SE504056C2 - Förfarande för att minska halten av NOx i en sodapanna samt en sodapanna därför - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 504 056 Genom erfarenhet ifrån konventionella kraftpannor baserade på kol, olja och gas är det känt att understökiometriska förhållanden med avseende på tillfört syre i förbrännings- zonen i kombination med en slutförbränning för erhållande av maximal energiutveckling i ett strax ovanför (eller efter) förbränningszonen placerat s.k. överluftsregister ger en lägre NOX-emission.

Denna teknik har också sedan länge av andra skäl varit utnyttjad i sodapannor där primär- och sekundärluft till- förts under (före) svartluten och tertiärluft tillförts strax över (efter) på liknande sätt som överluft använts för kraftpannor. Detta beskrivs närmare av Anderson & Jackson i. publikationen TAPPI Journal för januari 1991, sid. 1l5-118.

Genom SE 468 171 är känt ett sätt att minska halten kväveoxider i rökgasen, varvid en del av förbränningsluften tillföres som en sista portion vid en mycket högt belägen nivå så att en högre grad av reducerande atmosfär utan extra tillsats av reduktionsämnen vidmakthàlles fràn omrâdet för lutinsprutningen och upp till den sista lufttillsatsen under en sträcka av 10-20 meter eller högre motsvarande en uppehällstid vid normal last av 2,5-5 sek- under eller mera. Denna metod förutsätter en viss höjd pà sodapannan för att den reducerande atmosfären skall kunna upprätthállas under tillräckligt läng tid.

Ett annat sätt att reducera sodapannans NOX har före- slagits, varvid utnyttjas tekniken med termisk eller selektiv icke katalytisk reduktion "SNCR" (Selective Non- Catalytic Reduction), framtagen för kraftpannor, genom tillförsel av ett reducerande ämne i form av naturgas, ammoniak eller urea högre upp i sodapannan för åstad- kommande av en reduktion av bildade kväveoxider. Vid användning av naturgas bildas stora mängder oförbrända lO 15 20 25 30 35 504 056 restprodukter som kräver slutförbränning genom en extra lufttillsats. Vid användning av urea eller ammoniak sker vanligen tillsatsen i form av en vattenlösning till eldstadsutrymmets övre delar. En stor nackdel med denna metod i en sodapanna är att man tillför en vattenlösning vilken riskerar att skapa vatten-smältaexplosioner_ Detta kan ske t ex vid felaktigt hanterande och om det uppstår korrosionsskador orsakade av urealösning.

Ett alternativ till att introducera en “vattenlösning av ammoniak kan vara att medelst lansar introducera den efter förångning. Detta förfarande kräver många lansar och hantering av koncentrerad ammoniak i pannans omedelbara närhet. Dessutom1 riskerar- man att lokalt i eldstaden få mycket höga koncentrationer av ammoniak och därmed icke- optimala förhållanden för NOX-reduktion.

Genom SE 460 221 är känt ett sätt att tillföra ammoniakgas (Multiple Bed Combustion), ammoniakgasen tillföres sekundär- och/eller tertiärluft, till en MBC-panna varvid vilken blandas med rökgas och tillföres en eller flera övre virvelbäddar för fluidisering av dessa. Denna teknik kan fungera bra i en MBC-panna, men inte i en sodapanna, efter- som temperaturfördelningen i en MBC-panna är mycket bättre.

Lösning och fördelar: Genom föreliggande uppfinning har man emellertid framtagit ett förfarande vid förbränning av svartlut i sodapannor för erhållande av rökgaser med låg halt av kväveoxider, varvid en del av förbränningsluften tillföres som en sista portion vid en högt belägen nivå så att en reducerande atmosfär vidmakthålles från området för lutinsprutningen och upp till den sista lufttillsatsen på en sträcka av 10-20 meter eller mera motsvarande en medeluppehållstid vid normallast av 2,5-5 sekunder eller mer. Metoden kännetecknas av att ammoniak tillföres sagda sista portion förbränningsluft i en mängd av 100 - 400% av det stökiometriska behovet för 10 15 20 25 30 35 504 056 fullständig reduktion av i rökgasen förefintliga kväve- oxider. Om pannan ej är utrustad med rökgastvätt tillföres ammoniak företrädesvis i en mängd av 100 - 200%. Om pannan är utrustad med rökgastvätt tillföres ammoniak före- trädesvis i en mängd av 100 - 300%.

