3.3. Схеми ступеневого спалювання органічного палива

Найбільш перспективними сьогодні є методи ступеневого спалювання органічного палива, завдяки яким можна не тільки знизити утворення оксидів азоту, але і відновити частину NО_x, що утворилася на початковій стадії горіння до молекулярного азоту за умови збереження на достатньо високому рівні надійності та економічності роботи устатковання.

Методи дво- і триступеневого горіння отримали широке поширення в процесі спалювання всіх видів палива - вугілля, мазуту і газу в котлах енергоблоків. Ці методи мають свої різновидності, суть яких полягає в тому, що крім конструктивних змін топки для покращення процесу горіння палив і зниження використовують режимні фактори. Це зокрема, зміна надлишку повітря, рециркуляція димових газів, впорскування води тощо.

Так, для двоступеневого спалювання газу шляхом дворядного розміщення пальників застосовується схема, за якої нижній ряд працює з ₁=0,80 - 0,85, а другий ряд з ₂=1,20 - 1,30. В роботах інституту газу НАН України стверджується, що застосування в котлах продуктивністю 480 т/год такої схеми дозволило знизити вміст NО_x в продуктах згорання з 560 до 290 мг/м³.

У випадку трирядного розміщення пальників: нижній працює з ₁=1,20, середній з ₂=0,70 - 0,80, а третій використовується тільки для подачі повітря.

Один з ефективних методів захисту атмосфери від викидів NО_x, що утворюються в процесі спалювання палива в котлах ТЕС базується на зміні топкового режиму. Дослідження механізму утворення NО_x при спалюванні пилоподібного палива показало, що вирішальний вплив на вміст ’’паливних’’ оксидів азоту у продуктах згорання має концентрація кисню на початковій ділянці факелу, де відбувається спалах і згорання летких речовин.

На пиловугільних ТЕС Японії віддається перевага щодо зниження генерації NО_x в топковому процесі горіння конструктивному методу. Цей метод має такі переваги: він вимагає невеликих капітальних затрат і не дуже збільшує експлуатаційні витрати у порівнянні з іншими методами. За цим методом вище рівня основних пиловугільних пальників у топці встановлюються додаткові пальники, в які подається частина палива з недостачею повітря. Ще вище розміщують сопла для введення третинного повітря, необхідного для завершення топкового процесу.

Принцип ступеневого спалювання палива полягає в умовному розділенні факела на дві або більше стадії спалювання. На першій високотемпературній стадії паливо згоряє з коефіцієнтом надлишку повітря меншим одиниці, а на наступних стадіях, які характеризуються відносно низьким температурним рівнем, паливо допалюється з відносно більшим надлишком повітря. Отже, генерація NО_x на першій стадії гальмується через недостачу кисню в зоні реакції, а на наступних стадіях - відносно низьким рівнем температури факела. Це і визначило переваги ступеневого спалювання, як методу зменшення кількості оксидів азоту перед іншими методами.

У процесі ступеневого спалювання палива після спалахування і згоряння летких (або частини газоподібного палива), як було відзначено вище, у факелі різко знижується концентрація кисню, в результаті чого гальмуються окислювальні реакції з утворенням NO і інтенсифікуються реакції, що приводять до переходу азотомістких радикалів NН_i i CN у молекулярний азот N₂. У випадку наявності в певних зонах факела газів-відновлювачів СО, Н₂, СН₄ проходить відновлення оксиду азоту, що утворився, до N₂. Все це приводить до зниження концентрації NO вздовж струмини факелу до того моменту, коли в нього вводиться струмінь третинного повітря з О₂=21%.

Але при переведенні котлів на ступеневе спалювання палив з розбалансом співвідношення ’’паливо-повітря’’ ’’по вертикалі’’ може привести до збільшення викидів бенз/а/пірену і інших канцерогенних речовин.

Проте, інша схема ступеневого спалювання палива з розбалансом співвідношення ’’паливо-повітря’’ ’’по горизонталі’’ приводить до незначного зменшення концентрації оксидів азоту і суттєвого зменшення викидів канцерогенних речовин.

У процесі триступеневого спалювання газу і мазуту з подачею частини повітря назустріч пальникам, а частини - над ними є можливість зменшити викиди оксидів азоту і регулювання температури перегрітої пари.

В деяких країнах застосовуються також методи подачі повітря при горінні вугілля з розподілом між ярусами: перший - ₁=0,65; другий ₁+₂=0,85; третій - ₁+₂+₃=1,20 - 1,40. В більшості країн рівень вмісту оксидів азоту на виході з котлів становить 250 - 300 мг/м³. Для доочищення газів і зниження величини NО_x до рівня 40 - 50 мг/м³ застосовуються системи аміачно-каталітичного відновлення оксидів азоту.

