4. Специальные конструкции горелок

Конструкция горелки в значительной степени определяет развитие факельного процесса сжигания мазута, а следовательно - и степень образования оксидов азота. Исследованиями на стендовых установках было показано, что изменение дисперсности мазута, турбулентности потока, интенсивности крутки факела и некоторых других параметров приводит к изменению концентрации оксидов азота в продуктах сгора­ния. Однако в реальных котлах за счет этих характеристик, как пра­вило, не удается значительно сократить выбросы N0*. Можно отметить только, что переход от вихревых горелок ХФ ЦКБ к прямоточно-удар­ным горелкам ВТИ в котлах ТГМП-114 привел к снижению концентра­ции оксидов азота в дымовых газах почти на 20% [60].

Значительно больший эффект дают горелки, которые обеспечивают снижение пика температур в мазутном факеле или снижают действую­щую концентрацию кислорода в зоне образования NO_X. Примером такой горелки является разработанная сотрудниками ВТИ и ”ХФ ЦКБСоюз- энергоремонта” так называемая универсальная горелка [82]. В этой горелке одновременно использованы эффект, создаваемый газами ре­циркуляции, и эффект ступенчатости горения, так как кольцевой поток инертных газов отделяет на начальном участке факела наружный поток воздуха от внутреннего, который интенсивно смешивается с топливом.

Такие горелки мощностью по мазуту 5 т/ч были установлены на ре­конструированном котле ПК-19. Испытания, проведенные на этом кот­ле, показали, что при номинальной нагрузке котла (140—150 т/ч), коэф­фициенте избытка воздуха за пароперегревателем 1,02- 1,03 и подаче рециркулирующих газов в количестве 30% концентрация оксидов азота в дымовых газах (в пересчете на NO₂) составляет 0,16—0,20 г/м³. Если то же количество рециркулирующих газов подавали по наружному ка­налу, то концентрация NO_X составляла 0,22-0,26 г/м³. Такое различие можно отнести на счет ступенчатости сжигания, возникающей при подаче газов рециркуляции в рассечку воздушного потока.

По такому же пути пошли сотрудники Исследовательской лаборато­рии горения и теплообмена Технического института г. Нагасаки (Япо­ния), разработавшие так называемые PM-горелки, в которых газы ре­циркуляции также делят на две части воздух, поступающий через горел­ки. О достоинствах новых горелок говорят масштабы их внедрения: только за четыре года, с 1977 по 1980 г., они были внедрены на 17 энер­гоблоках Японии суммарной мощностью 6336 МВт, сжигающих мазут. Котлы, на которых были внедрены PM-горелки путем реконструкции или еще на стадии проектирования, имели топки как с тангенциальным размещением прямоточных горелок, так и с вихревыми горелками. Мощность энергоблоков составляла от 125 до 600 МВт, горелки были оборудованы форсунками механического или парового распыливания. На рис. 3.27 показана схема PM-горелки с форсункой, имеющей два ряда выходных отверстий. Зоны факела, обогащенная и обедненная 94

Рис. 3.27. Вихревая мазутная горелка типа РМ [92]:

1 - шибер на входе газов рециркуляции; 2 - шибер на внутреннем потоке воздуха; 3 - запальник; 4 - форсунка; 5 - детектор пламени; 6 - шибер на периферийном потоке воздуха; 7 - головка форсунки; 8 - обогащенная топливом зона факела; 9 - обедненная топливом зона факела

топливом, разделяются (по крайней мере на начальном участке) пото­ком газов рециркуляции.

Из отечественных мазутных горелок, обеспечивающих значительное снижение образования оксидов азота, следует отметить предкамерную горелку, разработанную сотрудниками Южтехэнерго [83]. Конструкция этой горелки обеспечивает термическую подготовку топлива в газифи- кационной камере, куда подается все топливо с коэффициентом избыт­ка воздуха, равным 0,36—0,60. Такие горелки мощностью 5,3 т/ч по мазуту были установлены на котле ПК-38 Березовской ГРЭС. До рекон­струкции при работе с обычными вихревыми горелками концентрация оксидов азота в дымовых газах составляла 0,45—0,55 г/м³. Установка предкамерных горелок снизила концентрацию NO_X до 0,2—0,3 г/м³.

В последние годы на крупных мазутных котлах все чаще устанавли­вают подовые горелки, которые отличаются от традиционных горелок не только местом установки, но и мощностью: как правило, их произ­водительность по мазуту в несколько раз больше обычных мазутных горелок, располагаемых на вертикальных стенах. При установке подо­вых горелок преследуются в первую очередь задачи, не связанные с окси­дами азота: их применение выравнивает тепловосприятие по высоте то­почной камеры, снижает уровень локальных тепловых нагрузок и упро­щает эксплуатацию котла из-за уменьшения числа горелок. Одновре­менно, как показали исследования сотрудников Уралтехэнерго и ВТИ [84], установка подовых горелок, в 3 раза более мощных, чем фронто-

вые горелки, снижает образование оксидов азота. Это объясняется, вероятно, ’’растягиванием” факела по высоте и связанным с этим умень­шением пика температур. На котле типа ТГМП-204 производительностью по пару 2650 т/ч переход к подовым горелкам, несмотря на увеличение их мощности с 5,2 до 15,7 т/ч, снизил концентрацию оксидов азота на 10%. При номинальной нагрузке блока, а = 1,02 и г = 10% была получена концентрация NO_X = 0,64 г/м³.

Сотрудниками Белорусского отделения ВНИПИЭнергопром была разработана и реализована на котле ТП-87 схема, объединяющая прин­цип ступенчатого сжигания с рециркуляцией дымовых газов и подовым расположением горелок [85]. Вместо фронтовых горелок на котле были установлены четыре подовые горелки производительностью 8 т/ч по мазуту. Часть горячего воздуха, необходимого для горения, подава­лась через специальные шлицы, смонтированные на отметке 10,8 м. Дымовые газы, отобранные за второй ступенью воздухоподогревателя при температуре 180- 200°C, вводились в короб горячего воздуха перед горелкой. При снижении нагрузки котла, когда отпадает необходимость в подавлении образования NO_X, подача воздуха во вторую ступень от­ключается, что позволяет сохранить необходимые выходные скорости в горелках.

3.4. СНИЖЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА

ПРИ СЖИГАНИИ ГАЗА

3.4.1. Общие сведения г

Природный газ как энергетическое топливо обладает рядом преиму­ществ, не последнее место среди которых занимают его экологические достоинства по сравнению с углем и мазутом: он не содержит твердых примесей, связанного азота и практически не содержит серы (если не считать тех случаев, когда на ТЭС поступает сернистый газ, не прошед­ший стадии очистки на газоперерабатывающем предприятии, или когда сжигаются попутные газы, технологические сбросные газы нефтехими­ческого или металлургического производства). В связи с этим борьба с выбросами оксидов азота часто является единственным средством, позволяющим обеспечить чистоту атмосферы в районе расположения электростанций, работающих на газе.

