Опыт компании Mitsui Babcock по усовершенствованию двухступенчатого сжигания

Специалистами компании Митцу Бабкок был разработан и внедрен метод бустерного двухступенчатого сжигании [18-19]. Этот метод отличается от обычного двухступенчатого сжигания расположением сопл третичного воздуха, которые устанавливаются выше, почти на выходе из топки, а также интенсивностью перемешивания третичного воздуха с продуктами сгорания, поднимающимися от основной зоны горения. Для обеспечения этой интенсивности часто требуется дополнительный дутьевой вентилятор, напор которого позволяет выбрать нужную скорость дутья вторичного воздуха.

Такая схема двухступенчатого сжигания рассчитана на догорание коксовых частиц в восстановительной среде, что приводит к интенсификации восстановительных реакций на поверхности угольных частиц. При этом третичный воздух используется только для дожигания газообразных продуктов неполного сгорания, т.к. догорание СО и водорода не требуют много времени, так как важно только обеспечить максимально полное перемешивание.

По оценкам специалистов компании Митцу Бабкок бустерное двухступенчатое сжигание дает значительно больший эффект, чем обычное двухступенчатое сжигание. Так, например, при работе ктельного агрегата, оборудованного тангенциальной топкой, на каменном угле произошло снижение оксидов азота на 10 % по сравнению с традиционным ступенчатым сжиганием углей.

Примером успешного внедрения бустерного сжигания может служить энергоблок № 9 мощностью 200 МВт, установленный на ТЭС Kingstone (США). Котел этого блока был оборудован тангенциальной топкой. Для внедрения этого способа сжигания на нулевой отметке был установлен дутьевой вентилятор, который забирал часть вторичного воздуха из общего короба и подавал его к соплам, размещенным на фронтовой, задней и боковых стенах верхней части топочной камеры.

Лучшим результатом явилось получение концентрации оксидов азота около 370 мг/м³. Эта концентрация оксидов азота оказалась на 40 % ниже исходного значения. При этом потери от механического недожега остались на прежнем уровне и составили 3 – 4 %.

Для более глубокого снижения эмиссии оксидов азота, необходимого для вновь сооружаемых котлов в странах Европы, а также в некоторых штатах США, специалисты компании разработали и опробовали в промышленных условиях новый метод, получивший название NO Star, который может применяться как самостоятельно так и в комплексе с бустерным методом сжигания.

Предложенный метод обходится значительно дешевле, чем селективный каталитический метод при одинаковой эффективности (70 – 80 %). Для внедрения этой технологии потребуется остановить котел на 2 – 3 недели. При этом маневренность котла остается на прежнем уровне. Сущность предложенного способа сжигания становится понятной при рассмотрении схемы, представленной на рисунке 1.3.

В горизонтальный газоход котла при определенной температуре подаются одновременно аммиак и небольшое количество природного газа или другогоуглеводорода. В качестве распыливающего агента используется пар. Самовоспламенене углеводородной смеси и автокаталитическое восстановление приводят к интенсификации взаимодействия аммиака и монооксида азота, в результате чего в дымовых газах уменьшается не только содержания диоксида азота, но и проскок аммиака.

Рисунок 1.3 – Схема технологии NOxStar: 1 – природный газ; 2 – подача пара; 3 – подача аммиака; 4 – контроль проскока NH₃; 5 – контроль концентрации NO₂; 6 – горелки

Эта технология была внедрена на котле энергоблока № 9 мощностью 200 МВт на ТЭС Kingston. Исходная концентрация оксидов азота составила – 675 мг/м³. Сочетание двух методов сжигания – бустерного и NO Star позволило снизить исходную концентрацию до 210 мг/м³ (рис. 1.4).

Следующий опыт использования метода BOFA был получен при реконструкции энергоблока № 9 на ТЭС Kingston (США), топливом для которой служит восточный битуминозный уголь с высоким выходом летучих [19]. Энергоблок мощностью 200 МВт оборудован котлом с тангенциальной топкой, разделенной на две части двусветным экраном. На первом этапе было решено внедрить схему BOFA (рис. 1.4).

А для дальнейшего снижения выбросов NO_x смонтировать еще и схему NO_х Star (селективное некаталитическое восстановление с присадкой в зону реагирования кроме аммиака необходимого количества природного газа).

В результате при сжигании битуминозных углей восточных месторождений на энергоблоке № 9 ТЭС Kingston удалось снизить концентрацию NО_х. в дымовых газах за котлом до 190 мг/м³.