Для більш глибокого зниження утворення оксидів азоту у топках котлів ТГМП-204 в процесі спалювання природного газу автором запропоновано і впроваджено комплексне вирішення цієї задачі, суть якої полягає в одночасному застосуванні ступеневого спалювання газу, рециркуляції димових газів і впорскуванні води в топку. Для цього газ спалюється шляхом подачі в зону горіння декількома ярусами зустрічних газоповітряних потоків над ними зустрічними струминами вторинного повітря, яке подається центральними закрученими і периферійними прямотічними струминами. Гази рециркуляції подають через пальникові пристрої навколо газоповітряних і повітряних потоків. Впорскування води в топку здійснюється щілинними форсунками, розміщеними в центральній частині пальникових пристроїв котла.

Двоступеневе спалювання палива. Це метод, випробуваний на енергетичних котлах ТГМ-84, ТГМП-204 і водогрійних котлах ПТВМ-100, дозволяє знизити викиди NО_x на 40-50%. Його рекомендують для використання перш за все на котлах, в яких спалюється газоподібне паливо без вмісту сірки. При використанні сірчистих мазутів і сірководневих газів схема двоступеневого спалювання може використовуватися на барабанних і водогрійних котлах. Застосування її на котлах закритичного тиску по даних проблематичне із-за можливості виникнення в зоні НРЧ сірководневої корозії екранних труб.

Триступеневе спалювання палива, перевірене на котлах ТГМ-96Б і ПК-33, дозволяє знизити викиди NО_x на 40-50%. Цей метод може застосовуватися при спалюванні сірководневих палив.

Простіша схема двоступеневого спалювання стосовно промислових і енергетичних котлів полягає в роботі з коефіцієнтом надлишку повітря у пальниках _n, меншим стехіометричного, при наявності спеціальних повітряних шліців, розміщених вище верхнього яруса пальників. При проектуванні нових і реконструкції діючих котлів із схемою ступеневого спалювання досить важливо правильно вибрати місце введення і кількість третинного повітря, щоб отримати можливо більший ефект щодо зниження викидів оксидів азоту з мінімальними негативними наслідками для роботи котла. До можливих негативних наслідків належать:

1 - підвищення температури газів на виході з топки , зв’язане з гальмуванням процесу горіння на початковій ділянці (через штучне створення дефіциту кисню);

2 - збільшення втрат тепла з механічною неповнотою згорання q_4,. особливо при недостатній висоті топкової камери (а саме при високому q_v);

3 - небезпека для котлів закритичного тиску високотемпературної корозії топкових екранів (у варіанті, якщо відновлювальне середовище буде створюватися поблизу екранних поверхонь нагріву);

4 - можливість шлакування ширмових або перших по ходу газу конвективних поверхонь нагріву (через підвищення ), а також топкових екранів (через зниження температурних характеристик золи при переході від окислювального до відновного середовища).

Аналіз причин негативних наслідків показує, що фактори (3) і (4) в значній мірі залежать від характеристик палива (шлакування і вміст сірки), аеродинаміки топкової камери (тангенціального, зустрічного або однофронтального розміщення пальників) і температури екранних поверхонь (а саме параметрів котельної установки). Необхідно також відзначити, що в процесі спалювання палив, які сильно шлакуються і з високим вмістом сірки при близькому розміщенні вихрових пальників від бокових екранів, а також для котлів закритичного тиску, є небезпека появи високотемпературної корозії або шлакування топкових екранів. Ступінь небезпеки цих факторів не піддається розрахунку і може бути оцінена тільки після переведення головних котлів кожної серії на схему ступеневого спалювання.

Що стосується перших двох факторів (підвищення і q₄), то для наближеної оцінки  і q₄ стосовно котлів, які реконструюються, можна скористатися емпіричними залежностями:

(17)

(18)

де - віддаль по висоті між осями верхніх пальників і шліців третинного повітря, м; віддаль від пальників верхнього яруса до шліців третинного дуття, м; -вихід летких речовин на горючу масу, %; -діаметр амбразури або висоти пальників верхнього ярусу, м; - висота або діаметр вихідного перетину шліців третинного повітря, м.

В рівняннях (17) і (18) умовно прийнято, що розрахункові значення q₄ і відповідають _n=1,1.

Велике значення має ефективність ступеневого спалювання, а саме ступінь зниження викидів оксидів азоту:

(19)

де і - концентрації NО_x в перерахунку на NO₂ при =1,4 до і після переведення котла на ступеневе спалювання. Цей параметр також, ймовірно, можна буде визначати розрахунковим шляхом із використанням кінетичної моделі утворення і розкладу NО_x із врахуванням “термічних”, “паливних” і “швидких” оксидів азоту - в перспективі.

