Экологические аспекты энергетики атмосферный воздух
.pdf-температра в зоне горения. При темпераутре в зоне горения выше 1500° С процесс образования N 0 интенсифицируется. Воздействие на уровень температуры в зоне горения можно оказывать разными способами (рециркуляция продуктов сгорания, ступенчатое сжигание и т. п.). В топках с жидким шлакоудалением уменьшение максимальной температуры ограничивается условиями надежного удаления шлаков в рабочем диапазоне нагрузок котлов. В топках с твердым шлакоудалением по мере снижения температуры факела ухудшается стабильность его воспламенения, уменьшается интенсивность его выгорания. Кроме того, выход тепловых оксидов азота для пылеугольных котлов по сравнению с топливными относительно невысокий;
-избыток воздуха в факеле. Выход оксидов азота в зависимости от избытка воздуха в топке имеет экстремальный характер. В определенной области значений избытков воздуха повышение концентрации кислорода в продуктах сгорания топлива приводит к интенсификации окисления азота воздуха, росту равновесной концентрации окиси азота. При увеличении избытка воздуха сверх экстремального значения снижается максимальная температура факела за счет его охлаждения, что приводит к сокращению выбросов оксидов азота. Уровень экстремального значения избытка воздуха зависит от условий смесеобразования, условий горения. При кинетическом горении а > 1, в диффузионном факеле экстремальное значение избытка воздуха возрастает по мере ухудшения смесеобразования;
-время пребывания в зоне горения. Для условий протекания процессов образования тепловых оксидов азота в топках котлов и камер сгорания ГТУ время достижения равновесной их концентрации находится в прямой зависимости от времени пребывания взаимодействующих компонентов в зоне реакции. Чем больше время пребывания газовоздушной смеси и промежуточных продуктов реак1(1ии в зоне максимальных температур факела, тем выше концентрация оксидов азота в продуктах сгорания топлив.
Образование топливных оксидов азота происходит за счет реакций окисления азотсодержащих соединений топлива. Для мазута этот процесс можно представить в соответствии со следующей схемой:
R N R + N; R N + O j ^ N O + R O ; N + 02-> N O + о .
Ha начальном участке факела при наличии в нем частиц, не вступающих в реакцию, образуется и молекулярный азот
N + M + N - ^ N j + M.
При сжигании угольной пыли в топках с твердым шлакоудалением топливные оксиды азота в общем их объеме выбросов составляют порядка 90%. Для мазутных котлов выход топливных оксидов азота относительно невысокий, а для котлов, работающих на природном газе, вообще отсутствует.
Процесс образования топливных оксидов азота происходит с разной интенсивностью как на начальном участке факела при сгорании летучих, так и за счет окисления азота, содержащегося в коксовых остатках. Вклад последней стадии процесса в общий выход оксидов азота незначительный. При догорании коксовых частиц выделяется не более 20-25% общего выхода топливного азота. В молекулярный азот переходит до 70-80% топлива азота.
Интенсивность процессов перехода связанного азота в его оксиды определяется следующими факторами:
- температурой в зоне горения. Процесс окисления азота воздуха в зависимости от температуры факела протекает более интенсивно, чем процесс образования топливных оксидов азота. Выход топливных оксидов азота зависит от количества образовавшихся таких азотсодержащих компонентов, как аммиак и цианиды водорода, выделяющихся вместе с летучими на начальном участке факела. В первичной зоне при t = 1000° С с летучими выделяется около 50% азота, содержащегося в топливе, в области температур 700-1100° С происходит рост выхода оксидов азота, а затем при t > 1200° С преобладает процесс термических оксидов азота. Чем выше скорость выделения летучих, тем меньше избыток воздуха в этой зоне и тем ниже выход топливного азота.
