Способ уменьшения коэффициента непрозрачности дымового султана и способ оптимизации работы камеры сгорания

Изобретение относится к области энергетики. Способ уменьшения коэффициента непрозрачности дымового султана, выбрасываемого в атмосферу крупными промышленными предприятиями и агрегатами, использующими в своей работе камеры сгорания, предусматривает следующие этапы: определение эффективности введения в печь обрабатывающих химических веществ, способных регулировать выброс в атмосферу дымового султана, а также замедлять процессы коррозии и образования шлаков, определение эффективности добавления в топливо обрабатывающих химических веществ, способных регулировать процесс выброса дымового султана в атмосферу, а также замедлять процессы коррозии и образования шлаков, определение эффективности добавления в топливо катализаторов горения, определение эффективности добавления в саму печь катализаторов горения, определение эффективности введения катализаторов горения в саму печь путем распыления струи этих химических веществ, определение эффективности комбинирования различных типов химической обработки, перечисленных выше, причем определение осуществляют вычислительным путем, включающим вычислительную гидродинамику и результаты наблюдений, а также выбор наиболее предпочтительного режима химической обработки, включающий в себя один или более из вышеперечисленных способов обработки; и применение режима химической обработки, определенного вышеуказанным способом, путем добавления в топливо катализаторов горения или путем введения в печь обрабатывающих химических веществ для контроля дымового султана, причем выбранный режим служит для уменьшения коэффициента непрозрачности дымового султана, улучшения горения и/или уменьшения шлакообразования, и/или уменьшения потери веса при сгорании углерода, и/или уменьшения коррозии. В качестве катализаторов горения используют соединения металлов, причем металлы выбирают из группы, включающей медь, железо, магний, кальций, церий, барий и цинк. В качестве обрабатывающих химических веществ, вводимых в печь, используют оксид или гидроксид магния, введенный в растворитель. В качестве обрабатывающего химического вещества, вводимого в печь, используют суспензии оксида или гидроксида магния. Концентрация определенного обрабатывающего химического вещества, вводимого в печь в виде суспензии или раствора, составляет примерно от 1 до 100% в зависимости от веса суспензии или раствора. Катализатор горения вводят либо в топливо, либо внутрь камеры сгорания, при этом интенсивность дозировки варьируют от 0.2 до 0.8 кг на каждые 1000 кг углеродосодержащего топлива, сжигаемого в камере сгорания. Обработку определенным химическим веществом, вводимым в печь, производят путем введения внутрь камеры сгорания этого вещества в количестве от 0.2 до 0.5 кг на каждые 1000 кг углеродосодержащего топлива, сжигаемого в камере сгорания. Химическую обработку обрабатывающим химическим веществом, вводимым в печь, производят на нескольких уровнях. Изобретение позволяет снизить коэффициент непрозрачности дымового султана, образование шлаков, коррозионные процессы. 2 н. и 9 з.п. ф-лы.

 

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к способам снижения коэффициента непрозрачности дымового султана и уменьшения дымности отработанных газов, которые образуются в процессе эксплуатации крупных агрегатов, использующих в своей работе камеры сгорания, такие как, например, промышленные печи, предприятия по производству энергии или переработке отходов (мусоросжигательные заводы). В соответствии с предлагаемым изобретением коэффициент непрозрачности дымового султана может быть уменьшен при одновременном значительном повышении эффективности сгорания, снижении количества образующегося шлака, замедлении коррозионных процессов. Эти задачи достигаются за счет использования различных комбинаций катализаторов горения, преобразователей шлаков, которые вводят непосредственно в печь, или в топливо, или в камеру сгорания агрегата.

В процессах сгорания углеродосодержащего топлива, такого как, например, тяжелое дизельное топливо (котельный мазут), уголь, нефтяной кокс, а также бытовые и промышленные отходы, обычно образуются выхлопные газы, которые всегда можно увидеть в виде султанов на выходе из дымовой трубы. Коэффициент непрозрачности таких отработанных газов колеблется от низкого до высокого. Кроме того, указанные виды топлива содержат в своем составе вещества, способствующие образованию шлаков; в процессе их переработки могут образовываться коррозионные кислоты, несгоревший углерод, что в совокупности приводит к негативному воздействию на производительность котлов и печей, а также плохо влияет на окружающую среду и наносит вред здоровью человека.