Ammoniaken tillsättes förbränningsluften i samband med att, eller än hellre innan, denna introduceras i eldstads- utrymmet. Ammoniaken tillsättes företrädesvis i förgasad form, varvid förgasningen sker antingen genom föràngning av ren, flytande ammoniak eller genom avdrivning fràn en vattenlösning av ammoniak.

Ammoniaktillsats sker enklast direkt till förbrännings- luftfläkten.

Alternativt kan ammoniakgas tillföras direkt till luft- luften strax före eller strax efter portarna (tillförselsöppningarna), via separata tryck- luftsdrivna matningsledningar.

Den sista. portionen. av förbränningsluftenq vilken enligt uppfinningen innehåller ammoniak, kan tillföras i tvá etap- per vid tvâ högt belägna nivåer.

Den mängd ammoniakinnehàllande förbränningsluft som enligt uppfinningen skall tillsättas vid den eller de högt belägna nivåerna 'utgör~ cirka 2,5-50%, företrädesvis 5-15% av' den totala förbränningsluften.

Förfarandet enligt uppfinningen innefattar också att andelen av kväveoxider i rökgaserna kontrolleras med hjälp av ett styrsystem som automatiskt reglerar lufttillförseln till de olika nivåerna samt ammoniaktillförseln till förbränningsluften. Mängden ammoniak som skall tillföras, dvs 100 - 400% av det stökiometriska behovet för full- ständig reduktion av i rökgasen förefintliga kväveoxider, företrädesvis 100 - 200% för pannor utan rökgastvätt och so» 10 15 20 25 30 35 S04 056 100 - 300% för pannor med rökgastvätt, bestämmes genom mätning av kväveoxid- och ammoniakhalten i utgående rökgaser. Det stökiometriska behovet som avses i denna patentansökan sättes på vedertaget sätt till l mol NH3 per mol NOX. Mängden ammoniak som tillsättes blir då 1 - 4 mol per mol kväveoxid, företrädesvis l - 2 mol per mol för* pannor* utan rökgastvätt och 1 - 3 mol per* mol för pannor med rökgastvätt.

Tillgång till nödvändig ammoniakmängd fär" man genom att köpa den eller alternativt kan den interngenereras på fabriken, t ex genom strippning av kondensat.

Vid reduktion av kväveoxiderna anses det att kvävgas och vatten bildas, enligt följande summareaktion: NO + NH3 -i-OH -> Nz + 2 H2O Målet är att all ammoniak skall oxideras till kvävgas.

Eventuellt utsläpp av ammoniak i rökgaserna minimeras genom mätning och justering av tillsatsen. För pannor utrustade med rökgastvätt kan en större mängd ammoniak tillsättas, utan att utsläppet av ammoniak behöver öka. Detta är fördelaktigt eftersonx en hög ammoniaktillsats ger större kväveoxidreduktion.

Uppfinningen innefattar även en sodapanna för förbränning av svartlut enligt den beskrivna metoden. Den kännetecknas av att den förutom konventionella anordningar för tillför- sel av primär-, sekundär- och tertiärluft och anordningar för tillförsel av högtertiärluft eller kvartärluft vid en avsevärt högre nivå, i enlighet med SE 468 171, även innefattar anordningar för ammoniaktillförsel till sagda högtertiärluft eller kvartärluft. Med högtertiärluft menas härvid luft som avgrenats från den normala tertiärluft- ledningen, medan med kvartärluft menas luft som kommer från en separat ledning. 10 15 20 25 30 35 504 056 Sodapannan enligt uppfinningen kan ha anordningarna för tillförsel av ammoniakinnehállande högtertiärluft eller kvartärluft belägna vid en eller flera nivåer omkring 10-20 meter över lutinsprutningsnivàn.

Sodapannan enligt uppfinningen kan 'vara försedd. med tvà eller flera rader av tillförselsöppningar, pá vardera sidan av eldstadsutrymmet, för tillförsel av ammoniakinnehàllande högtertiärluft eller kvartärluft varvid en nivå kan ligga vid cirka 10 meter och den andra vid cirka 16 meter över lutinsprutningsnivàn.

