2. Способы, основанные на снижении температуры

Как уже отмечалось выше, для эффективного сжигания твердого топлива, особенно малореакционных углей типа А1П и тощего, необ­ходимы высокие температуры в топочной камере. Это обстоятельство затрудняет, но не исключает полностью применение' таких способов уменьшения образования оксидов азота, которые основаны на сниже­нии максимальных температур в топочной камере.

Для более подробной оценки этих способов уместно все пылеуголь­ные котлы разделить на три категории по условиям организации топоч­ного процесса. Котлы первой категории предназначены для сжигания высоковлажных бурых углей, они оборудованы топками с твердым шлакоудалением и пылесистемами с прямым вдуванием. Такие котлы устанавливают, как правило, для сжигания канско-ачинских, ангренских и всех дальневосточных бурых углей. В топках этих котлов максималь­ная температура обычно не превышает 1400°С, и поэтому практически все оксиды азота обязаны своим происхождением азотсодержащим ком­понентам топлива. Следовательно, снижение максимума температур в топке мало повлияет или вообще не изменит концентрацию NO_X в дымовых газах. Кроме того, использование для снижения температу­ры в топке таких факторов, как впрыск воды или снижение темпера­туры подогрева воздуха, весьма нежелательно, так как эти мероприя­тия ухудшают стабильность воспламенения и эффективность сгорания угольной пыли.

Также не приходится рассчитывать на существенное уменьшение образования N0_x при рециркуляции сравнительно холодных дымовых газов в канал вторичного воздуха или через специальные сопла на пери­ферии амбразуры горелки. Если же дымовые газы использовать для сушки топлива, одновременно сокращая количество первичного воз­духа, то в результате уменьшится концентрация кислорода на началь­ном участке факела, что приведет к снижению образования оксидов азота. В этом убеждают исследования, проведенные на котле БКЗ-210-140 Владивостокской ТЭЦ-2 при опытном сжиганци высоко­влажных бурых углей Ирша-Бородинского месторождения [50]. Ука­занный котел был оборудован пылесистемой с мельнипдми-вентилято- рами, причем в газозаборную шахту можно было добавлять или горя­чий воздух, или дымовые газы, отобранные за котлом. Благодаря этому можно было менять в достаточно широком диапазоне и количество первичного воздуха, и коэффициент рециркуляции дымовых газов, подаваемых в топку вместе с первичным воздухом. Измерение кон­центрации оксидов азота за котлом показало, что увеличение коэффи­циента рециркуляции газов г с 0,2 до 0,3 при неизменном 04 практически не оказывало влияния на образование NO_X. Вместе с тем снижение ко­эффициента подачи первичного воздуха a_t с 0,31 до 0,22 при постоянном значении г привело к заметному (примерно на 20%) снижению конден­сации оксидов азота в уходящих дымовых газах (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Влияние избытка воздуха и рецирку­ляции дымовых газов на концентрацию окси­дов азота при сжигании высоковлажных углей в топке с твердым шлакоудалением;

O r = 20%, а, = 0,31; • - г = 22%, «1 = = 0,22; А- г = 29%, а_х =0,215

Таким образом, дан котлов, отнесенных нами к первой категории, способы, основанные на снижении температурного уровня, не могут быть использованы для существенного снижения выбросов оксидов азота. В последующих параграфах этой главы будут рассмотрены дру­гие способы подавления образования N0^, которые можно использо­вать при ’’низкотемпературном” сжигании высоковлажных бурых углей.

Ко второй категории относятся котлы, оборудованные топками с жидким шлакоудалением. В таких топках часто сжигаются высокока­чественные каменные угли Кузбасса и Донбасса, антрацитовый штыб, а также сильношлакующие бурые угли в случае использования разомк­нутой или полуразомкнутой схемы пылеприготовления. Температура в ядре горения в этом случае достигает обычно 1600--1750°С, и, сле­довательно, значительное сокращение выбросов оксидов азота можно было бы обеспечить за счет уменьшения пика температур. Однако для надежной эвакуации шлака с пода топочной камеры необходима до­статочно высокая температура. Поэтому и для этой категории котлов метод снижения температурного уровня в топке для уменьшения вы­бросов оксидов азота, как правило, не может быть рекомендован. Исключение могут составить только отдельные котлы, в которых име­ется достаточно большая разница между фактической температурой в нижней части топки и той температурой, которая необходима для надежного выхода жидкого шлака.