Рисунок 1.4 – Схема BOFA на энергоблоке № 9 ТЭС Kingston: 1 – короб для подачи третичного воздуха; 2 – отводы к соплам в верхней части топки; 3 – короб вторичного воздуха; 4 – бустерный вентилятор

В сочетании с усовершенствованными малотоксичными горелками фирмы MBEL, бустерным сжиганием и с применением метода NO Star, по мнению специалистов компании Митцу Бабкок, можно уменьшить выбросы оксидов азота более чем в 10 раз (рис. 1.5).

Еще один котел был переведен специалистами MBEL на технологию BOFA в Португалии, на ТЭС Sines. Здесь установлено четыре энергоблока мощностью по 314 МВт. Каждый котел паропроизводительностью 950 т/ч потребляет 106 т/ч импортного каменного угля с высшей теплотой сгорания 27,6 МДж/кг (6590 ккал/кг). Параметры пара – 16,2 МПа, 535 / 535°С.

100

8 0

60

40

20

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Рисунок 1.5 – Технологии снижения выбросов NO_x, предложенные компанией Mitsui Babcock: 1 – без применения методов подавления NO_x – 100 %; внедрение: 2 – малотоксичных горелок; 3 – усовершенствованных малотоксичных горелок; 4 – двухступенчатого сжигания; 5 – бустерного двухступенчатого сжигания; 6 – трехступенчатого сжигания; 7 – СНКВ; 8 – NOxStar; 9 – СКВ

Каждый котел имеет пять среднеходных мель­ниц валкового типа с динамическим сепаратором. На фронтовой стене размещаются 20 вихревых горелок в пяти ярусах по высоте. Угольная пыль от каждой мельницы подается на четыре горелки в одном ярусе. В конце 90-х годов была проведена первая реконструкция котлов для снижения выбросов NO_х – 15...20 % воздуха стали подавать через четыре сопла, установленные над каждым рядом горелок (по вертикали). Еще около 5 % воздуха подавалось через щели между трубами по всему периметру холодной воронки.

Однако в итоге не удалось достичь нормы, предписанной Европейским союзом: в соответствии с 2008 EU LCPD эмиссия NO_х на таких котлах не должна превышать 500 мг/м³. В связи с этим владелец электростанции - компания EDP (Португалия) – объявила международный тендер. Победитель тендера (MBEL) обязался снизить концентрацию NО_х. до 480 мг/м³ (6 % О₂) при сохранении эксплуатационных характеристик, содержании горючих в уносе не более 5,5 % и концентрации СО в дымовых газах не выше 200 ррт (250 мг/м³).

До реконструкции котла по схеме BOFA на нем были проведены испытания для оценки эффективности ранее внедренной традиционной двухступенчатой схемы сжигания. При номинальной нагрузке энергоблока с отключенной схемой OFA концентрация NО_х, составляла 780 мг/м³, а горючие в уносе – 4,5 %. При умеренной подаче третичного воздуха концентрация NО_х. снижалась до 640 мг/м³, но содержание горючих в уносе повышалось до 7,5 %. При максимально возможной подаче третичного воздуха (определяется давлением в коробе вторичного воздуха) удалось снизить концентрацию NO_х. до 480 мг/м^3., но содержание горючих в уносе, в зависимости от состава угольной смеси, составляло 7 – 12 %. Последнее обстоятельство не устраивало руководство ТЭС, так как не только снижало экономичность котла, но и препятствовало получению доходов от продажи уловленной золы.

При проведении реконструкции по схеме, предложенной MBEL, горелки и мельницы остались без изменения, но для монтажа сопл третичного воздуха по новой схеме потребовалось выполнить разводку экранных труб. Это было сделано во время планового останова котла, а бустерный вентилятор присоединили позже – во время останова энергоблока на субботу и воскресенье. В ноябре – декабре 2004 г. специалисты MBEL провели наладку реконструированного котла, во время которой, в частности, было определено оптимальное соотношение между потоками третичного воздуха, поступающего в топку через внутренний и периферийный каналы новых воздушных сопл. Затем были проведены гарантийные испытания. При 100 %-ной нагрузке энергоблока схема BOFA обеспечивает заданные параметры в любом режиме работы котла (т.е. при включении всех пяти ярусов, а также при отключении верхнего или нижнего ярусов горелок в случае вывода мельницы в ремонт). Оптимальный режим (при работе всех пяти мельниц) обеспечивает концентрацию NО_х на уровне 466 мг/м³ и содержание горючих в уносе – 5,45 %. Следовательно, 30 %-ное снижение выбросов NО_х было получено при допустимом содержании горючих в уносе. Номинальная паропроизводительность, давление, температура первичного и вторичного пара остались без изменения, а котел мог работать при любом сочетании включенных горелок.