Enligt uppfinningen är det lämpligt att de översta luft- tillförselsöppningarna, för den ammoniakinnehàllande luften, befinner sig strax under, förträdesvis 1 - 4 meter under och än mer föredraget 2 - 3 meter under, det område där pannan är som smalast, d.v.s. där den inre "näsan" är anordnad.

Slutligen kännetecknas sodapannan enligt uppfinningen av att den innefattar ett reglersystem för automatisk styrning av de olika tillförselströmmarna av förbränningsluften samt ett reglerssystem för ammoniaktillförseln.

En stor fördel med uppfinningen är således att då ammoniaken tillföres i gasform uppkommer ingen risk för vatten-smältaexplosioner_ Ytterligare en fördel är att ammoniaken introduceras i pannan där den gör mest nytta, dvs då nästan alla förbrän- ingsreaktioner är klara och temperaturen sjunkit till ca 950°C. Ännu en fördel är att endast små mängder koncentrerad ammoniak behöver hanteras i pannans omedelbara närhet, eftersom denna snabbt spädes ut i högtertiär- eller 10 15 20 25 30 35 504 056 kvartärluften. Dessutom fördelas ammoniaken mycket effektivt i pannan genom den turbulens som högtertiär- eller kvartärluftens strålar skapar i pannan, varvid optimala koncentrationsförhàllenden för reduktion av kväveoxider skapas.

Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritning som schematiskt visar en sodapanna enligt uppfinningen i genomskärning samt diagram som visar den effekt som uppnås genom uppfinningen.

Kort figurbeskrivning: Figur 1 visar en sodapanna för utnyttjande av uppfin ningen.

Figur 2 visar ett jämförande diagram över rökgasernas kväveoxidhalt vid luft/ammoniaktillförsel.

Figur 3 visar två alternativa utföringsformer för till sättande av ammoniak till luften.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen: Sodapannan enligt Fig. 1 som är av konventionellt slag för en ångproduktion. av ca. 250 t/h innefattar lutsprutor 1 belägna i nedre delen av sodapannan. Under dessa lutsprutor 1 befinner sig öppningar 2 för inblåsning av sekundärluft.

Vid denna nivå finns även startbrännare som matas med olja eller gas. Under nivån för tillförseln av sekundärluften finns öppningar 3 för tillförsel av' primärluft. Ovanför lutsprutorna 1 finns öppningar 4 för inblåsning av tertiär- luft. Vid en hög nivå i pannan strax under det område där en avsmalning av pannan, den så kallde "näsan" 5, befinner sig finns ytterligare lufttillförselsöppningar Eš på båda sidor av eldstadsutrymmet. Dessa kan vara flera till antalet lämpligen åtta stycken på båda sidorna, men själva antalet är icke kritiskt. tillföres , i enlighet med SE 468 171, en del av den Genom dessa luftöppningar tertiärluft som normalt skulle tillföras längre ned 'vid positionen 4 i pannan. Man minskar således den mängd som 10 15 20 25 30 35 504 056 normalt införes vid positionen 4 och låter denna mängd lufttillförsels- anordningarna 8. Den luftmängd som tillföres vid detta övre strömma in vid de högst belägna läge uppgår lämpligen till en mängd av 5-15% av det totala luftintaget. Enligt uppfinningen tillföres ammoniakgas till denna luftmängd, innan den introduceras vid positionen 8.

Detta betyder att i området från positionen 4-8 har man en helt eller delvis reducerande gasatmosfär beroende på ett innehåll av ammoniak, kolmonoxid och mindre mängder väte och svavelväte. I övrigt innefattar pannan konventionella anordningar såsom värmeväxlare 6 samt under pannan ett uppsamlingskärl 7 kallat lösar-tank för smälta som består av återvunna kemikalier i form av kända natriumsalter.

