Учебник по Природоохранным технологиям на ТЭС

Скорость образования термических окислов азота экспоненциаль% но зависит от температуры и содержания кислорода в степени 0,5. Про% цесс обратимый, протекает по цепному механизму с образованием сво% бодных атомов кислорода воздуха и азота. Итоговую реакцию можно записать в виде

N2 O2 2NO 180, ÊÄæ.

Важно отметить, что интенсивное образование NO идет в области максимальных температур, т. е. в зоне факела, где уже сгорела основная масса топлива. Из%за высокой энергии активации основное количество термических оксидов азота образуется в узком диапазоне температур. Время пребывания в этой зоне факела во много раз меньше времени достижения равновесной концентрации.

Наличие в дымовых газах тех или иных NO зависит от целого ряда факторов, наиболее значимым из которых является температура сжига% ния топлива. Зависимость образования оксидов азота от температуры представлена на рис. 2.26 [13].

При низкотемпературном сжигании топлива, когда максимальная температура не превышает 1500 °С, термические NOx можно вообще не учитывать ввиду их малости. Такое положение характерно для пылеу# гольных топок с прямым сжиганием влажного бурого угля, при высокой доле рециркуляции газов, подаваемых через горелки, или при высоком коэффициенте избытка воздуха в топочной камере.

81

Образование топливных оксидов азота осуществляется в два этапа: на начальном участке факела происходит газификация капель мазута или угольных частиц с выделением летучих азотсодержащих соедине% ний (радикалов R) типа CN, HNC, HN, HN2, а затем частичное окисле% ние этих соединений по реакции

RN O2 NO RO.

Топливные оксиды азота образуются параллельно с горением то% плива в основной зоне горения за промежуток времени меньший, чем время горения топлива. Процесс образования NO из азота топлива происходит уже при относительно низких температурах 550–1000 °С. Зависимость выхода топливных оксидов азота от содержания молеку% лярного кислорода в зоне горения близка к квадратичной. Естествен% но, важным фактором здесь является содержание азота в топливе. Пол% ное превращение азота топлива в окислы азота имеет место при %. При сжигании углей с Nr = 1,1–1,4 % иSr = 1–3 % степень перехода азота то% плива в NOx составляет обычно 20–30 %. При температуре в топке ни% же 1450 °С связанный азот топлива становится доминирующим в обра% зовании оксидов азота. При факельном сжигании топлива в топочную камеру через горелки подаются прямоточные или закрученные потоки смеси топлива с воздухом и чистого воздуха (иногда газы регенерации). Конструкции применяемых горелок разнообразны, так как диапазон изменения характеристик топлива очень велик. Выход летучих горю% чих, в значительной степени определяющий реакционные качества то% плива, меняется от 2 до 92 %. Все пылеугольные горелки имеют поток первичного воздуха, который смешивается с топливом до поступления в топку, и поток вторичного воздуха, который смешивается с аэросме% сью после выхода из горелки. Прогрев аэросмеси способствует выходу летучих и их воспламенению. Поэтому на начальном участке всегда имеется высокотемпературная зона, в которой идет интенсивный вы% ход азотосодержащих компонентов и образование топливных NO. При сгорании летучих расходуется в основном кислород, содержащийся в первичном воздухе. Горение летучих ускоряет прогрев и воспламенение коксовых частиц и здесь уже используется кислород вторичного возду% ха. Далее по ходу факела, когда содержание кислорода значительно снижается, доминируют другие реакции: NO, взаимодействуя углево% дородами HC, образуют промежуточные азотосодержащие компонен% ты, которые восстанавливают NO до молекулярного азота N2.

82

Топливные оксиды азота отсутствуют при сжигании природного газа, так как газ почти не содержит связанного азота. При сжигании ма% зута в энергетических котлах доля топливной составляющей оксидов азота относительно невелика.

«Быстрые» NO образуются на начальном участке факела в зоне ра% зогрева топливно%воздушной смеси. Здесь определяющим является присутствие радикалов, образующихся при термическом разложении топлив в результате аномально быстрых реакций молекулярного азота с углеводородами, содержащимися в топливе (CH, HC, NH и др.):

N2 CH HCN N;

N OH NO H.

Эти реакции активно протекают уже при температуре 1300 °С, когда образование термических NO еще не происходит. Концентрация «бы% стрых» NO растет при увеличении избытка воздуха и температуры и при сжигании природного газа может составить 70–90 мг/м3. Доля «быстрых» оксидов азота в топке котлов при факельном сжигании не превышает, как правило, 10–15 % от общего выхода оксидов азота в топочном процессе.

