ITFI20000239A1 - SIMPLIFIED POST-COMBUSTION AIR SUPPLY SYSTEM (O.F.A.) IN THE BOILER FOR LOW NITROGEN OXIDE PRODUCTION - Google Patents
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Description
Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: Description of the industrial invention entitled:
" SISTEMA SEMPLIFICATO DI ALIMENTAZIONE DELL'ARIA DI POST-COMBUSTIONE (O.F.A.) IN CALDAIA PER UNA BASSA PRODUZIONE DI OSSIDI DI AZOTO" "SIMPLIFIED SYSTEM FOR SUPPLYING THE POST-COMBUSTION AIR (O.F.A.) IN THE BOILER FOR A LOW PRODUCTION OF NITROGEN OXIDES"
La presente invenzione ha per oggetto un sistema semplificato di alimentazione dell'aria di postcombustione (O.F.A., Over Fire Air) per l'installazione su caldaie industriali, di potenza medio-bassa, inferiore a 25 MW indipendentemente dal combustibile usato, al fine di contenere le emissioni di inquinanti, in particolar modo degli ossidi di azoto. The present invention relates to a simplified post-combustion air supply system (O.F.A., Over Fire Air) for installation on industrial boilers, of medium-low power, less than 25 MW regardless of the fuel used, in order to contain emissions of pollutants, especially nitrogen oxides.
Una tecnica largamente diffusa per la riduzione della produzione degli ossidi di azoto (N0X) nei processi di combustione in impianti industriali e di generazione dì energia elettrica è quella della cosiddetta combustione a stadi, la quale consiste nel dosare opportunamente l'aria ed il combustibile all'interno del sistema di combustione, in maniera tale da formare una zona ricca di combustibile, nella quale si verificano i processi di pirolisi del combustibile e si attivano i processi di riduzione degli ossidi di azoto. A questa zona fa seguito una zona povera di combustibile, dove il miscelamento della parte rimanente dell ' aria co rente con il combustibile completa la reazione di combustione. In pratica, riducendo la disponibilità di ossigeno nella zona della fiamma primaria, si inibisce la velocità di formazione degli ossidi di azoto sia provenienti dalla fissazione dell'azoto atmosferico (N0X termici) sia dall'ossidazione dell'azoto contenuto nel combustibile (N0X chimici). Per la ridotta presenza di ossigeno l'azoto presente nel combustibile è indotto a ricombinarsi formando azoto molecolare, Nz, piuttosto che ossido di azoto. Similmente, a causa delle più basse temperature raggiunte si hanno picchi di temperatura di combustione inferiori riducendo la formazione degli N0X termici. A widely used technique for reducing the production of nitrogen oxides (N0X) in combustion processes in industrial and electricity generation plants is that of the so-called stage combustion, which consists in appropriately dosing the air and fuel at the inside the combustion system, in such a way as to form a zone rich in fuel, in which the pyrolysis processes of the fuel occur and the reduction processes of nitrogen oxides are activated. This area is followed by a low fuel area, where the mixing of the remaining part of the current air with the fuel completes the combustion reaction. In practice, by reducing the availability of oxygen in the primary flame area, the rate of formation of nitrogen oxides is inhibited, both from the fixation of atmospheric nitrogen (thermal N0X) and from the oxidation of the nitrogen contained in the fuel (chemical N0X). . Due to the reduced presence of oxygen, the nitrogen present in the fuel is induced to recombine forming molecular nitrogen, Nz, rather than nitrogen oxide. Similarly, due to the lower temperatures reached there are lower combustion temperature peaks, reducing the formation of thermal N0X.
