacza i ekonomizera, przy czym ekonomizer jest wykonany jako dwuczęściowy a pomiędzy obydwiema jego częściami umieszczony jest katalizator NOx, znamienna tym, że dwuczęściowy ekonomizer (2) ma pierwszą część ekonomizera (2a), umieszczoną w kierunku przepływu gazu (19) przed katalizatorem NOx (5), która jest podzielona na co najmniej dwie sekcje (10a, 10b), przez które nagrzewany czynnik roboczy przepływa od strony spalinowej z jednej strony szeregowo, z drugiej zaś strony równolegle, przy czym co najmniej pierwsza sekcja (10a) pierwszej części ekonomizera (2a) jest stale połączona przewodem (11 a, 12) z walczakiem (13) i co najmniej jedna druga sekcja (10b) pierwszej części ekonomizera (2a) jest odcinana wybiórczo od walczaka (13) za pośrednictwem odcinalnych przewodów (11 b).
Wytwornica pary oraz sposób regulacji temperatury gazu spalania w wytwornicy pary Zastrzeżenia patentowe 1. Wytwornica pary, stosowana w układzie do bezpośredniej selektywnej redukcji katalitycznej (metoda SCR) tlenków azotu w spalinach, z włączoną za komorą paleniskową częścią radiacyjną oraz z położoną przy niej częścią konwekcyjną, przy czym ta ostatnia składa się z połączonych jeden za drugim od strony spalinowej: konwencyjnego wymiennika ciepła, przegrzewacza i ekonomizera, przy czym ekonomizer jest wykonany jako dwuczęściowy a pomiędzy obydwiema jego częściami umieszczony jest katalizator NOx, znamienna tym, że dwuczęściowy ekonomizer (2) ma pierwszą część ekonomizera (2a), umieszczoną w kierunku przepływu gazu (19) przed katalizatorem NOx (5), która jest podzielona na co najmniej dwie sekcje (10a, 10b), przez które nagrzewany czynnik roboczy przepływa od strony spalinowej z jednej strony szeregowo, z drugiej zaś strony równolegle, przy czym co najmniej pierwsza sekcja (10a) pierwszej części ekonomizera (2a) jest stale połączona przewodem (11a, 12) z walczakiem (13) i co najmniej jedna druga sekcja (10b) pierwszej części ekonomizera (2a) jest odcinana wybiórczo od walczaka (13) za pośrednictwem odcinalnych przewodów (11b). 2. Wytwornica pary według zastrz. 1, znamienna tym, że w przewodach (11b), prowadzących od drugiej sekcji (10b) pierwszej części ekonomizera (2a) i odcinalnych od obiegu wody do przewodu (12) ku walczakowi (13), umieszczony jest każdorazowo element odcinający (14). 3. Wytwornica pary według zastrz. 1, znamienna tym, że pomiędzy pierwszą częścią ekonomizera (2a) a katalizatorem NOx (5) umieszczony jest elektrofiltr (3). 4. Wytwornica pary według zastrz. 1, znamienna tym, że dwuczęściowy ekonomizer (2) ma drugą część ekonomizera (2b), w której przepływ następuje w układzie przeciwprądowym. 5. Wytwornica pary według zastrz. 1, znamienna tym, że przez drugą część ekonomizera (2b) dwuczęściowego ekonomizera (2) spaliny (19) przepływają pionowo. 6. Wytwornica pary według zastrz. 1, albo 4, albo 5, znamienna tym, że dwuczęściowy ekonomizer (2) ma drugą część ekonomizera (2b) umieszczoną w oddaleniu przestrzennym od katalizatora NOx (5). 7. Sposób regulacji temperatury gazu spalania w wytwornicy pary stosowanej w układzie do bezpośredniej selektywnej redukcji katalitycznej (metoda SCR) tlenków azotu w spalinach, znamienny tym, że mierzy się temperaturę spalin (19) bezpośrednio przed ich wlotem do katalizatora NOx (5) po czym w przewodach (11b), łączących drugą część ekonomizera (2b) z obiegiem wody, zamyka się liczbę elementów odcinających (14), zależnie od wartości tej temperatury. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że temperaturę spalin (19) przed katalizatorem NOx (5) utrzymuje się większą od temperatury odparowywania wody pod ciśnieniem. 9. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że na wlocie spalin (19) do katalizatora NOx (5) utrzymuje się temperaturę co najwyżej równą temperaturze roboczej katalizatora NOx (5). 10. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że na wlocie spalin (19) do pierwszej części ekonomizera (2a) utrzymuje się temperaturę co najmniej równą temperaturze roboczej katalizatora NOx (5). * * * Przedmiotem wynalazku jest wytwornica pary, stosowana w układzie do bezpośredniej selektywnej redukcji katalitycznej (metoda SCR) tlenków azotu w spalinach oraz sposób regulacji temperatury gazu spalania w wytwornicy pary stosowanej w układzie do bezpośredniej selektywnej redukcji katalitycznej (metoda SCR) tlenków azotu w spalinach.