В реальных топочных процессах приходится учитывать возможность одновременного действия рассмотренных механизмов образования NOx. Ведущая роль того или иного механизма определяется свойствами топли% ва (содержание связанного азота, теоретическая температура горения), а также спецификой организации факела (интенсивность смесеобразова% ния, температурный уровень процесса). Это должно учитываться при раз% работке мероприятий, подавляющих образования NOx в целях достиже% ния современных норм по выбросу оксидов азота в атмосферу.

Для снижения образования термических NOx применяются первич% ные (режимно%технологические) мероприятия, основанные на воздей% ствии на один или несколько факторов в зоне максимальной генерации NOx и на создании специальных условий в факеле горения, приводящих к восстановлению образовавшихся оксидов азота до молекулярного азота.

Эти мероприятия должны быть направлены на:

•снижение температуры горения;

•уменьшение времени пребывания продуктов сгорания в области высоких температур;

•интенсификацию зон реакций с восстановительной атмосферой (из% быток воздуха меньше единицы), где образование NO из азота топли% ва затруднено, и восстановление оксидов азота идет до молекулярно% го азота, и ослабление зон протекания окислительных реакций.

83

2.4.2. Способы подавления образования окислов азота

Для снижения выбросов оксидов азота на электростанциях прово% дят следующие режимно%технологические или первичные мероприятия:

•сжигание топлива с малыми коэффициентами избытка воздуха (снижение NOx до 33 %);

•рециркуляцию дымовых газов (снижение NOx до 33 %);

•нестехиометрическое сжигание топлива (снижение NOx до 35–40 %);

•многоступенчатое сжигание топлива (снижение NOx до 35–40 %);

•использование горелок с низким выбросом NOx (снижение NOx до 60 %);

•выключение из работы одной или нескольких горелок;

•впрыск воды (или водомазутной эмульсии) в ядро факела (сниже% ние NOx на 25–44 %);

•снижение температуры горячего воздуха;

•предварительный подогрев угольной пыли;

•комбинацию первичных мероприятий (снижение NOx до 90 %). Некоторые из этих мероприятий могут быть осуществлены только

путем изменения режима эксплуатации котла (низкий избыток возду% ха, нестехиометрическое сжигание). Простота их реализации сочетает% ся с ограниченной эффективностью, возможным ухудшением показа% телей работы котла. Основная группа технологических мероприятий требует для своей реализации конструктивного совершенствования то% почно%горелочной системы.

Сжигание топлива с малыми коэффициентами избытка воздуха

Одним из наиболее распространенных и легко реализуемых ре% жимных мероприятий, направленных на уменьшение выбросов окси% дов азота, является снижение избытка воздуха в топке. В результате уменьшения содержания кислорода в факеле происходит подавление образования как «термических», так и «топливных» NOx, и поэтому данное мероприятие может быть применено при сжигании любых ви% дов органического топлива. На рис. 2.27 представлена зависимость концентрации NOx от коэффициента избытка воздуха.

Максимум содержания NOx в дымовых газах соответствует такому значению коэффициента избытка воздуха, при котором в данных условиях достигается наиболее полное сгорание топлива: для газо%мазутных котлов при величинах max = 1,15–1,25 и для пылеугольных – max = 1,3–1,5.

Многочисленные опыты на котлах разных типов подтвердили, что снижение избытков воздуха однозначно приводит к уменьшению вы% хода NOx. Эффективность мероприятия зависит от вида топлива, осо% бенностей котла и процесса сжигания, что отражено в табл. 2.11.

84

Рис. 2.27. Зависимость концентрации NO от коэффициента избытка воздуха:

а – при сжигании угля; б – при сжигании мазута

Таблица 2.11

Влияние коэффициента избытка воздуха на снижение выхода NOx (%) для некоторых котлов

При этом не требуется каких%либо дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат, а все расходы на его внедрение сводятся к стоимости режимно%наладочных испытаний котла.

Однако снижение избытков воздуха возможно лишь до тех пор, пока это не приводит к интенсивному росту продуктов неполного сго% рания (рис. 2.27). Уменьшение ниже определенного критического значения приводит к резкому увеличению химического недожога и воз% растанию содержания монооксида углерода CO, H2, сажи и полицикли% ческих ароматических углеводородов (ПАУ), в частности бенз(а)пире% на. Кроме этого, происходит увеличение содержания горючих в уносе, возрастает интенсивность шлакования поверхностей нагрева и высоко%

85

температурной коррозии экранов. Поэтому при переходе на работу с малыми избытками воздуха рабочие избытки воздуха принимаются несколько выше критических значений.

Для большинства отечественных котлов предельный коэффици% ент избытка воздуха в горелках равен 1,1–1,15 при сжигании твердых топлив и 1,01–1,03 при сжигании природного газа и мазута.

Рециркуляция продуктов сгорания

Рециркулирующие дымовые газы, вводимые в ядро факела, могут воздействовать на образование NO по различным направлениям:

•разделяет топливо и окислитель, что тормозят смесеобразование;

•обедняя окислитель за счет снижения концентрации кислорода;

•снижая температурный уровень топочного процесса.

