3.2. Зменшення викидів оксидів азоту з димовими газами шляхом раціонального спалювання низькосортного палива

Одним з перспективних способів спалювання палива в котлах електростанцій без значних капітальних затрат є зміна топкового процесу з метою зниження викидів оксидів азоту. На процес горіння у топці впливає ряд режимних факторів, а саме: зміна коефіцієнта надлишку повітря, рециркуляції димових газів та оптимізація місця їх подачі в топку чи до пальників, оптимізація температури газів та повітря і кількості пари (води), що подається в топку котла при регулюванні мазутного факела в паромеханічних форсунках і т.д.

Окрім режимних факторів, суттєво на ефективність спалювання органічного палива впливають конструктивні особливості топки і власне самого котла, а також пальникових пристроїв. Різна модифікація останніх приводить до того, що з метою ефективного спалювання органічного палива для кожного типу котла із своїми специфічними пристроями потрібно виконання спеціальних розрахунків та експериментальних досліджень.

На сьогоднішній день проблема ускладнюється тим, що поряд з задачею підвищення ефективності спалювання органічного палива погіршеної якості потрібно одночасно забезпечити зниження величини викидів оксидів азоту та інших шкідливих речовин з димовими газами. Ця проблема при відомих уже узагальнюючих факторах, які знижують викиди оксидів азоту, як було сказано вище, може вирішуватися тільки конкретно для кожного типу котла, пальникових пристроїв з урахуванням характеристик органічного палива, що спалюється в топках котлів.

Отже, відомі способи зниження рівня генерації оксидів азоту:

3.2.1. С т у п е н е в е с п а л ю в а н н я. При ступеневому спалюванні органічного палива в межах топкової камери розділені два основних процеси, які мають вплив на горіння палива та утворення NO_x у факелі (рис.73). Це формування факелу, спалювання і догорання паливно-повітряної суміші. Горіння на першій стадії проходить при недостачі кисню, а на другій, завершальній, після утворення оксидів азоту - при розрахунковому надлишку повітря, що забезпечує допалювання палива.

Зменшення надлишку повітря на початковій ділянці факелу за схемою ступеневого спалювання приводить до того, що зв’язаний азот палива виділяється за рахунок термічного руйнування азотомістких з’єднань на початковій ділянці факела у вигляді атомарного азоту, монооксиду NO, азотомістких радикалів HCN, NH₃. В умовах недостачі кисню протікає процес утворення молекулярного азоту, тобто відновлення NO азотомісткими радикалами і продуктами неповного згорання СО і Н₂. Ступінь окислення азоту палива і вихід ’’паливних’’ оксидів стримується. Цей процес є визначальним в умовах утворення оксидів азоту для ступеневого спалювання твердого палива.

На другому ступені зниження утворення оксидів азоту для різних видів палива забезпечується охолодженням продуктів неповного згорання.

Спосіб стадійного (нестехіометричного) горіння, який застосовується в пальниковому пристрої, дозволяє суттєво зменшити вихід NO_x головним чином шляхом зниження температури в ядрі зони горіння (рис.74.

3.2.2. З н и ж е н н я з а г а л ь н о г о н а д л и ш к у п о в і т р я в т о п ц і. Якщо ступеневе спалювання передбачає зміну локального надлишку повітря (в окремих факелах, на окремих ділянках факела) при незмінному розрахунковому його значенні у топковій камері і є відповідна цілеспрямована, в певній мірі ізольована і вибіркова дія на умови утворення оксидів азоту, то зниження загального надлишку повітря у топці усуває умови розвитку всіх топкових процесів. Як метод впливу на вихід оксидів азоту зниження загального надлишку повітря в топці пов’язане з цілим рядом побічних ефектів. Залежність виходу оксидів азоту від надлишку повітря має екстремальний характер.

Після проведення дослідів на котлі БКЗ-210-140Ф і обробки експериментальних результатів (паливо–Кузнецьке кам’яне вугілля марки Г) отримано залежність концентрації оксидів азоту в димових газах від коефіцієнта подачі первинного повітря (₁) і різниці швидкостей (W₂-W₁) первинного і вторинного повітря у вихідному перетині пальника:

NO₂ = 0,62₁+0,03(W₂-W₁)–0,07, г/м³. (14)

Для досліджуваного котла розрахункові значення ₁ і (W₂-W₁) становлять 0,27 і 14 м/с, а їм відповідає - NO_х = 0,5 г/м³. Вплив на утворення “паливних” NO_x кількості окислювача на початковій ділянці прямотечійного пиловугільного факела запишеться у вигляді безрозмірного коефіцієнта :

(15)

Згідно з даними Московського енергетичного інституту за рахунок зниження надлишків повітря можна зменшити рівень викидів оксидів азоту на одну третину. Досвід організації топкового режиму з пониженими надлишками повітря дозволяє добитися зниження викидів оксидів азоту (в діапазоні зміни від 1,1 до 1,02) до 40% або на 4-5% на кожний відсоток зниження надлишку повітря. Застосування цього методу обмежується збільшенням втрат з недопалом палива і збільшенням викидів інших шкідливих речовин (оксиди вуглецю, сажі, бенз/а/пірену, тощо).

