Способ и система для извлечения тепла из отходящих газов из печи и печь, работающая на ископаемых топливах
Изобретение относится к способу и системе для извлечения тепла из отходящих газов из печи, работающей на ископаемых топливах. Способ включает прием потока отходящих газов в воздухоподогреватель, вычисление массового расхода кислотного материала, проходящего в отходящих газах, массового расхода щелочных частиц, нагнетаемых в поток отходящих газов для нейтрализации кислотного материала, нагнетание щелочных частиц с распределением размеров частиц при вычисленном массовом расходе в поток отходящих газов выше по потоку от воздухоподогревателя, вычисление степени скопления макрочастиц отходящих газов, регулирование по меньшей мере одного из массового расхода, при котором щелочные частицы нагнетаются в отходящие газы, и распределение размеров щелочных частиц, нагнетаемых в отходящие газы, так чтобы при падении давления, большем заранее определенного порога, нагнетался относительно больший процент крупных частиц для контактирования с теплообменными элементами и прилипания к ним большего числа щелочных частиц, нейтрализующих кислотный материал, конденсирующийся на этих элементах, а при падении давления, меньшем заранее определенного порога, нагнетался относительно малый процент крупных частиц. Раскрыта также система извлечения тепла из отходящих газов. Обеспечивается передача большего количества тепла из дымовой трубы, снижение температуры отходящих газов в выпускном отверстии без избыточного обрастания. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.
Данное изобретение относится в основном к системе обработки и рекуперации тепла выхлопов (ОРТВ) и способу ее применения с печами, работающими на ископаемом топливе. В частности, данное изобретение относится к системе ОРТВ, в которой частицы щелочи вводятся в поток отходящих газов для обеспечения дополнительного извлечения теплоты и уменьшения обрастания (внешнего загрязнения) оснастки воздухоподогревателя.
Многие системы выработки электроэнергии снабжаются водяным паром, который производится посредством печей, работающих на ископаемых топливах, например, таких как уголь или нефть. На чертеже согласно фиг.1A в общем виде изображена типичная система выработки электроэнергии, например, аналогичная той, которая раскрыта в публикации JP 2007253130 A.
На фиг.1A показана система 10 выработки электроэнергии, которая включает в себя парогенераторную систему 25, систему 15 обработки и регенерации тепла выхлопов (СОРТВ) и дымовую трубу 90. Парогенераторная система 25 включает в себя печь 26. COPTB 15 может включать в себя регенеративный воздухоподогреватель 50, систему 70 для удаления макрочастиц и систему 80 для мокрой газоочистки. Для нагнетания воздуха на холодную сторону воздухоподогревателя 50 через впускное отверстие 51 предусмотрен тягодутьевой (ТД) вентилятор 60. Система 70 для удаления макрочастиц может включать в себя, например, ловушку с электростатическим осаждением (ЛЭО) и/или систему тканевых фильтров (пылеуловительную камеру с рукавными фильтрами) либо аналогичное средство. Система 80 для мокрой газоочистки может включать в себя, например, систему мокрой или сухой очистки от сернистых соединений (МОСС или СОСС).
Регенеративный воздухоподогреватель 50 способствует увеличению термического кпд печи 26 и тем самым уменьшению ее эксплуатационных издержек и выбросов газов, создающих парниковый эффект. Воздухоподогреватель 50 представляет собой устройство, предназначенное для подогрева воздуха перед введением его в другой процесс, например, такой как проходящий в камере сгорания печи 26. Есть разные типы регенеративных воздухоподогревателей, включая те, которые содержат поступательно движущиеся или вращающиеся теплообменные элементы, например, такие, как воздухоподогреватель Ljungstrom®. В других регенеративных воздухоподогревателях используются неподвижные теплообменные элементы и/или внутренние вращающиеся колпаки либо трубопровод, который крепится к жестко закрепленным воздуховодам или газоходам.
На фиг.1B и 1C представлены чертежи, иллюстрирующие общий вид обычного вращающегося регенеративного воздухоподогревателя 50. Типичный воздухоподогреватель 50 имеет ротор 512, установленный с возможностью вращения в кожухе 524. Ротор 512 состоит из диафрагм или перегородок 516, проходящих радиально от опоры 518 ротора до внешней периферии ротора 512.
Перегородки 516 ограничивают между собой отсеки 520. Эти перегородки 516 содержат корзиночные узлы 522 теплообменных элементов. Каждый корзиночный узел 522 включает в себя один или более особым образом формованных листов с теплопередающими поверхностями, которые также именуют теплообменными элементами 542. Площадь поверхности теплообменных элементов 542 является значительной и в типичном случае составляет порядка нескольких тысяч квадратных футов.
В типичном вращающемся регенеративном воздухоподогревателе 50 поток отходящих газов (FG1) и поток воздуха для горения (A1) попадают в ротор 512 с противоположных концов или сторон воздухоподогревателя 50 и проходят в противоположных направлениях по теплообменным элементам 542, которые заключены в пределах корзиночных узлов 522. Поэтому впускное отверстие 51 для холодного воздуха и выпускное отверстие 54 для охлажденных отходящих газов находятся на одном конце воздухоподогревателя 50 (обычно именуемом холодным концом 544), а впускное отверстие 53 для горячих отходящих газов и выпускное отверстие 52 для нагретого воздуха находятся на противоположном конце воздухоподогревателя 50 (обычно именуемом холодным концом 546). Рядом с верхней и нижней гранями ротора 512 через корпус 524 проходят секторные пластины 536. Секторные пластины 536 делят воздухоподогреватель 50 на сектор 538 воздуха и сектор 540 отходящих газов.
Стрелки, показанные на фиг.1B и 1C, обозначают направление потока FG1/FG2 отходящих газов и потока A1/A2 воздуха через ротор 512. Поток FG1 отходящих газов передает тепло теплообменным элементам 542 в корзиночных узлах 522, установленных в отсеках сектора 540 отходящих газов. Затем нагретые корзиночные узлы 522 поворачиваются к сектору 538 воздуха воздухоподогревателя 50. Потом запасенное тепло корзиночного узла 522 передается потоку A1 воздуха, входящему через впускное отверстие 51 для воздуха. Поток холодных отходящих газов FG2 покидает воздухоподогреватель 50 через выпускное отверстие 54 для отходящих газов, а поток A2 нагретого воздуха покидает воздухоподогреватель 50 через выпускное отверстие 52 для воздуха.
Как показано на фиг.1A, воздухоподогреватель 50 подогревает воздух, вводимый через ТД-вентилятор 60. Отходящий газ (FG1), испускаемый из камеры сгорания печи 26, принимается воздухоподогревателем через впускное отверстие 53. Тепло рекуперируется из отходящего газа (FG1) и передается входящему воздуху (A1). Нагретый воздух (A2) подается в камеру сгорания печи 2 6 для повышения термического кпд печи 26.
Во время процесса сгорания в печи 26 сера, присутствующая в топливе, используемом для горения в печи 26, окисляется до диоксида серы (SO2). После процесса сгорания некоторое количество SO2 дополнительно окисляется до триоксида серы (SO3), причем окисление до SO3 происходит в количествах порядка 1%-2%. SO2 и SO3 будут пропускаться из камеры сгорания печи 26 в дымовую трубу как часть отходящего газа FG1, который затем испускается из парогенераторной системы 25 и принимается впускным отверстием 53 воздухоподогревателя 50. Это окисление обеспечивается присутствием оксида железа, ванадия и других металлов в надлежащем диапазоне температур. Широко известным способом окисления части SO2 в отходящем газе FG1 до SO3 также является селективное каталитическое восстановление (СКВ).