Эффективность подавления образования оксидов азота при вводе газов рециркуляции определяется следующими факторами: место от% бора газов на рециркуляцию; условия их ввода в топочную камеру; сте% пень рециркуляции r (%); распределение газов рециркуляции по объе% му топочной камеры; состояние котельного агрегата.

Существует несколько способов ввода газов рециркуляции в топку:

•в под (нижнюю часть) топки;

•в шлицы под горелками;

•непосредственно в горелочное устройство в один из воздушных потоков или между потоками воздуха;

•в горелку в поток топлив;

•в воздухопровод горячего воздуха.

При сжигании природного газа наибольшее снижение выхода ок%

сидов азота наблюдается при вводе газов рециркуляции непосредствен% но в топливо.

Существенное подавление образования оксидов азота имеет место в основном при подаче газов рециркуляции в количестве до 15–22 % от объёма образовавшихся газов. Дальнейшее повышение степени рецир% куляции приводит к незначительному дополнительному снижению вы% хода NOx при одновременном ухудшении экономичности установки и возрастанию потерь с химическим недожогом.

Повысить эффективность снижения выхода оксидов азота без су% щественного увеличения доли рециркуляции возможно путем неравно% мерной раздачи продуктов сгорания в горелочные устройства по шири% не топки или ярусам горелок. Поскольку зона максимальных темпера% тур располагается ближе к центру топочной камеры, большую долю ре% циркулируемых газов необходимо подавать в центральные горелки.

86

Первый способ предполагает отбор газов на рециркуляцию из га% зохода перед РВП и ввод их в короб горячего воздуха перед горелками. В этом случае транспорт отобранных на рециркуляцию продуктов сго% рания осуществляется с помощью специальных дымососов рециркули% рующих газов (ДРГ), что позволяет гибко регулировать степень рецир% куляции продуктов сгорания в диапазоне от 0 до 20–25 % в зависимо% сти от нагрузки котла и вида сжигаемого топлива. Данная схема орга% низации рециркуляции характеризуется короткими газоходами рецир% куляции, отсутствием дополнительных нагрузок на основные дутьевые вентиляторы (ДВ) и дымососы (ДС), минимальным снижением КПД котла из%за высоких температур продуктов сгорания, отобранных на рециркуляцию (это свыше 300 °С). Для улучшения перемешивания ды% мовых газов с воздухом, который поступает в топочную камеру, устана% вливают смесители.

В настоящее время наибольшее распространение получила рецир% куляция дымовых газов в воздухопроводы. На рис. 2.28 представлены три способа её реализации.

ɋɩɨɫɨɛ 1 ȾɊȽ

ɋɄ

Рис. 2.28. Принципиальная схема рециркуляции дымовых газов котла с использованием дымососов рециркуляции газов:

ДРГ – дымосос рециркуляции газов; ДВ – дутьевой вентилятор; ДС – дымосос; РВП – регенеративный воздухоподогреватель, СК – смесительная камера

87

Недостатками первого способа является высокая стоимость ДРГ, повышенные энергозатраты на привод ДРГ и затраты на его техниче% ское обслуживание в связи с повышенными температурами газов ре% циркуляции.

Второй способ реализует отбор газов на рециркуляцию из газохода после РВП. Из%за меньших температур газов (обычно 130–160 °С) зат% раты на обслуживание ДРГ и стоимость самого ДРГ меньше по сравне% нию с первым способом. Недостатками данной схемы являются длин% ные газоходы, дополнительная нагрузка на ДС.

Третий способ организации рециркуляции газов заключается в устройстве перемычки между газоходом непосредственно за дымосо% сом ДС и воздухопроводом перед дутьевым вентилятором. В этом слу% чае дымовые газы с выхлопа дымососа (с избыточным давлением) са% мотеком поступают на всас дутьевого вентилятора (находящегося под разрежением). Количество рециркулирующих газов регулируется с по% мощью шибера, установленного на перемычке. Данный способ отлича% ется самыми короткими газоходами и отсутствием ДРГ, ввиду чего он намного дешевле остальных. К достоинствам такой упрощенной схемы следует также отнести хорошее перемешивание продуктов сгорания с воздухом в дутьевом вентиляторе.

Недостатками упрощенной схемы является ограничение максимальной степени рециркуляции, которая, как правило, не превышает r = 12–15 % (определяется запасом производительности тягодутьевых машин), воз% можность усиления коррозии и заноса воздухоподогревателя отложе% ниями при сжигании мазута, дополнительная нагрузка (ДВ) и (ДС).