Концентрация оксидов азота в дымовых газах при сжигании природ­ного газа в крупных котлах ТЭЦ (производительностью на пару 210— 420 т/ч) составляет обычно 0,4—0,8 г/м³ (в пересчете на диоксид МОг)> а в мощных энергетических котлах может достигать 1,5 г/м³. В дымо­вых газах небольших отопительных и промышленных котлов содержит­ся меньше оксидов азота (0,1-0,5 г/м³), но дымовые трубы, которыми оснащают такие котельные, имеют обычно столь малую высоту, что приземная концентрация N0^ часто превышает санитарные нормы- 96

При внедрении мероприятий, рассчитанных на снижение образования оксидов азота, приходится учитывать, что некоторые из них могут уве­личить содержание других, не менее опасных загрязнителей. В частности при некоторых режимах сжигания газа (как и при сжигании мазута) образуются канцерогенные продукты: бенз (а) пирен и другие полицик­лические ароматические углеводороды. Обобщение большого числа измерений позволило сотрудникам САФ ВНИИПромгаз заключить, что концентрация бенз(а)пирена в дымовых газах при полной нагрузке газовых котлов составляет 1-10 мкг/100 м³, причем нижние значения соответствуют крупным энергетическим котлам, а верхние - отопи­тельным котлам [861. Если учесть, что среднесуточная предельно допу­стимая концентрация бенз (а) пирена в воздухе равна 0,001 мкг/м³, то становится ясным, что при нормальных условиях работы котла токсич­ность дымовых газов определяется в основном содержанием в них окси­дов азота, и только при частичных нагрузках, главным образом на ото­пительных котлах, или при нарушении нормальных режимов горения суммарная относительная токсичность продуктов неполного сгорания может оказаться сопоставимой с токсичностью оксидов азота.

2. Мероприятия, основанные на снижении температуры

Простейшим мероприятием, снижающим максимальный уровень температуры в топке, является уменьшение нагрузки котла. Многочис­ленные измерения, проведенные на котлах различной мощности с горел­ками разных конструкций, показали, что зависимость концентрации N0* от нагрузки котла близка к степенной (см. п. 3.3.2). Снижение нагрузки котла сопровождается снижением температур в топке за счет уменьшения объемного тепловыделения и температуры подогрева воздуха. Снижение выходных скоростей в горелках также, вероятно, оказывает определенное влияние на образование NO_X.

Понятно, что снижение нагрузки котла нельзя рассматривать в ка­честве мероприятия по снижению выбросов оксидов азота (за исклю­чением, может быть, случаев особо неблагоприятных метеорологиче­ских условий, продолжительность которых довольно ограничена), однако влияние теплового напряжения зоны активного горения на образование оксидов азота может быть использовано конструкторами при создании новых котлов на природном газе.

Рециркуляция дымовых газов является простейшим средством сни­жения температурного уровня, а следовательно, и концентрации окси­дов азота в дымовых газах. При сжигании газа, когда отсутствуют слабо зависящие от температуры топливные NO_V, эффективность рециркуля­ции газов весьма велика.

При рециркуляции дымовых газов через горелки уменьшается также Концентрация кислорода, что приводит к дополнительному снижению °бразования NO_X. Если же подавать газы рециркуляции через шлицы

Рис. 3.28. Влияние рециркуляции газов на концентрацию оксидов азота при сжига­нии газа в котлах блоков 320 МВт с тан­генциальными топками [87|:

О, А, □ — результаты для разных кот­лов одного и того же типа

в поду топки, как это иногда делает­ся для регулирования температуры промежуточного перегрева при сни­жении нагрузки, то их влияние на выбросы оксидов азота будет незна­чительно.

На рис. 3.28 показано влияние ре­циркуляции газов на концентрацию NO_X при сжигании газа на трех бло­ках мощностью 320 МВт с тан­генциальными топочными камерами [87]. Из приведенного графика видно, что 20%-ная рециркуляция снижает концентрацию оксидов азота примерно в 2,5 раза. Дальнейшее увеличение рециркуляции уже менее эффективно. Ограниченность применения этого метода снижения вы­бросов оксидов азота объясняется тем, что рециркуляция дымовых газов снижает экономические показатели (возрастают потери с уходя­щими газами и расход электроэнергии на собственные нужды). В тех случаях, когда рециркуляцию газов необходимо использовать на уже действующих котлах, появляются дополнительные трудности, связан­ные с установкой дымососа рециркуляции и коробов для подачи дымо­вых газов к горелкам.

Еще одним недостатком этого метода является опасное возрастание концентрации бенз (а) пирена по мере увеличения рециркуляции дымо­вых газов. Исследования Цирульникова показали, что, например, при сжигании газа на котле ТГМ-94 с коэффициентом избытка воздуха 1,02 увеличение рециркуляции газов с 0 до 13% повышает концентрацию бенз (а) пирена в 1,5 раза. При большем избытке воздуха (а_т = 1,06) аналогичное увеличение доли рециркулирующих газов повысило кон­центрацию С₂оН|₂ в 1,4 раза. Вероятно, дальнейшее повышение коэф­фициента избытка воздуха может устранить эту опасность, однако одно­временно будет снижаться эффективность подавления образования окси­дов азота.

При сжигании природного газа (но не мазута и твердого топлива) для снижения температуры топочного процесса можно уменьшить темпе­ратуру горячего воздуха. Имеются прямые опыты в промышленных условиях, подтверждающие значительное влияние этой температуры на концентрацию оксидов азота в дымовых газах. Так, например, при ежи-

гании природного газа в котле блока мощностью 320 МВт повышение температуры горячего воздуха с 315 до 360°С увеличило выбросы NO_X почти на 20% [88]. Снижение Г_гв с 315 до 200 и до 30°С снизило вы­бросы оксидов азота соответственно на 40 и 65%. Следует, однако, иметь в виду, что существенное снижение t_{r в} приведет к повышению температуры уходящих газов и соответствующему снижению КПД котла.

Снижение максимальной температуры в топочной камере, а следова­тельно, и концентрации оксидов азота, можно обеспечить увеличением теплоотвода, например за счет установки двусветного экрана или дру­гих тепловоспринимающих поверхностей нагрева в зоне интенсивного горения. Доказательством эффективности этого метода борьбы с окси­дами азота может служить сопоставление котлов ТГМ-84 и ТГМ-94. Котлы имеют близкие тепловые напряжения топочного объема, одина­ковую паропроизводительность (420 т/ч) и однофронтальную компо­новку горелок. Но первый из них имеет двусветный экран, а у второго он отсутствует. Измерения, выполненные сотрудниками САФ ВНИИПромгаз, показали [34], что при равных избытках воздуха кон­центрация NO_X в газах за котлом ТГМ-84 почти в 2 раза ниже, чем за кот­лом ТГМ-94. Аналогичные результаты были получены сотрудниками ИГ АН УССР на котлах меньшей мощности [19].

Снижение температурного уровня за счет ввода влаги в зону горения является одним из возмояшых путей сокращения выбросов оксидов азота при сжигании природного газа. Достаточно подробно этот метод был исследован сотрудниками САФ ВНИИПромгаз [86]. Эти исследо­вания показали, что эффективность метода зависит не только от коли­чества вводимой в топку влаги, но и от способа ввода, а также от коэф­фициента избытка воздуха в топочной камере. Например, ввод пара в количестве 4% расхода топлива в топку котла ТГМП-114 через аппа­раты, установленные на боковых экранах на уровне оси горелок и на 3 м выше, не привел к снижению концентрации NO_X во всем диапазоне проверенных избытков воздуха. Вероятно, водяные пары, распростра­няясь вдоль боковых экранов, не попадали в зону максимальных тем­ператур и вследствие этого не оказывали влияния на процесс образова­ния оксида азота.