Отработанные выхлопные газы представляют собой проблему как с эстетической точки зрения, так и с точки зрения охраны окружающей среды. Обработка газовых выбросов традиционными способами с целью уменьшения их негативного влияния имеет ряд сложностей и характеризуется высокими затратами. Прежде всего, негативное влияние таких газов, которые выбрасываются в атмосферу предприятиями, производящими различного рода энергию, связано с их непрозрачностью (задымленностью). Непрозрачность газовых выбросов измеряется в процентах. Естественно, чем выше коэффициент непрозрачности, тем меньше прозрачность отработанных газов и меньше света проходит через такие газы. Если за дымовым султаном невозможно различить ни одного объекта, значит, его прозрачность равна 0%. Если за дымовым султаном можно полностью различить все, что находится позади него, значит, прозрачность равна 100%.

Эффект ухудшения прозрачности газовых выбросов, производимых предприятиями по выработке энергии, может быть сгруппирован в три основные категории. Первая - непрозрачность присутствует в области выхода дымового султана из дымовой трубы и определяется по Способу №9 Агентства по охране окружающей среды (ЕРА), согласно Разделу 40 Кодекса США, часть 60, Приложение А. Этот способ был принят за основу для целей измерения видимых газовых выбросов при стандартизации, обучении и сертификации соответствующих специалистов в данной области. Он позволяет получать надежные и достоверные данные о задымленности. Подобные наблюдения могут быть проведены на любом предприятии на территории США.

Вторая категория - густой дым стелется на расстоянии от 2 км до одного суточного перехода по направлению ветра. Такая непрозрачность наблюдается вплоть до того момента, когда отработанные газы рассеиваются настолько сильно, что за ними становится возможным различить какой-то фон. Зачастую туман или смог в данной местности являются результатами выброса отработанных газов, когда их содержание в атмосфере приближается к своей критической отметке. Кроме того, предприятия по производству энергии, работающие на угле или жидком топливе, выбрасывают в атмосферу маленькие частички вещества, которые образуются в процессе окисления диоксида серы SO₂ до триокиси серы (SO₃) внутри камеры сгорания печи или котла и затем конденсируются вместе с водой Н₂O при низкой температуре, превращаясь тем самым во взвесь распыленных частиц серной кислоты в воздухе. Кроме того, SО₃ реагирует со щелочными металлами, образуя при этом различные сульфаты. Частички сульфатов в значительной степени влияют на концентрацию очень мелких частиц

(PM_2.5), что также имеет негативное влияние на здоровье человека, так же, как и ухудшение видимости. Десульфуризация, в частности десульфуризация дымовых газов (ДДГ), выбрасываемых в атмосферу, может быть применена для снижения коэффициента непрозрачности газовой смеси, выбрасываемой предприятиями, работающими на угле, за счет снижения общего содержания SO₂ в такой газовой смеси. Применение предлагаемого изобретения, целью которого является снижение коэффициента непрозрачности выбрасываемых газов, призвано непосредственно влиять на состояние задымленности; предполагается, что оно сумеет уменьшить «вклад» отдельных предприятий в ухудшение условий видимости, связанное с выбросами в атмосферу газов двух вышеуказанных категорий.

В то время как непрозрачность газовых выбросов представляет собой в большей степени внешнюю проблему, связанную с загрязнением окружающей среды, образование шлаков, а также ряд других сложностей является проблемой внутренней, влияющей на эффективность работы предприятия, а следовательно, и на его экономические показатели. Данная проблема представляет собой серьезную угрозу, особенно для старых заводов, которые для того, чтобы оставаться «в строю», должны выделять значительные средства на предотвращение загрязнения окружающей среды. Иногда отложения шлаков с большим трудом поддаются удалению традиционными способами, такими как, например, продувка дымовой трубы струей сжатого воздуха. Наслоения шлаков приводят к тому, что во всей системе происходят потери теплопередачи, увеличивается сопротивление газового тракта, затрудняется прохождение газа. При этом мощная продувка приводит к эрозии поверхности дымовой трубы и впоследствии к ее выходу из строя. Некоторые другие известные способы заключаются в осуществлении дополнительной химической обработки топлива или камеры сгорания в объеме, достаточном для обработки всей образующейся золы и сажи, что должно способствовать предотвращению образования шлаков. Обычно химические вещества, используемые в такой обработке, включают в себя окись или гидроокись магния, которая способствует решению многих из вышеперечисленных проблем, а также различные катализаторы горения, такие как медь, железо, кальций, улучшающие сгорание топлива.

Коррозия обычно происходит на холодном конце камеры сгорания. Она приводит к росту расходов на содержание и обслуживание системы, что, естественно, является нежелательным. Содержание кислотных газов и твердых отложений зачастую регулируют путем ввода специальных химических веществ непосредственно в камеру сгорания или непосредственно в топливо. Введение химических веществ таким способом часто бывает не очень эффективным либо приводит к образованию золы и сажи, которую, в свою очередь, также нужно удалять. Борьба с коррозией часто приводит к дополнительному загрязнению окружающей среды побочными продуктами.