Un modo di applicazione della tecnica di combustione a stadi è quello descritto nel brevetto europeo n. 0452608 che prevede la suddivisione dell'aria di combustione in più correnti, dette aria primaria, secondaria e terziaria, che vengono alimentate coassialmente al combustibile nella camera di combustione nell'intorno del bruciatore. Un altro modo di applicazione della combustione a stadi è quello secondo la tecnica O.F.A. la quale consiste nel deviare una porzione dell'aria comburente dai bruciatori a luci di post-combustione situate sopra-fuoco sulla parete della caldaia a valle dei bruciatori e di introdurre in caldaia detta aria attraverso tali luci. La ripartizione dell'aria di combustione è controllata in modo che la combustione iniziale del combustibile avvenga in condizioni sub-stechiometriche per creare un'atmosfera riducente che minimizza la formazione degli ossidi di azoto. Il sistema di alimentazione dell'aria di postcombustione varia a seconda delle realizzazioni e spesso comprende iniettori dell'aria, induttori di vorticità, soffianti separate ed altre apparecchiature associate, dando luogo ad installazioni complesse e costose. One way of applying the staged combustion technique is that described in European patent no. 0452608 which provides for the subdivision of the combustion air into several streams, called primary, secondary and tertiary air, which are fed coaxially to the fuel in the combustion chamber around the burner. Another way of applying staged combustion is that according to the O.F.A. which consists in diverting a portion of the combustion air from the burners to post-combustion ports located above the fire on the wall of the boiler downstream of the burners and introducing said air into the boiler through these ports. The distribution of the combustion air is controlled so that the initial combustion of the fuel takes place in sub-stoichiometric conditions to create a reducing atmosphere that minimizes the formation of nitrogen oxides. The afterburner air supply system varies according to the embodiments and often includes air injectors, vorticity inductors, separate blowers and other associated equipment, resulting in complex and expensive installations.
Le normative sempre più stringenti in materia di riduzione delle emissioni di inquinanti ed in particolare degli ossidi di azoto (N0X) impongono interventi di adeguamento agli impianti esistenti che possono consistere in modifiche strutturali alla caldaia o in impianti aggiuntivi di trattamento dei fumi (ad esempio, i cosiddetti impianti DeNox). Nel caso di impianti di produzione di acqua calda o vapore di potenza medio-bassa, le alternative suddette risultano entrambe problematiche sia per ragioni tecniche che di costo. In particolare, volendo ridurre le emissioni di N0X mediante una combustione a stadi ottenuta con la tecnica O.F.A., si dovrebbero ricavare aperture nella parte in pressione della caldaia per creare le luci di alimentazione dell'aria di post-combustione, cosa che risulta estremamente problematica. The increasingly stringent regulations on the reduction of pollutant emissions and in particular of nitrogen oxides (N0X) require adaptation interventions to existing systems which may consist of structural changes to the boiler or additional flue gas treatment systems (for example, the so-called DeNox plants). In the case of medium-low power hot water or steam production plants, the aforementioned alternatives are both problematic for both technical and cost reasons. In particular, wanting to reduce NOX emissions by means of a staged combustion obtained with the O.F.A. technique, openings should be made in the pressurized part of the boiler to create the post-combustion air supply ports, which is extremely problematic.
Lo scopo della presente invenzione è di fornire un sistema di alimentazione dell'aria di post-combustione ad una caldaia di potenza medio-bassa per la generazione di vapore o acqua calda che sia caratterizzato da bassi costi di realizzazione in particolare se applicato all'adeguamento di impianti esistenti. The object of the present invention is to provide a post-combustion air supply system to a low-medium power boiler for the generation of steam or hot water which is characterized by low manufacturing costs, in particular if applied to the adaptation of existing plants.
Secondo l'invenzione, il sistema per l'alimentazione dell'aria di post-combustione a una caldaia per la generazione di acqua calda o vapore prevede che il condotto dell'aria di post-combustione si estenda all'interno della camera di combustione in modo da poter iniettare l'aria di post -combustione da una parete posteriore a quella dove è previsto il bruciatore oppure lateralmente rispetto alla parete medesima, attraverso un'apertura esistente, quale un passo d'uomo, o un'apertura dedicata, ricavata in una parte non in pressione della caldaia, ad esempio attraverso il refrattario . According to the invention, the system for feeding the post-combustion air to a boiler for the generation of hot water or steam provides that the post-combustion air duct extends inside the combustion chamber in so as to be able to inject the post-combustion air from a rear wall to that where the burner is provided or laterally with respect to the same wall, through an existing opening, such as a manhole, or a dedicated opening, obtained in a non-pressurized part of the boiler, for example through the refractory.