3.2.3. Р е ц и р к у л я ц і я д и м о в и х г а з і в. Серед режимних заходів, які сприяють зниженню концентрації оксидів азоту для газомазутних котлів, одним із поширених і достатньо вивчених є рециркуляція димових газів з одночасним підтриманням мінімального коефіцієнта надлишку повітря в топці. Рециркуляція знижує рівень генерації “термічної” складової NO_x. Відзначається, що застосування рециркуляції дещо погіршує економічні показники роботи котла.

Система рециркуляції димових газів (повернення в топку до 20-25% димових газів) використовується на багатьох котлах для регулювання температури перегрітої пари, температури димових газів на виході з топки, сушіння високореакційних або високовологих палив. У цьому випадку дія рециркуляції димових газів на вихід оксидів азоту є побічним результатом. Проте в теперішній час рециркуляція димових газів на газомазутних котлах є найбільш поширеним способом зниження викидів оксидів азоту і має самостійне значення. Димові гази з температурою 300-400⁰С відбираються перед повітропідігрівником і спеціальним рециркуляційним димососом подаються в топкову камеру. Слід зауважити, що має велике значення кількість і місце подачі рециркуляційних газів. Так, подача великої кількості газів рециркуляції знижує ККД котлів і недопустимо підвищує температуру перегріву пари. Тому існують різні шляхи інтенсифікації цих процесів, а саме:

- подача газів рециркуляції не в тракт дуттєвого повітря, а в паливо або первинне повітря (ефективність зменшення NO_x - 4,5-4,8% на 1,0% рециркуляції;

- подача основної кількості газів рециркуляції до центральних пальників для максимального зниження температури в ядрі зони горіння (ефективність на 25-28% вища, ніж при звичайній схемі реалізації методу).

Дослідження різних авторів показали, що найбільший ефект дає подача димових газів через пальник в суміші з дуттєвим повітрям або окремим каналом пальника зі швидкістю, яка приблизно дорівнює швидкості повітря на виході з пальника.

У розробках ВО ’’Красный котельщик’’ передбачається рециркуляція димових газів із конвективної шахти в топку в кількості 15% при номінальному навантаженні, що дозволяє знизити вміст NО_x у вихідних газах приблизно на 40%. Подальше збільшення частки рециркуляції газів економічно недоцільне, тому що це спричиняє суттєвий ріст витрати електроенергії на власні потреби, знижує ККД котла із розрахунку 0,02-0,03% на кожний відсоток рециркуляційних газів.

Подача 15% газів рециркуляції знижує викиди NО_x в два рази. В конструкції нових котлів, або тих що реконструюють, доцільно закладати частку рециркуляції близько 30%. Це дозволить ще в 1,5 рази знизити викиди NО_x.

Введення рециркуляційних газів у топку передбачене заводським проектом на потужних газомазутних прямотечійних котлах (ТГМП-114, ТГМП-314, ТГМП-324, ТГМП-204, ТГМП-1201), на ряді газомазутних котлів з природною циркуляцією (ТГМ-94, ТГМ-104, ТГМЕ-464), на потужних пиловугільних котлах (П-67, ТПП-804).

Відзначено, що для котла паропродуктивністю 480 т/год енергоблоку потужністю 160 МВт, який працює на природному газі, застосування рециркуляції дозволяє знизити рівень виходу оксидів азоту на 47-70%.

Проведений аналіз показує, що застосування рециркуляції димових газів знижує ККД котла через підвищення температури димових газів, збільшує затрати на власні потреби, основна частка яких іде на привід димососів рециркуляції, а також зростають навантаження на димососи. Навантаження на дуттєві вентилятори може зростати або знижуватися в залежності від рівня присмоктів і способу введення рециркуляційних газів у топку. Тому незважаючи на великий досвід розробки і застосування рециркуляції димових газів для обмеження виходу оксидів азоту, на сьогодні неможливо сформулювати однозначні рекомендації оптимальних способів організації рециркуляції взагалі. Вирішення його потребує диференційованого підходу для різних пальникових пристроїв.