Существующие на сегодняшний день технологии для решения проблем коррозии и образования шлаков предусматривают, в основном, введение различных химических веществ, таких как окись и гидроокись магния. Гидроокись магния имеет способность выдерживать высокую температуру внутри печи и одновременно реагировать с элементами, способствующими формированию шлаковых отложений, поднимая температуру образования золы, соответственно изменяя структуру образующихся отложений. Однако введение указанных химических субстанций является достаточно дорогостоящим способом, так как КПД от использования таких веществ невелик, большая часть их просто превращается в отходы, и лишь небольшая часть успевает реагировать с горячей золой.

Патенты США №№5740745 и 5894806 посвящены решению этой проблемы. Согласно предлагаемым в них способам химические вещества вводят на одной или нескольких стадиях способа, что должно предупреждать или контролировать образование шлаков и/или коррозии.

Присутствие несгоревшего углерода в золе является показателем неэффективности горения, что, в свою очередь, обуславливает проблемы эксплуатационного характера. Увеличение количества воздуха, используемого в процессе сгорания, может снизить содержание углерода в золе, что часто называется потерей веса при сгорании углерода (ПВС) и означает снижение веса золы благодаря улучшенному сгоранию содержащегося в ней углерода. В некоторых случаях такой способ может быть достаточно эффективным, но использование избыточного количества воздуха всегда ведет к снижению КПД котла. Кроме того, избыток воздуха ускоряет превращение SO₂ в SО₃, что приводит к дополнительному образованию распыленных кислотных частиц в отработанных газах и может увеличить уровень NOx.

Применение катализаторов горения также может быть достаточно эффективным в некоторых случаях, однако сами катализаторы горения не всегда бывают эффективными из-за ограничений, связанных с использованием различных видов топлива или самого оборудования. Среди всех известных в настоящее время катализаторов горения наиболее часто применяют различные соединения металлов в форме их солей. Обычно задействуют соли таких металлов, как кальций, железо, медь и магний, и их соединения. В общем случае, металлические соединения применяют в виде солей металлов. Анионная составляющая солей может быть гидроксилом, оксидом, карбонатом, нитратом, боратом и т.п. Однако углерод, содержащийся в золе, снижает коммерческую ценность золы, которая могла бы применяться при производстве бетона, если показатель ПВС будет снижен до величины менее 2%.

Таким образом, требуется разработать способ, посредством которого можно было бы эффективно уменьшить коэффициент непрозрачности газовых выбросов и одновременно увеличить КПД сгорания с обеспечением низкого показателя ПВС углерода без необходимости наличия избытка воздуха при горении и одновременно со снижением содержания СО и/или NОх. Также была бы желательной разработка способа, позволяющего регулировать образование шлаков и сдерживать коррозионные процессы.

Краткое описание изобретения

Целью настоящего изобретения является улучшение работы крупных агрегатов и предприятий, использующих различные камеры сгорания, за счет эффективного уменьшения негативного влияния газовых выбросов.

Другая цель предлагаемого изобретения заключается в том, чтобы повысить эффективность работы таких крупных предприятий и агрегатов не только за счет снижения вредного влияния газовых выбросов, но и за счет управления процессами образования шлаков и коррозии и в то же время - за счет снижения показателя ПВС углерода.

Следующая цель настоящего изобретения - разработка новых способов обработки котлов с целью повышения их КПД, что вплоть до настоящего времени представляло собой существенные трудности, хорошо знакомые специалистам в данной области.

Еще одна цель изобретения - снижение количества газовых выбросов при относительно невысоких расходах на химическую обработку котлов и других, связанных с ними, агрегатов.

Другая цель настоящего изобретения, которая имеет отношение ко всем предыдущим целям - снизить расходы, связанные с решением всех вышеуказанных проблем за счет уменьшения случаев их проявления.

И последняя цель - повышение производительности камер сгорания различных агрегатов.