Когда тепло рекуперируется/извлекается посредством воздухоподогревателя из отходящего газа FG1, температура отходящего газа FG1 снижается. Желательно отбирать максимальное количество тепла у отходящего газа и передавать его нагретому воздуху, поступающему в печь или мельницы для размола топлива, для оптимизации термического кпд электростанции. Дополнительное извлечение тепла обеспечивает разработку и применение оборудования для сбора макрочастиц, газоочистного оборудования, газоходов и дымовых труб ниже по потоку от выпускного отверстия для отходящих газов, рассчитанных на меньшие диапазоны температур и уменьшенные объемные расходы. Меньший номинал температуры и меньший расход означают, что можно реализовать огромные снижения себестоимости за счет того, что не требуется разработка оборудования, способного выдерживать повышенные температуры и повышенные расходы. Вместе с тем, меньший диапазон температур отходящих газов может привести к избыточной конденсации триоксида серы (SO3) или паров серной кислоты (H2SO4), которые могут присутствовать в отходящем газе. В результате, на поверхностях теплообменных элементов 522 воздухоподогревателя 50 может накапливаться серная кислота. Конденсированная кислота, которая присутствует на теплопередающих поверхностях, может собирать летучую золу, имеющуюся в потоке отходящих газов. Эта кислота вызывает более плотное прилипание летучей золы к поверхностям. Этот процесс «обрастания» замедляет протекание воздуха и отходящего газа сквозь воздухоподогреватель, приводит к повышенному падению давления на воздухоподогревателе, а также к пониженной эффективности теплопередачи.
По истечении некоторого периода времени, скопления кислоты и летучей золы на поверхностях воздухоподогревателя 50 увеличиваются до таких размеров, что их приходится удалять, чтобы поддержать теплопроизводительность воздухоподогревателя и приемлемое падение давления на нем. В типичном случае, это делают путем периодической (например, 3 раза в сутки) «обдувки» теплопередающей поверхности сжатым воздухом для удаления отложений, которые накопились на теплопередающей поверхности во время работы воздухоподогревателя. Кроме того, во время перерыва в работе парогенераторной системы 25, когда печь 26 отключена и проводятся операции технического обслуживания, можно проводить промывку воздухоподогревателя водой.
Потенциальная выгода снижения температуры в выпускном отверстии для отходящих газов заключается в том, что система 70 для удаления макрочастиц и оборудование 80 для мокрой газоочистки могут быть спроектированы для меньшей рабочей температуры. Отходящий газ с меньшей температурой имеет меньший объемный расход. Снижение температуры, объема и кислотности отходящего газа снижает эксплуатационные и капитальные затраты, которые связаны с оборудованием, спроектированным для повышенных объемных расходов, повышенных рабочих температур или повышенных концентраций SO3 и/или H2SO4 в отходящем газе. Эти условия имели бы место, если бы кислоту не конденсировали и/или не нейтрализовали для предотвращения избыточного обрастания теплопередающих поверхностей. Сразу же после того как выхлоп отходящих газов прошел через операции удаления макрочастиц и мокрой газоочистки, он после этого готов к введению в дымовую трубу 90 для подъема и рассеивания по широкой географической зоне.
Извлечение тепла из отходящих газов выгоден и используется для осуществления различных операций на типичной электростанции. Вместе с тем, в существующих парогенераторных системах, работающих на угле и/или нефти, извлечение дополнительного тепла из потока выхлопных газов является дорогостоящим. Избыточное снижение температуры отходящих газов без учета дополнительной конденсации паров H2SO4 в отходящем газе будет приводить к избыточному обрастанию теплопередающих поверхностей в воздухоподогревателе. Таким образом, в промышленности существует потребность в устранении вышеупомянутых недостатков и несоответствий требованиям.
Согласно первому объекту изобретения создан способ извлечения тепла из отходящих газов с обработкой потока отходящих газов из печи, работающей на ископаемых топливах, имеющих кислотный материал и макрочастицы, с помощью воздухоподогревателя, имеющего впускное отверстие для отходящих газов, выпускное отверстие для отходящих газов и множество теплообменных поверхностей, включающий в себя этапы, на которых:
принимают поток отходящих газов во впускное отверстие для отходящих газов воздухоподогревателя,
вычисляют массовый расход кислотного материала, проходящего в отходящих газах,
вычисляют массовый расход щелочных частиц, нагнетаемых в поток отходящих газов для нейтрализации кислотного материала,
нагнетают щелочные частицы с распределением размеров частиц при вычисленном массовом расходе в поток отходящих газов выше по потоку от воздухоподогревателя в месте, которое обеспечивает надлежащее смешивание щелочных частиц с отходящим газом до того, как он попадет воздухоподогреватель,
вычисляют степень скопления макрочастиц отходящих газов,
на основании вычисленной степени скопления макрочастиц отходящих газов регулируют по меньшей мере одно из массового расхода, при котором щелочные частицы нагнетаются в отходящие газы, и распределения размеров щелочных частиц, нагнетаемых в отходящие газы, таким образом, что
когда падение давления больше, чем заранее определенный порог, происходит нагнетание относительно большего процента крупных частиц вследствие чего больше щелочных частиц вступают в контакт с теплообменными элементами, прилипают к ним и нейтрализуют кислотный материал, конденсирующийся на этих элементах, а
когда падение давления меньше, чем заранее определенный порог, происходит нагнетание относительно малого процента крупных частиц,
при этом нагнетаемые щелочные частицы действуют с обеспечением уменьшения скопления макрочастиц отходящих газов на теплообменных элементах, снижения обрастания и коррозии теплопередающих поверхностей и внутренних компонентов воздухоподогревателя и увеличения термического коэффициента полезного действия воздухоподогревателя.
Предпочтительно, мелкие щелочные частицы имеют диаметр, равный 1-150 микрон.
Предпочтительно, крупные щелочные частицы имеют диаметр, равный 150-250 микрон.
Предпочтительно, этап коррекции распределения размеров щелочных частиц включает в себя этап, на котором регулируют распределение размеров щелочных частиц путем управления работой измельчителя для получения требуемого массового количества щелочного материала и придания щелочному материалу размеров частиц в соответствии с желаемым распределением.
Предпочтительно, этап вычисления степени скопления макрочастиц отходящих газов включает в себя этапы, на которых измеряют падение давления на воздухоподогревателе от впускного отверстия для отходящих газов до выпускного отверстия для отходящих газов и сравнивают измеренное падение давления с по меньшей мере одним заранее определенным порогом с получением в результате степени скопления макрочастиц отходящих газов.
Предпочтительно, подогреватель представляет собой вращающийся воздухоподогреватель, имеющий ротор, который вращается электродвигателем, питаемым электрическим током изменяющегося напряжения, при этом этап вычисления степени скопления макрочастиц отходящих газов включает в себя этапы, на которых:
измеряют напряжение и электрический ток, сравнивают измеренный ток при измеренном напряжении с заранее определенным током для того же напряжения, чтобы определить разность токов, и
сравнивают разность токов с заранее запомненной информацией о преобразовании для определения степени скопления макрочастиц отходящих газов.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создана система для извлечения тепла из отходящих газов с обработкой потока отходящих газов из печи, работающей на ископаемых топливах и производящей нагретые отходящие газы, имеющие кислотный материал и макрочастицы, содержащая:
воздухоподогреватель, соединенный с печью и имеющий впускное отверстие для отходящих газов, выполненное с возможностью приема отходящих газов, множество теплообменных пластин для извлечения тепла из отходящих газов и выпускное отверстие для отходящих газов, предназначенное для выпуска отходящих газов после прохождения их по теплообменным пластинам,
датчик отходящих газов для мониторинга физических и химических условий в пределах отходящих газов,
датчик падения давления, выполненный с возможностью измерения падения давления от впускного отверстия воздухоподогревателя до выпускного отверстия воздухоподогревателя;
систему для нагнетания щелочи, реагирующую на управляющие сигналы из управляющего устройства, для введения щелочных частиц в поток отходящих газов выше по потоку от воздухоподогревателя, когда тот включен, и
программируемый логический контроллер (ПЛК), выполненный с возможностью вычисления массового расхода щелочных частиц на основании определяемых условий в отходящих газах и управления системой для нагнетания щелочи для регулирования сравнительного соотношения мелких и крупных частиц среди щелочных частиц на основании падения давления, измеренного от впускного отверстия для отходящих газов до выпускного отверстия для отходящих газов, и нагнетания при вычисленном массовом расходе щелочных частиц, имеющих скорректированное сравнительное соотношение мелких частиц и крупных частиц, для нейтрализации кислотных материалов в отходящих газах.