На котлах ТГМП-314 и ПК-41-1 ввод пара оказался более результатив­ным. Расход пара в этом случае составлял примерно 10% массового расхода топлива. На котле ПК-41-1, имеющем 8 паровых аппаратов на боковых стенах, с ростом а₁ от 1,02 до 1,08 степень снижения концен­трации оксидов азота возрастала с 7 до 15%. На котле ТГМП-314 в том же диапазоне избытков воздуха степень снижения концентрации NO_X менялась от 4 до 12%..

Значительно больший эффект был получен при вводе в топку не пара, а воды. Особенно эффективным оказался впрыск воды в котел ТГМ-94, оборудованный 9 горелками конструкции ХФ ЦКБЭнерго. Техническая

вода впрыскивалась через щелевые форсунки, установленные в горелки третьего яруса. Совместное использование рециркуляции дымовых газов {г - 14%), впрыска воды (5% расхода топлива) и снижение коэффициента избытка воздуха от 1,06 до 1,03 позволило снизить концентрацию оксидов азота в дымовых газах с 0,85 до 0,35 г/м³.

3. Методы, основанные на снижении избытка воздуха

Как и в случае сжигания угля или мазута, простейшим методом уменьшения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания газа является снижение избытка воздуха, подаваемого через горелки. Ска­занное относится только к тому диапазону избытков воздуха, который применяется обычно в энергетических котлах (1,0 < а < 1,2). В случае более высоких а снижение температуры в топочной камере оказывает большее влияние на образование оксидов азота и в результате увеличе­ние избытка воздуха сверх а = 1,2 снижает концентрацию NO_X в дымо­вых газах. В некоторых случаях максимум концентрации оксидов азота наступает при меньших значениях коэффициента избытка воздуха. Например, в опытах сотрудников САФ ВНИИПромгаз [861 на котле ТГМ-94 при нагрузке 92% номинальной оказалось, что увеличение а от 1,07 до 1,12 снижает концентрацию NO_X в дымовых газах от 0,86 до 0,70 г/м³. Снижение коэффициента избытка воздуха от 1,07 до 1,025 (при той же нагрузке) приводило к уменьшению концентрации оксидов азота с 0,86 до 0,50 г/м³, т. е. более чем на 40%. При этом несколько сокращались потеря теплоты с уходящими газами и расход электро­энергии на собственные нужды. Таким образом, снижение избытка воз­духа является эффективным мероприятием, позволяющим существенно снизить выбросы оксидов азота без дополнительных капитальных за­трат и без увеличения эксплуатационных расходов.

Снижение избытка воздуха возможно лишь до тех пор, пока это не приводит к интенсивному росту продуктов неполного сгорания, когда не только уменьшается экономичность топочного процесса, но и созда­ется опасность загрязнения атмосферы другими веществами, не менее вредными, чем оксиды азота. В упоминавшихся выше опытах на котле ТГМ-94 при а = 1,07 количество продуктов неполного сгорания было близко к нулю, а при а = 1,025 значение q₃ достигало 0,2%. Можно счи­тать, что для энергетических котлов, работающих на природном газе с а = 1,10-М,15, выбросы оксидов азота могут быть снижены примерно на 30% за счет перехода на малые избытки воздуха. По оценке зарубеж­ных специалистов, снижать избыток воздуха можно до уровня, не вы­зывающего повышение концентрации оксида углерода в дымовых газах сверх 0,02% (т. е. 200 см³/м³). Конкретное значение а, соответ­ствующее этому уровню СО, зависит от совершенства горелочного устройства и равномерности распределения топлива и воздуха между отдельными горелками.

При многоярусном размещении горелок эффективным средством снижения выбросов оксидов азота может оказаться нестехиометриче­ское сжигание. Для реализации этого метода на некоторых котлах в США и Японии общий короб вторичного воздуха разбивают на от­дельные секции (по количеству ярусов горелок) с возможностью изме­рения и регулирования расхода вторичного воздуха на каждый ярус горелок. Пример удачного применения нестехиометрического сжигания описан в [89]. Сотрудники южно-калифорнийской энергетической компании ’’Edison” только за счет перераспределения воздуха между горелками на блоках № 1 и 2 ТЭС Хантингтон и Мандэлей (котлы фир­мы Babcock -Wilcox с вихревыми горелками, мощность каждого блока 215 МВт) снизили концентрацию оксидов азота в дымовых газах с 1,0— 1,04 до 0,4—0,42 г/м³.

Дальнейшим развитием метода нестехиометрического сжигания явля­ется ступенчатое сжигание. На действующих котлах для подачи воздуха, необходимого для полного сгорания, можно воспользоваться отдельны­ми горелками (обычно — верхнего яруса), если через остальные горелки удается подать количество топлива, необходимое для работы котла с номинальной нагрузкой. По такому пути пошли Багвелл и его сотруд­ники [87] при исследовании путей снижения выбросов NO_X на котле блока мощностью 215 МВт. Котел был оборудован 20 вихревыми горел­ками, расположенными в четыре яруса по высоте на фронтовой стене. Максимальный эффект был получен при отключении по топливу пяти горелок (трех из третьего яруса и двух из четвертого яруса). В таком режиме концентрация оксидов азота в дымовых газах составляла 0,45 г/м³ (при номинальной нагрузке и избытке воздуха а = 1,10). В режиме без ступенчатого сжигания при тех же нагрузке и избытке воздуха концентрация NO_V была равна 1,0 г/м³.

Большой интерес представляют опыты, проведенные сотрудниками Университета штата Техас (США) в начале 80-х годов на блоке мощ­ностью ПО МВт [90]. Котел этого блока, изготовленный фирмой Babcock—Wilcox, имел топку с фронтальным расположением шести вих­ревых горелок в три яруса по высоте. Над горелками были смонтиро­ваны два сопла для ввода третичного воздуха, а под нижним ярусом горелок имелись сопла для подачи в топку газов рециркуляции.

Проверка эффективности метода ступенчатого сжигания показала, что при постепенном открытии шибера на коробе третичного воздуха (и постоянной концентрации кислорода за котлом, равной 0,8%) со­держание оксидов азота в дымовых газах снижалось со 170 до 75 см³/м³ (при нагрузке блока 105 МВт). Одновременно удельный расход услов­ного топлива возрос с 382 до 408 г/ (кВт-ч).