Эти и другие задачи могут быть достигнуты посредством внедрения настоящего изобретения, которое представляет собой способ уменьшения коэффициента непрозрачности дымового султана, выбрасываемого в атмосферу крупными промышленными предприятиями и агрегатами, использующими в своей работе камеры сгорания, предусматривающий следующие этапы: определение эффективности введения в печь обрабатывающих химических веществ, способных регулировать выброс в атмосферу дымового султана, а также замедлять процессы коррозии и образования шлаков; определение эффективности добавления в топливо обрабатывающих химических веществ, способных регулировать процесс выброса дымового султана в атмосферу, а также замедлять процессы коррозии и образования шлаков; определение эффективности добавления в топливо катализаторов горения; определение эффективности добавления в саму печь катализаторов горения; определение эффективности введения катализаторов горения в саму печь путем распыления струи этих химических веществ; определение эффективности комбинирования различных типов химической обработки, перечисленных выше, причем определение осуществляют вычислительным путем, включающим вычислительную гидродинамику и результаты наблюдений, а также выбор наиболее предпочтительного режима химической обработки, включающий в себя один или более из вышеперечисленных способов обработки; и применение режима химической обработки, определенного вышеуказанным способом, путем добавления в топливо катализаторов горения или путем введения в печь обрабатывающих химических веществ для контроля дымового султана, причем выбранный режим служит для уменьшения коэффициента непрозрачности дымового султана, улучшения горения и/или уменьшения шлакообразования, и/или уменьшения потери веса при сгорании углерода, и/или уменьшения коррозии.

Согласно вариантам реализации предлагаемого способа в качестве катализаторов горения могут быть использованы соединения металлов, выбранных из группы, включающей медь, железо, магний, кальций, церий, барий и цинк, в качестве обрабатывающих химических веществ, вводимых в печь, могут быть использованы оксид или гидроксид магния, введенный в растворитель, в качестве оптимального режима химической обработки, по крайней мере, три из вышеперечисленных способов, в качестве катализаторов горения могут быть использованы соединения металлов, выбранных из группы, включающей медь, железо, магний, кальций, церий, цинк и барий, в качестве обрабатывающего химического вещества, вводимого в печь, могут быть использованы суспензии оксида или гидроксида магния, концентрация определенного обрабатывающего химического вещества, вводимого в печь в виде суспензии или раствора, может составлять примерно от 1 до 100% в зависимости от веса суспензии или раствора, катализатор горения может быть введен либо в топливо, либо внутрь камеры сгорания, при этом интенсивность дозировки варьируется 0.2 до 0.8 кг на каждые 1000 кг углеродосодержащего топлива, сжигаемого в камере сгорания, обработку определенным химическим веществом, вводимым в печь, могут производить путем введения внутрь камеры сгорания этого вещества в количестве от 0.2 до 0.5 кг на каждые 1000 кг углеродосодержащего топлива, сжигаемого в камере сгорания, а химическую обработку обрабатывающим химическим веществом, вводимым в печь, производить на нескольких уровнях.

Настоящее изобретение предлагает также способ оптимизации работы камеры сгорания, предусматривающий следующие этапы: сжигание углеродосодержащего топлива, содержащего также катализатор горения, в качестве которого используют нитрат кальция; установку условий горения внутри камеры сгорания, которые оптимизируют путем введения внутрь печи обрабатывающих химических веществ, где определения осуществляются вычислительным путем, включающим вычислительную гидродинамику и результаты наблюдений; основываясь на результатах предыдущего этапа, применяют режим химической обработки путем введения обрабатывающих химических веществ в печь в те места, где улучшения будут выражены в виде уменьшения коэффициента непрозрачности дымового султана, улучшении горения и/или уменьшении шлакообразования, и/или уменьшения потери веса при сгорании углерода, и/или уменьшения коррозии.

Настоящее изобретение имеет несколько важных аспектов, каждый из которых будет подробно рассмотрен в следующем разделе.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится к способам снижения коэффициента непрозрачности дымовых султанов, которые образуются в процессе эксплуатации крупных агрегатов, использующих в своей работе камеры сгорания, такие как, например, промышленные печи, предприятия по производству энергии или переработке отходов (мусоросжигательные заводы), при одновременном повышении КПД сгорания, снижении уровня образования шлаков и коррозионных процессов. Нижеследующее описание иллюстрирует данное изобретение на примере котла предприятия по производству электроэнергии, работающего на тяжелом дизельном топливе (котловом мазуте) №6. Следует учитывать, что функционирование любого другого устройства, работающего на принципе сжигания углеродосодержащего топлива и характеризующегося проблемами, описанными выше, также может быть улучшено в результате внедрения настоящего изобретения. В качестве топлива могут использоваться такие вещества и материалы, как углеродосодержащее жидкое горючее, газ, уголь, бытовые и промышленные отходы, шламы и подобные им углеродистые отложения.