181 254 3 Emisje tlenków azotu z instalacji do spalania odpadów nie powinny przekraczać wartości, określonych przepisami. W celu zmniejszenia emisji tlenków azotu, które są zawarte na ogół w granicach od 300 do 450 mg/m3, stosuje się dotychczas środki pierwotne techniki paleniskowej i/lub działające efektywniej środki wtórne od strony gazów odlotowych, przy czym jako środki wtórne są do dyspozycji: metoda SNCR (selective non-catalytic reduction) - selektywna redukcja nie katalityczna oraz metoda SGR (selective catlytic reduction) - selektywna redukcja katalityczna. Według obecnego stanu techniki możliwe jest obniżenie emisji NOx do wartości poniżej 100 mg/m3 jedynie metodą katalityczną. W przypadku metody SCR tlenki azotu przekształca się z dodatkiem wody amoniakalnej na katalizatorze w azot i parę wodną przy stosunkowo niskich temperaturach. Dla przyłączenia stopnia katalizatora istnieją według znanego stanu techniki rozmaite możliwości. Tak na przykład kotły do zwrotnych instalacji do spalania wyposaża się w katalizatory NOx, które umieszcza się zazwyczaj za płuczką. Ma to wprawdzie z jednej strony tę zaletę, że zmniejszone jest niebezpieczeństwo skażenia katalizatora lub zablokowania przez pyły i dwutlenek siarki, z drugiej jednak strony ma tę wadę, że spaliny należy ponownie nagrzać przed wprowadzeniem do katalizatora. Z tego względu, w nowszych układach, katalizator NOx jest przewidziany przed płuczką. Jest on wówczas zasilany bezpośrednio gorącymi spalinami, tak, iż odpada ponowne nagrzewanie gazów odlotowych po płukaniu. Przy uprzednim odpyleniu (układ direkt-low dust - bezpośredni niski poziom pyłu) do zawartości resztek pyłu poniżej 10 mg/nm3 katalizatory osiągają podobne okresy trwałości jak w układach po płukaniu gazów odlotowych. Elektrofiltr (filtr E) do odpylania można jednak umieścić także za katalizatorem NOx (układ direkt-high dust - bezpośredni wysoki poziom pyłu). Z opisu amerykańskiego US 4,160,009 jest znana wytwornica pary z włączoną za komorą paleniskową częścią radiacyjną oraz z położoną przy niej częścią konwekcyjną przy czym ta ostatnia składa się z połączonych jeden za drugim od strony spalinowej: konwencyjnego wymiennika ciepła, przegrzewacza i ekonomizera a ekonomizer jest wykonany jako dwuczęściowy, przy czym pomiędzy obydwiema jego częściami umieszczony jest katalizator NOx. Te dwie części ekonomizera mają stałe, nie zmieniające się powierzchnie grzewcze. W tej wytwornicy pary katalizator NOx jest zasilany bezpośrednio gorącymi spalinami, zatem w układzie jest umieszczony przed płuczką. Regulacja temperatury gazu spalania następuje zgodnie z rozwiązaniem według US 4,160,009 poprzez przewody obejściowe gazu (44). Gaz spalania lub jego część są przy tym prowadzone wokół pierwszego ekonomizera (36 - fig. 3) lub z oddzielnego źródła gazu gorącego (60 - fig. 6) gorący gaz jest doprowadzany do gazu spalania bezpośrednio przed katalizatorem (35) a więc współprądowe z pierwszym ekonomizerem (36). Aktywne powierzchnie grzejne ekonomizerów (36, 37) są stałe, nie ma więc miejsca nastawianie masy strumienia ekonomizera. Ekonomizer (36, 37) pracuje więc w sposób ciągły; zmieniany jest jedynie strumień gazu lub mieszanina gazu. Dla optymalnej pracy katalizatora i jego możliwie jak największej trwałości, niezbędne jest utrzymywanie temperatury gazu przed katalizatorem NOx możliwie stale na zadanej wartości, na przykład 350 C. Przy znanym dotychczas stanie techniki nie jest jednak możliwe utrzymanie stałej temperatury gazu w przypadku różnych stanów roboczych wytwornicy pary. Wytwornica pary, z włączoną za komorą paleniskową częścią radiacyjną oraz z położoną przy niej częścią konwekcyjną przy czym ekonomizer jest wykonany jako dwuczęściowy a pomiędzy obydwiema jego częściami umieszczony jest katalizator NOx, charakteryzuje się według wynalazku tym, że pierwsza część ekonomizera, umieszczona w kierunku przepływu gazu przed katalizatorem, jest podzielona na co najmniej dwie sekcje, przez które nagrzewany czynnik roboczy przepływa od strony spalinowej z jednej strony szeregowo, z drugiej zaś strony równolegle, przy czym co najmniej pierwsza sekcja jest stale połączona przewodem z walczakiem i co najmniej jedna druga sekcja jest odcinana do wyboru od walczaka za pośrednictwem odcinalnych przewodów.