Необхідно зауважити, що за рахунок і q₄, розроблюваних математичних моделей топкового процесу (із врахуванням горіння, аеродинаміки і теплообміну) буде можливо у перспективі розрахувати значення цих величин.

Поки що для наближеної оцінки можна користуватися емпіричними рівняннями, отриманими при випробуванні пиловугільних котлів, переведених на схему ступеневого спалювання.

Шляхом співставлення лабораторних і промислових досліджень було встановлено, що концентрація “паливних” оксидів азоту залежить від квадрата коефіцієнта надлишку повітря в пальниках, причому для вихрових і прямотокових пальників ця залежність неоднакова. Із врахуванням цих залежностей і результатів випробувань декількох пиловугільних котлів, реконструйованих за схемою триступеневого спалювання, отримані такі емпіричні залежності для оцінки ефективності таких схем:

(20)

(21)

де коефіцієнт надлишку повітря в пальниках; частка третинного повітря, розрахована за формулою:

(22)

і - коефіцієнт надлишку повітря за топкою і присмокти в топкову камеру.

Залежність (23) отримана з експериментальних даних у процесі спалювання кам’яного вугілля за триступеневою схемою у тангенціальній топковій камері.

Відомо, що при спалюванні високореакційного вугілля (кам’яне вугілля типів Г, Д, буре вугілля) тепла, що виділилося за рахунок згоряння летких на початковій ділянці факелу, є достатньо для початку горіння коксового залишку. У випадку спалювання низькореакційного вугілля (антрацит, пісне вугілля) кількість летких невелика і тому навіть при зменшеному тепловідводі, який забезпечується запалювальними поясами або використанням топок з рідким шлаковидаленням існує небезпека погасання коксової частинки при недостачі кисню. Тому для котлів, які працюють на АШ і пісному вугіллі, сопла третинного дуття повинні розміщуватися ближче до пальників верхнього ярусу. Для котлів на кам’яному і бурому вугіллі шлях факелу до зустрічі з третинним повітрям може бути збільшеним для підвищення ефективності гальмування утворення NО_x.

На основі вище викладеного, і виходячи з припущення, що величина підіймальної швидкості газів в різних топках відрізняється незначно і з врахуванням досвіду організації ступеневого спалювання - рекомендується залежність:

. (23)

У процесі спалювання палива, яке містить азот, відбувається утворення ’’швидких’’, ’’паливних’’ і ’’термічних’’ оксидів азоту. Утворення ’’термічних’’ оксидів азоту вздовж ходу факела у зоні високих температур в значній мірі визначається наявністю вільного кисню у зоні їх емісії.

Стверджують, що емісія ’’швидких’’ і ’’паливних’’ оксидів азоту за незмінного температурного режиму, в основному визначається локальними надлишками повітря. Це пояснюється їх утворенням на початковій ділянці факелу ще до моменту досягнення максимальних температур і повної витрати кисню.

Серед різних способів зниження викидів оксидів азоту NO_x одними з найбільш доступних для практичного впровадження і відносно дешевих є так звані внутрішньотопкові або технологічні. Проте для задоволення жорстких нормативів гранично допустимих викидів (ГДВ) NO_x необхідне розроблення нових технологічних універсальних по паливу способів з ефективністю зниження виходу оксидів азоту не менше 60-70%. Таким вимогам відповідає розроблений у ВТІ спосіб ступеневого спалювання палив із введенням азотомістких речовин у відновну зону горіння (рис.76). Присутність значної кількості азотомістких радикалів RN_і в продуктах згорання в області високих температур при  забезпечує ефективне відновлення оксидів азоту, які утворилися на початковій стадії факела, до молекулярного азоту. Як відновники можуть застосовуватися аміак NH₃, аміачна вода NH₄OH, сечовина (NH₂)₂CO, ціанурова кислота (HOCN)₃, які доступні і мають невисоку вартість. Проведені дослідження підтвердили, що при реалізації даного способу викиди NO_x можна знизити на 80-90%, забезпечивши вміст оксидів азоту в димових газах на рівні всього кількох десятків мг/м³.

Відома також схема зниження виходу NО_x - максимальне використання системи рециркуляції газів і ступеневе спалювання палива. В результаті на зниження концентрації оксидів азоту діє подвійний ефект: зниження температури в ядрі факела холодними газами ре циркуляції і через ступеневе спалювання (недостатня кількість окислювача в нижньому ярусі пальників).

При застосуванні ступеневого спалювання може знижуватись ККД котла із-за підвищення температури відхідних газів внаслідок підвищення температури димових газів у верхній частині топки, а також із-за зростання механічного недопалу палива (для пиловугільних котлів).

Наведені в літертурі дані про застосування ступеневого спалювання пилоподібного палива в парових котлах показують, що на його ефективність впливає велика кількість конструктивних і режимних параметрів.