Затем были проведены опыты со ступенчатым сжиганием, в которых в дополнение к третичному часть воздуха поступала через неработающие верхнюю или нижнюю горелки. Более эффективным оказался режим с отключенной горелкой верхнего яруса (рис. 3.29). На приведенном 101

Рис. 3.29. Влияние ступенчатого сжигания газа на концентрацию оксидов азота и экономичюсть блока |90| :

1 - оиыты при нагрузке 105 МВт, г = ~ 20% и концентрации кислорода в ды­мовых газах Оз = 0,84-1,2%; 2 - опыты при нагрузке 105 МВт, г - 20% и О; = = 1,54-2,0%

графике видно, что по мере увели­чения 5 — степени открытия шибера на коробе третичного воздуха — концентрация оксидов азота линейно снижается. Одновременно ухудшает­ся экономичность топочного процес­са. Сохранить удельный расход ус­ловного топлива можно и при сту­пенчатом сжигании, если увеличить общий избыток воздуха. В рас­смотренном примере (рис. 3.29) можно снизить концентрацию оксидов азота со 145 до 100 см³/м³ и сохранить удельный расход условного топлива на уровне 400- 405 г/(кВт ч), если одновременно с переходом на ступенчатое сжигание увеличить общий избыток воздуха с а = 1,044- 1,06 до а = 1,084-1,10 (сО₂ = 0,8-: 1,2% до О₂ = 1,54-2,0%).

К такому же выводу пришли сотрудники КазНИИЭнергетики [811 при проведении опытов на газоплотном котле ТГМП-206. Ими было установлено, что максимальное снижение выбросов оксидов азота, которое можно осуществить без чрезмерного увеличения концентраций оксида углерода и канцерогенных веществ, составляет 60%. Для этого вместе с топливом нужно подавать 90% теоретически необходимого количества воздуха и еще 20% — в верхнюю часть факела. Если увели­чить перераспределение воздуха и во вторую ступень подавать 40% воздуха, то для сохранения на прежнем уровне придется повысить коэффициент избытка воздуха за топкой до а_т = 1,17, что значительно увеличит потерю теплоты с уходящими газами.

С учетом разной степени совершенства горелочных устройств можно считать, что ступенчатое сжигание природного газа может снизить вы­бросы оксидов азота примерно в 2 раза.

3. Специальные конструкции горелом

Для уменьшения образования оксидов азота конструкция горелки должна обеспечить снижение максимальной температуры и замедленное смешение воздуха с топливом. При этом, разумеется, нельзя допускать химической неполноты сгорания. Указанные требования удалось вы-

нм

Рис. 3.30. Вихревая PM-горелка для природного газа [92 | :

1 - газовые сопла для обогащенной смеси; 2 — воздушный шибер для обеднен­ной смеси; 3 - воздушный шибер для обогащенной смеси; 4 - мазутная форсун­ка; 5 — запальное устройство; 6 — газовые сопла для обедненной смеси; 7 - зона факела, обедненная топливом; 8 — зона факела, обогащенная топливом

полнить с разной степенью успеха как на отопительных, так и на круп­ных энергетических котлах.

На энергетических котлах Японии широко внедряются РМ-горелки, конструкция которых обеспечивает сжигание газа в двух зонах факе­ла, в одной из которых, на начальном участке, создается недостаток воздуха, а во второй — избыток. В нашей печати уже сообщалось о кон­струкции РМ-горелки применительно к тангенциальным топкам [911. На рис. 3.30 приведена схема вихревой РМ-горелки для природного газа.

Такие горелки (18 штук, размещенные в три яруса по высоте на фронтовой стене) были установлены на котле блока N' 3 ТЭС Hoi мощ­ностью 265 МВт [92]. Котел оборудован топкой с двусветным экраном. Мощность каждой горелки равнялась 46,6 МВт. При сжигании сжижен­ного природного газа были проведены опыты с разными избытками воздуха и с разной степенью рециркуляции дымовых газов, которые смешивались с воздухом, поступающим к горелкам. При г = 7% и а = ⁼ 1,08 концентрация оксидов азота в дымовых газах составляла 0,25 г/м³ (в пересчете на NO₂ в пробе дымовых газов с О₂ = 5%). Мини­мальная концентрация оксидов азота (0,08 г/м³) была получена при 28% и а= 1,05.

Благодаря высоким эксплуатационным качествам новые горелки Нашли широкое распространение: в течение четырех лет после первого опробования PM-горелок (с 1977 по 1980 г.) они были внедрены на И энергоблоках общей мощностью 5200 МВт. Среди них — крупней-

Рис. 3.31. Горелка для двухстадийного сжигания природного газа в котле ПТВМ-50:

1 - направляющие пластины; 2 - аксиальный лопаточный завихритель;

3. - цилиндрический канал горелки;

4. - осевая труба; 5 - периферийная газовая камера; 6 - конфузорный насадок

ший в Японии энергоблок № 4 ТЭС Sodegaura мощностью 1000 МВт.

В отечественной энергетике имеется большой опыт создания газо­вых горелок для небольших промышленных и отопительных котлов. Особенно успешными были работы Института газа АН УССР. В этом институте создана горелка, воздух в которую подается двумя потоками: закрученным - периферийным и прямоточным - центральным [93]. Газ смешивается с периферийным потоком, составляющим 50—80% расхода воздуха, необходимого для полного сгорания. Продукты не­полного сгорания топлива из периферийной зоны факела инжектиру­ются центральным прямоточным потоком воздуха, в котором обра­зуется зона догорания топлива. Такие горелки (рис. 3.31) были впер­вые опробованы в промышленных условиях на котле ПТВМ-50. Испы­тания котла показали, что концентрация оксидов азота снижается на 30—40% по сравнению с уровнем, который наблюдался при работе с за­водскими горелками (0,22—0,37 г/м³ в пересчете на а = 1,0). Практи­чески полное сгорание топлива в пределах топки обеспечивается при коэффициенте избытка воздуха 1,04—1,06. В настоящее время такие горелки широко внедряются на более мощных водогрейных котлах типа ПТВМ-100.

Глава четвертая

СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА

ПУТЕМ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ

В предыдущей главе было показано, что несмотря на существенный прогресс в деле снижения выбросов оксидов азота за счет усовершен­ствования топочного процесса, нельзя еще говорить о полном успехе: внедрение технологических методов часто приводит к нежелательным побочным явлениям, и, кроме того, эффективность их недостаточна. Между тем в химической промышленности уже многие годы успешно 104

очищают газообразные выбросы от оксидов азота, образующихся при производстве азотной кислоты. Известны, например, каталитические методы, которые обеспечивают восстановление оксидов азота на по­верхности катализатора в присутствии газа-восстановителя. Некоторые восстановители (NH₃. H₂S, амины) обладают селективными свойст-* вами по отношению к NO_Y: они в первую очередь реагируют с оксидами азота, и лишь избыточное их количество вступает во взаимодействие с присутствующим в газах кислородом.

В энергетике проблема очистки газов от оксидов азота усложняется в связи с тем, что дымовые газы, во-первых, имеют весьма низкие на­чальные концентрации оксидов азота (как правило, не более 2 г/м³ в пересчете на NO₂) и, во-вторых, содержат значительное число примесей (твердые золовые частицы, оксиды серы, кислород и углекислый газ). Тем не менее в последние годы в некоторых странах проводятся обшир­ные исследования и начинается широкое внедрение различных способов очистки дымовых газов от оксидов азота. Особенно интенсивно прово­дятся эти работы в Японии, ФРГ и США в связи с предполагаемым даль­нейшим ужесточением норм по допустимым выбросам NO_V, а также уве­личением доли угля в топливном балансе этих стран.

При классификации различных методов очистки дымовых газов удобнее всего разделить их на две группы: методы очистки только от NO_V и методы, позволяющие одновременно снижать выбросы сернистого ангидрида SO₂. Те и другие методы можно осуществлять в сухих и мокрых системах, однако на практике обычно для очистки только от оксидов азота применяют сухие, а для совместной очистки от NO_V и SO₂ — мокрые системы.