4 181 254 Zmianę czynnej powierzchni grzejnej można uzyskać jeżeli w przewodach odcinanych od obiegu wody, prowadzących od drugiej sekcji pierwszej części ekonomizera, znajdującej się przed katalizatorem, do przewodu prowadzącego ku walczakowi, umieszczony jest każdorazowo element odcinający. Praca wytwornicy może również zostać usprawniona przez umieszczenie pomiędzy pierwszą częścią ekonomizera a katalizatorem NOx elektrofiltra. W odmianie rozwiązania według wynalazku, w drugiej części ekonomizera, usytuowanej za katalizatorem, przepływ może następować w układzie przeciwprądowym. Możliwe jest też, że przez drugą część ekonomizera spaliny przepływają pionowo oraz że ta druga część ekonomizera jest umieszczona w oddaleniu przestrzennym od katalizatora NOx. Sposób regulacji temperatury gazu spalania w wytwornicy pary polega, według wynalazku, na tym, że mierzy się temperaturę spalin bezpośrednio przed ich wlotem do katalizatora NOx, po czym w przewodach zamyka się liczbę elementów odcinających, zależną od wartości tej temperatury. Korzystnie, temperaturę spalin przed katalizatorem NOx utrzymuje się większą od temperatury odparowywania wody pod ciśnieniem w kotle. W przypadku eksploatacji pełne obciążenie, zanieczyszczony zaleca się utrzymywanie temperatury spalin na wlocie do katalizatora co najwyżej równej temperaturze roboczej katalizatora zaś w przypadku eksploatacji obciążenie częściowe, czysty utrzymywanie temperatury spalin na wlocie do pierwszej części ekonomizera co najwyżej równej temperaturze roboczej katalizatora, co osiąga się przez odpowiedni dobór części konstrukcyjnych, a mianowicie rozmiary pierwszej części ekonomizera lub poprzedzające w wytwornicy pary pierwszą część ekonomizera, takie jak przegrzewacz i konwekcyjny generator ciepła. Dzięki rozwiązaniu według wynalazku możliwe stało się opracowanie wytwornicy pary, którą można zastosować w układach metody SCR, w których katalizator NOx jest zasilany bezpośrednio gorącymi spalinami przed płuczką, przy czym przy stosunkowo niskich nakładach można utrzymywać temperaturę gazu przed katalizatorem w przybliżeniu na stałym, zadanym poziomie. W rozwiązaniu według wynalazku osiąga się to, że mierzy się temperaturę spalin bezpośrednio przed ich wejściem do katalizatora NOx oraz zamyka się w przewodach liczbę elementów odcinających, zależną od wielkości tej temperatury. W tych zamkniętych sekcjach woda odparowuje częściowo. Para wypiera pozostałą wodę z sekcji z powrotem do przewodu doprowadzającego. Wskutek tego jedna lub więcej sekcji ekonomizera zostaje odcięta przed katalizatorem od obiegu wody i część powierzchni grzejnej staje się nieczynna. Zalet wynalazku należy upatrywać między innymi w tym, że można uzyskać stosunkowo prostą regulację temperatury gazu przed katalizatorem NOx, a dzięki zapewnieniu stałej w przybliżeniu temperatury zasilania, katalizator NOx pracuje optymalnie i wykazuje dużą trwałość. Wynalazek można stosować w przypadku układów zarówno direkt-low dust, jak i direkt-high dust, czyli filtr - E (elektrofiltr) można umieścić bądź przed, bądź też za ekonomizerem. Przykłady wykonania wynalazku w oparciu o wytwornicę pary do zwrotnej instalacji do spalania są uwidocznione na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia trzy schematyczne układy zwrotnych instalacji do spalania przy metodzie SCR według stanu techniki (I: konwencjonalny, II: direkt-low dust, III: direkt-high dust), fig. 2 - schemat układu według wynalazku dla zwrotnej