В общем случае, сгорание углеродосодержащего топлива, такого как, например, тяжелое дизельное топливо, уголь или промышленные/бытовые отходы, приводит к образованию выбросов с повышенным коэффициентом непрозрачности, формированию шлаков, коррозионных кислот, которые по отдельности или в совокупности отрицательно влияют на КПД котла и на общественное мнение относительно безопасности для окружающей среды такого оборудования. Предлагаемое изобретение призвано решить эти проблемы экономически приемлемым и эффективным способом. Изобретение предлагает технологический способ, который позволит улучшить работу камер сгорания. Важной составляющей этого способа является определение условий сгорания внутри камеры, которые влияют на формирование газовых выбросов. Изобретение может применяться либо только для уменьшения коэффициента непрозрачности выбросов, либо совместно с уменьшением показателя ПВС углерода, для уменьшения коррозионных процессов и процессов шлакообразования, при отсутствии дополнительной обработки.

Способ предусматривает сжигание углеродосодержащего топлива в присутствии катализаторов горения (или без них) и добавление в печь специальных химических веществ, которые вводят непосредственно в «проблемные» зоны камеры сгорания или в те места, где они могут быть наиболее полезны. Последний этап требует точного определения точек ввода химических веществ на поверхности стенок печи. Таким образом, внедрению данного изобретения может способствовать применение моделирования, расчетной гидродинамики и исследований, которые описываются в Патентах США №№5740745 и 5894806. В дополнение к специально указанным в них технологическим способам, которые хорошо известны специалистам в данной области, можно применить и другие эффективные способы определения «проблемных зон» камеры сгорания и определить наиболее важные точки для введения химических субстанций. Все схемы и выводы этих двух патентов здесь подробно не описываются, но на них приводятся ссылки для лучшего пояснения соответствующих технологических способов, описываемых в настоящем изобретении.

Наиболее предпочтительными химическими веществами для введения внутрь печи являются катализаторы горения (такие как калий, барий, кальций, церий, железо, медь, цинк, магний, марганец и т.п.) в виде различных соединений, например оксиды и диоксиды магния, в форме пасты или водных растворов, или в любых других подходящих формах. Вещества, уменьшающие образование шлаков, в наиболее предпочтительной форме вводят как водные обрабатывающие растворы или суспензии, как в случае с оксидом магния или гидроксида магния. Концентрацию суспензии определяют в зависимости от того места камеры сгорания, куда ее необходимо ввести. В общем случае, концентрация варьируется от 1 до 100%, но в предпочтительном варианте составляет от 51 до 80% активного химического вещества по отношению к общему весу раствора или суспензии, в наиболее предпочтительном варианте - от 5 до 30%. В этом качестве используют оксиды и гидроксиды так же и других металлов (например, меди, титана и их смесей). Эти химические вещества, или другие, такие как хлорокись меди, карбонат меди, оксид железа, металлоорганические соединения железа, меди, кальция, вводят в топливо в дозах, составляющих по весу от 1 до 1000 ppm (обычно 40-50 ppm), в качестве активного металлического компонента.

Важный аспект настоящего изобретения, который отличает его от всех известных на сегодняшний день технологий, заключается в том, что введение в топливо или в саму печь катализаторов горения, улучшающих окисление топлива, осуществляют в комбинации с химической обработкой печи. В качестве катализатора горения может применяться любой материал, подходящий для этих целей, чаще всего состоящий из соединений металлов, таких как медь, железо, магний и кальций. Эти вещества могут включать в свой состав элементы, способствующие лучшему растворению активных компонентов в топливе. Среди химических веществ, влияющих на процессы горения, можно выделить соли органических кислот, такие как нафтенаты, октоаты, таллаты, соли сульфоновых кислот, насыщенные или ненасыщенные жирные кислоты, такие как олеиновая кислота, талловое масло. Также эффективны соли таких металлов, как калий, барий, магний, кальций, церий, железо, марганец, цинк и редкоземельные металлы; органо-металлические соединения, в частности, карбонильные соединения, смеси циклопентадиеновых соединений, ароматические соединения переходных металлов железа или марганца. Один из наиболее предпочтительных катализаторов горения - нитрат кальция, который вводят в виде 50-66% водного раствора при массовой доле от 1 до 1000 ppm активного металла по общему весу топлива (@ ~0.5 фунтов/тон или 40-50 ppm). Различные концентрации изначально определяют путем вычислений, а затем регулируют во время последующих испытаний. При этом наблюдают изменения концентрации вплоть до 100%, но чаще всего эта величина не превышает 25%.