На рис. 4.1 приведена схема классификации методов очистки дымо­вых газов, из которой видно, что сухие системы включают гомогенное (бескаталитическое), каталитическое восстановление, сорбцию на твер­дых телах (физическая адсорбция или химическая адсорбция) и ката­литическое разложение. Усилия энергетиков в последние годы сосредо­точены на селективном восстановлении оксидов как с катализатором, так и без него.

В мокрых системах удаление одних оксидов азота осуществляется путем предварительного окисления оксида азота в диоксид озоном или С1О₂ в газовой фазе. Кроме того, можно использовать КМпО₄ или NaC10₂ в жидкой фазе. Однако в последнем случае оксиды азота пере­ходят в нитриты и нитраты, что создает проблему загрязнения водной ^среды. При использовании мокрых систем предпочтение отдается одно­временной очистке от NO_V и SO₂.

В настоящее время в промышленно развитых странах разрабатыва­ются в основном три схемы:

1. гомогенное (бескаталитическое) восстановление оксида азота аммиаком, называемое также высокотемпературным методом;

2. каталитическое селективное восстановление с использованием аммиака;

‘NOx

_ Мокрые методы

Абсорбция ЫОх ^и SO, жид­костями с восстановлением ЫО_Х Д° N, сульфид-ионом

_ Сухие методы

' Абсорбция ЫО_Х и SO₂ жидкостями с окислением до нитрат- и сульфат-ионов

Газофазное окисление N О с абсорбцией ЫО_Х ^и SO,

жидкостями

Адсорбция NOx ^и SO, твердыми веществами

Селективное каталитическое восстановление NOx

аммиаком с одновременным извлечением SO₂

Облучение

электронным пучком

Газофазное восстановле- ние NO, до

N₂ сульфид- ионом

Жидкофаз - ное окисле­ние NO_X до нитрат-иона

Реакция SO, с оксидом меди

Адсорбция

SO₂ активи- рованным углеродом

4* Рис. 4.1. Классификация методов очистки дымовых газов qt оксидов азота

3. прямое поглощение оксида азота с одновременной абсорбцией S0₂.

Кроме того, в последние годы в Японии [100-102], США, а также в Советском Союзе проводятся исследования радиационно-химических методов очистки дымовых газов. Эти методы основаны на получении в очищаемом газе небольшого количества активных компонентов (ато­мов и радикалов), которые образуются при воздействии радиационного излучения. В наибольшей степени подготовлен к промышленному внед­рению метод радиационной обработки очищаемого газа электронным пучком. Этот метод позволяет очищать дымовые газы одновременно от оксида азота и сернистого ангидрида.

При прохождении быстрых электронов через газ, содержащий азот, кислород и водяные пары, образуются продукты радиолиза, которые после завершения процесса нейтрализации образовавшихся ионов со­держат атомы азота в основном и возбужденном состоянии, а также радикалы ОН, НО₂ и атомы О. Именно эти компоненты приводят к окис­лению NO до NO₂, который, в свою очередь, реагирует с ОН, в резуль­тате чего образуется HNO₃. При радиолизе СО₂, количество которого в дымовых газах достаточно велико, образуются молекулы СО, кото­рые также увеличивают степень разрушения молекул NO.

2. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЕ БЕСКАТАЛИТИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКСИДА АЗОТА

В качестве газа-восстановителя в этом процессе используется аммиак, который действует избирательно, и поэтому количество его, необходи­мое для восстановления NO в дымовых газах, невелико. Процесс восста­новления протекает при температуре около 950°С, причем присутствие кислорода дает заметный положительный эффект. В температурном диапазоне 900-1000°С преобладает реакция 4NH₃ + 4NO + О₂ -> 4N₂ + + 6Н₂О, в результате чего концентрация NO в дымовых газах сущест­венно снижается. При более высоких температурах усиливается роль реакции 4NH₃ + 5О₂ -> 4NO + 6Н₂О, в результате которой ввод аммиа­ка в дымовые газы приводит к увеличению концентрации оксидов азо­та. При значительном снижении температуры скорости реакций падают, и аммиак проходит в последующие газоходы котла. Это обстоятельство является, пожалуй, наиболее существенным недостатком метода, так как при изменении нагрузки котла очень трудно обеспечить постоянную температуру в том месте, где аммиак вводится в дымовые газы. Для преодоления этой трудности фирма Exxon (США) усовершенствовала Метод, добившись смещения оптимального температурного диапазона путем ввода вместе с аммиаком водорода. На рис. 4.2 по результатам Исследований американских специалистов [94] показано влияние до­бавки водорода (а также менее существенное влияние оксидов серы) на процесс бескаталитического восстановления оксида азота.

Рис 4.2. Зависимость процесса беската- литического восстановления оксида азо­та аммиком [94 J от температуры при разных значениях концентрации SO-. и Н₂:

начальные концентрации: NOg - 300 см³/м³; NH₃ - 300 см³/м³; I ~ концентрации Н₂ и SO_X равны 0; 2 - концентрация Н₂ равна 0, SO_X - 1000 см³/м³; 3 — концентрация Н₂ равна 600 см³/м³, SO₃- — отсутст­вует; 4 - концентрация Н₂ равна 600 см³/м³, SO_X ss 1000 см³/м³

Второй проблемой, возникающей при использовании бескаталитиче- ского метода в крупных энергетических котлах, является необходи­мость перемешивания небольшого количества аммиака с дымовыми га­зами, расход которых на крупных котлах достигает несколько мил­лионов кубических метров в час. Серьезная проблема при использова­нии этого метода возникает в тех случаях, когда не вступивший в реак­цию аммиак остается в дымовых газах. Дело в том, что при охлажде­нии дымовых газов аммиак, взаимодействуя с серным ангидридом и водой, образует бисульфат аммония NH₄HSO₄. При содержании SO₃ = = 104-50 см³/м³ и NH₃ = 104-20 см³/м³ образование бисульфата аммо­ния происходит в зоне воздухоподогревателя при температуре газов 210—220° С. В результате бисульфат забивает воздухоподогреватель.

Именно такой случай произошел на ТЭС Chitta (Япония), где для снижения выбросов оксидов азота на котле блока мощностью 375 МВт был использован высокотемпературный метод. Котел работал на мазу­те с содержанием серы 0,2%. Для ввода аммиака были выбраны две точки, причем охлаждаемые водой сопла, расположенные в зоне более высоких температур, были предназначены для работы при низкой на­грузке котла. Концентрация NO_X в месте ввода аммиака составляла 0,26—0,32 г/м³, расход аммиака — 1,5 моля на моль оксидов азота. При эффективности очистки газов от NO_X, равной 40%, проскок аммиа­ка составлял 10—20 см³/м³. В результате забивания воздухоподогрева­теля бисульфатом его сопротивление за 4 мес выросло на 35%. Для нормальной работы котла потребовалась обдувка водой высокотемпе­ратурной стороны воздухоподогревателя.

