1.3.3 Рециркуляция дымовых газов

Одним из наиболее распространенных методов снижения количества образующихся оксидов азота является рециркуляция продуктов сгорания в зону горения. До внедрения технологических методов снижения дымовых газов рассматривались в основном лишь как средство регулирования температуры перегретого пара. При этом котел рассчитывался так, чтобы при номинальной нагрузке он эксплуатировался с минимальной нагрузкой дымососов рециркуляции, а при снижении нагрузки количество рециркулирующих дымовых газов увеличилось бы для поддержания постоянной температурой перегретого пара. При этом более эффективной является не внутренняя рециркуляция горячих топочных газов из хвостовой части котла в дутьевой воздух. Так, например, при подаче газов рециркуляции с температурой 300 ºС в ядро факела в количестве, равном 20 % от объема воздуха, поступающего на горение, максимальная температура факела снижается обычно на 120 – 130 ºС.

Рециркуляции газов в топочную камеру в настоящее время широко применяется в котельной технике. Обычно дымовые газы с температурой 300– 400 ºС отбираются перед воздухоподогревателям и специальным рециркуляционным дымососом подаются в топочную камеру. При этом условия ввода могут быть различными. В некоторых случаях газы подаются через каналы в поду топки, через кольцевой канал вокруг горелки или же в воздуховод. Применение рециркуляции позволяет регулировать теплоотдачу к топочным экранам и температуру перегретого пара, сближать характеристики работы котлов при сжигании различных топлив, например, жидких и газообразных.

Ввод рециркулирующих газов в топочную камеру приводит к сравнительно малому снижению КПД котла (0,01 – 0,03 % на 1 % рециркулирующих газов), однако открывает большие возможности унификации котлов по топливу.

В топочных камерах с q_т ≤ 174 МВт/м³ температура в выходном сечении топки при вводе рециркулирующих газов в зону горения повышается на 1 ºС, а изменение температуры перегретого пара при сжигании мазута в котле ПК-10-2 составляет около 1,3 ºС на 1 % рециркуляции.

Наряду с явными преимуществами, к которым следует отнести защиту топочных экранов от перегрева, регулирование перегретого пара, возможность унификации котлов по топливу, а также возможность снижения образования оксидов азота, применение рециркуляции связано с определенными трудностями, которые должны быть учтены. К таким трудностям (наряду с некоторым снижением КПД) следует отнести необходимость в специальном рециркуляционном дымососе и в газоходах. Кроме того, это вызывает повышение сопротивления воздушного тракта и возможность нарушения стабилизации пламени или появление сажи оксида углерода при чрезмерной степени рециркуляции. В настоящее время рециркуляция газов применяется в мощных котлах энергоблоков, работающих на угольной пыли, мазуте и природном газе. Очень широко применяется рециркуляция и в зарубежных котлах.

Ввод рециркулирующих газов в зону горения позволяет уменьшить образование оксидов азота в топочной камере.

Рециркуляция дымовых газов в топочную камеру влияет на результирующую концентрацию оксидов азота, а также на изменение как температуры, так и концентрации окислителя в зоне горения.

При r = 20 % подача рециркулирующих газов в дутьевой воздух позволяет снизить выход оксидов азота примерно на 50 %, подача через кольцевой канал вокруг горелок – на 25 %, через шлицы под горелками на 15 %. Подача рециркулирующих газов через шлицы в поду топки сказывается на выходе оксидов азота незначительно.

Роудон и Р. Садовски на опытах с малыми топочными камерами показали, что при значительной степени рециркуляции дальнейшее ее увеличение (r > 25 %) слабо сказывается на выходе оксидов азота. Эти результаты совпадают с данными исследований С. А. Тагера, а также К. Зигмунда и Д. Тэрнета. Проведенные исследования позволили авторам рекомендовать выбор коэффициента рециркуляции в пределах от 20 до 30 %. По мнению К. Зигмунда и Д. Тернера, при сжигании жидкого топлива 30 %-рециркуляция газов обеспечивает уменьшение или полное предотвращение» выбросов воздушных оксидов азота, но совершенно не оказывает влияние на топливные оксиды.

Применение рециркуляции является одним из самых доступных средств снижения образования оксида азота в топочных камерах. В ряде случаев снижения выброса оксидов азота в эксплутационных условиях на 30 – 35 % можно осуществить без какой-либо реконструкции. Так, в исследованиях ВТИ, проведенных при сжигании мазута в парогенераторе ТГМП-114 с прямоточными горелками, такое снижение достигалось даже при подаче рециркулирующих газов с r =23 % при Т = 350 ºС через шлицы, расположенные под каждой горелкой при номинальной и 58 %-й нагрузках.

По данным К. Блейксли и Х. Бурбаха при работе на природном газе котлов паропроизводительностью 480 т/ч энергоблоков мощьностью 160 МВт с концентрацией оксида азота 0,5 – 0,6 г/м³ применение рециркуляции позволяет снизить выход оксидов на 47 – 70 %. При подаче рециркулирующих газов в дутьевой воздух котла паропроизводительностью 900 т/ч на станции «Аламитос», США, работающего на газе, достигнуто снижение выброса оксидов азота с 0,66 до 0,30 г/м³ (55 %). Подача газов рециркуляции в дутьевой воздух применяется и в отечественном котлостроении.

При поддержки режима с α > 1,04 (в районе экономайзера) токсичность продуктов сгорания определяется только выходом оксида азота и серы. С уменьшением α в.э от 1,09 до 1,01 СNO_х снижается в 2 раза, но возрастает содержание сажи и 3,4 – бензпирена.

Для усиления влияния рециркулирующих газов на зону горения была произведена реконструкция горелок, которая заключалась в том, что кольцевая коническая насадка, отделяющая поток рециркуляционных газов от топливовоздушной смеси, была укорочена. При этом рециркуляционные дымовые газы смешиваются с дутьевым воздухом и попадают непосредственно в зону горения, более интенсивно охлаждая её. При работе котла на реконструированных горелках было отмечено более эффективное снижение выходов оксидов азота при увеличении степени рециркуляции дымовых газов. Повышение степени рециркуляции от 5 до 24 % снижает содержание оксидов азота в дымовых газах парогенератора на 57 %, т.е. каждый процент повышения степени рециркуляции снижает выход оксидов азота на 3 %. Увеличение выхода сажи при повышении степени рециркуляции не существенно. Из анализа результатов промышленной проверки влияния рециркуляции на выход оксидов азота следует сделать ряд выводов.

Рециркуляция газов в тракт дутьевого воздуха или в горелку является эффективным способ снижения образования оксидов азота в топочной камере. Подача рециркулирующих газов более эффективна при высоких нагрузках и r < 20 %.

Применение рециркуляции газов общий канал или в канал первичного воздуха на котельных агрегатах, уже оснащенных рециркуляционными дымососами и каналами, требует незначительной реконструкции и может найти самое широкое применение.

Эффективность рециркуляции тем больше, чем выше температура в зоне горения. Она снижается при:

– уменьшении нагрузки котла;

– уменьшении температуры горения топлива;

– увеличении коэффициента избытка воздуха;

– повышении содержания азотосодержащих соединений в топливе.

Максимальная эффективность рециркуляции имеет место при сжигании природного газа при номинальной нагрузке топочной камеры и малых коэффициентах избытка воздуха.