Vid position 8 och omedelbart därefter förbrännes de reducerande gaserna till kvävgas, koldioxid, vatten etc och avger den sista mängd energi som är möjligt. Denna förbränning sker vid en temperatur av storleksordningen 900-l.lOO° vid vilken temperatur mycket litet kväveoxider bildas. Genom dessa åtgärder får man en kraftig minskning av mängden kväveoxider. Detta visas i bifogade diagram (Figur 2). Av diagrammet framgår dels det bättre resultat som uppnås med enbart kvartärlufttillsats (dvs utan ammoniak enligt SE 468 171) uppfinningen jämfört med samt dels att ju mer överstökiometrisk tillsats av ammoniak som göres, desto bättre effekt uppnås. Som tidigare nämnts kan utgående överskott av ammoniak med fördel tvättas bort i en rökgastvätt.

På Figur 1 visas också ytterligare en rad luftintag för överluft vid positionen 9. Dessa luftintag kan undvaras men de kan också utgöra ett komplement till luftintagen vid position 8. Antalet luftintag vid position 9 kan var desamma som vid position 8 lämpligen åtta stycken på båda sidor om eldstaden. lO 15 20 25 30 35 S34 056 I Figur 3 visas tvâ alternativa sätt att sätta till ammoniaken till luften. Detalj nr 10 symboliserar ammoniak- källan. Dosering sker med hjälp av en anordning 11, varefter ammoniaken föràngas 12 och flödet mätes 13. Enligt alternativ 1 tillföres ammoniaken till varje luftskáp 16 (för tillförselsöppningarna 8, 9) genom separata tryck- luftsdrivna 18 matningsledningar 14, 15. Varje sådan matningsledning har därvid separata regleringsmöjligheter.

Enligt alternativ 2 tillföres istället ammoniaken till luften strax efter luftfläkten 17, innan luftledningen delar upp sig för tillförsel till de olika luftskápen 16.

Det väsentliga vid uppfinningen är som ovan sagts att man tillsätter ammoniak till den sista delen av luften som tillföres vid en hög nivå i sodapannan. Dessutom minskar man luftmängden vid lägre nivåer i sådan grad att man får en reducerande eller nära reducerande miljö under en mycket lång tid, cirka 2,5-5 sekunder, i den vanliga sodapannan.

Denna tid skall jämföras med vad man får då sista luftdelen tillsättes vid tertiärpositionen 4 cirka 3 næter ovanför lutsprutorna, nämligen cirka 0,6 sekunder. Genom att minska tertiärlufttillsatsen samtidigt som en kvartärlufttillsats göres uppnås, förutom en ökat reducerande atmosfär under nivån för den översta lufttillsatsen, också en, jämfört med konventionella driftsbetingelser, lägre temperatur under denna nivå och en relativt sett högre temperatur över nivån. Fördelningen av luft mellan tertiärnivá och kvartärnivà kan således användas som ett sätt att styra temperaturen ovanför kvartärlufttillsatsen till en nivå som är optimal för reducering av kväveoxider. Denna temperatur beror i hög grad på rökgasernas halt av reducerande ämnen som t.ex väte. Lyon ("Thermal DeNOx", Env. Sci. Tech. Vol. 21, No.3, 1987) har t.ex visat att den optimala temperaturen minskar fràn 950°C till 700°C när H2/NH3- förhållandet ökar från 0 till 1,3. 10 15 20 25 30 504 056 10 Genom att anordna överluftsintaget så högt uppe i pannan och där uppe släppa in en del av den luft som annars skulle ha släppts in 'vid tertiärluftintaget och, pä så sätt få lägre halt kväveoxider har man alltså fått möjlighet att genom ammoniaktillsats till överluften samt variation av luftströmmarna reglera halten av kväveoxider i avgaserna.

Detta kan man enligt uppfinningen göra på automatisk väg genom att mäta kväveoxidhalt och ammoniakhalt i rökgaserna och låta dessa mätvärden. t.ex. via en dator styra dels spjäll för inblåsning av luftmängderna i både primär-, sekundär-, tertiär- och högtertiär- eller kvartärluftinta- gen, samt mängden ammoniakgas som tillsättes högtertiär- eller kvartärluftintagen. På detta sätt kan man möta variationer i bränslekvaliten etc och hela tiden fä minimal mängd kväveoxider i rökgaserna utan att äventyra andra driftsparametrar eller orsaka oacceptabelt hög ammoniakhalt i rökgasen.

