1.10. ВЫБРОСЫ ОКСИДОВ АЗОТА НА ТЭС. ДЕСУЛЬФУРИЗАЦИЯ И ДЕНИТРИФИКАЦИЯ ТОПЛИВ И ИХ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

1.10.1. Газификация сернистых мазутов

Одним из наиболее разработанных и подготовленных к внедрению на ТЭС является метод предварительной газификации высокосернистых мазутов под давлением с последующей очисткой полученного газа. Сущность этого метода заключается в следующем: мазут подвергается газификации путем неполного сжигания в воздухе под давлением при температуре около 1300°С. Количество подаваемого воздуха при этом составляет 40-45% теоретически необходимого для полного сгорания (5,8÷6,0 кг на 1 кг мазута).

В результате топливо почти целиком превращается в газ, состоящий в основном из водорода, окиси углерода, азота. Кроме того, в процессе газификации образуется сажа (до 2% массы топлива). Сернистые соединения топлива превращаются в основном в сероводород. Зольная часть топлива может находиться в газе в виде механических примесей.

Состав газа, получающийся при газификации высокосернистых мазутов с содержанием серы порядка 3,7%: CO – 2,8%; Н2 – 15,0%; N2 – 56,5%; СО2 –

1,8%; Н2О – 3,48%; Н2S – 0,39%.

По технологической схеме в последующем получаемый газ охлаждается, причем тепло используется для генерации рабочего тела энергетической установки. Затем осуществляется очистка газа от сажи и золы путем промывки его водой. Извлечение сернистых соединений производится абсорбцией растворами аминов. Сажа, содержащая золу, извлекается из сажеводяной суспензии (методом грануляции или фильтрации) и вместе с исходным мазутом возвращается на газификацию. Поглотительный раствор, содержащий сероводород, регенерируется и возвращается снова в абсорбер для поглощения сернистых соединений. Получаемый при регенерации концентрированный сероводород перерабатывается либо в элементарную серу, либо в серную кислоту. Осветленная после удаления сажи вода возвращается на промывку газа. Очищенный газ направляется в топочную камеру на сжигание.

Промежуточное охлаждение продуктов неполного окисления топлива приводит к снижению температуры горения в камерах сгорания энергетической установки. В результате достигается снижение выбросов оксидов азота. Таким образом, приведенный метод не только позволяет извлечь сернистые соединения и золу из топлива, но и существенно сократить выбросы в атмосферу оксидов азота. Экономические показатели процесса газификации топлива и очистки газа улучшаются с повышением давления. Для реализации этого метода на электростанциях нужен турбокомпрессорный агрегат, обеспечивающий установку газификации сжатым воздухом. В качестве привода для компрессора применяют газовую турбину, работающую на очищенных продуктах газификации, которые затем сжигаются в топках паровых котлов.

232

При газификации мазута воздухом в факеле, он распыляется форсун-

кой. Капли мазута испаряются в атмосфере горячего газа. В области стехиометрических концентраций паров углеводородов и кислорода протекают химические реакции горения. В пламени газификации мазута на воздушном дутье температура достигает 1800°С. Затем создается восстановительная зона, в которой температура снижается до 1300°С. В результате образуется горючий газ, содержащий следующие компоненты (в % об.): СО - 17,0%; Н2 – 15,0%; N2 - 60%; Н2О – 4,0%; СО2 – 3,7%; Н2S – 0,3%. Сера мазута в основном превращается в сероводород. Наряду с газообразными продуктами образуется сажа, массовая доля ее составляет 1-4%, в которой концентрируется вся зола. Далее газ из реактора с температурой 1300°С поступает в котел-утилизатор, где охлаждается до температуры 250-300°С. Время пребывания газа в окислительной зоне (факеле) – порядка 1 с, в восстановительной (реакторе и котле-утилизаторе) до 8 с. Сажа и зола улавливаются из газа водой после котлаутилизатора, при этом образуется сажезоловая суспензия. В золе, образующейся в результате газификации мазута, содержатся такие компоненты как: пятиокись ванадия, окись никеля, окись натрия, трехокись железа, окись кальция и др.

Конверсионный метод подготовки топлив осуществляется при температурах 1300÷1500°С в среде водяного пара и позволяет практически полностью газифицировать органическую часть топлива с получением горючего газа, имеющего теплоту сгорания до 11000 кДж/м3, без использования кислородного дутья. Для подогрева топлива используются жидкие теплоносители. В частности, для термической переработки сернистых мазутов предпочтительно применять жидкометаллические теплоносители (например, расплавы железа, свинца, алюминия и других металлов). Контакт мазута с расплавом осуществляется при подаче топлива в слой расплава с помощью форсунок погружного типа. Пары мазута при этом барботируются через слой расплава, подвергаясь деструкции с образованием газа. Термическая переработка мазута осуществлялась как в обогреваемом снаружи лабораторном реакторе, заполненном расплавленным металлом или солями с температурой до 1100°С в количестве до 80 кг, так и в аппарате укрупненного типа с расплавом металлического шлака с температурой до 1500°С. Температура шлака поддерживается на заданном уровне путем зонного его подогрева с помощью горелок погружного типа, работающих на природном газе.