Предпочтительно, датчик отходящих газов представляет собой по меньшей мере один из:
датчика расхода, выполненного с возможностью измерения массового расхода отходящих газов,
датчика макрочастиц, выполненного с возможностью измерения концентрации макрочастиц отходящих газов в отходящих газах, и
датчика для отбора проб, выполненного с возможностью измерения по меньшей мере одного химического параметра макрочастиц отходящих газов.
Предпочтительно, программируемый логический контроллер (ПИК) выполнен с возможностью вычисления массового расхода щелочных частиц на основании массового расхода отходящих газов, влагосодержания отходящего газа, концентрации кислотных материалов, концентрации макрочастиц отходящих газов и определения химического состава макрочастиц отходящих газов.
Предпочтительно, система для нагнетания щелочи выполнена с возможностью введения щелочных частиц, имеющих некоторый диапазон размеров.
Предпочтительно, воздухоподогреватель содержит вспомогательное выпускное отверстие для вывода второго потока нагретого воздуха.
Предпочтительно, воздухоподогреватель дополнительно содержит второе впускное отверстие для приема вспомогательного вводимого воздуха.
Согласно третьему объекту изобретения создана печь, работающая на ископаемых топливах и производящая нагретые отходящие газы, имеющие кислотный материал и макрочастицы, с вышеописанной системой для извлечения тепла из отходящих газов с обработкой потока отходящих газов, содержащая:
воздухоподогреватель, соединенный с печью и выполненный с возможностью приема нагретых отходящих газов, нейтрализации кислот в нагретых отходящих газах, извлечения нагретого воздуха для горения для печи, извлечения дополнительного нагретого воздуха, используемого в системе, снижения температуры отходящих газов до значения ниже кислотной точки росы отходящих газов и снижения объема отходящих газов, покидающих воздухоподогреватель, и
оборудование для обработки отходящих газов, подключенное к воздухоподогревателю ниже по потоку от него.
Другие системы, способы, признаки и преимущества данного изобретения будут или станут понятными для специалиста в данной области техники после изучения нижеследующих чертежей и подробного описания. Предполагается, что все такие дополнительные системы, способы, признаки и преимущества охватываются этим описанием, находятся в рамках объема притязаний данного изобретения и защищаются прилагаемой формулой изобретения.
Данное изобретение будет понятнее, а его многочисленные задачи и преимущества станут очевидными для специалистов в данной области техники при обращении к прилагаемым чертежам, на которых:
фиг.1A - чертеж, иллюстрирующий типичную парогенераторную систему и связанное с ней оборудование для обработки выхлопов;
фиг.1B - чертеж, на котором показано перспективное изображение с частичным срезом обычного вращающегося воздухоподогревателя;
фиг.1C - схематический чертеж, на котором показано дополнительное перспективное изображение обычного вращающегося воздухоподогревателя согласно фиг.1B;
фиг.2A - чертеж, иллюстрирующий в целом один вариант осуществления системы для обработки и рекуперации тепла выхлопов в соответствии с изобретением;
фиг.2B - чертеж, иллюстрирующий в целом дополнительный вариант осуществления системы для обработки и рекуперации тепла выхлопов в соответствии с изобретением; и
фиг.3 - схематический чертеж, иллюстрирующий вариант осуществления воздухоподогревателя, имеющего вспомогательное впускное отверстие для воздуха.
Назначение данного изобретения состоит в том, чтобы разработать средство для извлечения большего тепла из отходящего газа, когда он проходит через сторону газа регенеративного воздухоподогревателя, без избыточного обрастания или избыточной коррозии теплопередающих поверхностей оборудования ниже по потоку от этого регенеративного воздухоподогревателя.
Данное изобретение направлено на разработку управления количеством кислоты, которая конденсируется и накапливается на теплопередающих элементах воздухоподогревателя и тем самым на повышение эффективности воздухоподогревателя при извлечении тепла из потока FG1 отходящих газов, идущего из камеры сгорания, например печи. Дополнительный аспект изобретения направлен на разработку управления «влажностью» отложения на теплопередающих поверхностях таким образом, что это отложение можно поддерживать в состоянии, которое обеспечивает легкое удаление его (отложения) во время работы воздухоподогревателя. Дополнительный аспект предлагаемого изобретения направлен на разработку воздухоподогревателя, который имеет конфигурацию, обеспечивающую распределение дополнительного тепла, извлекаемого из потока FG1 отходящих газов, благодаря повешенной эффективности воздухоподогревателя при извлечении тепла из потока отходящих газов.
Снижение концентрации SO3, попадающего в воздухоподогреватель, а также дополнительное средство для извлечения тепла из отходящего газа, когда тот проходит через воздухоподогреватель, будут иметь несколько выгод: (1) объемный расход отходящих газов, покидающих воздухоподогреватель, будет меньшим; (2) температуры подогрева потоков на стороне воздуха (обычно именуемых основным и вспомогательным воздухом) можно увеличить; и (3) дополнительную энергию в форме подогретого воздуха можно сделать доступной для использования в других местах на электростанции. Потенциальными приложениями этой дополнительной энергии являются: подогрев питательной воды котла, сушка угольной пыли, транспортировка угольной пыли к горелкам, подача энергии в системы для улавливания СO2 после сгорания, подогрев дымового газа для уменьшения видимого шлейфа паров воды или использование для других приложений, где в пределах электростанции требуется тепло.
На фиг.2A и 2B представлены чертежи, иллюстрирующие в целом варианты осуществления системы 215 для обработки и регенерации тепла выхлопов в соответствии с предлагаемым изобретением. На фиг.2A представлен чертеж, иллюстрирующий COPTB 215, которая включает в себя систему 276 для нагнетания щелочи, предназначенную для интерактивного введения сорбента, состоящего из щелочных частиц 275, в поток FG1 отходящих газов перед тем, как воздухоподогреватель 250 примет FG1 через впускное отверстие 253. Система 276 для нагнетания щелочи обладает способностью селективного введения различных распределений размеров щелочных частиц 275 в сорбенте.
В этом варианте осуществления, COPTB 215 включает в себя регенеративный воздухоподогреватель 250, систему 70 для удаления макрочастиц и систему 80 для мокрой газоочистки. Для введения потока A1 воздуха на холодную сторону воздухоподогревателя 250 через впускное отверстие 251 предусмотрен ТД-вентилятор 60. Система 70 для удаления макрочастиц может включать в себя, например, ловушку с электростатическим осаждением (ЛЭО) и/или систему тканевых фильтров (пылеуловительную камеру с рукавными фильтрами) либо аналогичное средство. Система 80 для мокрой газоочистки может включать в себя, например, систему для мокрой или сухой очистки от сернистых соединений (МОСС или СОСС).