Эффект снижения выхода оксидов азота при организации рецир% куляции газов несколько выше при сжигании природного газа, чем при сжигании мазута. В настоящее время большинство действующих и все новые газомазутные котлы имеют рециркуляцию в качестве эффектив% ного внутритопочного мероприятия.

Анализ опыта применения рециркуляции в качестве природоох% ранного мероприятия на российских ТЭС показывает, что в большин% стве случаев ее эффективность составляет 40–70 % при сжигании при% родного газа и 40–60 % при сжигании мазута. Так на котлах ТГМ%96Б ТЭЦ%8 Мосэнерго подача дымовых газов в смеси с дутьевым воздухом при степени рециркуляции 8–9 % дает двукратное снижение выхода NOx до 80–100 мг/м3. Использование специальных смесителей рецир% куляции газов с воздухом позволило снизить выход NOx на котлах КВГМ%180 до 60–80 мг/м3, на ТП%170%16 – до 125 мг/м3.

88

При низкотемпературном сжигании твердого топлива рециркуля% ция продуктов сгорания в качестве природоохранного мероприятия не используется ввиду малой эффективности. При высокотемпературном сжигании твердого топлива эффект от рециркуляции дымовых газов может быть получен только в случае замещения этими газами первич% ного воздуха, транспортирующего угольную пыль к горелкам. Приме% нение рециркуляции для снижения выхода NOx в теплонапряженных топах с ЖШУ возможно лишь в том случае, если снижение температу% ры в топке не повлияет на устойчивость выхода жидкого шлака. Вне% дрение всех рассмотренных схем рециркуляции газов сопровождается увеличением образования CO и Б(а)П и снижением КПД котла за счет увеличения потерь тепла с уходящими газами.

Нестехиометрическое сжигание топлив

При нестехиометрическом сжигании топлив в топочной камере организуется восстановительная ( < 1) и окислительная ( > 1,2–1,25) зоны горения. В восстановительной зоне происходит подавление обра% зования термических и топливных оксидов азота из%за недостатка ки% слорода, а в окислительной зоне образование термических NOx сдер% живается в результате снижения температуры горения за счет больших избыточных объемов воздуха.

На практике нестехиометрическое сжигание топлива в топках кот% лов реализуется путем разбаланса топливовоздушного соотношения в горелочных устройствах или по ярусам горелок. Для этого используют% ся три схемы разбаланса (рис. 2.29).

Рис. 2.29. Схемы разбаланса подачи топлива и газа в топку котла:

а) воздушный; б) топливный; в) комбинированный

89

Воздушный разбаланс осуществляется перераспределением подачи воздуха по горелочным устройствам путем частичного прикрытия воз% душных шиберов перед частью горелок при равномерной раздаче то% плива. Частичное закрытие индивидуальных воздушных шиберов пе% ред соответствующими горелками обеспечивает переток дополнитель% ного количества воздуха на остальные горелочные устройства, воздуш% ные шибера перед которыми остаются полностью открытыми. При этом общий расход воздуха на котел остается неизменным, что можно контролировать по содержанию кислорода в дымовых газах за топкой. Данный способ разбаланса является достаточно универсальным и мо% жет быть использован при нестехиометрическом сжигании любых то# плив, а также при их совместном сжигании. Реализация его проста и тре% бует лишь предварительной проверки работы исполнительного меха% низма привода воздушных шиберов. Изменение нагрузки котла в этом случае осуществляется путем регулирования подачи топлива на котел и давления воздуха в общем коробе.

Топливный разбаланс осуществляется перераспределением подачи топлива в горелки при равномерной раздаче воздуха по всем горелоч% ным устройствам. Для этого все воздушные шибера перед горелками полностью открыты. Данный вид разбаланса рекомендуется при несте% хиометрическом сжигании природного газа и в отдельных случаях при сжигании угля. При этом характер аэродинамики топки, условия вос% пламенения и выгорания топлива практически не изменяются. При не% стехиометрическом сжигании мазута топливный разбаланс не рекомен# дуется из%за ухудшения качества распыла и сепарации раскаленных ка% пель мазута из воздушного потока, что приводит к появлению химиче% ского недожога и загрязнению поверхностей нагрева в газоходах котла.

Комбинированный способ разбаланса заключается в одновременном перераспределении и воздуха, и топлива по горелочным устройствам с целью создания в топочной камере ярко выраженных восстановитель% ных и окислительных зон горения. Для этого через одни горелки обес% печивается пониженный расход топлива, а через другие – пониженный расход воздуха. Комбинированный разбаланс может быть рекомендо% ван в тех случаях, когда простым перераспределением по горелкам или топлива, или воздуха не удается обеспечить оптимальные величины из% бытков воздуха в окислительных и восстановительных. Этот способ разбаланса топливовоздушного соотношения рекомендуется для несте% хиометрического сжигания природного газа, углей, а также при совме#

90