Доля азота топлива, перешедшего в газообразное состояние в диапазоне температур Г до 1500° С при разном содержании летучих Fp, может быть определена по эмпирической зависимости
у _ 0,4861 + Q,01F'' -f 3545ехр(-20460/ДГ) 1 + 3545ехр(-20460/ЛГ)
Степень газификации азота топлива в объеме топочной камеры Ег зависимости от вида твердого топлива может достигать 90%. Необхо-' димо отметить, что определение степени влияния только температуры
взоне горения на процесс образования оксидов азота представляется сложной задачей, поскольку одновременно в этих процессах проявляется влияние других факторов, обусловливающих восстановление окиси азота продуктами неполного горения топлив, реагирование с углеродом недогоревших частиц топлива и т. п. Выход топливных оксидов азота снижается при предварительном подогреве угольной пыли перед подачей ее в горелку;
-избытком воздуха в факеле. В результате разрушения сложных азотсодержащих молекул топлива образовавшиеся цианиды и амины вступают в реакции с кислородом, что приводит к выходу оксида азо^ та. Эти реакции протекают интенсивно только в окислительной среде,
ввосстановительной - образуется молекулярный азот Кроме того, NO восстанавливается на поверхности углеродных частиц с образованием Nj. Восстановление образовавшегося оксида азота при наличии продуктов химнедожога осуществляется по схеме:
2N0 + 2СО ^ 2С0^ + N,;
2N0 + 2Н, 2 Н р + N^.
Зависимость выхода топливных оксидов азота от избытка воздуха имеет экстремальный характер. При его повышении уменьшается температура в зоне обратных токов, снижается подогрев частиц топлива, в область повышенных избытков воздуха смещается зона газификации и выделения азотных соединений топлива. Путем снижения концентрации кислорода на начальном участке можно подавлять процесс образования оксидов азота.
В интервале значений максимальной температуры факела Т^ 1200 К < Т ^ < 1800 К для расчета выхода оксидов азота можно применять эмпирическую зависимость
NO = 7 • 10-^/:, ( о , N 0 _ , мг/м\
где О2 -— среднеинтегральная концентрация кислорода на участке образования топливных оксидов азота, % (об);
ЛГ, - коэффициент, учитывающий степень метаморфизма угля;
— предельно возможная концентрация топливных оксидов азота, мг/м^;
-содержанием связанного азота в топливе. Степень конверсии азота топлива в оксиды увеличивается с понижением его содержания
втопливе с одновременным ростом валового выхода оксидов азота;
-видом азотсодержащих соединений. Конверсия азота топлива в оксиды зависит от степени метаморфизма самого топлива, определяющей устойчивость азотных соединений. Для торфов и бурых углей степень конверсии наиболее высокая. Для полукоксов в процессе полукоксования выделяются наименее термостойкие азотные соединения, поэтому степень конверсии связанного азота в его оксиды находится на уровне 10-12%.
«Быстрые» оксиды азота образуются на начальном участке факела в области относительно низких температур. Определяющее влияние на процесс образования быстрых оксидов азота оказывают радикалы, образующиеся в процессе термического разложения топлива (СН, HCN, NH, NHj и др.). Уровень выхода этих оксидов азота практически не зависит от рассмотренных выще режимных мероприятий и указывает на технический предел снижения оксидов азота без применения способов их восстановления и связывания.
В результате рассмотрения приведенных выше особенностей механизма образования оксидов азота в энергетических котлах необходимо отметить, что на их выход одновременно оказывают влияние режимные параметры процессов горения, а также свойства топлива. Важнейщие из них: содержание связанного азота в топливе и форма азотсодержащих соединений, интенсивность смесеобразования, температурный уровень процесса.
При разработке технологических методов подавления оксидов азота в топках котлов необходимо учитывать то, что зона их образования может быть локализована на начальном участке факела в области мак-
симальных температур. Средства воздействия на топочный процесс выбираются в зависимости от преобладания степени влияния отдельных режимных параметров. В частности, для высококалорийных топлив при подавлении оксидов азота эффективным будет снижение температуры и выравнивание температурных полей в топочной камере, уменьшение избытков воздуха в топливовоздушной смеси и сокращение времени пребывания в высокотемпературной зоне. Для низкотемпературного сжигания топлив, содержащих связанный азот, наиболее эффективным является снижение избытка воздуха в начальном участке факела. Целесообразно осуществлять локальное воздействие на начальный участок факела для создания и интенсификации восстановительных процессов с переводом образовавшихся оксидов азота в молекулярный азот.
Одним из основных направлений в реализации технологических методов снижения выбросов оксидов азота энергетическими котлами является разработка соответствующих конструкций топочно-горелоч- ных устройств и оптимизация режимов их эксплуатации с учетом эко- лого-экономических показателей.
В зарубежной и отечественной энергетике разработано больпюе количество технических решений, реализующих технологические методы сокращения выбросов оксидов азота. Классификация этих методов приведена на рис. 9.1.