Во время работы СОРТВ 215, триоксид серы (SO3) и пары воды (H2O) в отходящем газе FG1 могут объединяться, образуя пары кислоты в диапазоне рабочих температур отходящего газа выше по потоку от воздухоподогревателя 250. Как только отходящий газ, содержащий эти пары кислоты, достигает воздухоподогревателя 250, он будет вступать в контакт с различными поверхностями в воздухоподогревателе 250, включая теплопередающие элементы (позиция 542 на фиг.1B), конденсироваться и скапливаться на них, когда охладится ниже температуры его кислотной точки росы. Это скопление конденсировавшейся кислоты приведет к «обрастанию» воздухоподогревателя во время его работы за счет сбора и удержания частиц летучей золы на поверхности, являющейся теплопередающей поверхностью, а значит, и к задержке течения отходящего газа FG1 через воздухоподогреватель 250. В результате этого возникнет избыточное падение давления на воздухоподогревателе и произойдет общий спад эффективной передачи тепла потока FG1 отходящих газов входному потоку A1 воздуха.
Пары кислоты и концентрированную кислоту можно собирательно именовать «кислотным материалом».
В одном варианте осуществления данного изобретения применяются датчики 310 отходящих газов, оперативно контролируют физические и химические параметры отходящего газа. В зависимости от их использования эти датчики можно размещать во впускном отверстии или выпускном отверстии, либо в другом месте внутри воздухоподогревателя 250.
Программируемый логический контроллер (ПЛК) 305 считывает информацию от датчиков и определяет надлежащий массовый расход для нейтрализации кислотного материала в отходящих газах. Этот массовый расход также можно определить путем вычисления, исходя из условий горения топливовоздушной смеси, которые передаются из печи различными способами передачи данных при использовании в печах, работающих на ископаемом топливе. Возможно также управление системой 276 для нагнетания щелочи, заставляющее эту печь нагнетать щелочной материал с надлежащим размером частиц при вычисленном массовом расходе в отходящие газы выше по потоку от впускного отверстия 253 для отходящих газов.
Щелочные частицы 275, например известкового порошка или других щелочных материалов, вводят как сорбент в поток FG1 отходящих газов выше по потоку от впускного отверстия 51 воздухоподогревателя (т.е. до того как поток FG1 отходящих газов достигает воздухоподогревателя 50). Эти частицы служат в качестве мест конденсации для паров кислоты в пределах потока FG1 отходящих газов, а затем выполняют функцию нейтрализации конденсировавшейся кислоты. Как конденсация, так и нейтрализация кислоты происходит внутри воздухоподогревателя, когда отходящий газ охлаждается до температуры, которая будет инициировать конденсацию паров кислоты. Введение массового количества (например, при массовой доле щелочных частиц, составляющей, например, от 1% до 25%), адекватного концентрации кислоты, в поток FG1 отходящих газов, когда тот проходит через воздухоподогреватель 250, вызывает нейтрализацию большинства кислоты. Вместе с тем, введение щелочного материала в поток отходящих газов строго в стехиометрическом количестве не приводит к наиболее эффективному управлению обрастанием, вызываемым скоплением кислоты внутри воздухоподогревателя 250. Чтобы эффективнее управлять образованием и скоплением кислоты внутри воздухоподогревателя, предлагается вводить в поток FG1 отходящих газов щелочные частицы, имеющие изменяемый диапазон размеров (диаметров).
Измеряя градиент температуры отходящего газа, когда тот проходит по теплопередающим поверхностям внутри воздухоподогревателя, и управляя массовым количеством и распределением размеров щелочных частиц, которые вводятся в поток FG1 отходящих газов, можно управлять степенью, до которой кислота конденсируется и остается на теплопередающей поверхности и в отходящем газе, когда отходящий газ проходит через воздухоподогреватель 250.
Размер частиц летучей золы, получаемых в результате типичного сгорания угля, изменяется от менее 0,01 микрона до более 100 микрон. Меньшего диаметра частицы летучей золы или другого сыпучего материала, присутствующие в потоке FG1 отходящих газов, обычно имеющие мерее 5 микрон в диаметре, склонны обеспечивать надлежащий зародыш для конденсации и потенциальной нейтрализации паров H2SO4, которые могут существовать в потоке FG1 отходящих газов.
Если конденсация приводит к отложению на теплопередающей поверхности, которое нельзя удалить способами очистки, применяемыми во время работы воздухоподогревателя, отложения будут скапливаться до того момента, когда поддерживать нормальную работу воздухоподогревателя уже не удастся. Вместе с тем, когда процесс конденсации объединен с процессом нейтрализации, который может происходить, когда в поток отходящих газов вводят адекватное массовое количество щелочных материалов с надлежащим распределением размеров частиц, поддерживать успешную работу воздухоподогревателя удается. Процесс нейтрализации приведет к снижению количества кислоты, которая остается на теплопередающей поверхности и внедряется в отложения сыпучих материалов внутри воздухоподогревателя.
Важным фактором эффективности управления обрастанием внутри воздухоподогревателя является место, где макрочастицы отходящего газа контактируют с различными теплопередающими поверхностями теплообменных элементов (позиция 542 на фиг.1B) воздухоподогревателя, а также размер этих частиц. Меньшие частицы обладают большей склонностью к увлечению потоком отходящих газов и менее склонны ударяться о поверхность теплообменных элементов. Крупные частицы, в общем случае крупнее 15 микрон, имеют большее количество движения и более склонны ударяться о поверхность теплообменных элементов. Крупные частицы также обладают большей склонностью к отрыву от поверхностей теплообменных элементов (на скапливаясь на них), если на поверхности частицы или на поверхности теплообменных элементов мало кислоты или ее нет вообще. Крупные частицы также могут действовать как средство для «мокрой очистки» или эрозии мелких частиц с поверхностей воздухоподогревателя, таких как поверхности теплообменных элементов, если мелкие частицы непрочно связаны с поверхностью.
Нагнетание щелочных частиц ниже по потоку от воздухоподогревателя в типичном случае проводят для управления выбросами шлейфа SO3 и улучшения удаления ртути посредством пылеуловительной камеры с рукавными фильтрами или посредством электрофильтра. Однако это не влияет на обрастание воздухоподогревателя.
В данном изобретении, щелочные частицы нагнетаются в газоход выше по потоку от отверстия для впуска газов в воздухоподогреватель. Они должны быть распределены посредством нагнетательной системы, чтобы гарантировать, что адекватная навеска щелочного материала равномерно рассеивается по всему поперечному сечению газохода, обеспечивая прохождение процессов конденсации и нейтрализации как только поток отходящих газов попадает в воздухоподогреватель и охлаждается до температуры своей кислотной точки росы или вступает в контакт с теплопередающими поверхностями внутри воздухоподогревателя, имеющими температуры ниже температуры кислотной точки росы.
Когда отходящие газы, содержащие триоксид серы и пары воды, имеют температуру, которая ниже кислотной точки росы, серная кислота конденсируется, становясь жидкостью. Конденсация будет происходить на поверхностях внутри воздухоподогревателя, имеющих температуры, которые ниже температуры локальной точки росы, а при дальнейшем охлаждении конденсация также может происходить в переделах самого потока газов.
Когда поток газов достигает перенасыщенного состояния, серная кислота может конденсироваться за счет самообразования зародышей в отсутствие вовлекаемых макрочастиц. Это обычно происходит, когда температура отходящих газов ниже локальной кислотной точки росы. Если поток газов содержит вовлекаемые частицы, то эти частицы действуют как центры зародышеобразования, и конденсация происходит при температурах, которые ближе к локальной точке росы.
Вообще говоря, мелкие частицы, когда они есть, первыми дают конденсацию, когда та идет в пределах потока газов. Это происходит благодаря тому, что у мелких частиц отношения площади поверхности к объему больше, и это позволяет им точнее отслеживать температуру отходящих газов во время охлаждения. У крупных частиц эти отношения меньше, и они вызывают сохранение большего тепла, а при охлаждении они остаются более влажными, чем окружающий отходящий газ. Поэтому, чтобы осуществить предпочтительную конденсацию и химическую нейтрализацию кислоты на нагнетаемой щелочной частице - в противоположность конденсации на природной летучей золе с малой нейтрализующей способностью из-за ее состава, размер упомянутой частицы должен быть малым по сравнению с большинством частиц природной летучей золы.
