2. Методы, основанные на снижении температуры

Нагрузки котла, разумеется, не является тем физическим парамет­ром, который можно использовать для регулирования выбросов окси­дов азота. Однако, как уже отмечалось в § 3.2, применительно к топоч­ному процессу нагрузка - это прежде всего тепловое напряжение поверхностей нагрева в зоне активного горения q_{n г}. Именно этот пара­метр определяет уровень температур в топке. И в этом смысле зависи­мость концентрации оксидов азота от нагрузки может представлять интерес не только для эксплуатационного персонала, но и для конструк­торов котлов.

Изменение выбросов NO_X при изменении нагрузки котлов экспери­ментально установлено в большом числе опытов. Сошлемся на исследо­вания сотрудников ВТИ, проведенные на котле ТГМП-114 [60]. Этот двухкорпусный котел к блоку мощностью 300 МВт был оборудован встречно расположенными вихревыми горелками конструкции ”ХФ ЦКБСоюзэнергоремонт” — ВТИ. Опыты без рециркуляции дымовых газов были проведены в широком диапазоне избытков воздуха при полной и 58%-ной нагрузке. Снижение нагрузки котла привело к бо­лее чем двукратному уменьшению концентрации оксидов азота в ды­мовых газах. Разумеется, какое-то влияние на образование NO_X в этом случае оказало изменение скоростного режима в горелках, а также изменение дисперсионного состава топлива вследствие изменения дав­ления мазута перед форсунками.

Результаты опытов на котле ТГМП-114 хорошо согласуются с обоб­щающей зависимостью, полученной Л. М. Цирульниковым для оценки влияния на концентрацию NO_X изменения нагрузки газомазутных кот­лов в диапазоне DiD_l} от 0,3 до 1,0:

^cNO_x/(^cNO_x)o ⁼ (^£)/^'о)¹’²⁵, (3-2)

где c_N0^_ и (c_No )₀ ^— соответственно концентрации оксидов азота при частичной и полной нагрузке.

В котлах с тангенциальными горелками, а также в низконапряжен­ных топочных устройствах, где уровень температур (а следовательно, и доля термических оксидов азота) несколько ниже, зависимость кон­центрации NO_X от нагрузки не столь крутая.

Рециркуляция дымовых газов как метод снижения выбросов оксидов азота была впервые проверена еще в 60-х годах [75], когда сотрудники Esso Risearch (США) при сжигании высоковязкого мазута в отопитель­ной установке добились 80%-ного снижения выбросов NO_X при рецирку­ляции 30% охлажденных продуктов сгорания. Позже этот метод был подробно исследован на многих энергетических котлах, которые были оборудованы схемами рециркуляции дымовых газов для регулирования температуры пара промежуточного перегрева. В целом можно констати­ровать, что результаты опытов, проведенных сотрудниками ВТИ 90

им. Дзержинского [76], хорошо согласуются с выводами Института газа АН УССР [19], САФ ВНИИПромгаз [34], ЛПИ, МЭИ и других организаций. Основные выводы из этих исследований состоят в сле­дующем.

1. Рециркуляция дымовых газов является эффективным средством подавления оксидов азота только при высокой температуре в ядре горе­ния, так как она воздействует главным образом на термические NO_X. При низких температурах в топке (например, при сниженной нагрузке) рециркуляция газов практически не влияет на уровень выбросов окси­дов азота.

2. Степень снижения образования оксидов азота зависит не только от количества и температуры рециркулирующих дымовых газов, но и от организации их ввода в топочную камеру.

В тех случаях, когда газы рециркуляции смешивались с продуктами сгорания за зоной максимальных температур, этот метод не приводил к снижению выбросов оксидов азота. Такие результаты были получены во всех случаях, когда газы рециркуляции вводились в топку через подовые шлицы.

Максимальный эффект рециркуляция газов дает при вводе их вместе с воздухом или по кольцевому соплу, разделяющему поток воздуха на центральный и периферийный. Последний вариант заслуживает особого внимания, так как в нем органически переплетаются метод подавления термических оксидов азота за счет снижения температуры и метод сни­жения топливных NO_X за счет выделения зон, обогащенной и обедненной топливом. Подробнее об использовании таких горелок в СССР и Японии будет сказано в п. 3.3.4.

Следует отметить, что некоторые авторы аппроксимируют влияние доли рециркулирующих газов г на степень снижения концентрации NO_V линейной зависимостью [34]. Однако большинство экспериментальных данных указывает на то, что по мере роста степени рециркуляции эффек­тивность воздействия ее на оксиды азота снижается.

Еще один метод воздействия на температурный уровень при сжига­нии мазута состоит в подаче в камеру горения влаги в виде распылен­ной воды илй пара. Этот метод успешно используется уже многие годы в камерах сгорания газотурбинных установок, где он не только снижает выбросы оксидов азота, но и улучшает экономические показатели ГТУ. Применительно к энергетическим котлам этот метод подробно изучен сотрудниками САФ ВНИИПромгаз [34], МЭИ [77] и ВТИ [78].

Л. М. Цирульников осуществлял впрыск воды через горелки разных ярусов на котле ТГМ-94. Оказалось, что впрыск воды в количестве 4-6% расхода топлива через горелки нижнего яруса приводит к повы­шению концентрации оксидов азота на 20%. Такое же количество воды, поданное через горелки третьего яруса (т. е. в зону максимальных тем­ператур), приводит к снижению образования NO_X на 25—30%.