Примером такого котла является широко распространенный котел ТП-87 при сжигании на нем кузнецких газовых углей (марки ГРО К-1 и ГРОК-П). Котел имеет полуоткрытую топочную камеру с жидким шлакоудалением, оборудованную 12 вихревыми горелками, установ! ленными встречно в один ярус на фронтовом и заднем экранах. Пыли от лопастных пылепитателей подается к горелкам горячим воздухом* а слабозапыленный сушильный агент из двух систем пылеприготовления направляется в топку через сбросные сопла, установленные на боковых стенах топочной камеры выше отметки основных горелок. Топочные экраны ниже пережима ошипованы и торкретированы карборундовой массой. Благодаря этому максимальная температура в ядре горения достигает при номинальной нагрузке 1680—1720°С. Между тем надеж­ный выход жидкого шлака происходит и при температуре г_нж = 135СН

155О°С. Специальные опыты, проведенные на котле ТП-87 Западно-Си­бирской ТЭЦ, показали, что снижение максимальной температуры а топке на 50— 100°С приводит к почти двукратному снижению кон­центрации оксидов азота в дымовых газах [51]. Вероятно, в данном случае можно было бы пойти на ввод газов рециркуляции (предпочти­тельно — в верхнюю часть камеры горения) при условии, что снижение нагрузки будет сопровождаться уменьшением рециркуляции газов вплоть до полного прекращения. Именно по такому пути снижения выбросов оксидов азота пошли западногерманские энергетики при реконструкции котла с жидким шлакоудалением на блоке № 7 мощ­ностью 150 МВт ТЭС Валсум [52].

На этой ТЭС сжигался сравнительно высокозольный каменный уголь (И' = 9%, A^d = 25,5%, = 22,2 МДж/кг, V^daf = 284-36%) с содержа­

нием азота в топливе от 0,8 до 1,1%. Котел был оборудован пылесисте- мами с прямым вдуванием. При реконструкции циклонная топка была заменена разделенной на секции инвертной камерой горения, на потол­ке которой в два ряда были размещены 8 вихревых горелок. Горелки ступенчатого сжигания, подобные применяемым фирмой Deutshe — Babcock в топках с твердым шлакоудалением (подробнее см. в п. 3.2.3), имели по два воздушных канала: по внутреннему подавался закручен­ный вторичный воздух, стабилизирующий факел, а по наружному — не- закрученный поток третичного воздуха. Рециркулирующие газы смеши­вались в горелке с третичным воздухом.

Рециркуляцию включали при больших нагрузках, когда образуется максимальное количество NO_X ив то же время хорошо вытекает жид­кий шлак. При низких нагрузках подача газов рециркуляции выключа­лась. Рециркуляция 14% дымовых газов при номинальной нагрузке снижала выбросы оксидов азота более чем на 25% при допустимой концентрации СО (70 см³/м³) и содержании горючих в уносе менее 4% (примерно таком же, как и без рециркуляции). Сочетание специальной горелки и рециркуляции дымовых газов позволило на котле № 7 ТЭС Валсум получить концентрацию оксидов азота, равную 1,0 г/м³, что на 30—60% ниже, чем на других котлах, сжигающих аналогичные угли с удалением шлака в жидком виде.

Полученные положительные результаты дали основание энергетикам ФРГ полагать, что ограничение выбросов оксидов азота в ближайшее время не будет служить барьером для создания топок с жидким шлако­удалением. Тем не менее, учитывая колебания качества углей, посту­пающих на отечественные электростанции, следует сказать, что для второй группы котлов снижение температурного уровня как метод сокращения выбросов оксидов азота может быть рекомендован толь­ко в тех случаях, когда есть уверенность в сохранении надежного вы­хода жидкого шлака.

К третьей категории относятся котлы с твердым шлакоудалением, ^н° с достаточно высоким уровнем температур (до 1600°C в ядре горе-

ния). Примером таких котлов в отечественной энергетике является котел ТП-81, работающий на кузнецких углях типа СС и тощих. В США к этой категории относится большинство котлов, сжигающих битуми­нозные и полубитуминозные угли. Для котлов этой группы, так же как и для котлов с жидким шлакоудалением, наблюдается тенденция к росту концентрации NO_X в дымовых газах по мере увеличения мощности котлов. Это связано, по всей видимости, с увеличением максимума температур при увеличении размеров топок. Исследования, проведен­ные в конце 70-х годов в США, показали, что на таких котлах при сниже­нии нагрузки и, следовательно, теплового напряжения объема топки уменьшается концентрация оксидов азота в дымовых газах. Следова­тельно, снижение q_v при проектировании котлов такого типа является одним из средств ограничения выбросов оксидов азота. Этим средством пользуются американские котлостроители, о чем свидетельствует тен­денция к снижению q_v у новых котлов, заказанных после введения в США законодательства по ограничению выбросов оксидов азота.