Как говорилось ранее, конденсация кислоты начинается на теплопередающих поверхностях при температурах на уровне кислотной точки росы или ниже. Чтобы обеспечить адекватное потребление этой кислоты до уровня, который приводит к отложению на теплопередающих поверхностях, которое можно удалить путем обдувки для удаления сажи или промывки водой, щелочные частицы следует осаждать на смоченных кислотой теплопередающих поверхностях при подходящем расходе, что адекватно нейтрализует кислоту в летучей золе. Таким образом, в этом месте роль щелочной частицы является в целом незначительной по сравнению с ролью оптимального центра зародышеобразования, и требования к ее размерам являются другими.
Физическое количество движения вовлекаемых газом частиц представляет собой средство, с помощью которого большинство частиц достигают поверхностей теплопередающих элементов внутри воздухоподогревателя. Предположим, что у всех частиц одинаковая плотность, и они движутся сквозь воздухоподогреватель со скоростью, равной скорости окружающего отходящего газа, тогда мелкие частицы имеют меньшее количество движения из-за своих меньших масс. Следовательно, при заданных равных количествах, мелкие частицы, вовлекаемые в отходящий газ, будут иметь меньшую скорость осаждения на теплопередающих поверхностях. Если для потребления кислоты, конденсирующейся на теплопередающей поверхности, потребуются повышенные скорости осаждения, то - по сравнению с увеличением количества мелких щелочных частиц в потоке газов - большой размер щелочных частиц может оказаться предпочтительным.
Оптимальные скорости нагнетания щелочных частиц могут быть достигнуты, когда распределение размеров этих частиц учитывается в двух разных вышеуказанных целях. Вероятно, это распределение размеров будет бимодальным, включающим в себя диапазоны размеров как мелких, так и крупных частиц.
Возможна также локализация мест, где внутри воздухоподогревателя будет конденсироваться кислота.
Можно также рассчитывать и изменять распределение щелочных частиц в «целевые» места с помощью воздухоподогревателя для осаждения щелочных частиц.
Когда отходящий газ проходит сквозь воздухоподогреватель, он охлаждается. Это вызывает создание градиента температуры. Зная температуру во впускном отверстии и температуру в выпускном отверстии, можно оценить градиент на воздухоподогревателе.
Когда отходящий газ проходит сквозь воздухоподогреватель, он теряет скорость. И опять, градиент скорости можно оценить, зная скорость во впускном отверстии и скорость в выпускном отверстии.
Щелочные частицы подвергаются воздействию силы протекающих отходящих газов. Сила отходящих газов, прикладываемая к частице, зависит от скорости отходящих газов, аэродинамического сопротивления и массы частицы.
Частицы также обладают количеством движения, благодаря своему движению. Количество движения частицы определяется исходя из скорости и массы частицы.
Когда сила отходящих газов недостаточно велика для того, чтобы изменить количество движения частицы, направляя ее от поверхности, частица ударяется о поверхность. Если на поверхности есть конденсированная кислота, то весьма вероятно, что частица прилипнет к поверхности. Если частица является щелочной частицей, то она нейтрализует некоторую часть конденсировавшейся кислоты.
Меньшие частицы имеют большее отношение площади поверхности к массе, а значит, и большее аэродинамическое сопротивление на единицу массы. Более крупные частицы имеют меньшее отношение площади поверхности к массе и имеют меньшее аэродинамическое сопротивление на единицу массы, а также менее подвержены влиянию силы отходящих газов.
При одной и той же скорости частицы с большей массой имеют большее количество движения.
Если предположить, что плотность одинакова для всех частиц, то более крупные частицы обладают большей массой.
Когда частицы движутся сквозь воздухоподогреватель, они теряют скорость. Если силы отходящих газов становятся достаточно малыми (из-за меньшей скорости), так что они не могут изменять количество движения частицы, отдаляя ее от поверхности, частицы ударяются о поверхности внутри воздухоподогревателя.
Расстояние, которое проходят частицы, двигаясь сквозь воздухоподогреватель, до того как ударяются о поверхность, зависит от размера частиц. Очень мелкие частицы могут выноситься отходящим газом из воздухоподогревателя, вообще не ударяясь о поверхность. Поэтому размер частиц характеризует место, где произойдет оседание частицы, а распределение размеров частиц характеризует количество частиц, которые осядут в разных местах внутри воздухоподогревателя. Если распределение размеров частиц является непрерывным в надлежащем диапазоне размеров, то частицы покроют близлежащую область внутри воздухоподогревателя. Следовательно, если определяют место, где будут конденсироваться кислоты, то можно выбрать распределение частиц таким образом, что большинство частиц осядет в местах, где ожидается конденсация кислоты.
Массовое количество щелочного материала, а также распределение размеров частиц щелочного материала, являются факторами управления степенью обрастания внутри воздухоподогревателя. Общее количество щелочного материала, вводимого в поток FG1 отходящих газов, должно быть адекватным; вместе с тем, нужно также сделать распределение размеров частиц таким, что щелочные частицы действительно будут контактировать с местами теплопередающих поверхностей внутри воздухоподогревателя в точках, где существует тенденция к конденсации и скоплению кислоты. Когда кислота, присутствующая в потоке FG1 отходящих газов, нейтрализуется и потребляется, скопления становятся менее липкими и легче удаляемыми посредством методов обдувки для удаления сажи и/или промывки водой. При отсутствии конденсировавшейся кислоты в потоке FG1 отходящих газов или на теплопередающей поверхности, частицы, например, летучей золы не образуют отложение с сильными свойствами адгезии и поэтому не будут скапливаться на теплообменных элементах до толщины, которая замедлит протекание отходящего газа FG1 сквозь воздухоподогреватель. Чем меньше замедление протекания отходящего газа FG1 сквозь воздухоподогреватель, тем больше тепла сможет отвести воздухоподогреватель из потока FG1 отходящих газов.
В одном варианте осуществления предлагаемого изобретения, щелочные частицы, вводимые в поток FG1 отходящих газов, имеют бимодальное распределение размеров частиц. Эти щелочные частицы включают в себя «мелкие» частицы и «крупные» частицы. Мелкие частицы предпочтительно имеют размеры в диапазоне от 1 микрона до 15 микрон в диаметре, а крупные частицы имеют размеры в диапазоне от 15 микрон до 150 микрон. Вообще говоря, все частицы, вводимые в поток FG1 отходящих газов, будут в диапазоне размеров от 1 микрона до 250 микрон в диаметре. Массовое количество щелочного материала, нагнетание которого в FG1 требуется, зависит от концентрации SO3 и/или H2SO4 в FG1, расхода отходящих газов, массового количества летучей золы в FG1 и химического состава летучей золы в FG1. Вообще говоря, чем выше концентрация SO3 и/или H2SO4 в FG1, тем больше количество щелочного материала, который следует нагнетать. Летучая зола с более высоким содержанием щелочи в общем случае потребует меньшего нагнетания щелочного материала в FG1, потому что естественная щелочность летучей золы будет способствовать нейтрализации и потреблению H2SO4 в потоке отходящих газов. Щелочные частицы предпочтительно вводят в поток FG1 отходящих газов до того как поток FG1 отходящих газов достигает воздухоподогревателя. Датчики 310 отходящих газов могут включать в себя датчик расхода отходящих газов, датчик концентрации макрочастиц и/или датчик для отбора проб для измерения щелочности макрочастиц отходящих газов.