Если даже удается избежать неприятностей, связанных с загрязне­нием воздухоподогревателя, то остаток аммиака проходит с дымовыми газами далее по тракту и улавливается в скруббере вместе с SO₂ (при наличии такой системы сероулавливания) или выбрасывается из дымо­вой трубы в атмосферу. В обоих случаях возникает проблема загрязне­ния либо воды, либо воздуха.

По мнению специалистов, допустимым является проскок аммиака в количестве не более 5 см³/м³. Вероятно, эту цифру удастся обеспе­чить при работе котла с постоянной нагрузкой. Однако неизбежные колебания нагрузки, изменение качества топлива, а также изменение режима работы топочной камеры (в результате, например, периодиче­ского вывода мельниц в ремонт) будут вызывать изменение концен­трации оксидов азота в дымовых газах. При этом необходимая дози­ровка аммиака будет запаздывать, так как нет еще надежных методов непрерывного измерения концентрации аммиака в дымовых газах.

Несмотря на перечисленные выше трудности, многие специалисты оптимистично оценивают будущее бескаталитичсского метода восста­новления N0_x, основываясь на его сравнительной дешевизне. По расче­там американских экономистов, этот метод увеличивает капитальные затраты всего лишь на 16 17 долл/кВт, а эксплуатационные расходы — на 0,11 цента/(кВт-ч) [95].

В Советском Союзе сотрудниками ВТИ им. Дзержинского^IV была про­ведена успешная промышленная проверка бескаталитического метода восстановления NO_X при сжигании мазута [96]. По проекту Харьков­ского филиала ЦКБ Союзэнергоремонта на котле типа БКЗ-160-100 ГМ была смонтирована установка для ввода аммиака в газоход котла в районе горизонтального газохода. Аммиак поступал из баллонов с давлением 1,6 МПа. Испарение аммиака достигалось за счет обогрева баллонов горячей водой. Перед вводом аммиака в газоход он смешивал­ся с паром из линии собственных нужд котла (давление 0,2—0,25 МПа, температура 150°С, расход 4 т/ч). Распределительное устройство для ввода паро-аммиачной смеси представляло собой ряд перфорирован­ных вертикальных труб диаметром 60x5 мм, соединяющих верхний и нижний коллекторы.

Опыты, проведенные при различных избытках воздуха в широком диапазоне отношения (3 = (NH₃)‘^aef,CTB/(N1! ₃)^{теорн собх}, показали, что гомогенное высокотемпературное восстановление NO аммиаком явля­ется эффективным средством снижения выбросов оксидов азота. Макси­мальная степень очистки газов, полученная при сжигании мазута, состав­ляла 73—78%. При этом исходная концентрация оксидов азота (в пере­счете на NOj) составляла 0,46 0,61 г/м³, а остаточная — после ввода аммиака в количестве, близком к стехиометрическому по отношению к NO — только 0,10—0,16 г/м³. При снижении количества вводимого в дымовые газы аммиака (0 = 0,56) степень восстановления оксида азо­та снижалась до 409?’. Такой же эффект был получен и при увеличении (3 До 1,4—2,5. В опытах при сжигании природного газа увеличение (3 до 3,2 снизило эффект восстановления NO до нуля, а при (3 =3,3^3,7 наблюда­

лось даже повышение содержания оксидов азота в дымовых газах, что связано, вероятно, с каталитическим окислением избыточного аммиака на конвективных поверхностях нагрева. Следует отметить, что эффек­тивно процесс восстановления протекал только в тех опытах, когда температура дымовых газов в зоне ввода паро-аммиачной смеси состав­ляла 900—950°С.

В целом авторы [96] отмечают, что при обеспечении постоянного ре­жима на мазутном котле производительностью 160 т/ч и при расходе аммиака, равном 12—24 кг/ч (в зависимости от исходной концентра­ции оксидов азота), сравнительно простая установка обеспечивает почти четырехкратное снижение выбросов оксидов азота.

3. КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ АММИАКА

Этот процесс удовлетворительно протекает в зоне температур 300— 400°С. Он в меньшей степени зависит от температуры. Кроме того, даже при существенном изменении нагрузки котла в газоходе за эко­номайзером (где обычно размещают установки каталитического вос­становления оксида азота) температура меняется незначительно. Вто­рым важным преимуществом этого метода является его высокая эф­фективность: при правильной организации процесса концентрация оксидов азота может быть снижена на 90%.

Основной недостаток метода — высокие капитальные затраты, свя­занные с тем, что в качестве катализаторов используются дорогостоя­щие оксид титана и оксид ванадия. Под воздействием SO₃ происходит отравление катализатора, поэтому срок его службы не превышает, как правило, 1—3 года.

Аммиак вводится в дымовые газы, содержащие оксид азота, в газо­ходе за экономайзером^V. Затем газы проходят через решетку катали­затора, где каталитический эффект проявляется при поперечной диффу­зии NO_X и NH₃ к поверхности катализатора. В результате реакции окси­дов азота с аммиаком образуются молекулярный азот и водяные пары. Проскок аммиака, как и в случае бескаталитического восстановления NO_X, создает проблему забивания воздухоподогревателя или решетки, самого катализатора.

Проблему отравления катализатора серным ангидридом пытаются решить применением сложного катализатора. Большое значение имеет конструкция собственно решетки катализатора: она должна обеспечить свободный проход газа с малым сопротивлением, при этом не должны создаваться условия для отложения золы. Важное значение имеет объем катализатора, а также удобство его замены. Наиболее распространены

Рис. 4.3. Степень очистки дымовых газов от оксидов азота и остаточная концентра­ция аммиака в зависимости от отношения NH3/NO* при использовании сотового катализатора и температуры газов 350°С

катализаторы сотовой конструкции, позволяющие разместить большую поверхность в единице объема. Влияние катализатора учитывает про­странственная скорость S/V, равная отношению расхода газов, м³/ч, к объему катализатора, м³. Поскольку расход дымовых газов опреде­ляется мощностью котла, единственным средством снижения простран­ственной скорости, во многом определяющей эффективность процесса, является увеличение объема катализатора. На рис. 4.3 приведены сте­пень восстановления оксидов азота и остаточная концентрация аммиака в зависимости от мольного отношения NF^/NO* для трех значений про­странственной скорости. Эти данные относятся к катализатору сотовой конструкции из ванадия на подложке из оксида титана. Температура дымовых газов 350°С.

Если принять, что допустимая остаточная концентрация аммиака составляет 5 см³/м³, то при S/V = 6000 ч" ¹ необходимо поддерживать мольное отношение NH₃/NO_X = 0,79. При этом степень очистки дымо­вых газов от оксидов азота составит 72%. Если удвоить объем катали­затора (S/V = 3000 ч~¹), то при NHs/NOjr = 0,83 можно получить эффек­тивность очистки 80%. А для достижения 90%-ной очистки дымовых газов от NO* потребуется не только повысить расход аммиака до NH₃/NO_X = 0,94, но и увеличить объем катализатора еще в 2 раза (до S/V = 1500 ч"'). Эффективность такого катализатора несколько повы­шается с ростом температуры, но проверенные в промышленности ка­тализаторы работают, как правило, при температуре не выше 400°С.