Nel caso di iniezione posteriore dell'aria di postcombustione, quest'ultima viene immessa mediante un apposito ugello che può essere coassiale al bruciatore, se la caldaia è equipaggiata con un solo bruciatore, oppure coassiale al sistema di combustione, se la caldaia è dotata di più bruciatori. Nel caso di iniezione laterale gli ugelli per l'immissione dell'aria di post-combustione sono posti in prossimità delle pareti laterali della caldaia, in genere il pavimento. In the case of rear injection of the post-combustion air, the latter is introduced through a special nozzle which can be coaxial to the burner, if the boiler is equipped with a single burner, or coaxial to the combustion system, if the boiler is equipped with more burners. In the case of side injection, the nozzles for injecting the post-combustion air are placed near the side walls of the boiler, generally the floor.
Caratteristiche e vantaggi del sistema di alimentazione dell'aria di post-combustione in caldaie industriali secondo la presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di sue forme realizzative, fatte a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui: Characteristics and advantages of the post-combustion air supply system in industrial boilers according to the present invention will become clearer from the following description of its embodiments, given by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings in which:
- la figura 1 mostra schematicamente una caldaia con relativo sistema di alimentazione dell'aria principale e dell'aria di post-combustione secondo la tecnica nota; - figure 1 schematically shows a boiler with relative feeding system of the main air and of the post-combustion air according to the known art;
la figura 2 illustra un sistema di iniezione posteriore dell'aria di post-combustione secondo 1 'invenzione; Figure 2 illustrates a rear post-combustion air injection system according to the invention;
la figura 3 illustra un sistema di iniezione laterale dell'aria di post-combustione secondo 1 'invenzione; Figure 3 illustrates a lateral post-combustion air injection system according to the invention;
le figure 4 e 5 illustrano due diversi ugelli iniettori dell'aria di post-combustione per un sistema di iniezione posteriore; Figures 4 and 5 illustrate two different post-combustion air injector nozzles for a rear injection system;
- le figure 6 e 7 illustrano due diversi sistemi di alimentazione per iniezione laterale dell'aria di postcombustione secondo l'invenzione. Figures 6 and 7 illustrate two different feeding systems for lateral injection of the afterburning air according to the invention.
Lo schema illustrato in figura 1 rappresenta la soluzione convenzionale di alimentazione dell'aria comburente in una caldaia industriale, genericamente indicata con 1 che prevede la suddivisione dell'aria di combustione in due correnti, una delle quali alimentata ai bruciatori insieme al combustibile e l'altra alimentata direttamente nella parte alta della caldaia come aria di post-combustione . I bruciatori 2, disposti su una o più file, sono connessi ai rispettivi condotti 3 di alimentazione del combustibile e 4 di alimentazione dell'aria principale di combustione. I condotti 4 si diramano da un collettore 5 dell'aria principale proveniente da un'unità di recupero del calore 6, ad esempio un Ljungstrom, in controcorrente con i fumi di combustione 7 diretti al camino. L'alimentazione dell'aria di combustione è assicurata da mezzi a soffiante 8 posti a monte della caldaia. Una certa frazione dell'aria di combustione viene aspirata tramite un aspiratore 9 dal condotto dell'aria di combustione 5 a valle dell'unità di recupero di calore 6 per essere alimentata alla parte alta della caldaia, indicata con la, per completare la combustione. L'immissione dell'aria di post-combustione in caldaia è realizzata attraverso