При конверсии мазута практически вся среда может быть связана теплоносителем соответствующего состава. Оксиды азота образуются только в зоне разогрева теплоносителя. Соединения серы образуются как в зоне термической переработки топлива, так и в зоне разогрева теплоносителя. Количество образующихся оксидов азота находится на уровне как и при опытном сжигании исходного топлива. В отличие от газификации, протекающей за счет внутреннего подвода тепла, конверсия требует непрерывного подвода энергии извне.

233

Значительный интерес представляет осуществление процесса

газификации мазутов непосредственно в топочно-горелочных устройствах

как средства совершенствования их сжигания в котлоагрегатах энергоблоков. Глубокая термическая подготовка, которой подвергается топливо при таком способе двухступенчатого сжигания, открывает широкие возможности регулирования топочных процессов в части сглаживания пиков тепловыделения в топке, а также сближения эмиссионных свойств факела при попеременном сжигании природного газа и мазута.

Вконструкции этих горелок совмещены камеры газификации и дожигания продуктов процесса газификации, протекающего непосредственно в рабочих горелках.

Основные узлы установки – газогенератор с примыкающей к нему футеровочной шахтой, служащей для транспорта горячего газа к горелочному устройству, расположены последовательно вдоль геометрической оси, образуя перед фронтом котла на отметке его обслуживания единый технологический блок.

Вкорпусе газогенератора расположена газификационная камера вихревого типа. Цилиндрическая часть камеры выполнена из восьми профилированных сегментов. Особенностью конструкции камеры является применение системы воздушного охлаждения ее ограждающих поверхностей.

Часть горячего воздуха, участвующего в процессе газификации мазута, подводится тангенциально в газификационную камеру через линейные щели, образованные за счет некоторой взаимной перекрыши сегментов. При этом вдоль стенки сегментов создается завеса воздуха, снижающая температуру газов в пристенной области. Применение такой системы тепловой защиты ограждающих поверхностей газификационной камеры позволяет свести до минимума потери тепла в газогенераторе от наружного охлаждения.

Для организации факельного процесса газификации мазута на воздушном дутье могут применяться обычные для условий электростанций методы подготовки к сжиганию жидких топлив. Распыливание подогретого до 100120°С мазута в турбулентном потоке горячего воздуха, подаваемого в газификационную камеру через радиально-конический регистр (параметр крутки S = 0,46), осуществляется паромеханической форсункой. Применение такой системы раздельной подачи газифицируемого топлива и воздуха позволяет интенсифицировать их последующее смешение, которое обеспечивается в реакционном объеме вихревой газификационной камеры.

Перед началом работы установки она разогревается сжиганием в газификационной камере природного газа. Затем включается мазутная форсунка, увеличивается производительность газогенератора, налаживается процесс газификации. Получаемый при этом горячий газ дожигается в топке котла.

Основные характеристики получаемого на опытной установке газа для режимов газификации, определяемых изменением значений α от 0,33 до 0,54, приведены в табл. 10.1.

234

Примечание: Показатели даны по отношению к воздуху и газу, приведенным к нормальным условиям.

Результаты измерений показывают, что образование сернистого газа (по отношению к газу, приведенному к нормальным условиям) во всех режимах газификации было незначительным и не превышало 0,10 г/м3. Выход сероводорода при этом обеспечивался не менее 1,4 г/м3, что указывает на кондиционность получаемого газа для последующей очистки от сероводорода.

Высокий уровень температуры получаемого газа определяет его высокую реакционную способность. Как показали опыты, дожигание такого газа в топке котла не требует специальных устройств для стабилизации факела и характеризуется высокой эффективностью выгорания горючих газовых компонентов. Регулировать режим газификации удобно по температуре процесса.

Опыт эксплуатации горелочных устройств, использующих газификацию как первую стадию процесса сжигания мазута, показал, что процесс газификации может протекать с высокой интенсивностью.

Перевод энергетического котельного агрегата на двухступенчатое сжигание с предварительной газификацией мазута практически сводится к замене существующих горелок предкамерными горелками. При этом, сохраняя высокую экономичность работы топки с предельно малыми коэффициентами избытка воздуха, удается существенно снизить локальные величины падающего теплового потока, уменьшить коррозионную агрессивность дымовых газов и выбросы оксидов азота. Меняя параметры процесса газификации, можно целенаправленно изменять эмиссионные свойства факела в топке котла.

235