В СССР метод каталитического восстановления оксидов азота бьш впервые внедрен в металлургической промышленности для очистки дымовых газов за котлом производительностью 20 т/ч, в котором сжи­гался коксовый газ. Схема установки приведена на рис. 4.4. Эффектив­ность очистки дымовых газов от NO_X достигала 95%, если концентрация оксидов азота на входе не превышала 1,0 г/м³, запыленность — 0,1 г/м³, а температура газов составляла 280—320°С. Снижение температуры

Рис. 4.4. Каталитическая очистка дымовых газов от NO_X;

1 - экономайзер; 2 - распределитель аммиака; 3 - аппарат каталитической очистки; 4 - вторичный прибор; 5 - воздухоподогреватель; 6 - датчик концен­трации NO_X

очищаемых газов до 250°С уменьшало эффективность очистки от N0* до 85% [97].

Первая промышленная установка селективного каталитического восстановления (SCR) для снижения выбросов оксидов азота при сжи­гании угля была разработана фирмой Mitsubishi Heavy Industries и смон­тирована весной 1980 г. на блоке № 1 ТЭС Simonoseki мощностью 175 МВт. Это сравнительно простая установка, способная работать в комплексе с установкой по очистке газов от сернистого ангидрида. В настоящее время установка SCR снижает концентрацию оксидов азота на 50- 60%, но ее эффективность может быть увеличена до 80% за счет использования большего количества катализатора. Установка работает при молярном отношении аммиака к оксиду азота 0,6. Столь низкое молярное отношение обеспечило умеренный проскок аммиака (1 см³/м³). Однако при повышении эффективности SCR до 80% про­скок аммиака возрастает до 5 см³/м³. Это усугубляет основную пробле­му, связанную с применением SCR: забивание решетки катализатора и воздухоподогревателя.

За котлом ТЭС Simonoseki (перед SCR) концентрация оксидов азота составляет примерно 1 г/м³, за установкой SC'R — 0,5 г/м³. В будущем предполагается снизить концентрацию NO_X на выходе до 0,2 г/м³.

Опыт японских энергетиков по применению селективного каталити­ческого восстановления оксидов азота используется в США и в ФРГ- В США уже имеется одна установка SCR на газомазутном котле. Первые

опыты на пылеугольном котле выявили существенные трудности, свя­занные с загрязнением катализатора.

В ФРГ на котле № 18 ТЭС Manheim в 1984 г. были введены две экспе­риментальные установки селективной очистки (на 5 и 10 тыс. м³/ч соответственно). Меньшая установка, которая выполнена фирмой Deutshe- Babcok, расположена между котлом и воздухоподогревате­лем; более крупная установка размещена за системой сероулавлива- ния. Так как катализаторы работают только при повышенных темпера­турах, в последнем случае дымовые газы специально подогреваются. Фирма EVS для экономии энергии использует регенеративный способ подогрева дымовых газов.

На одной из японских ТЭС катализаторы установки селективной очистки, размещенной между электрофильтром и системой сероулав- ливания, работают без значительной потери активности четвертый год. При очищенных от золы и серы газах можно ожидать еще лучших ре­зультатов.

4. МОКРЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

ОТ ОКСИДОВ АЗОТА

Эти методы, как уже отмечалось, применяют обычно для одновремен­ного сокращения выбросов NO_X и SO₂. Сущность большинства извест­ных методов сводится к доокислению NO и SO₂ в высшие оксиды N0₂, N₂O₅ и SO₃. Для доокисления можно использовать озон, перекись водо­рода, СЮ₂ и другие окислители. Полученные продукты растворяются в воде с образованием смеси азотной и серной кислот. Эффективность очистки газов от NO_X зависит от того, насколько полно удается доокис- лить инертный и слаборастворимый оксид азота в более активные NO₂ или N₂O₅. Возможно также частичное доокисление NO с образованием эквимолекулярной смеси N0 и N0₂. Процесс абсорбции в этом случае облегчается вследствие образования нитрита.

Перспективным методом перевода оксида азота в раствор является также использование растворенных катализаторов для ускорения аб­сорбции N0 и’перевода его в азотно-сернистые соединения. В качестве катализатора для этого процесса используют этилендиамидчетырехук­сусную кислоту (EDTA) и ион железа. При этом сернистый ангидрид поглощается либо Na₂SO₃, либо NH₄OH после абсорбции N0. Предпо­лагается, что в результате протекает реакция

Fe⁺² - EDTA + NO - Fe⁺ - EDTA- NO.

Полученный продукт реагирует с бисульфатом, образуя имидодисульфо- Нат и дитионат:

Fe² - EDTA-NO + 3NaHSO₃ -*

-* Fe⁺³ - EDTA + NH(SO₃Na)₂ + l/2Na₂S₂O₆ + H₂0.

Главная особенность этого процесса заключается в том, что для хорошей абсорбции оксида азота требуется присутствие SO₂ по крайней мере в трехкратном количестве. Так, для абсорбции 400 см³/м³ NO_X требует­ся присутствие в газах около 1200 см³ /м³ SO₂. Таким образом, этот метод пригоден только для высокосернистых топлив. ,

В 1974 г. в Японии была построена опытная установка производитель­ностью 320 м³/ч для удаления NO_X и SO₂ в аммиачной воде с растворен­ной EDTA и ионами железа. Дымовые газы в этой установке сначала попадают в скруббер с водой для охлаждения и очистки от частиц и хло­ридов, а затем проходят через скруббер с аммиачной водой при pH =6. Обычно в этой установке улавливалось 70—85% NO_X и более 90% SO₂. Через воду затем пропускали воздух для окисления сульфита и би­сульфита аммония в сульфат и дитионат. Дитионат получали в присут­ствии катализатора. Затем в воду добавляли серную кислоту (pH =0,5), но предварительно воду охлавдали аммиаком до 268—273 К. При этом кристаллизовалось около 90% EDTA. Кристаллы затем отделяли на цен­трифуге и снова направляли в скруббер. Остаточный раствор нагревали до 394—402 К под давлением 0,3 МПа для разложения имидодисульфо­ната и дитионата.

Для окисления NO в NO₂ можно использовать озон. Этот метод, раз­работанный советскими учеными [98], прошел стадию полупромышлен­ного опробования в Японии и в Советском Союзе. Принципиальная схе­ма установки приведена на рис. 4.5. На Молдавской ГРЭС сооружена опытно-промышленная установка для очистки дымовых газов пыле­угольного котла по этому методу производительностью 10 тыс. м³/ч (при стандартных условиях).

Сущность метода заключается в том, что в трубу Вентури, установ­ленную после золоуловителей, подводится совместно с распыливаемой жидкостью озон, получаемый из воздуха в озонаторах. В потоке газов

|От или

Рис. 4.5. Принципиальная схема озонного метода для одновременной очистки ды­мовых газов от оксидов серы и азота:

К - котел; ВП - воздухоподогреватель; ЭФ - электрофильтр; ОК - окисли­тель; С - скруббер для мокрой очистки от серы и азота; П - подогреватель; ТМ — технологические методы снижения образования NO_X; У — установка для пре­вращения азотсодержащих веществ в товарный продукт

озон реагирует с низшими, плохо растворимыми в воде оксидами серы (SO₂) и азота (NO), доокисляя их до высших оксидов (SO₃)h (N₂O_s). Последние хорошо растворяются в воде и улавливаются каплями жид­кости, подаваемой на орошение трубы Вентури. Далее газы направля­ются в мокрый скруббер, орошаемый жидкостью, где улавливаются капли жидкости, насыщенные серной и азотной кислотами. По дости­жении определенных концентраций кислот в растворе последний вы­водится из контура, нейтрализуется аммиачной водой с получением удобрений — смеси сульфата и нитрата аммония.