Кроме катализаторов горения, которые добавляют в топливо, в саму печь добавляют специальные химические вещества. В некоторых случаях, кроме химической обработки печи специальными веществами, эти вещества добавляют и в само углеродосодержащее топливо. Вещества, добавляемые в печь и в топливо, могут быть одинаковыми, а могут и различаться. В одном случае, обычный магний применяли в количестве 0,6 кг на 1000 кг топлива, при этом 30-40% его шло в нижнюю часть печи или в топливо, а 60-70% направляли в верхнюю часть печи и вводили в нее с помощью технологии точного целевого введения в печь («Метод TIFI»). Катализатор горения обычно вводят с интенсивностью дозирования от 0.1 до примерно 2.0, т.е. от 0.2 кг до примерно 0.8 кг на каждые 1000 кг углеродосодержащего топлива, сжигаемого в камере сгорания. В некоторых предпочтительных вариантах настоящего изобретения печь обрабатывают специальными химическими веществами при интенсивности дозировки от 0.2 до около 1.2, т.е. от 0.32 кг до 0.46 кг на каждые 1000 кг углеродосодержащего топлива, сжигаемого в камере сгорания. При этом ожидаемые изменения концентрации могут достигать значения 100%, но чаще всего величина изменения не превышает 25%.

Введение в печь специальных химических веществ требует предварительного определения точек такого введения на поверхности печи. Основываясь на результатах этой операции, заранее определенные химические вещества вводят внутрь пространства печи в виде распыленной струи. В предпочтительном варианте отдельные капельки этой струи имеют размер, лежащий в определенном диапазоне, кроме того, капельки обладают соответствующей скоростью и летят в нужном направлении. Все эти параметры могут быть определены специалистами, имеющими необходимый опыт и навыки в данной области. Капельки вещества реагируют с горячим газом и испаряются со скоростью, зависящей от их размера и траектории полета, а также распределения температуры по всей траектории полета капельки вещества. Точное направление распыляемой струи приводит к повышению эффективности введения химического вещества.

Как описывается в вышеупомянутых Патентах США, наиболее часто применяемая модель распыления вещества - так называемая модель «PSI-cell», - вполне подходит для CFD существующих на сегодняшний день способов. Эта методика использует свойства газа, определенные в результате гидродинамических вычислений, для предсказания траектории полета частиц вещества и скорости их испарения относительно массы, момента движения и энергетического баланса. Изменения момента движения, массы частиц и их нагрева включают затем в формулу в качестве исходных точек для следующего гидродинамического расчета. Таким образом, после необходимого числа повторений как свойства жидкости, так и возможные траектории полета отдельных частиц сводят к одному готовому решению. Распыляемая струя химического вещества представляет собой ряд отдельных капелек, которые имеют свои различные начальные скорости и размеры, которые испускаются из центральной точки.

В расчет также включают корреляцию между углами траекторий полета отдельных капель и распределением размеров (или масс). Частоту капель определяют исходя из размеров капель и скорости потока под каждым углом движения. В целях настоящего изобретения эта модель, кроме того, должна учитывать поведение капелек многокомпонентного соединения. Выравнивание по силе, массе и энергетическому балансу дополняют расчетом вспышки с учетом мгновенной скорости, размера отдельных частиц, температуры, химического состава на протяжении срока жизни отдельной капли струи вещества. Также учитывают момент движения, массу, энергетический вклад каждой частицы распыляемой струи. Корреляцию по размеру отдельных капелек, углу распыления, распределению размера частиц потока, а также скорости капель выполняют на основе лабораторных испытаний с использованием метода рассеивания лазерного луча и метода Допплера. При помощи исследований были определены параметры для нескольких типов форсунок при различных рабочих режимах, которые использовали для предварительного описания параметров модели CFD. При оптимальном эксплуатационном режиме эффективность химической обработки увеличивается, и вероятность попадания капельки вещества непосредственно на поверхность теплообменника или другого оборудования существенно уменьшается. Средний размер капельки обычно лежит в пределах от 20 до 1000 микрон, наиболее типичный размер - от 100 до 600 микрон.

Согласно одному из вариантов воплощения настоящего изобретения форсунки для введения активных химических элементов, снижающих уровень образования шлаков, располагают на нескольких уровнях с целью оптимизации распыления и доставки капелек вещества именно в те точки и зоны, в которых они наиболее необходимы. Однако в альтернативном варианте распыление производят только в одной зоне, например, только в верхней части печи, в зависимости от ограничительных условий работы агрегата или от физических свойств. В предпочтительном варианте, однако, используют несколько уровней распыления или же вводят добавки непосредственно в топливо, и такие же (или другие) добавки - в верхнюю часть печи. Это позволяет вводить химические вещества одновременно в разные зоны, или же с помощью различных групп форсунок вводить химические вещества вслед за изменением температуры в различных зонах камеры сгорания.