Специальные исследования, посвященные этому вопросу, показали [53], что на интенсивность образования оксидов азота оказывает влия­ние не столько тепловое напряжение всего топочного объема q_v, сколь­ко ^з.г ^— тепловое напряжение в зоне расположения горелок. Этот па­раметр близок по значению применяемому в отечественной энергетике тепловому напряжению зоны активного горения q_nr, используемому при оценке шлакования топок. В США параметр q_{3 г}, МВт/м², прини­мается равным отношению полного тепловыделения в топке Q₃, МВт, к площади поверхности экранов, обеспечивающей охлаждение факела до температуры, при которой практически не происходит образование термических NO_X (1530°С). Для котельных агрегатов с фронтальным или встречным расположением горелок площадь этой поверхности может быть определена как произведение периметра топки на высоту от ската холодной воронки до отметки на 3 м выше горелок плюс площадь горизонтальной проекции холодной воронки.

На рис. 3.3, по данным [54], приведена зависимость концентрации оксидов азота от теплового напряжения в зоне горелок для котла, сжигающего высококачественный битуминозный уголь в топке с твер­дым шлакоудалением. На рисунке приведены зависимости концентра­ции NO₂ от q_{3 г} без использования каких-либо способов снижения образования оксидов азота (7) и при внедрении некоторых мероприя­тий, мало меняющих температурный уровень в топке (кривые 2-5); эти мероприятия будут подробно описаны в п. 3.2.3. Легко заметить, что снижение q_{3 г} от 1890 до 900 кВт/м² обеспечивает снижение кон­центрации оксидов азота примерно на 1/3.

Другим путем снижения максимальной температуры в камере горе­ния для котлов третьей категории является установка двусветных экра­нов. Такая конструкция топочных камер позволяет уменьшить разверку температур по ширине топки и тем самым — интенсивность образования 60

Рис. 3.3. Концентрация оксидов азота в дымовых газах в зависимости от теп­лового напряжения горелочной зоны для разных горелок и избытков воз­духа:

1 — обычные вихревые горелки с а_г = 1,15; 2 - двухрегистровая горелка фирмы Babcock-Wilcox, а_г = 1,32; 3 - то же, а_т = 1,15; 4 - то же, а_г = = 1,07; 5 - то же, а_г = 0,82, = 1,15

(ступенчатое сжигание)

Рис. 3.4. Влияние подачи воды (G_B) в топку котла ПК-39-11 на концентрацию NO_X в дымовых газах [44]. G_B, G_K и И_в - соответственно часовые расходы влаги, топлива и воздуха

термических оксидов азота, которая, как показывает опыт, определя­ется не средней, а максимальной температурой в топке.

Попытки снизить температурный уровень путем впрыска воды и пара были осуществлены на котлах, сжигающих экибастузский уголь с уме­ренной зольностью, где максимальная температура в ядре горения до­статочно высока (1540—1580°С). Для таких котлов снижение темпера­туры в топке приводит к некоторому снижению выбросов оксидов азота.

Этот способ был тщательно проверен работниками Уральского фили­ала ВТИ [44] при подаче пара и воды в топки котлов ПК-14 и ПК-39-П. Подача пара через растопочные мазутные форсунки в количестве 0,05 кг/кг топлива не дала снижения выбросов NO_X. Подача воды в топ­ку котла ПК-39-П через специальные форсунки, установленные в цен­тральные горелки нижнего яруса, привела к некоторому снижению кон­центрации NO_X в дымовых газах (рис. 3.4).

Сотрудники ВТИ им. Дзержинского подавали влагу в короб горячего воздуха, поступающего к горелкам. Это мероприятие проводилось для температурно-влажностного кондиционирования дымовых газов, чтобы Повысить эффективность золоулавливания в электрофильтрах. Испаре­ние влаги за счет теплоты горячего воздуха приводило к снижению тем­пературы последнего. Это обстоятельство, а возможно, и небольшое сни­жение концентрации О₂ во влажном вторичном воздухе привели к не- 61

которому уменьшению концентрации оксидов азота в дымовых газах. Такое мероприятие было проверено на котле ТП-87 при сжигании куз­нецких углей типа Т и СС [55], а также на котле ПК-39 при сжигании экибастузского угля.