instalacji do spalania przy metodzie SCR (direkt-high dust), fig. 3 - szczegółowe uwidocznienie części fig. 2 w obszarze kotła, katalizatora NOx i ekonomizera, a fig. 4 - schematyczne ujęcie wynalazku w obszarze kotła, elektrofiltra E, katalizatora NOx i ekonomizera (metoda SCR direkt-low dust). Na rysunku uwidocznione są jedynie elementy, istotne dla zrozumienia wynalazku. W instalacji nie jest przedstawione np. zasilanie kotła, urządzenie paleniskowe i urządzenie do płukania. Kierunek przepływu czynnika roboczego jest oznaczony strzałkami. W celu lepszego zrozumienia wynalazku, na fig. 1 są przedstawione najpierw trzy znane ze stanu techniki układy SCR z poziomem temperatury gazu, osiąganym każdorazowo po poszczególnych operacjach roboczych. Część I uwidacznia układ, w którym urządzenia: kocioł 1, ekonomizer 2, filtr - E 3, płuczka 4, katalizator NOx 5 i ochładzacz 6 są umieszczone
181 254 5 w kolejności przepływu przez nie czynnika roboczego, przy czym z powodu niskiej temperatury spalin za płuczką 4 (np. 70 C) należy nagrzać dodatkowo gaz przed wprowadzeniem do katalizatora NOx (np. do 350 C). To nagrzewanie odpada w przypadku przedstawionego w części II układu low dust, w którym urządzenia są umieszczone w kolejności: kocioł 1, elektrofiltr 3, katalizator NOx 5, ekonomizer 2 i płuczka 4, podobnie jak w przypadku uwidocznionego w części III układu high dust z umieszczeniem w kolejności: kotła 1, katalizatora NOx 5, ekonomizera 2, filtru E 3 i płuczki 4. Ponieważ w obu wymienionych powyżej przypadkach, dla różnych stanów roboczych, nie można zapewnić stałej temperatury gazu przed katalizatorem NOx 5, przeto stosuje się rozwiązanie według wynalazku, z którego jedna postać wykonania jest przedstawiona na fig. 2 i 3. Zasada jest taka, że wytwornica pary 1 zawiera dwuczęściowy ekonomizer 2. Składa się on z części 2a, która jest umieszczona od strony gazowej przed katalizatorem NOx 5, oraz z części 2b, umieszczonej za katalizatorem NOx 5. W układzie połączeń według fig. 2 znajduje się następnie w kolejności przepływu gazów filtr 3, a tuż za nim płuczka 4. Temperatura przed katalizatorem NOx 5 jest w przybliżeniu stała (w uwidocznionym przykładzie wykonania 350 C). Dla różnych stanów roboczych, może ona różnić się o 110 C. Stałość temperatury można jeszcze poprawić (na ± 1 C), gdy zmienia się ilość lub temperaturę wody zasilającej, dopływającej do pierwszej części ekonomizera 2a usytuowanej przed katalizatorem NOx 5. Figura 3 przedstawia szczegółowo schematyczne ujęcie wytwornicy pary 1 według wynalazku, zastosowanej w układzie high dust według fig. 2. Powyżej komory paleniskowej 7 umieszczone są dwa pionowe jałowe ciągi powietrza 8, które tworzą część radiacyjną wytwornicy pary 1. W przyległej poziomej części wytwornicy pary 1 znajdują się w kolejności przepływu przez nie: przegrzewacz 9 oraz ekonomizer 2, podzielony na dwie części główne 2a i 2b, przy czym pomiędzy pierwszą częścią ekonomizera 2a i drugą częścią ekonomizera 2b umieszczony jest katalizator NOx 5, który jest potrzebny do selektywnej redukcji katalitycznej tlenków azotu. Pierwsza część ekonomizera 2a jest podzielona na szereg oddzielnych sekcji 10a i 10b (tu cztery sekcje), przez które od strony gazowej przepływa szeregowo czynnik roboczy, natomiast od strony wodnej ten sam czynnik przepływa równolegle od dołu do góry. Sekcja 10a jest połączona przewodem 11a przewodem 12, który uchodzi następnie do walczaka 13. Sekcje 10b dołączone są równoległymi przewodami 