Общее количество химического вещества, вводимого с разных точек в горящую газовую смесь внутри печи, должно быть достаточным для того, чтобы снизить уровень задымленности газовых выбросов, приостановить коррозионные процессы, образование шлаковых отложений и тем самым уменьшить расходы на периодическое обслуживание печи, т.е. ее чистку. Шлаковые отложения приводят к тому, что возрастает перепад давления по всему сечению печи, т.е. в парогенерирующем трубном пучке. Интенсивность дозирования варьируется с тем, чтобы достичь долгосрочного воздействия на отмеченные параметры, или даже должна быть выше оптимального уровня, в случае уже имеющихся на поверхности шлаковых отложений.

Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что выброс отходов достаточно хорошо поддается регулированию. В то же время обеспечивается возможность сдерживания коррозионных процессов, регулирования уровня ПВС углерода в шлаке и количественного содержания SO₃. Во многих случаях это приводит к значительной экономии затрат, увеличению эффективности с точки зрения температурного режима в нижней части дымовой трубы, более чистой поверхности воздушного нагревателя, снижению скорости коррозии на воздушном нагревателе и во всей трубе, при этом не требуется избыток кислорода, а стенки печи становятся чище, что приводит к снижению температуры на выходе из печи, поверхности теплообменников в конвекционной зоне котла также становятся чище.

Технологический способ, предлагаемый настоящим изобретением, может быть рассмотрен с точки зрения уникальной перспективы системного анализа. В соответствии с этим аспектом эффективность ввода в печь, или в само топливо, химических веществ, замедляющих коррозию, предотвращающих образование шлаков и управляющих газовым выбросом определяют как отношение к эффективности введения в печь, или в само топливо, или и в печь и в топливо катализаторов горения. После этого определяют эффективность ввода различных комбинаций вышеперечисленных веществ, с тем чтобы выбрать один или несколько необходимых режимов химической обработки. Наиболее предпочтительный режим обработки должен включать в себя, по крайней мере, две стадии обработки, но наибольшую эффективность дает режим с тремя стадиями обработки. В любом случае, определение эффективности может быть проведено либо с помощью компьютера, либо с помощью методик, описанных в вышеуказанных американских патентах.

Помимо вышеуказанного, способ позволяет осуществлять прямое или удаленное наблюдение во время работы агрегата или во время его простоя. Ключевой фактор настоящего изобретения, отличающий его от всех других, уже существующих технологических способов, заключается в том, что специальное, целевое, направленное введение химических веществ производят наряду с ненаправленным введением, особенно в комбинации катализаторов горения с химикалиями, замедляющими коррозию и образование шлаков. Степень использования химических веществ и техническое обслуживание котла также улучшают за счет того, что уровень ПВС углерода, образование шлаков и коррозионные процессы являются регулируемыми.

Нижеприведенные примеры иллюстрируют и поясняют способ, предлагаемый настоящим изобретением, но не являются ограничениями настоящего изобретения. Если иное не будет указано отдельно в контексте, все части и процентные соотношения относятся к общему весу химического соединения в данной конкретной контрольной точке.

Пример 1

В этом примере гидроксид магния вводили в жидкое горючее, использующееся в паровых котлах на предприятии по производству электроэнергии, в количестве 0.20 кг на 1000 кг топлива. Гидроксид магния также добавляли и в сам агрегат парового котла, в местах, определенных с помощью гидродинамического моделирования, как описано в Патенте США №5894806. Количество вводимого в этом случае гидроксида магния также равнялось 0.20 кг на каждые 1000 кг топлива. В качестве катализатора горения в горючее вводили нитрат кальция в количестве 0.25 кг на 1000 кг топлива. Гидроксид магния, вводимый в топливо, выполнял две функции: защита нижней части печи от образования шлаковых отложений и защита от горячей коррозии за счет механизма связывания ванадия в жидком топливе.

Кроме того, посредством добавления гидроксида магния предотвращали загрязнение нижней части печи продуктами распада катализаторов горения. Большинство катализаторов горения, использующихся для ископаемого топлива, также приводят к загрязнению нижней части печи. Коэффициент непрозрачности в контрольной точке по этому испытанию составил 25% до введения вышеуказанных химических веществ, а избыток кислорода был на уровне 1.5-2.0%. После введения химических веществ по модели CFD коэффициент непрозрачности упал до отметки 4%, а уровень избытка кислорода стал равен приблизительно 0.5%. Характерно, что подобная операция никогда ранее не проводилась на этом агрегате и соответственно никогда ранее не удавалось достичь на нем такого высокого КПД. Анализ топлива показал, что содержание в нем ванадия составило 250 ppm, серы - 2.0%, асфальтенов - 12%. Такие результаты не могут быть достигнуты при введении химических веществ только в корпус печи.