una serie di luci ricavate sulla parete della caldaia The diagram shown in figure 1 represents the conventional solution for supplying the combustion air in an industrial boiler, generally indicated with 1 which provides for the division of the combustion air into two streams, one of which fed to the burners together with the fuel and the another fed directly into the upper part of the boiler as post-combustion air. The burners 2, arranged in one or more rows, are connected to the respective ducts 3 for feeding the fuel and 4 for feeding the main combustion air. The ducts 4 branch off from a manifold 5 of the main air coming from a heat recovery unit 6, for example a Ljungstrom, in countercurrent with the combustion fumes 7 directed to the chimney. The supply of combustion air is ensured by blower means 8 placed upstream of the boiler. A certain fraction of the combustion air is sucked by an aspirator 9 from the combustion air duct 5 downstream of the heat recovery unit 6 to be fed to the upper part of the boiler, indicated with a, to complete combustion. The inlet of the post-combustion air into the boiler is achieved through a series of ports obtained on the wall of the boiler
La portata d'aria di combustione complessiva, quella distribuita ai singoli bruciatori, quella estratta come aria di post-combustione, così come quella immessa in caldaia attraverso le singoli luci di alimentazione, sono regolabili entro ampi limiti per mezzo di apposite serrande come schematicamente illustrato in figura 1. The overall combustion air flow rate, that distributed to the individual burners, that extracted as post-combustion air, as well as that introduced into the boiler through the individual supply ports, can be adjusted within wide limits by means of special dampers as schematically illustrated. in figure 1.
Nella figura 2 è mostrato in sezione longitudinale un sistema di iniezione posteriore dell'aria di postcombustione secondo la presente invenzione. Con riferimento a tale figura, si è indicato con 10 la camera di combustione e con 11 genericamente, un bruciatore o un gruppo di bruciatori, ad esempio due o quattro. Un iniettore 12 dell'aria di post-combustione si protende entro la camera di combustione coassialmente al bruciatore 11 da un bocchello 13 posto sulla parete posteriore della caldaia attraverso un dispositivo a flangia 14, controflangia 15 e guarnizione 16 che consente di regolarne l'estensione entro la camera per permettere il movimento in senso assiale di un ugello 17 montato all'estremità libera dell'iniettore 12. L'iniettore 12 è ricoperto di uno strato di materiale isolante 18. All'esterno della camera di combustione l'iniettore 12 è collegato ad un ingresso dell'aria 19 dotato di eventuale serranda di regolazione 20 e di una flangia di chiusura 21 da cui sporge un manicotto 22 per serrare un'asta 23 di movimentazione dell'ugello 17 nel caso di ugelli mobili. Figure 2 shows a longitudinal section of a rear injection system for afterburning air according to the present invention. With reference to this figure, 10 indicates the combustion chamber and 11 generically indicates a burner or a group of burners, for example two or four. An injector 12 of the post-combustion air extends into the combustion chamber coaxially to the burner 11 from a nozzle 13 placed on the rear wall of the boiler through a flange device 14, counterflange 15 and gasket 16 which allows to adjust its extension inside the chamber to allow the axial movement of a nozzle 17 mounted at the free end of the injector 12. The injector 12 is covered with a layer of insulating material 18. Outside the combustion chamber the injector 12 is connected to an air inlet 19 equipped with an optional adjustment shutter 20 and a closing flange 21 from which a sleeve 22 protrudes to clamp a rod 23 for moving the nozzle 17 in the case of movable nozzles.