11b do przewodu 12, połączonego z walczakiem 13. Z wyjątkiem przewodu 11 a, łączącego sekcję 10a pierwszej części ekonomizera 2a z przewodem 12, we wszystkich przewodach 11b, łączących sekcje 10 b pierwszej części ekonomizera 2a z przewodem 12, umieszczony jest za poszczególnymi sekcjami 10b element odcinający 14, np. zawór, tak, iż te sekcje 10b można do wyboru odcinać od obiegu wody. Jedynie sekcja 10a pierwszej części ekonomizera 2a umieszczonej przed katalizatorem NOx 5 jest więc połączona w każdym przypadku z walczakiem 13, tj. również w przypadku odcięcia wszystkich sekcji 10b. Pierwsza część ekonomizera 2a jest tak rozwiązana, że może występować częściowo odparowywanie. Jest ona tak duża, że w przypadku roboczym pełne obciążenie, zanieczyszczony temperaturę wlotu spalin do katalizatora NOx 5 utrzymuje się mniejszą lub równą temperaturze roboczej katalizatora NOx 5. Części konstrukcyjne, poprzedzające w wytwornicy pary 1 pierwszą część ekonomizera 2a, takie jak przegrzewacz 9, konwekcyjny generator ciepła 18 ( wiązki ochronne, które najpierw są zasilane spalinami), jałowe ciągi powietrza, są tak zaprojektowane, że w przypadku roboczym obciążenie częściowe, czysty temperaturę wlotu spalin do pierwszej części ekonomizera 2a utrzymuje się większą lub równą temperaturze roboczej katalizatora NOx 5. Za ostatnią w kierunku przepływu gazu, drugą sekcją 10b pierwszej części ekonomizera 2a umieszczony jest miernik temperatury 15. Druga część ekonomizera 2b, znajdująca się od strony gazowej za katalizatorem NOx 5, jest wykonana w zasadzie w układzie przeciwprądowym. Pompa 16 pompuje przewodem 17 wodę do drugiej części ekonomizera 2b, która jest umieszczona za katalizatorem NOx 5. Woda ochładza dalej odazotowane spaliny, które wychodzą z katalizatora NOx 5, zanim podlegną one odpyleniu w nie uwidocznionym tu filtrze 3 i doprowadzeniu do płuczki 4. Z kolei wodę prowadzi się obok katalizatora NOx 5 równolegle do sekcji 10a i 10b, przez które przepływa ona od dołu do góry, przy czym następuje dalsza
6 181 254 wymiana ciepła z bardziej tu jeszcze gorącymi spalinami. Aby zapewnić w przybliżeniu stałą temperaturę wejścia spalin do katalizatora NOx 5, mierzy się ich temperaturę za pomocą miernika temperatury 15. W zależności od wartości tej temperatury można wpływać na temperaturę spalin, gdy przez zamykanie lub otwieranie odpowiednich elementów odcinających 14 poszczególne drugie sekcje 10b pierwszej części ekonomizera 2a usytuowanej przed katalizatorem NOx 5 są odcinane od obiegu wody lub ponownie przyłączane. Powoduje to zmianę czynnej powierzchni grzejnej wytwornicy pary 1. Sama metoda SCR przebiega wówczas według znanego stanu techniki. Jest zrozumiałe, że wynalazek nie ogranicza się do opisanego powyżej przykładu wykonania. Można go zastosować również np. w wytwornicy pary z pionowym konwekcyjnym ciągiem powietrza. Na fig. 4 przedstawiona jest schematycznie wytwornica pary 1 według wynalazku w przypadku metody SCR-low dust. W odróżnieniu od fig. 3 pomiędzy pierwszą częścią ekonomizera 2a umieszczonego przed katalizatorem NOx 5 a katalizatorem NOx 5 jest tu umieszczony filtr E 3. Ponadto ten przykład wykonania ukazuje, że drugą część ekonomizera 2b można wykonać także z pionowym przepływem gazu. W dalszej, nie przedstawionej, postaci wykonania druga część ekonomizera 2b jest także umieszczona w większej odległości od katalizatora NOx 5.
181 254
181 254
181 254
181 254 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.