Исследование котла БКЗ-220-100 на твердом топливе для разработки способов снижения выбросов оксидов

На Томской ГРЭС-2 установлено 10 котлов паропроизводительностью по 210 – 230 т ч. Основным топливом для всех котлов является кузнецкий уголь марки Д, в котором содержание связанного азота (на горючею массу) составляет 2,5%. Расположение ГРЭС в черте города, сравнительно низкие дымовые трубы и наличие фоновой загазованности от выбросов других предприятий создают опасность превышения ПДКNO2 в воздухе жилой зоны. В связи с этим руководство Томской ГРЭС-2 решило провести испытания на одном из котлов для оценки возможности снижения выбросов оксидов азота за счет режимных мероприятий, а также для определения наиболее эффективных реконструктивных методов подавления NOx.

В качестве объекта исследований был выбран котел БКЗ-220-100 (ст. ¹ 9), который (на основании анализа режимных карт) оказался самым проблемным по экологическим характеристикам. Этот котел (ðèñ. 1) имеет номинальную паропроизводительность 220 т ч при давлении перегретого пара 100 кгс см2 и температуре острого пара 540°С. Топочная камера с твердым шлакоудалением, размеры топки в плане 6656 9536 мм (по осям экранных труб).

На котле установлено шесть пылегазовых горелок, расположенных на боковых экранах треугольником вершиной вниз. Горелка (ðèñ. 2) вихревая, двухпоточная с регулируемой круткой вторичного воздуха. В 90-х годах при переводе котла на сжигание газа в пылеугольной горелке было установлено газораздающее устройство. Верхний ярус горелок (4 шт.) расположен на отметке 12 100 мм, а нижний (2 шт.) – на отметке 9500 мм. На выходе из топки для улучшения аэродинамической картины течения выполнен пережим (при помощи гиба труб заднего экрана).

Система пылеприготовления включает в себя две мельницы типа Ш-12, два сепаратора, два циклона, промбункер для угольной пыли и шесть пылепитателей. Подача топлива в горелки осуществляется отработанным сушильным агентом.

При проведении опытов на котле ст. ¹ 9 сжигался уголь марки Др (длиннопламенный рядовой) с характеристиками (на рабочую массу): влажность 14,4 – 15,7%, зольность 15 – 16%, выход летучих (на горючую массу) 42,3 – 42,6%, сера 0,44%, теплота сгорания 4680 – 4990 ккал кг

(19,6 – 20,9 МДж кг). Фракционный состав угольной пыли менялся в диапазоне R90 = 13,5 19,3.

Перед началом испытаний на остановленном котле было проведено визуальное обследование, которое выявило, в частности, существенные недостатки в конструктивном исполнении горелоч- ных устройств. Например, лопатки осевого аппарата в канале аэросмеси выполнены без перекрыши, несимметрично, а расстояние между лопатками меняется от 20 до 80 мм (ðèñ. 3). Зазор между внешней образующей канала аэросмеси и лопатками осевого аппарата в канале вторичного воздуха достигает 40 мм, при том, что углы поворота лопаток на всех горелках разные (ðèñ. 4). Еще несколь-

# "+ + +,-./ 0/ 00

ко важных недостатков: диаметр канала первичного воздуха у разных горелок меняется от 600 до 630 мм; диаметр амбразуры меняется от 900 до 1000 мм; обечайка канала первичного воздуха у одних горелок заглублена на 180 мм, а у других выступает в топку (относительно осей экранов) на 50 мм. Все это безусловно сказывается на организации топочного процесса и на возможности контроля процесса горения (балансовые опыты подтвердили это).

Для определения аэродинамических характеристик топочно-горелочного устройства котла были проведены холодные продувки с визуализацией потока искрами. Анализ полученной видеоинформации показал, что структуры факелов каждой горелки неидентичны. Это приводит к различ- ному качеству горения в каждой горелке в результате конструктивной нетождественности их исполнения. Влияние взаимодействия крутки первичного и вторичного каналов не отмечено, что также говорит о конструктивных недостатках горелок. Полученные данные о характеристиках факелов каждой горелки, а также данные о структуре потоков в топке показали, что они могут быть использованы при проведении наладочных работ для нахождения оптимального положения лопаток в каждой горелке.