Эти частицы можно вводить в поток FG1 отходящих газов, например, в форме сухого материала или жидкой суспензии, который или которая нагнетается в распределительную систему, например распылительные сопла или нагнетательные устройства (инжекторы) для введения частиц в поток FG1 отходящих газов. Распределительную систему можно устанавливать во впускном газоходе, ведущем к воздухоподогревателю. Распределительная система предпочтительно имеет конфигурацию, приводящую к равномерному и адекватному распределению щелочного материала по потоку FG1 отходящих газов, когда тот попадает в воздухоподогреватель. В системе 276 для распределения щелочи возможно применение сжатого воздуха, используемого в качестве транспортной среды для сухого нагнетания, или можно было бы использовать воду, подаваемую посредством насоса (насосов), в качестве транспортной среды для мокрого нагнетания. Сухое нагнетание является предпочтительным способом введения щелочных частиц в FG1, но подходящим способом также является применение увлажняющей системы, предназначенной для обеспечения адекватного времени пребывания в FG1 для испарения воды и сушки щелочных частиц.
Массовым количеством щелочного сорбента, нагнетаемого в единицу времени, можно управлять путем оперативного контроля нескольких рабочих параметров, связанных с работой воздухоподогревателя и электростанции. Эту информацию можно собирать из системы управления всей электростанцией или получать за счет установки специальных приборов для сбора данных. Этот входной сигнал выдается в ПЛК 305, управляющий системой 276 для нагнетания щелочи. Количество нагнетаемого сорбента будет зависеть от массового расхода и температуры отходящего газа, попадающего в воздухоподогреватель, а также от концентрации SO3 и паров воды в отходящем газе, попадающем в воздухоподогреватель. Содержание SO3 в отходящем газе, попадающем в воздухоподогреватель, можно вычислять исходя из содержания серы в топливе, отношения компонентов топливовоздушной смеси в печи, а также температуры отходящего газа, покидающего печь, и от каталитической системы, установленной выше по потоку от воздухоподогревателя. Содержание SO3 в отходящем газе можно вычислять исходя из характеристик полноты сгорания в системе воспламенения топлива. Большинство этих параметров можно считывать из контроллера промышленной системы (не показан), который используется для эксплуатации печи 26, причем эти параметры измеряются непосредственно в потоке отходящих газов датчиками 310 отходящих газов или измеряются посредством контрольно-измерительных приборов, воплощающих химические методы, предусматривающие мокрую обработку, или других, которые поставляются промышленностью. Вообще говоря, чем ниже температура отходящего газа, покидающего воздухоподогреватель, тем ниже температура теплопередающих поверхностей внутри воздухоподогревателя. Следовательно, количество кислоты, конденсирующейся и скапливающейся на теплопередающих поверхностях, будет расти с уменьшением температуры газа в выпускном отверстии. В результате, работа при меньшей температуре газа в выпускном отверстии или меньшей температуре теплопередающих поверхностей потребует большей скорости нагнетания потока массы сорбента, чтобы предотвратить избыточное обрастание воздухоподогревателя отложениями, которые оказывается слишком «влажными», чтобы их можно было удалить.
Дополнительной выгодой крупных щелочных частиц может быть их естественная склонность к тому, чтобы способствовать «мокрой очистке» от отложений, присутствующих на теплопередающих поверхностях. И опять, размер частиц, который дает эффект мокрой очистки, в целом будет иметь малое влияние по сравнению с размером центра оптимального зародышеобразования, и может быть не таким, как у частицы, назначением которой является потребление кислоты, конденсирующейся на теплопередающей поверхности.
Вышеуказанные параметры измеряются и подаются как входные сигналы в ПЛК 305. ПЛК 305 можно использовать для управления распределением размеров частиц и/или количеством щелочного сорбента, нагнетаемого в воздухоподогреватель, по всему рабочему диапазону. Например, при уменьшении массового расхода отходящего газа, попадающего в воздухоподогреватель 250, ПЛК 305 проведет повторный расчет количества сорбента, требующегося в результате этого изменения, а также подбор в текущем состоянии других измеряемых параметров, чтобы завершить вычисление требуемой величины массового расхода сорбента и связанного с ним распределения размеров частиц, и пошлет сигнал в систему нагнетания щелочи для коррекции количества нагнетаемого сорбента или распределения размеров частиц. Если содержание серы в топливе уменьшается (или увеличивается), то этот входной сигнал можно подать в ПЛК 305, а сочетание с известностью текущего состояния других параметров, отмеченных выше, позволяет скорректировать количество и размеры нагнетаемого сорбента.
Датчики 310 отходящих газов могут включать в себя датчик расхода для определения скорости, с которой отходящий газ течет сквозь подогреватель 250, датчик концентрации макрочастиц для измерения макрочастиц отходящих газов, датчики температуры и - по выбору - датчики для отбора проб для определения химических свойств макрочастиц отходящих газов. ПЛК 305 считывает информацию с этих датчиков для интерактивного вычисления надлежащего массового расхода щелочных частиц 275, нагнетаемых системой 276 для нагнетания щелочи.
Может оказаться желательным изменить распределение размеров частиц нагнетаемого сорбента, чтобы оптимизировать место отложения сорбента на теплопередающей поверхности. Цель состоит в том, чтобы спрогнозировать распределение массы конденсирующейся кислоты на теплопередающей поверхности и размер частиц сорбента таким образом, чтобы их количество движения способствовало распределению материала сорбента на теплопередающей поверхности в непосредственной связи с местом распределения конденсирующейся кислоты. Таким образом, можно определить пропорцию материала сорбента надлежащих размеров, который можно осаждать на теплопередающей поверхности в оптимальном месте для реакции с количеством кислоты, конденсировавшейся в заданном месте.
В дополнение к воплощению упомянутой логики управления, можно было бы непрерывно измерять падение давления на воздухоподогревателе 250 посредством датчиков 301, 303 и сравнивать с вычисленным порогом (определяемым по алгоритму, установленному в ПЛК 305) в зависимости от отходящего газа, а также расходов и температур на стороне воздуха.
Прогнозируемая зависимость падения давления от времени, существование которой между циклами обдувки теплопередающей поверхности было бы желательно, также может быть введена в ПЛК 305. Если фактическое падение давления увеличивается с большей скоростью, это может служить показателем наращивания отложения летучей золы и серной кислоты на теплопередающей поверхности благодаря неадекватному массовому количеству нагнетаемого сорбента, неверному распределению размеров частиц материала сорбента или неправильной работы системы 276 для нагнетания щелочи.
ПЛК 305 мог бы увеличивать скорость нагнетания сорбента, пытаясь вернуть зависимость падения давления на воздухоподогревателе от времени на надлежащий уровень. Кроме того, можно было бы изменять размеры частиц материала сорбента путем оценки различных рабочих параметров, используемых для управления системой, и посылать надлежащий сигнал в измельчающую систему для изменения размеров частиц материала сорбента с соответствии с предписаниями алгоритма в ПЛК 305. Отметим, что процесс придания размеров частицам сорбента можно было бы не применять, если бы сорбент нагнетался в виде суспензии или раствора.
И наоборот, если бы скорость падения давления оказалась ниже уровня, прогнозируемого на основании фактических рабочих условий и вычисленного в ПЛК 305, то скорость нагнетания сорбента можно было бы уменьшить, чтобы снизить эксплуатационные затраты.
Во время цикла обдувки для удаления сажи пришлось бы удалить летучую золу, которая скопилась на теплопередающей поверхности с момента окончания последнего цикла обдувки для удаления сажи, и получающееся падение давления на воздухоподогревателе уменьшилось бы. Вместе с тем, если отложение является слишком «влажным» из-за присутствия не нейтрализованной серной кислоты, то удалить это отложение во время цикла обдувки для удаления сажи не удалось бы. Следовательно, для заданных расхода и температуры отходящих газов, если зависимость падения давления на воздухоподогревателе от времени превышает стандартный профиль для потока, попадающего в ПЛК 305, это указывало бы, что в отходящем газе недостаточно сорбента и/или что распределение размеров частиц материала сорбента является неверным для текущих рабочих условий. Чтобы увеличить скорость нагнетания сорбента и/или изменить распределения размеров частиц сорбента можно было бы посылать сигнал из ПЛК 305 в систему 276 для нагнетания щелочи.