Пример 2

Применяли обработку, подобно той, что описана в Примере 1. При этом было отмечено снижение коэффициента непрозрачности дымового султана с отметки 30% до 7%. В данном Примере 2, однако, катализатор горения добавляли в топливо в количестве 0.25 кг на 1000 кг топлива, а в саму печь вводили магний в количестве 0.35 кг на 1000 кг топлива.

Вышеприведенное подробное описание настоящего изобретения предназначено для специалистов в данной области с целью обучения их практическому применению предлагаемого способа. Настоящее описание не имеет перед собой цели охватить все возможные модификации или изменения предлагаемого способа, которые будут достаточно очевидными для специалистов, имеющих необходимый опыт и знания в данной области. Однако цель этого описания заключается в том, чтобы включить все такие возможные модификации и изменения в рамки предлагаемого изобретения, суть которого будет определена нижеприведенной формулой изобретения. Формула изобретения охватывает все заявляемые компоненты и процедуры, которые отвечают поставленным задачам данного изобретения, если только в контексте конкретно не будет определено прямо противоположное.

1. Способ уменьшения коэффициента непрозрачности дымового султана, выбрасываемого в атмосферу крупными промышленными предприятиями и агрегатами, использующими в своей работе камеры сгорания, отличающийся тем, что он предусматривает следующие этапы:
определение эффективности введения в печь обрабатывающих химических веществ, способных регулировать выброс в атмосферу дымового султана, а также замедлять процессы коррозии и образования шлаков,
определение эффективности добавления в топливо обрабатывающих химических веществ, способных регулировать процесс выброса дымового султана в атмосферу, а также замедлять процессы коррозии и образования шлаков,
определение эффективности добавления в топливо катализаторов горения,
определение эффективности добавления в саму печь катализаторов горения,
определение эффективности введения катализаторов горения в саму печь путем распыления струй этих химических веществ,
определение эффективности комбинирования различных типов химической обработки, перечисленных выше, причем определение осуществляют вычислительным путем, включающим вычислительную гидродинамику и результаты наблюдений, а также
выбор наиболее предпочтительного режима химической обработки, включающий в себя один или более из выше перечисленных способов обработки; и применение режима химической обработки, определенного вышеуказанным способом путем добавления в топливо катализаторов горения или путем введения в печь обрабатывающих химических веществ для контроля дымового султана, причем выбранный режим служит для уменьшения коэффициента непрозрачности дымового султана, улучшения горения и/или уменьшения шлакообразования, и/или уменьшения потери веса при сгорании углерода, и/или уменьшения коррозии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве катализаторов горения используют соединения металлов, причем металлы выбирают из группы, включающей медь, железо, магний, кальций, церий, барий и цинк.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве обрабатывающих химических веществ, вводимых в печь, используют оксид или гидроксид магния, введенный в растворитель.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оптимального режима химической обработки применяют, по крайней мере, три из вышеперечисленных способов.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве катализаторов горения используют соединения металлов, причем металл выбирают из группы, включающей медь, железо, магний, кальций, церий, цинк и барий.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве обрабатывающего химического вещества, вводимого в печь, используют суспензии оксида или гидроксида магния.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что концентрация определенного обрабатывающего химического вещества, вводимого в печь в виде суспензии или раствора, составляет примерно от 1 до 100% в зависимости от веса суспензии или раствора.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор горения вводят либо в топливо, либо внутрь камеры сгорания, при этом интенсивность дозировки варьируют от 0,2 до 0,8 кг на каждые 1000 кг углеродосодержащего топлива, сжигаемого в камере сгорания.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку определенным химическим веществом, вводимым в печь, производят путем введения внутрь камеры сгорания этого вещества в количестве от 0,2 до 0,5 кг на каждые 1000 кг углеродосодержащего топлива, сжигаемого в камере сгорания.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что химическую обработку обрабатывающим химическим веществом, вводимым в печь, производят на нескольких уровнях.

11. Способ оптимизации работы камеры сгорания, отличающийся тем, что он предусматривает следующие этапы:
сжигают углеродосодержащее топливо, содержащее также катализатор горения, в качестве которого используют нитрат кальция,
задают условия горения внутри камеры сгорания, которые оптимизируют путем введения внутрь печи обрабатывающих химических веществ, где определения осуществляются вычислительным путем, включающим вычислительную гидродинамику и результаты наблюдений,
основываясь на результатах предыдущего этапа, применяют режим химической обработки путем введения обрабатывающих химических веществ в печь в те места, где улучшения будут выражены в виде уменьшения коэффициента непрозрачности дымового султана, улучшении горения и/или уменьшении шлакообразования, и/или уменьшения потери веса при сгорании углерода, и/или уменьшения коррозии.