Uppfinningen har beskrivits i samband med en modern sodapanna för' en ångproduktion. av cirka 250 t/h, med en normal höjd av cirka 50 meter varvid det översta luftinta- get, för ammoniakinnehållande luft, lämpligen är placerat vid cirka 16 meter över lutsprutorna. Vid större pannor kan samma förhållande mellan längd och avstånd över lutsprutorna förekomma. För kortare pannor kan emellertid ett annat förhållande vara lämpligt då vid sådana pannor uppehållstiden under alla förhållande kan bli för kort för god reduktion av kväveoxiderna.

Uppfinningen är icke begränsad till det visade utför- ingsexemplet utan den kan varieras pá olika sätt inom patentkravens ram. Förutom, eller istället för, ammoniak kan naturligtvis andra reduktionsmedel, t.ex urea användas.

Claims (11)

10 15 20 25 30 35 504 asså ll Patentkrav

1. Förfarande vid förbränning av svartlut i sodapannor för erhållande av rökgaser med låg halt av kväveoxider (NOX), varvid en del av förbränningsluften tillföres som en sista portion vid en högt belägen nivå så att en reduceran- de atmosfär vidmakthålles från området för lutinsprutningen och upp till den sista lufttillsatsen under en sträcka av 10-20 meter eller högre motsvarande en uppehållstid 'vid normal last av 2,5-5 sekunder eller mera, k ä n n e t e c k n a t av att ammoniak tillföres sagda sista portion förbränningsluft i en mängd av 100 - 400% av det stökiometriska behovet för fullständig reduktion av i rökgasen förefintliga kväve- oxider.

2. Förfarande enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a t a v att ammoniak tillföres i en nàngd av 100 - 200%, varvid pannan ej är utrustad med rökgastvätt.

3. Förfarande enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t a. v att ammoniak tillföres i en mängd av 100 - 300%, varvid pannan är utrustad med rökgastvätt. kraven 1-3

4. Förfarande enligt något av k ä n n e t e c k n a t a v att ammoniaken tillföres sagda sista portion förbränningsluft i förgasad form. kraven 1-4

5. Förfarande något av att tillförd ammoniak helt enligt k ä n n e t e c k n a t a v eller delvis interngenereras på fabriken.

6. Förfarande enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a t a v att andelen kväveoxider och ammoniak i rökgaserna kontrolleras med hjälp av ett styrsystem som automatiskt reglerar ammoniaktillförseln samt lufttillförseln till de olika nivåerna. 10 15 20 25 30 35 504 056 12

7. Förfarande enligt krav 6 k ä n n e t e c k n a t a v att temperaturen ovanför kvartärlufttillsatsen, genom reglering av lufttillförseln, styres till en nivå som är optimal för reducering av kväveoxider, med hänsyn till rökgasens halt av reducerande komponenter.

8. Sodapanna för förbränning av svartlut enligt något av kraven 1-7, vilken innefattar konventionella anordningar för tillförsel av primär- (3), sekundär- (2), tertiär- (4) och högtertiär- eller kvartärluft (8, 9), varvid de sistnämnda befinner sig vid en eller flera nivåer 10-20 eller mera över meter lutinsprutningsnivàn (1), k ä n n e t e c k n a d a v att den även innefattar anordningar, företrädesvis strax före eller strax efter luftfläkten, för tillförsel av ammoniak till högtertiär- eller kvartärluften.

9. Sodapanna enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d a v att anordningarna för tillförsel av ammoniak utgöres av separata tryckluftsdrivna matningsledningar (14, 15) kopplade till tillförselsöppningar (8, 9) för tillförsel av luften till sodapannan.

10. Sodapanna enligt något av kraven 8-9, k ä n n e - t e c k n a d a v att anordningarna för tillförsel av ammoniakinnehållande högtertiär- elleI~ kvartärluft består av två rader av tillförselsöppningar (8, 9), på två sidor av sodapannan, vid nivåer av ca 10 meter och ca 16 meter över lutinsprutningsnivàn.

11. Sodapanna enligt något av kraven 8-10, k ä n n e - t e c k n a d, a v att översta raden av lufttillförsel- söppningarna (8) befinner sig strax under det området där pannan är som smalast, d.v.s. företrädesvis omkring 1 - 4 meter under och än mer föredraget 2 - 3 meter under den inre "näsan" (5).