Если надлежащий массовый расход щелочных частиц 275 обеспечивается в соответствии с сигналами ПЛК 305, а падение давления превышает вычисленный порог, то в качестве сорбента 275 выдается материал со сравнительно увеличенным соотношением крупных и мелких частиц. Больше крупных частиц вступит в контакт с теплопередающими поверхностями и будет нейтрализовать и потреблять кислоту, крепящую макрочастицы к поверхностям. Если определяемое падение давления ниже порога, то обеспечивается меньшее соотношение крупных и мелких щелочных частицы, позволяя большему количеству мелких частиц действовать как центры зародышеобразования в отходящих газах.
По выбору, ПЛК 305 может управлять измельчителем 277, предписывая измельчителю производить измельчение щелочных частиц 275 до достижения желаемого размера или распределения размеров.
Другими рабочими параметрами, управление которыми можно встроить в ПЛК 305 для определения скорости нагнетания сорбента, являются напряжение и выраженная в амперах сила тока электродвигателя, который используется для привода ротора (позиция 512 на фиг.1B) воздухоподогревателя 250. Поскольку масса отложений макрочастиц на теплопередающей поверхности воздухоподогревателя увеличивается, общий вес ротора будет расти. При подаче заданного напряжения на электродвигатель, это вызовет увеличение выраженной в амперах силы тока, потребляемого электродвигателем, из-за дополнительного трения в подшипниковой системе опор ротора в результате увеличенного веса ротора в подшипниковом узле. Поэтому можно было бы непрерывно измерять напряжение и выраженную в амперах силу тока электродвигателя привода ротора, подавать их в ПЛК 305 и учитывать во всем вычислении для определения массового расхода и распределения частиц сорбента. Логика управления посредством ПЛК может предусматривать поддержание целевой выраженной в амперах силы тока и диапазона приемлемого перепада выраженной в амперах силы тока, которые могли бы стать следствием обычного скопления летучей золы на теплопередающей поверхности, которое могло бы происходить во время циклов обдувки для теплопередающей поверхности. ПЛК 305 мог бы предусматривать воплощение способов вычисления для согласования с перепадами напряжения, которые могут возникать, а значит, и для коррекции поддерживаемого целевого уровня выраженной в амперах силы тока в зависимости от целевых уровней напряжения, если это потребуется.
Как отмечалось выше, введение щелочных частиц в поток FG1 отходящих газов значительно увеличивает эффективность воздухоподогревателя по улавливанию большего тепла из потока FG1 отходящих газов и снижает обрастание теплопередающей поверхности. Это позволяет снижать температуру присутствующего в выпускном отверстии газа, покидающего воздухоподогреватель. Практические ограничения, накладываемые на проектирование и затраты, определяют температуру, при которой подогретый воздух будет покидать воздухоподогреватель. Вместе с тем, максимального снижения температуры газа в выпускном отверстии можно достичь, поддерживая желаемую температуру воздуха, покидающего воздухоподогреватель, путем увеличения массового расхода воздуха, проходящего сквозь воздухоподогреватель. Ввиду этого для операций, не являющихся операциями печей, можно предпринять некоторые меры по распределению большего тепла в форме дополнительного массового расхода на стороне воздуха.
В дополнительном варианте осуществления предлагаемого изобретения (см. фиг.2B), предусмотрен воздухоподогреватель 250, конфигурация которого обеспечивает распределение тепла, извлекаемого из отходящего газа FG1 в печь 26 посредством потока A2 воздуха, а в других целях - посредством вспомогательного потока (вспомогательных потоков) A3 и/или B2 воздуха. Возможные приложения этих вспомогательных потоков воздуха могут включать в себя, например, операции сушки и измельчения в мельницах для размола угля и/или подогрева питательной воды котлов, процессы нагрева или охлаждения на рабочих площадках, подогрев воздуха, попадающего в воздухоподогреватель посредством прямой циркуляции части подогретого воздуха, покидающего воздухоподогреватель, к впускной стороне воздухоподогревателя, вследствие чего эта часть смешивается с окружающим воздухом до увеличения температуры потока воздуха, попадающего в воздухоподогреватель, и косвенный нагрев окружающего воздуха посредством использования теплообменника, в котором часть горячего воздуха, покидающего воздухоподогреватель, используется для подогрева поступающего окружающего воздуха до того как тот попадает в регенеративный воздухоподогреватель. Есть и дополнительные приложения, такие как сторонние приложения централизованного теплоснабжения для промышленных процессов, требующих источника нагретого воздуха, и подвод тепловой энергии в системы для улавливания CO2, включая, но не в ограничительном смысле, процессы нагнетания быстро охлаждаемого аммиака или аминов.
Обращаясь к фиг.2B, отмечаем, что СОРТВ 215 включает в себя регенеративный воздухоподогреватель 250, систему 70 для удаления макрочастиц и систему 80 для мокрой газоочистки. Для введения потока A1 воздуха на холодную сторону воздухоподогревателя 250 через впускное отверстие 251 предусмотрен ТД-вентилятор 60. Как описано выше, система 70 для удаления макрочастиц может включать в себя ЛЭО и/или систему тканевых фильтров либо аналогичное средство. Система 80 для мокрой газоочистки может включать в себя систему МОСС или СОСС.
В этом варианте осуществления предусматривается дополнительный ТД-вентилятор 260 для введения вспомогательного потока В1 воздуха на холодную сторону воздухоподогревателя 250 через впускное отверстие 256.
На фиг.2B представлен чертеж, в целом иллюстрирующий дополнительные подробности воздухоподогревателя 250, конфигурация которого обеспечивает альтернативный поток подогретого воздуха для некоторых заранее определенных операций, происходящих не в камере сгорания печи.
Обращаясь к фиг.3, отмечаем, что воздухоподогреватель 250 имеет конфигурацию, обеспечивающую наличие впускного отверстия 251 для воздуха, предназначенного для приема потока A1 воздуха, и впускного отверстия 256 для воздуха, предназначенного для приема вспомогательного потока B1 воздуха. Имеется выпускное отверстие 252 для воздуха, предназначенное для вывода потока A2 нагретого воздуха в печь (позиция 26 на фиг.2B). Также предусмотрено вспомогательное выпускное отверстие 255 для воздуха, назначением которого является вывод второго потока B2 нагретого воздуха для одной или более заранее определенных операций или частей оборудования, такого как мельница (позиция 270 на фиг.2B). Имея два отдельных выпускных отверстия 252 и 255, можно осуществлять раздельное управление потоками A2 и B2 нагретого воздуха и извлекать тепло из потока FG1 отходящих газов, превышающее то, которое необходимо для надлежащей работы печи (позиция 26 на фиг.2B). Потоки A3, B2 нагретого воздуха можно без затруднений направлять для использования в других приложениях, связанных с операциями паросиловых установок или операциями, связанными с другими установками. Кроме того, предусматривая два впускных отверстия для потоков A1 и B1 воздуха, можно осуществлять избирательное или изменяемое управление воздухом, вводимым в воздухоподогреватель. Принципы и идеи, раскрытые и заявляемые здесь, применимы ко всем системам и устройствам на основе воздухоподогревателей, включая, но не в ограничительном смысле, системы и устройства на основе двухсекторных, трехсекторных и четырехсекторных воздухоподогревателей.
