Способ обезвреживания дымовых газов топливосжигающих агрегатов

Изобретение относится к технологии снижения токсичности дымовых газов топливосжигающих агрегатов. Обезвреживание дымовых газов ведут в камере сгорания, общий поток топлива делят на два потока, первый поток топлива смешивают с дымовыми газами, подаваемыми в камеру сгорания, а второй поток топлива направляют в горелки камеры сгорания, где сжигают в среде воздуха, а затем подают в камеру сгорания. В качестве топлива используют коксовый газ, или доменный газ, или генераторные газы, или смесь указанных газов, при этом общий расход дымовых газов (В_Г") на выходе камеры сгорания, общий расход топлива (В_Т), подаваемого в камеру сгорания, расход воздуха (В_В), подаваемого в камеру сгорания, и расход топлива (В_Т ^ГОР), подаваемого на горелки, определяют в соответствии со следующей системой уравнений (1), (2), (3), (4):

где В_Г' - расход дымовых газов на входе камеры сгорания, кг/ч;

Т_Г' - температура дымовых газов на входе камеры сгорания, °С;

О₂' - содержание кислорода в дымовых газах на входе камеры сгорания, %;

С_Г' - теплоемкость дымовых газов на входе камеры сгорания, ккал/кг;

В_Г" - общий расход дымовых газов на выходе камеры сгорания, кг/ч;

В_Т - общий расход топлива, подаваемого в камеру сгорания, кг/ч;

В_Т ^ГОР - расход топлива на горелки, кг/ч;

Q_Р ^Н - низшая теплотворная способность топлива, ккал/кг;

O₂" - содержание кислорода в дымовых газах на выходе камеры сгорания, %;

V_B ^O - теоретический расход воздуха на сжигание 1 кг топлива, кг/ч;

В_В - расход воздуха на камеру сгорания, кг/ч;

Т_Г" - температура газов на выходе камеры сгорания, °С;

С_Г" - теплоемкость дымовых газов на выходе камеры сгорания, ккал/кг;

α - коэффициент избытка воздуха.

При этом температуру в камере сгорания поддерживают на уровне 850-1150°С. Технический результат: повышение эффективности обезвреживания дымовых газов топливосжигающих агрегатов. 1 ил., 3 табл.

 

Изобретение касается способов снижения токсичности дымовых газов топливосжигающих агрегатов, содержащих кислород, в частности коксовых батарей, и может быть использовано в металлургической и других отраслях промышленности.

Известен способ обезвреживания дымовых газов топливосжигающих агрегатов, содержащих кислород, характеризующийся тем, что обезвреживание дымовых газов ведут в камере сгорания, при этом поток топлива направляют в камеру сгорания, где сжигают в среде воздуха, поступающего в камеру сгорания (см. авт. свид. СССР №949295, М.кл. F 23 G 7/06, опубл. 07.08.82 г.).

Недостатками известного способа являются отсутствие эффекта снижения окислов азота (далее - NO_x), а также повышение расхода топлива на обезвреживание дымовых газов вследствие увеличения коэффициента избытка воздуха в камере сгорания при подаче дополнительного количества воздуха в обезвреживаемые дымовые газы.

Известен способ обезвреживания дымовых газов топливосжигающих агрегатов, характеризующийся тем, что обезвреживание дымовых газов ведут в камере сгорания, общий поток топлива делят на два потока, первый поток топлива смешивают с дымовыми газами, подаваемыми в камеру сгорания, второй поток топлива направляют в горелку камеры сгорания, где сжигают в среде воздуха, а затем подают в камеру сгорания (см. авт. свид. СССР №1564471, М.кл. F 23 G 7/06, опубл. 15.05.90 г.).

Недостатком известного способа является образование значительного количества NO_x в обезвреживаемых газах в результате прохождения дымовых газов через высокотемпературную зону камеры сгорания, что связано с отсутствием возможности регулирования температурного уровня в камере сгорания, а также отсутствием температурного и технологического контроля режима работы камеры сгорания.