3.2.4. В в е д е н н я в о л о г и (води або пари в топку). Найбільш ефективним способом є так зване ’’локальне дозоване впорскування води’’, яке передбачає введення води безпосередньо у зону утворення оксидів азоту - на початкову ділянку факелу, де проходить перебудова поля температур. У цьому випадку максимальна температура знижується і переміщається ближче до кореня факела, чим, очевидно, пояснюється зниження оксидів азоту.

Промислові випробування і дослідження на ТЕС та інших енергетичних підприємствах показали високу ефективність локального дозованого впорскування води у зону горіння як методу боротьби з утворенням оксидів азоту в топках парових котлів при спалюванні мазуту і газу. Щоб зменшити утворення оксидів азоту широко застосовуються і інші методи введення вологи в зону горіння, при яких висока ефективність зниження рівня викидів шкідливих речовин в атмосферу для умов промислової експлуатації обладнання досягається зміною режимів спалювання палива. Для впровадження їх у практику необхідне техніко-економічне обгрунтування. Так, при впорскуванні води у зону горіння збільшується втрата теплоти, що в результаті може привести до зниження ККД котла. Для вирішення питання про економічну доцільність широкого застосування цього методу необхідна комплексна оцінка впливу впорскування води на ККД котла і економічного ефекту від зниження викидів оксидів азоту в атмосферу. Тому в першу чергу необхідно розробити науково обгрунтовані методики розрахунку втрат тепла з відхідними газами і ККД котла при роботі з впорскуванням води в зону горіння і зволоженням вдувного повітря.

Впорскування води в топку сприяє зниженню в основному “термічних” оксидів азоту, а дія вологи на “паливні” оксиди азоту є незначною.

Спалювання природного газу з впорскуванням 80 кг води у топку на 1 Гкал отриманого тепла знижує викиди оксидів азоту в три рази.

У випадку спалювання суміші пилу вугілля АШ з природним газом на котлі ТКЗ-120/150 і введенням пари у зону горіння досягалось зниження концентрації NO_x приблизно на 26%.

Багато робіт присвячено використанню пари і води (впорскування в зону горіння) для зниження виходу оксидів азоту в газомазутних котлах, що призводить до зниження ККД котла із-за втрат тепла на випаровування води і зростання витрати електроенергії на власні потреби, викликане збільшенням об’єму газів.

Значний вклад в теорію і практику утворення оксидів азоту при спалюванні органічного палива внесли дослідження вчених Інституту газу НАН України під керівництвом професора Сігала І.Я., які проводилися протягом тривалого часу.На основі цих досліджень розроблені заходи підвищення ефективності способів зниження NO_x в котлах:

- для підвищення ефективності способів зниження оксидів азоту в топках котлів (рециркуляції димових газів у топку, двоступеневого спалювання палива, подачі пари тощо) необхідно спрямувати їх дію в першу чергу на найбільш високотемпературні зони, сприяючи таким чином вирівнюванню температурного поля топки в горизонтальному перетині;

- при заданому ступені рециркуляції димових газів підвищення їх подачі у центральні пальники (G_ц) і відповідне зменшення подачі в крайні (до співвідношення G_кр/G_ц =0 - 0,2) знижує вихід оксидів азоту на 25-30% в порівнянні з рівномірною подачею газів рециркуляції в усі пальники;

- організація двоступеневого спалювання палива в центральних пальниках у два рази ефективніша щодо виходу оксидів азоту, ніж у крайніх;

- застосування нерівномірної дії способів щодо зниження утворення оксидів азоту дозволяє підвищити їх ефективність без погіршення якості спалювання палива і параметрів пари.

3.2.5. П о д а ч а в у г і л ь н о г о п и л у з в и с о к о ю к о н ц е н т р а-ц і є ю. В результаті спеціальних випробувань котлів з різними схемами пилоподачі установлено зниження на 20% викидів NO_x при пилоподачі з високою концентрацією під тиском (ПВК_т).

Проведені порівняльні випробування котлів ТПП-210А Київським політехнічним інститутом на Трипільській ТЕС сумісно з Інститутом газу АН України показали, що викиди оксидів азоту котлом з ПВК_т на 20,2-21,4% менші, ніж котлом з заводською системою транспорту пилу.

Пояснення одержаного при ПВК_т позитивного ефекту пов’язано зі створенням нестехіометричних зон спалахування палива, більш раннім запалюванням палива, зниженою витратою первинного повітря, а також визначається функцією двох факторів – витрат первинного і транспортуючого повітря.