Опыты, проведенные на работающем котле в диапазоне нагрузок от 150 до 200 т ч, показали, что котел работает стабильно, однако потери тепла с уходящими газами в среднем составляют 9,4%,

что выше проектного значения. Содержание монооксида углерода при избытках воздуха, указанных в режимной карте, составляло 4 – 26 ppm (5 – 32 мг м3), в результате чего потери с химнедожогом q3 не превышали сотые доли процента. Содержание горючих в уносе составляло 1 – 1,5%, а в шлаке – 2 – 4%. В результате потери с механиче- ским недожогом q4 менялись от 0,26 до 1,25% (последняя цифра относится к опыту с пониженным избытком воздуха, когда горючие в уносе увеличи- лись до 5%, а в шлаке – до 4%).

Несмотря на повышенные потери тепла с уходящими газами, связанные с недостатками конструкции горелок и низкой эффективностью конвективных поверхностей нагрева, КПД котла брутто оказался достаточно высоким: при нагрузках, близких к номинальной, он составлял 88,1 – 90,7%, что не намного отличается от проектного значения (91,2%).

Для проверки возможности снижения выбросов оксидов азота за счет режимных мероприятий на котле ст. ¹ 9 были проведены опыты с разными параметрами крутки, избытками воздуха и нагрузками горелок (путем изменения оборотов пылепитателей). К сожалению, не удалось поменять фракционный состав пыли, так как невозможно было изменить угол поворота лопаток в сепараторе.

Результаты серии опытов, проведенных при почти одинаковых нагрузках (184 – 191 т ч), но с разными избытками воздуха (ò = 1,08 1,46), показали, что при снижении избытков воздуха

2 # & 34

%

концентрация NOõ уменьшается в среднем от 1000 до 470 мг м3 (здесь и далее концентрации приведены в пересчете на NO2 в сухой пробе дымовых газов при нормальных условиях: 0°С, 101,3 кПа, 6% О2, т.е. при избытке воздуха, равном 1,4). Однако такой способ борьбы с оксидами азота на Томской ГРЭС-2 не может быть рекомендован, так как при снижении NOx äî 470 ìã ì3 одновременно (ðèñ. 5) наблюдалось (при ò = 1,08 1,09) резкое увеличение концентрации продуктов неполного сгорания: СО = 159 201 ppm (200 – 250 мг м3). При этом не только увеличивались потери с химнедожогом q3, но и повышались потери с мехнедожогом до q4 = 1,25, плюс к этому возрастала температура на выходе из топки (расход воды на впрыски увеличивался с 6 – 7 до 21 – 22 т ч). И, самое главное: возникает опасность появления в продуктах сгорания ПАУ (полициклических ароматических углеводородов), среди которых может быть и канцерогенный бенз(а)пирен.

Заметного влияния на снижение выбросов оксидов азота за счет других режимных мероприятий получить не удалось (возможно из-за недостатков конструкции отдельных горелок).

Для обеспечения нормативных ПДКNOx в жилых районах г. Томска Служба охраны окружающей среды требует более чем двухкратного снижения выбросов оксидов азота. Чтобы обеспечить такую степень снижения выбросов NOx, необходима реконструкция котла с целью внедрения таких технологий, как двухили трехступенчатое сжигание, концентрическое сжигание, применение малотоксичных горелок, азотоочистные установки. После анализа всех известных технологий было решено рекомендовать комплексное мероприятие: замену действующих горелок на малотоксичные горелки

1 2 # & 34

& + #

и перевод котла на схему трехступенчатого сжигания (reburning process). Для реализации этого мероприятия потребуется монтаж дополнительных воздушных коробов, разводок топочных экранов и системы подачи природного газа к дополнительным горелкам. Но все же затраты на эти работы будут существенно меньше, чем на азотоочистные установки с использованием аммиака или мочевины.

Конструкция малотоксичной пылеугольной горелки предполагает наличие двух каналов вторич- ного воздуха с возможностью регулирования расхода воздуха на каждый канал в отдельности. При этом появляется возможность контролировать смесеобразование между потоком аэросмеси и внутренним потоком вторичного воздуха с сохранением оптимальных избытков воздуха. Ранее проведенные исследования [1] свидетельствуют о возможности значительного подавления топливных оксидов азота за счет торможения подмешивания вторичного воздуха по длине факела к потоку воспламенившейся аэросмеси.