Задачей настоящего изобретения является разработка эффективного способа обезвреживания дымовых газов топливосжигающих агрегатов, обеспечивающего снижение концентрации оксидов азота в дымовых газах путем выбора вида топлива, оптимизации подачи топлива и воздуха в камеру сгорания, а также регулирования температурного режима на выходе камеры сгорания.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе обезвреживания дымовых газов топливосжигающих агрегатов, который характеризуется тем, что обезвреживание дымовых газов ведут в камере сгорания, общий поток топлива делят на два потока, первый поток топлива смешивают с дымовыми газами, подаваемыми в камеру сгорания, а второй поток топлива направляют в горелки камеры сгорания, где сжигают в среде воздуха, а затем подают в камеру сгорания, согласно изобретению в качестве топлива используют коксовый газ, или доменный газ, или генераторные газы, или смесь указанных газов, при этом общий расход дымовых газов (В_Г") на выходе камеры сгорания, общий расход топлива (В_T), подаваемого в камеру сгорания, расход воздуха (В_В), подаваемого в камеру сгорания, и расход топлива (В_Т ^ГОР), подаваемого на горелки, определяют в соответствии со следующей системой уравнений (1), (2), (3), (4):

где В_Г' - расход дымовых газов на входе камеры сгорания, кг/ч;

Т_Г' - температура дымовых газов на входе камеры сгорания, °С;

О₂' - содержание кислорода в дымовых газах на входе камеры сгорания, %;

C_Г' - теплоемкость дымовых газов на входе камеры сгорания, ккал/кг;

В_Г" - общий расход дымовых газов на выходе камеры сгорания, кг/ч;

В_Т - общий расход топлива, подаваемого в камеру сгорания, кг/ч;

В_Т ^ГОР - расход топлива на горелки, кг/ч;

Q_Р ^Н - низшая теплотворная способность топлива, ккал/кг;

О₂" - содержание кислорода в дымовых газах на выходе камеры сгорания, %;

V_B ^O - теоретический расход воздуха на сжигание 1 кг топлива, кг/ч;

В_В - расход воздуха на камеру сгорания, кг/ч;

Т_Г" - температура газов на выходе камеры сгорания, °С;

С_Г" - теплоемкость дымовых газов на выходе камеры сгорания, ккал/кг;

α - коэффициент избытка воздуха,

а температуру в камере сгорания поддерживают на уровне 850-1150°С.

Указанная совокупность признаков позволяет обеспечить снижение содержания NO_x за счет оптимального выбора расхода и состава топлива, а также определить необходимый расход воздуха, что обеспечивает поддержание необходимого температурного уровня в камере сгорания.

Заявленный способ реализуется с помощью установки термического обезвреживания дымовых газов топливосжигающих агрегатов, схема которой изображена на чертеже.

Дымовые газы от топливосжигающих агрегатов, например от коксовой батареи 1, поступают в смеситель 2. Общий поток топлива подают по газопроводу 3, при этом первый поток топлива по газопроводу 4 направляют в смеситель 2, где смешивают с дымовыми газами, а второй поток топлива направляют по газопроводу 5 на горелки 6, где его сжигают в атмосфере воздуха, подаваемого по воздуховоду 7, а затем подают в камеру сгорания 8. При этом по воздуховоду 7 подают весь необходимый воздух с учетом кислорода, содержащегося в дымовых газах. В камере сгорания 8 происходит сжигание газа и горючих компонентов дымовых газов. Одновременно происходит снижение содержания NO_x за счет его термического разложения в присутствии СО, H₂, СН₄ при температуре 850-1150°С. Процесс горения осуществляют таким образом, чтобы температура на выходе камеры сгорания поддерживалась на уровне 850-1150°С. В этом диапазоне температур обеспечивается оптимальное обезвреживание дымовых газов.

При снижении температуры ниже 850°С возрастает содержание СО; при повышении более 1150°С - увеличивается содержание NO_x.

Содержание кислорода в дымовых газах на выходе камеры сгорания поддерживается по возможности минимальным, например 1-8%. При этом обеспечивается экономически целесообразная утилизация тепла.