Следует подчеркнуть, что вышеописанные варианты осуществления данного изобретения, в частности любые «предпочтительные» варианты осуществления, являются просто возможными примерам воплощения, приведенными лишь для лучшего понимания принципов изобретения. В вышеописанный вариант (вышеописанные варианты) осуществления изобретения можно внести многочисленные изменения и модификации, в основном, в рамках существа и принципов изобретения. Все такие модификации и изменения следует считать находящимися в рамках объема притязаний согласно этому описанию и данному изобретению, а также защищенными нижеследующей формулой изобретения.
1. Способ извлечения тепла из отходящих газов с обработкой потока отходящих газов из печи, работающей на ископаемых топливах, имеющих кислотный материал и макрочастицы, с помощью воздухоподогревателя (250), имеющего впускное отверстие (253) для отходящих газов, выпускное отверстие (254) для отходящих газов и множество теплообменных поверхностей (542), включающий в себя этапы, на которых
принимают поток (FG1) отходящих газов во впускное отверстие (253) для отходящих газов воздухоподогревателя (250),
вычисляют массовый расход кислотного материала, проходящего в отходящих газах (FG1),
вычисляют массовый расход щелочных частиц (275), нагнетаемых в поток (FG1) отходящих газа для нейтрализации кислотного материала,
нагнетают щелочные частицы (275) с распределением размеров частиц при вычисленном массовом расходе в поток отходящих газов выше по потоку от воздухоподогревателя (250) в месте, которое обеспечивает надлежащее смешивание щелочных частиц с отходящим газом до того как он попадет в воздухоподогреватель,
вычисляют степень скопления макрочастиц отходящих газов,
на основании вычисленной степени скопления макрочастиц (275) отходящих газов регулируют по меньшей мере одно из
массового расхода, при котором щелочные частицы нагнетаются в отходящие газы, и
распределения размеров щелочных частиц (275), нагнетаемых в отходящие газы, таким образом, что
когда падение давления больше, чем заранее определенный порог, происходит нагнетание относительно большего процента крупных частиц вследствие чего больше щелочных частиц (275) вступают в контакт с теплообменными элементами (542), прилипают к ним и нейтрализуют кислотный материал, конденсирующийся на этих элементах (542), а
когда падение давления меньше, чем заранее определенный порог, происходит нагнетание относительно малого процента крупных частиц,
при этом нагнетаемые щелочные частицы действуют с обеспечением уменьшения скопления макрочастиц отходящих газов на теплообменных элементах (542), снижения обрастания и коррозии теплопередающих поверхностей и внутренних компонентов воздухоподогревателя (250) и увеличения термического коэффициента полезного действия воздухоподогревателя (250).
2. Способ по п.1, при котором мелкие щелочные частицы имеют диаметр, равный 1-150 микрон.
3. Способ по п.1, при котором крупные щелочные частицы имеют диаметр, равный 150-250 микрон.
4. Способ по п.1, при котором этап коррекции распределения размеров щелочных частиц включает в себя этап, на котором регулируют распределение размеров щелочных частиц (275) путем управления работой измельчителя (277) для получения требуемого массового количества щелочного материала и придания щелочному материалу размеров частиц в соответствии с желаемым распределением.
5. Способ по п.1, при котором этап вычисления степени скопления макрочастиц отходящих газов включает в себя этапы, на которых измеряют падение давления на воздухоподогревателе (250) от впускного отверстия (253) для отходящих газов до выпускного отверстия (254) для отходящих газов и сравнивают измеренное падение давления с по меньшей мере одним заранее определенным порогом с получением в результате степени скопления макрочастиц отходящих газов.
6. Способ по п.1, при котором подогреватель (250) представляет собой вращающийся воздухоподогреватель, имеющий ротор, который вращается электродвигателем, питаемым электрическим током (I) изменяющегося напряжения (V), при этом этап вычисления степени скопления макрочастиц отходящих газов включает в себя этапы, на которых:
измеряют напряжение (V) и электрический ток (I), сравнивают измеренный ток при измеренном напряжении с заранее определенным током для того же напряжения, чтобы определить разность токов, и
сравнивают разность токов с заранее запомненной информацией о преобразовании для определения степени скопления макрочастиц отходящих газов.
7. Система (215) для извлечения тепла из отходящих газов с обработкой потока отходящих газов из печи (26), работающей на ископаемых топливах и производящей нагретые отходящие газы, имеющие кислотный материал и макрочастицы, содержащая:
воздухоподогреватель (250), соединенный с печью (26) и имеющий
впускное отверстие (253) для отходящих газов, выполненное с возможностью приема отходящих газов (FG1),
множество теплообменных пластин (542) для извлечения тепла из отходящих газов (FG1), и
выпускное отверстие (254) для отходящих газов, предназначенное для выпуска отходящих газов (FG2) после прохождения их по теплообменным пластинам (542),
датчик (310) отходящих газов для мониторинга физических и химических условий в пределах отходящих газов,
датчик (301, 303) падения давления, выполненный с возможностью измерения падения давления от впускного отверстия (253) воздухоподогревателя до выпускного отверстия (254) воздухоподогревателя;
систему (276) для нагнетания щелочи, реагирующую на управляющие сигналы из управляющего устройства, для введения щелочных частиц в поток (FG1) отходящих газов выше по потоку от воздухоподогревателя (250), когда тот включен, и
программируемый логический контроллер (ПЛК) (305), выполненный с возможностью вычисления массового расхода щелочных частиц (275) на основании определяемых условий в отходящих газах и управления системой (276) для нагнетания щелочи для регулирования сравнительного соотношения мелких и крупных частиц среди щелочных частиц (275) на основании падения давления, измеренного от впускного отверстия (253) для отходящих газов до выпускного отверстия (254) для отходящих газов, и нагнетания, при вычисленном массовом расходе, щелочных частиц (275), имеющих скорректированное сравнительное соотношение мелких частиц и крупных частиц, для нейтрализации кислотных материалов в отходящих газах.
8. Система (215) по п.7, в которой датчик (310) отходящих газов представляет собой по меньшей мере один из:
датчика расхода, выполненного с возможностью измерения массового расхода отходящих газов,
датчика макрочастиц, выполненного с возможностью измерения концентрации макрочастиц отходящих газов в отходящих газах, и
датчика для отбора проб, выполненного с возможностью измерения по меньшей мере одного химического параметра макрочастиц отходящих газов.
9. Система (215) по п.7, в которой программируемый логический контроллер (ПЛК) выполнен с возможностью вычисления массового расхода щелочных частиц на основании массового расхода отходящих газов, влагосодержания отходящего газа, концентрации кислотных материалов, концентрации макрочастиц отходящих газов и определения химического состава макрочастиц отходящих газов.
10. Система (215) по п.7, в которой система (276) для нагнетания щелочи выполнена с возможностью введения щелочных частиц (275), имеющих некоторый диапазон размеров.
11. Система (215) по п.7, в которой воздухоподогреватель (250) содержит вспомогательное выпускное отверстие для вывода второго потока нагретого воздуха.
12. Система (215) по п.7, в которой воздухоподогреватель (250) дополнительно содержит второе впускное отверстие (256) для приема вспомогательного вводимого воздуха.
13. Печь (26), работающая на ископаемых топливах и производящая нагретые отходящие газы, имеющие кислотный материал и макрочастицы, с системой для извлечения тепла из отходящих газов с обработкой потока отходящих газов по любому из пп.7-12, содержащая воздухоподогреватель (250), соединенный с печью (26) и выполненный с возможностью приема нагретых отходящих газов, нейтрализации кислот в нагретых отходящих газах, извлечения нагретого воздуха для горения для печи (26), извлечения дополнительного нагретого воздуха, используемого в системе (215), снижения температуры отходящих газов до значения ниже кислотной точки росы отходящих газов и снижения объема отходящих газов, покидающих воздухоподогреватель (250), и
оборудование для обработки отходящих газов, подключенное к воздухоподогревателю (250) ниже по потоку от него.