Nella figura 3 è schematicamente illustrato un sistema di alimentazione dell'aria di post-combustione con iniezione di tipo laterale. In detta figura la camera di combustione è stata genericamente indicata con 24 e con 25 un generico bruciatore o gruppi di bruciatori. Sulla parete anteriore della caldaia, in particolare al di sotto del bruciatore 25, è posto un bocchello 26 entro il quale è alloggiato un condotto 27 per l'aria di post-combustione laterale che si estende entro la camera di combustione 24 e termina con un condotto iniettore 28 disposto trasversalmente al flusso dell'aria comburente e dotato di una pluralità di ugelli tubolari 29 di sezione circolare, quadrata o rettangolare. All'esterno della camera di combustione 24 il condotto 27 è collegato ad un ingresso dell'aria 30 dotato eventualmente di serranda di regolazione 31 dell'aria di post-combustione. Figure 3 schematically illustrates a post-combustion air supply system with lateral injection. In said figure, the combustion chamber has been generically indicated with 24 and with 25 a generic burner or groups of burners. On the front wall of the boiler, in particular below the burner 25, there is a nozzle 26 inside which is housed a duct 27 for the lateral post-combustion air which extends into the combustion chamber 24 and ends with a injector duct 28 arranged transversely to the combustion air flow and equipped with a plurality of tubular nozzles 29 with circular, square or rectangular section. Outside the combustion chamber 24 the duct 27 is connected to an air inlet 30 possibly equipped with a post-combustion air adjustment shutter 31.
A seconda delle esigenze costruttive e progettuali il condotto iniettore 28 può estendersi anche lungo le pareti laterali, assumendo quindi una configurazione a U e gli ugelli iniettori 29 possono essere sostituiti da una stretta feritoia estendentesi lungo il condotto iniettore 28 in modo da immettere in caldaia l'aria di postcombustione sotto forma di una barriera laminare continua invece che di getti discreti. Depending on the construction and design requirements, the injector duct 28 can also extend along the side walls, thus assuming a U-shaped configuration and the injector nozzles 29 can be replaced by a narrow slot extending along the injector duct 28 so as to introduce the boiler into the afterburning air in the form of a continuous laminar barrier instead of discrete jets.
Ugelli, di tipo di per sé noto, che possono essere usati per l'immissione dell'aria di post-combustione nella camera di combustione nel caso di iniezione posteriore dell'aria di post-combustione, sono illustrati nelle figure 4 e 5. L'ugello illustrato in figura 4 fornisce un'uscita radiale continua dell'aria di post-combustione. Esso comprende una piastra di fondo 32 ricoperta esternamente di materiale isolante 33 dalla quale si estende un sistema di attacco 34 all'asta di movimentazione 23 dell'ugello. L'ugello è dotato di una pluralità di piatti di fissaggio 35 per il suo irrobustimento meccanico e una pluralità di alette 36 poste sulla corona esterna dell'ugello per convogliare l'aria di post-combustione. Nozzles, of a per se known type, which can be used for injecting the post-combustion air into the combustion chamber in the case of rear injection of the post-combustion air, are illustrated in Figures 4 and 5. L The nozzle illustrated in Figure 4 provides a continuous radial outlet of the post-combustion air. It comprises a bottom plate 32 covered externally with insulating material 33 from which an attachment system 34 extends to the moving rod 23 of the nozzle. The nozzle is equipped with a plurality of fixing plates 35 for its mechanical strengthening and a plurality of fins 36 placed on the external crown of the nozzle to convey the post-combustion air.
L'ugello illustrato in figura 5 fornisce invece un'uscita radiale in getti dell'aria di post-combustione. Esso comprende una piastra di fondo 37 ricoperta esternamente di materiale isolante 38 dalla quale si estende un sistema di attacco 39 all'asta 23 di movimentazione dell'ugello. L'ugello è dotato di una pluralità di piastre di fissaggio 40 per il suo irrobustimento meccanico ed una pluralità di alette deviatrici 41 poste sulla corona esterna dell'ugello per canalizzare l'uscita dell'aria di post-combustione. The nozzle illustrated in Figure 5, on the other hand, provides a radial outlet in jets of the post-combustion air. It comprises a bottom plate 37 covered externally with insulating material 38 from which an attachment system 39 extends to the rod 23 for moving the nozzle. The nozzle is equipped with a plurality of fixing plates 40 for its mechanical strengthening and a plurality of deviating fins 41 placed on the outer crown of the nozzle to channel the post-combustion air outlet.