Большой объем измерений был проведен сотрудниками МЭИ на кот­лах Каширской ГРЭС [77], а также сотрудниками ВТИ на котле ТГМП-114 Ириклинской ГРЭС [78]. Последняя работа интересна тем, что вода или пар вводились в короб горячего воздуха, подаваемого к горелкам, благодаря чему дополнительная влага участвовала на всех этапах формирования мазутного факела.

В результате испытаний было установлено, что при сжигании мазута с Q^r_s = 39 МДж/кг и S^r = 2,04% подача вместе с воздухом влаги в коли­честве 1,5-2% номинальной паропроизводительности котла снижает вы­бросы оксидов азота на 20—25%. Однако одновременно снижается экономичность котельной установки, так как повышается температура уходящих газов (примерно на 4°С при вводе влаги в количестве 2% паропроизводительности котла). Достоинством этого метода борьбы с оксидами азота являются небольшие капитальные затраты, а также простота и легкость автоматизации.

3. Методы, основанные на снижении избытка воздуха

Простейшим методом, уменьшающим содержание кислорода в факе­ле, является снижение избытка воздуха в горелках. Этот метод можно широко использовать на котлах, которые работают с высокими коэф­фициентами избытка воздуха в горелках, так как он одновременно решает проблему низкотемпературной коррозии и повышает КПД котла в результате снижения потери теплоты с уходящими газами. Ограниченность применения этого метода состоит в том, что, начиная с определенного избытка воздуха (разного для топок и горелок разной конструкции), дальнейшее снижение а_г приводит к резкому росту СО, H₂S и других продуктов неполного сгорания, а также к образованию канцерогенного бенз(а)пирена С₂₀Н₁₂, который также является опас­ным загрязнителем атмосферного воздуха. Для большинства отечест­венных котлов при сжигании мазута этот предельный коэффициент избытка воздуха в горелках равен 1,02—1,03.

Нестехиометрическое сжигание позволяет преодолеть этот предель­ный коэффициент избытка воздуха: если горелки расположены в не­сколько ярусов по высоте топки, то удается снизить подачу воздуха в нижний ярус горелок до а_г < 1,0 при условии подачи недостающего воздуха через горелки верхних ярусов. Примером использования этого метода могут служить опыты на котле ТГМ-96 [19]. При равномерной раздаче воздуха по трем ярусам горелок и среднем коэффициенте избыт­ка воздуха а_Г = 1,09 концентрация оксидов азота за котлом составляла 1,05 г/м³. После снижения а_Г на нижний ярус до 0,99 при сохранении среднего а_Г = 1,09 концентрация NO_X снизилась до 0,80 г/м³.

Другим способом, снижающим концентрацию окислителя на началь­ном участке факела, является ступенчатое сжигание. В котлах с много­ярусным расположением горелок для подачи части воздуха во вторую 92

зону горения можно использовать горелки верхнего яруса, отключив их по топливу.

Такой прием был использован сотрудниками фирмы Combustion Engineering (США) при сжигании мазута с содержанием азота 0,33% в котле блока мощностью 378 МВт [79]. Котел этого энергоблока имел тангенциальную топку с угловым многоярусным расположением горелок. При номинальной нагрузке, равномерном распределении топ­лива по всем ярусам горелок и содержании кислорода за котлом 2% концентрация NO_X (в пересчете на NO₂ в пробе газа с содержанием О₂ = 3%) равнялась 0,48 г/м³. Снижение избытка воздуха до уровня, соответствующего О₂ = 0,7%, уменьшило концентрацию NO_X до 0,34 г/м³, однако при этом ухудшился процесс горения. После отклю­чения верхнего яруса горелок по топливу (при сохранении нагрузки котла на прежнем уровне) и повышения избытка воздуха до О₂ = 1,5% процесс горения улучшился, а концентрация оксидов азота в дымовых газах составила 0,32 г/м³, т. е. снизилась на 30%> по сравнению с режи­мом без ступенчатого сжигания.

При сооружении новых мазутных котлов или при необходимости снизить выбросы оксидов азота на действующих котлах с одноярус­ным расположением горелок дополнительный воздух можно подавать через специальные воздушные сопла, размещенные выше горелок или встречно - на противоположной стене. Этот последний вариант, кото­рый иногда называют ’’ступенчатым сжиганием по горизонтали”, был успешно реализован сотрудниками ВТИ на реконструированном котле ТП-82, где было получено почти двукратное снижение выбросов окси­дов азота [80].

Тщательное изучение ступенчатого сжигания мазута и природного газа было проведено сотрудниками КазНИИЭнергетика [81]. Они про­водили опыты на котлах ПК-47-3 и ТГМЕ-206 с встречным и однофрон­тальным расположением вихревых горелок. Горелки первого котла, установленные в два яруса по высоте, имели мощность 2,5 т/ч по мазуту и были оборудованы механическими форсунками. На втором котле также в два яруса располагались горелки мощностью по 4,6 т/ч (по мазуту) с паромеханическими форсунками. Ступенчатое сжигание осу­ществлялось отключением верхних горелок по топливу. Опыты, прове­денные при различных избытках воздуха, показали, что ступенчатое сжигание не приводит к увеличению потерь с химической неполнотой сгорания только при достаточно высоких общих а. Поэтому снижать выбросы оксидов азота методом ступенчатого сжигания целесообразно только до определенного уровня, за которым резко снижается эконо­мичность котла из-за роста с/₃. Можно для снижения г/₃ увеличить об­щий избыток воздуха, но тогда увеличится потеря теплоты с уходящи­ми газами <у₂.