Схема трехступенчатого сжигания, впервые опробованная в Европе нашими специалистами на котле ТПП-312 Ладыжинской ГРЭС еще в 1992 г. [2], предполагает организацию нескольких зон горения с разными температурными и стехиометри- ческими характеристиками (с разными избытками воздуха). По такой схеме примерно сжигается 85% топлива в виде угольной пыли, которая подается в основные горелки, а остальное топливо в виде природного газа (наиболее предпочтительный вариант) поступает в дополнительные горелки, расположенные выше основных. При этом в основные горелки топливо подается с избытком воздуха, обеспечивающим минимальные потери с механическим недожогом, а в дополнительные – газ с таким избытком воздуха, чтобы образовать восстановительную зону ( = 0,9 0,95) в средней по высоте части топочной камеры. На практике это значит, что природный газ должен подаваться газами рециркуляции, а не воздухом.

Наличие восстановительной зоны, как известно, приводит к тому, что монооксид азота NO, образовавшийся в основной зоне горения, восстанав-

ливается до N2 вследствие реагирования с аминами NHi и углеводородами CmHn. Выше дополнительных горелок необходимо будет установить сопла третичного воздуха: этот воздух будет окислять продукты неполного сгорания, образовавшиеся в восстановительной зоне.

Реконструкция котла ст. ¹ 9 по схеме трехступенчатого сжигания вполне реальна, так как на Томской ГРЭС-2 используется резервное топливо в виде природного газа и установлен дымосос рециркуляции дымовых газов (ДРГ). После проведения соответствующих расчетов будут определены временные промежутки пребывания в каждой зоне (основной, восстановительной и зоне дожигания). Величины этих промежутков времени позволят оценить, будет ли снижение выбросов оксидов азота превышать ожидаемые 50% или окажется несколько ниже. Но и в последнем случае можно не сомневаться, что поставленная задача (снижение выбросов NOõ в 2,5 раза на номинальной нагрузке) будет выполнена, так как к эффекту от трехступенчатого сжигания будет добавлен эффект от внедрения малотоксичных горелок.

В летнее время котлы Томской ГРЭС-2 часто работают только на природном газе. Учитывая это, были проведены пробные опыты на котлах ст. ¹ 9, 11 при сжигании газа. Оказалось, что и в этом слу- чае выбросы NOõ превышают технологические нормативы (125 мг м3 при коэффициенте избытка воздуха 1,4). За счет режимных мероприятий уда-

лось снизить выбросы NOõ только с 700 до 500 мг м3.

Следовательно, при реализации мероприятий, рассчитанных на подавление топливных оксидов азота при работе на твердом топливе, необходимо будет учесть требование о значительном уменьшении выбросов NOõ при работе котлов на газе.

Выводы

1.Котлы, установленные на Томской ГРЭС-2, проектировались в 60 – 70-е годы, когда вопрос о выбросах оксидов азота не был еще актуален для энергетиков. Именно этим объясняется то обстоятельство, что эти котлы не отвечают современным, постоянно ужесточающимся требованиям по охране окружающей среды.

2.Проведенная ранее реконструкция горелок при переводе котлов на сжигание газа дополнительно внесла отрицательные моменты в работу топки при сжигании и газа, и угля. В результате выбросы оксидов азота на котле при сжигании газа

составили 600 мг м3, íà óãëå – 1000 ìã ì3.

3.Проведенные испытания показали, что режимными методами невозможно добиться такого

снижения выбросов NOõ, которое требуется для

обеспечения ПДКNOx в приземном слое атмосферы. Для решения проблемы выбросов оксидов азота необходима реконструкция топочно-горелоч- ных устройств, причем снижение выбросов оксидов азота должно быть получено как при работе котла на угле, так и на газе.

4.Для достижения поставленных целей на котлах Томской ГРЭС-2 рекомендуется замена действующих горелок на малотоксичные горелки при одновременном переводе котлов на схему трехступенчатого сжигания (reburning process).

Список литературы

1.Котлер В. Р., Иманкулов Э. Р. О влиянии доли первичного воздуха на образование окислов азота при сжигании экибастузского угля. – Теплоэнергетика, 1986, ¹ 1.

2.Котлер В. Р., Енякин Ю. П. Реализация и эффективность технологических методов подавления оксидов азота на ТЭС. – Теплоэнергетика, 1994, ¹ 6.