Le figure 6 e 7 illustrano altre modalità di iniezione laterale dell'aria di post-combustione come nel caso illustrato in figura 3, ma con immissione coassiale al bruciatore ed in particolare coassiale posteriore (figura 6) e coassiale anteriore (figura 7). Nel caso di figura 6, in cui si è indicato con 42 la camera di combustione e con 43 un generico bruciatore o gruppo di bruciatori, il condotto di alimentazione dell'aria di post-combustione 44 è immesso all'interno della caldaia attraverso un passo d'uomo 45 e quindi si estende verticalmente fino al pavimento per poi scorrere longitudinalmente su di esso, in particolare sopra il banco di tubi, per terminare con un condotto iniettore trasversale 46 portante ugelli iniettori tubolari 47. Nella soluzione di figura 7, invece, adattabile quando non sono disponibili un passo d'uomo od altra apertura in posizione idonea o quando non è possibile adottare la soluzione di cui alla figura 3, il condotto di alimentazione dell'aria è ricavato intorno al bruciatore 43 e da qui si estende nella camera di combustione nello stesso modo di quanto illustrato in figura 6. Figures 6 and 7 illustrate other methods of lateral injection of the post-combustion air as in the case illustrated in Figure 3, but with inlet coaxial to the burner and in particular rear coaxial (Figure 6) and front coaxial (Figure 7). In the case of figure 6, where 42 indicates the combustion chamber and 43 indicates a generic burner or group of burners, the post-combustion air supply duct 44 is introduced into the boiler through a passage of man 45 and therefore extends vertically to the floor and then slides longitudinally on it, in particular above the bench of pipes, to end with a transverse injector duct 46 carrying tubular injector nozzles 47. In the solution of figure 7, however, adaptable when a manhole or other opening in a suitable position is not available or when it is not possible to adopt the solution shown in figure 3, the air supply duct is formed around the burner 43 and from here extends into the chamber combustion in the same way as illustrated in figure 6.
Vantaggiosamente, al fine di abbassare ulteriormente il punto di fumo dei fumi scaricati dal camino, una parte dei fumi uscenti dalla caldaia, in una percentuale non superiore al 15%, può essere ricircolata. Essi possono essere immessi nella corrente complessiva dell'aria comburente, solo nell'aria alimentata ai bruciatori, solo nell'aria di post-combustione o solo in uno dei condotti dei bruciatori. Advantageously, in order to further lower the smoke point of the fumes discharged from the chimney, a part of the fumes leaving the boiler, in a percentage not exceeding 15%, can be recirculated. They can be introduced into the overall combustion air stream, only in the air fed to the burners, only in the post-combustion air or only in one of the burner ducts.
Rispetto ai sistemi di alimentazione e iniezione dell'aria di post-combustione convenzionali il sistema secondo la presente invenzione consente di ottenere la stessa tipica combustione a stadi, e lo stesso livello di abbattimento degli N0X (fino a circa 200 mg/Nm<2>) con una soluzione costruttivamente semplice per generatori di vapore e acqua calda di potenza medio-bassa ed in particolare rende applicabile a generatori esistenti del tipo suddetto la tecnica O.F.A. senza richiedere modifiche delle parti in pressione della caldaia, in quanto vengono sfruttate le aperture esistenti nella camera di combustione . Compared to conventional post-combustion air supply and injection systems, the system according to the present invention allows to obtain the same typical staged combustion, and the same reduction level of N0X (up to about 200 mg / Nm <2> ) with a constructively simple solution for steam and hot water generators of medium-low power and in particular makes the O.F.A. technique applicable to existing generators of the aforementioned type. without requiring changes to the pressurized parts of the boiler, as the existing openings in the combustion chamber are exploited.
Varianti e/o modifiche potranno essere apportate al sistema di alimentazione dell'aria di post-combustione secondo la presente invenzione, senza per questo uscire dall'ambito di protezione dell'invenzione medesima. Variations and / or modifications may be made to the post-combustion air supply system according to the present invention, without thereby departing from the scope of protection of the invention itself.
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