Ниже приведены результаты испытаний заявляемого способа на установке термического обезвреживания дымовых газов, смонтированной на коксовой батарее №1 ОАО "Запорожкокс".

Пример реализации заявляемого способа.

В качестве топлива использовали коксовый газ следующего состава, в %: CO₂ - 2,2; O₂ - 1,1; C_mH_n - 2,2; СО - 6,3; СН₄ - 25,3; Н₂ - 58,0; N₂ - 4,9.

Теоретическое количество кислорода, необходимое для сжигания коксового газа (м³/м³), определяли по формуле:

O_2T=0,01·[0,5·(СО+Н₂)+2·СН₄+3,23·С_mH_n-О₂],

О_2T=0,888 м³/м³ газа или О_2T=2,86 кг/кг газа.

Теоретическое количество требуемого сухого воздуха для сжигания коксового газа (м³/м³) составило:

L_T=100·O_2Т/21=4,33 м³/м³ газа или L_T=2,86 кг/кг газа.

В_Г' - расход дымовых газов на входе камеры сгорания составлял 140000 м³/ч или 175000 кг/ч.

Т_Г' - температура дымовых газов на входе камеры сгорания - 257°С.

Т_Г" - температура дымовых газов на выходе камеры сгорания - 1000°С.

О₂' - содержание кислорода в дымовых газах на входе камеры сгорания - 10%.

О₂" - содержание кислорода в дымовых газах на выходе камеры сгорания - 5%.

C_Г' - теплоемкость дымовых газов, подаваемых в камеру сгорания, рассчитывалась по их составу:

CO₂ - 6%; O₂ - 10%; H₂O - 11%; N₂ - 73%;

С_Г'=0,010+0,022+0,042+0,184=0,258 ккал/кг.

С_Г" - теплоемкость газов на выходе из камеры сгорания рассчитывали также по их составу: СО₂ - 8%; O₂ - 5%; Н₂О - 10%; N₂ - 77%;

С_Г"=0,021+0,012+0,051+0,205=0,289 ккал/кг;

Q_P ^H - низшая теплотворная способность топлива 3980 ккал/м³ или 9091 ккал/кг;

α - коэффициент избытка воздуха

,

где O₂ - содержание избыточного кислорода в сухих продуктах сгорания, %;

СО₂ - содержание двуокиси углерода в сухих продуктах сгорания.

Соотношение - изменяется в зависимости от состава топлива и составляет для коксового газа - 0,42, для доменного - 2,54, для генераторного - 2,4.

В_Г" - расход газов на выходе камеры сгорания определяли по формуле (1).

После подстановки В_T по формуле (2) и В_B по формуле (3) получили уравнение:

,

где ;

.

или В_Г"=168592,54 нм³/час.

Преобразовав формулу (2), получили общий расход топлива, подаваемого в камеру сгорания, В_T, кг/час.

или В_T=12086,6 нм³/час.

Из формулы (3) определили расход воздуха, подаваемого в камеру сгорания, В_B:

или В_В=33590,2/1,29=26039 км³/час.

Рассчитав расход топлива на горелки В_Т ^ГОР по формуле (4), получили:

или В_Т ^ГОР=2708,9/0,44=6156,6 км³/час.

Таким образом были определены основные значения расчетных величин при реализации заявляемого способа обезвреживания дымовых газов.

При указанных параметрах работы установки термического обезвреживания дымовых газов получены следующие результаты (по снижению концентрации СО и NO_x в дымовых газах):

содержание СО на входе в установку - 4170 мг/м³;

содержание СО на выходе из установки - 0 мг/м³;

содержание NO_x на входе в установку - 740 мг/м³;

содержание NO_x на выходе из установки - 467 мг/м³.

Ниже приведены результаты испытаний при различной температуре в камере сгорания при использовании коксового газа.