Важнейшими и наиболее энергоемкими узлами этой установки явля­ются озонаторы и система подготовки воздуха для них. Начальный пе­риод эксплуатации установки показал, что процесс можно выполнить гораздо более экономичным при использовании менее энергоемких озонаторов большой производительности, рассчитанных на получение 50—200 кг озона в час.

По сведениям из ФРГ [99], где озонный метод очистки дымовых газов разрабатывает фирма Walter, уже подтверждена возможность производства озона с затратами менее 14 кВт-ч/кг. Ожидается, что будут созданы установки с затратами энергии 7—10 кВт-ч/кг при по­лучении озона из кислорода и 11—13 кВт-ч/кг при получении его из воздуха.

Другими серьезными проблемами, которые, впрочем, характерны для всех мокрых методов обработки дымовых газов, являются коррозия и забивание установок. Для преодоления этих трудностей приходится испытывать высоколегированные материалы или применять полимер­ные материалы, надежно работающие в коррозионно-активных средах.

Мокрые методы очистки дымовых газов приводят к снижению тем­пературы этих газов до 52—60° С, поэтому необходим подогрев очи­щенных газов перед поступлением их в дымовую трубу. Это также требует дополнительных затрат энергии.

Глава пятая

РАСЧЕТ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА

В КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ

5.1. КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА

ПРИ ГОРЕНИИ

В 70-х годах за рубежом и в Советском Союзе были предприняты I попытки рассчитать процесс образования оксида азота при горении с ис­пользованием уравнений химической кинетики. В первых работах та­кого рода учитывалось образование только термических оксидов азо­та 1103 ]. За’основу процесса принимался описанный в гл. 2 механизм Зельдовича, учитывающий реакции (2.1)—(2.3). Исследования, прове-

денные Лауайе [104], позволили учесть еще одну реакцию:

N + OH^NO + H, (5.1)

которая играет заметную роль в образовании оксида азота при сжига­нии обогащенных смесей.

Неудовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных результатов дала толчок дальнейшим исследованиям, в результате ко­торых Фенимором были предложены уравнения, описывающие образо­вание быстрых оксидов азота. В гл. 2 уже отмечалось, что эти оксиды азота образуются во фронте углеводородных пламен из молекулярного азота, но не по механизму Зельдовича.

Позже различными авторами были предложены кинетические модели образования топливных NO [105—108]. В соответствии с этими рабо­тами азот топлива при пиролизе образует промежуточные азотсодержа­щие радикалы HCN или NH₍- (z = 0, 1, 2, 3). Эти радикалы взаимодейст­вуют с кислородом и другими кислородсодержащими молекулами, образуя NO. Одновременно протекают так называемые ’’конкурирую­щие” реакции, когда азотсодержащие радикалы реагируют с NO, обра­зуя молекулярный азот N₂.

Применительно к процессу сжигания жидкого топлива кинетическая модель образования оксида азота исследована достаточно подробно сотрудниками МЭИ [59]. Вычисления проводились по программе, разра­ботанной в Институте химической физики АП СССР. Одновременно с образованием оксида азота учитывалось образование оксидов серы. Всего кинетическая модель включала 56 химических реакций из 19 реа­гентов. По заявлению авторов работы [59] все полученные расчетным путем зависимости показали хорошее качественное и количественное совпадение с известными опытными данными.

Известны попытки создать кинетическую модель для количественной оценки процесса образования оксида азота при сжигании твердого топ­лива. Одной из последних работ в этой области является исследование Митчела и Тарбела [107], которые попытались учесть основные гомоген­ные и гетерогенные реакции, происходящие при пиролизе угля, горении выделившихся углеводородов и догорании коксового остатка.

На рис. 5.1 показана схема основных химических превращений, свя­занных с образованием NO_X при горении угля. Пиролиз угольной части­цы приводит к образованию летучих углеводородов и азотсодержащих радикалов, а также коксового остатка, из которого продолжают выде­ляться азотистые вещества по мере его догорания. Всего кинетическая модель включала 12 реакций, для каждой из которых были найдены из литературы или рассчитаны по экспериментальным данным кон­станты скорости реакций. Результаты расчетов по кинетической модели сравнивались с экспериментальными результатами, полученными в [109] при сжигании пыли битуминозного угля монофракции 50 мкм в реак­торе с электрическим обогревом. На рис. 5.2 приведено сравнение экс- 116

Рис. 5.2. Сравнение расчетных и экспериментальных данных по зависимости пере­хода азота топлива в оксид азота от коэффициента избытка воздуха (107]. Сплош­ная линия - без учета восстановления NO на поверхности коксовых частиц, штри­ховые - с учетом реакций восстановления

периментальных данных с расчетными, причем сплошная линия относит­ся к расчету без учета реакции восстановления NO на поверхности кок­совых частиц, а штриховые — с учетом реакций:

2С + 2NO2СО + N₂; (5.2)

С+2NO^CO₂ +N₂. (5.3)

Из рисунка видно, что восстановительные реакции на поверхности коксовых частиц значительно снижают конечную концентрацию оксидов азота (особенно при сжигании обогащенной смеси). Второй, наиболее

важный вывод: даже при учете восстановительных реакций сохраняется весьма существенное различие между расчетной зависимостью и экспе­риментальными точками. Авторы работы [107] предполагают, что в экспериментальной установке не обеспечивалось полное микросме­шение, чего не могла учесть расчетная модель. Таким образом, даже для простейшего случая — горения потока монофракционной пыли в реак­торе с постоянной температурой — не удалось получить количественного совпадения расчета с экспериментом.

При переходе к реальному котлу необходимо в математической мо­дели учесть сложнейший комплекс процессов, происходящих при фа­кельном горении, включая аэродинамику топочной камеры и теплооб­мен с поверхностями нагрева. В последние годы в ВТИ, МЭИ и в других организациях делаются попытки создать математическую модель ком­плексного расчета топочной камеры. Однако, для того чтобы не выйти за пределы возможностей современных расчетных методов, авторам этих работ пришлось пойти на серьезные упрощения, что значительно снизило ценность разработанных ими математических моделей. Главной трудностью, которую еще предстоит преодолеть, является то обстоятель­ство, что при решении задач, связанных с химическим реагированием, необходимо рассматривать мгновенные, а не средние значения основных параметров. Для этого нужно знать вероятностное распределение их пульсаций.

По-видимому, использование кинетической модели процесса образо­вания оксидов азота в сочетании с математической моделью топочных процессов позволит в будущем с высокой точностью рассчитывать вы­бросы оксидов азота котельными установками. В настоящее время для примерной оценки выбросов оксидов азота при проектировании новых котлов может быть использована эмпирическая методика, основанная на достаточно представительных лабораторных и промышленных ис­следованиях. В последующих параграфах излагаются такие методики, созданные для приближенной оценки выбросов NO_V на пылеугольных и газомазутных котлах.

5.2. РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА

ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ИЛИ РЕКОНСТРУКЦИИ КОТЛОВ