3.2.6. С е л е к т и в н і н е к а т а л і т и ч н і і к а т а л і т и ч н і с и с т е м и. У більшості країн рівень вмісту оксидів азоту в димових газах становить 250-300мг/м³, який можна досягнути послідовним застосуванням різних методів зниження, вважається достатнім. В Японії, Німеччині, Австрії і на деяких електростанціях США в теперішній час рівень 200-300мг/м³ вважається досить високим, і після того, як вичерпалися можливості конструктивних і режимних методів зниження, для доочищення газів до рівня 40-50мг/м³ застосовуються системи аміачно-каталітичного відновлення оксидів азоту, в основі яких лежать інтегральні реакції типу:

6NO + 4NH₃ + катал. = 5N₂ + 6H₂O. (16)

Проте необхідно враховувати, що застосування систем очищення на 10-30% збільшує вартість виробітку електроенергії, вимагає великих капітальних затрат, організації виробництва каталізаторів для їх постійної заміни, а також надійного контролю вмісту аміаку і оксидів азоту в димових газах і в атмосферному повітрі після системи очищення.

На рис.75 приведена орієнтовна залежність ефективності зниження оксидів азоту NO_x в димових газах від тривалості експлуатації систем .

В обох системах як відновлювач застосовують аміак. Некаталітичні системи простіші, їх спорудження обходиться не дорожче заміни пальників, а ефективність достатньо висока: викиди оксидів азоту знижуються на 50-60%. Введення аміаку (аміачної води) у високотемпературну (900-1100⁰С) зону газоходу котла здійснюється з газом рециркуляції або з парою. Аміак вибірково реагує з NO_x, незважаючи на присутність кисню, з утворенням N₂ i H₂O.

Поєднання технологічних методів зниження утворення оксидів азоту з методом селективного некаталітичного їх відновлення дозволяє знизити концентрації оксидів азоту в димових газах при спалюванні вугілля до 250-300мг/м³, мазуту до 100мг/м³ і нижче.

Впровадження широко розповсюдженої у світі технології селективного каталітичного відновлення оксидів азоту в нашій країні затримується через відсутність вітчизняного каталізатора, проте, починаючи з 1989 року в Росії проведена значна робота як для його створення, так і проектування азотоочисних установок і обладнання для них.

3.2.7. В і д н о в л е н н я о к с и д і в а з о т у в т о п ц і. Одночасно із процесами окислення азоту у високотемпературній зоні розвиваються процеси відновлення оксидів азоту, що утворилися. Відновлюваним середовищем тут є продукти хімічного недопалу - водень, оксид вуглецю і проміжні високоактивні продукти горіння - радикали і уривки реакційних ланок. Підвищення концентрації продуктів недопалу у факелі приводить до зниження виходу оксидів азоту. Організація топкового процесу з інтенсифікацією реакцій відновлення оксидів азоту може бути здійснена різними шляхами:

- спалюванням частини палива у спеціальних пальниках з недостачею повітря і введенням повітря, необхідного для допалювання цієї частини палива через сопла над вказаними спеціальними пальниками (триступеневе спалювання). Тут просторово розділені зона утворення оксидів азоту і зона формування відновного середовища;

- зниженням загального надлишку повітря в топці для спалювання палива з регульованим залишковим хімічним недопалом. Тут зони окислення азоту і утворення відновного середовища співпадають;

- проміжне положення займає модифікація триступеневого спалювання в топках з двохярусним розміщенням пальників з недостачею повітря в пальниках верхнього ярусу і скиданням повітря для допалювання палива через сопла над верхніми основними пальниками. Утворення відновного середовища проходить в основних верхніх пальниках з виділенням тут меншої частини оксидів азоту. Основна частина оксидів азоту утворюється у факелі нижніх пальників з розрахунковим, більш високим надлишком повітря. Спалювання тут проходить без помітного виділення продуктів хімічного недопалу.

На сьогодні розроблений спосіб зниження утворення оксидів азоту шляхом підтримання у кожному індивідуальному факелі і в цілому у високотемпературній зоні топки певної концентрації продуктів хімічного недопалу. Регульований хімічний недопал підтримується шляхом ведення топкового режиму при пониженому надлишку повітря у кожному пальнику.

Аналіз ефективності перерахованих методів показує, що з допомогою якогось одного методу вдається знизити викиди NО_x не більше ніж у 2-2,5 рази. Суттєве зниження оксидів азоту може бути досягнуте тільки із застосуванням одночасно кількох методів.