Таблица 1
Уровень температуры на выходе камеры сгорания, °С	Содержание СО, мг/м3	Содержание NOx, мг/м3
на входе в камеру сгорания	на выходе из камеры сгорания	на входе в камеру сгорания	на выходе из камеры сгорания
1190	4150	0	740	750
850-1150	4150-4170	0-80	730-750	360-490
800	4150	750	740	355

Из данных, приведенных в Таблице 1, следует, что в предлагаемом температурном диапазоне 850-1150°С наблюдается практически полное обезвреживание дымовых газов от СО и снижение NO_x на 40-50%. При снижении температуры ниже 850°С наблюдается резкое увеличение содержание СО. При этом содержание NO_x остается практически на том же уровне. Повышение температуры более 1150°С приводит к резкому росту содержания NO_x в дымовых газах за счет интенсивного образования окислов азота при сжигании коксового газа в камере сгорания.

Аналогичные результаты получены в лабораторных условиях при использовании в качестве топлива доменного газа, смеси доменного газа с коксовым газом, а также генераторного газа. Данные проведенных испытаний приведены в Таблицах 2, 3.

В Таблице 2 приведены результаты испытаний при различной температуре в камере сгорания при использовании доменного газа.

В Таблице 3 приведены результаты испытаний при различной температуре в камере сгорания при использовании генераторного газа.

Таблица 2
Уровень температуры на выходе камеры сгорания, °С	Содержание СО, мг/м3	Содержание NOx, мг/м3
на входе в камеру сгорания	на выходе из камеры сгорания	на входе в камеру сгорания	на выходе из камеры сгорания
1160	5400	80-160	520	540
850-1150	5300-5500	0-120	510-530	290-310
840	5400	820	520	500
Таблица 3
Уровень температуры на выходе камеры сгорания, °С	Содержание СО, мг/м3	Содержание NOx, мг/м3
на входе в камеру сгорания	на выходе из камеры сгорания	на входе в камеру сгорания	на выходе из камеры сгорания
1160	6200	40-150	640	720
850-1150	6150-6250	0-110	630-650	330-350
840	6200	760	640	610

Способ обезвреживания дымовых газов топливосжигающих агрегатов, характеризующийся тем, что обезвреживание дымовых газов ведут в камере сгорания, общий поток топлива делят на два потока, первый поток топлива смешивают с дымовыми газами, подаваемыми в камеру сгорания, а второй поток топлива направляют в горелки камеры сгорания, где сжигают в среде воздуха, а затем подают в камеру сгорания, отличающийся тем, что в качестве топлива используют коксовый газ, или доменный газ, или генераторные газы, или смесь указанных газов, при этом общий расход дымовых газов (В_Г") на выходе камеры сгорания, общий расход топлива (В_Т), подаваемого в камеру сгорания, расход воздуха (В_В), подаваемого в камеру сгорания, и расход топлива (В_Т ^ГОР), подаваемого на горелки, определяют в соответствии со следующей системой уравнений (1), (2), (3), (4):

где В_Г' - расход дымовых газов на входе камеры сгорания, кг/ч;

Т_Г' - температура дымовых газов на входе камеры сгорания, °С;

O₂' - содержание кислорода в дымовых газах на входе камеры сгорания, %;

С_Г' - теплоемкость дымовых газов на входе камеры сгорания, ккал/кг;

В_Г" - общий расход дымовых газов на выходе камеры сгорания, кг/ч;

В_Т - общий расход топлива, подаваемого в камеру сгорания, кг/ч;

В_Т ^ГОР - расход топлива на горелки, кг/ч;

Q_Р ^Н - низшая теплотворная способность топлива, ккал/кг;

O₂" - содержание кислорода в дымовых газах на выходе камеры сгорания, %;

V_B ^O - теоретический расход воздуха на сжигание 1 кг топлива, кг/ч;

В_В - расход воздуха на камеру сгорания, кг/ч;

Т_Г" - температура газов на выходе камеры сгорания, °С;

С_Г" - теплоемкость дымовых газов на выходе камеры сгорания, ккал/кг;

α - коэффициент избытка воздуха,

а температуру в камере сгорания поддерживают на уровне 850-1150°С.