Эффективность внедрения одних и тех же технологических мероприятий на котлах современных конструкций существенно различается. Газомазутные котлы, объединенные по конструктивным признакам, можно разделить на две группы: с открытой и полуоткрытой топкой. Для I группы котлов характерна односторонняя и встречная компоновка с одно-, двух-, трех-, четырехъярусным расположением горелок. Котлы II группы выполняются, как правило, с фронтальной одноярусной и встречной компоновкой горелок.
Как было показано, процесс образования оксидов азота в основном завершается в зоне активного горения (ЗАГ). Поэтому в зависимости от характера воздействия различных технологических мероприятий изменяются характеристики ЗАГ, что приводит к разным значениям формирующихся экологических показателей работы котла. К числу основных характеристик ЗАГ относятся: величина отра-
Рециркуляция
дымовых
газов
Снижение
температуры горячего воздуха
Секционировакие топки двухсветными экранами
Рассредоточение
факела по высоте топки
Нестекио мет- |
Сжигание |
|
рическое |
в кипящем |
|
сжигание |
слое |
|
Ступенчатое |
Предварительная |
|
термическая обработка |
||
сжигание |
||
|
||
Применение горелок с |
Восстановление |
|
затянутым |
NOx |
|
смесеобразованием |
в топке |
Применение горелок с регулируемой долей первичпого воздуха
Сжигание в предтопке с недостатком окислителя
Рис. 9.1. Классификация технологических методов снижения выбросов оксидов азота
жснного теплового потока ^"д")-, среднеинтегральная температура факела Гзд^, время пребывания продуктов сгорания топлива в зоне высоких температур ('CздJ.) и коэффициент избытка воздуха «здр. Эффективность влияния различных способов сжигания оксидов азота на характеристики ЗАГ и суммарный их выход иллюстрируются данными табл. 9.2.
|
|
|
|
|
|
Таблица 9.2 |
Влияние различных внутритопочных мероприятий |
||||||
|
на основные характеристики ЗАГ |
|
|
|||
Мероприятие |
ЧЗАГ |
Т |
-Сздг |
|
«ЗАГ |
Влияние |
|
|
HaNO^ |
||||
|
' ЗАГ |
|
|
|
||
Рециркуляция |
Уменьшается |
Уменьшается |
Уменьшается |
Немного |
Снижение |
|
К =20% |
на 10-15% |
на 100-120° С |
на 5-7% |
увеличи- |
на 40-60% |
|
|
|
|
|
вается |
|
|
Впрыск влаги |
Уменьшается |
Уменьшается |
Практически |
Практи- |
Снижение |
|
|
на 2-5% |
на 60-100°С |
не меняется |
чески не |
на 15-25% |
|
|
|
|
|
меняется |
|
|
Двухступен- |
Уменьшается |
Уменьшается |
Увеличива- |
Уменьша- |
Снижение |
|
чатое сжига- |
на 15-40% |
|
ется на 10- |
ся |
а < 1 |
на 20-40% |
ние 5 =20% |
(в зависимо- |
|
50% |
|
|
|
|
сти от спосо- |
|
|
|
|
|
|
ба реализа- |
|
|
|
|
|
|
ции) |
|
|
|
|
|
Нестехиомет- |
Уменьшается |
То же |
Увеличива- |
а<\ |
|
Снижение |
рическое |
|
|
ется |
а> |
1,25 |
на 20-50% |
сжигание |
|
|
|
|
|
|
Двусветный |
Уменьшается |
Немного сни- |
Практически |
Не меня- |
Снижение |
|
экран |
на 15-20% |
жается |
не меняется |
ется |
на 15-30% |
|
Для большинства типоразмеров газомазутных котлов основные характеристики ЗАГ изменяются в следующих пределах: Тд^^, = 0,3 • • • 1,2 с; ^Аг 0,8-1,1; дзд')- = 0,8-1,3 МВт/м1 Характеристики ЗАГ в значительной степени определяют выход оксидов азота, и их влияние является преобладающим по сравнению с конструктивными признаками топочных камер.
Предложенная в Московском энергетическом институте классификация газомазутньгх котлов по характеристикам ЗАГ приведена на рис. 9.2, Приведенная классификация газомазутных котлов позволяет в значительной степени облегчить выбор эффективных способов снижения выбросов оксидов азота для конкретных типов котлов с учетом их
конструктивных особенностей.
При совместном сжигании газа и мазута для снижения выбросов оксидов азота важное значение имеет выбор оптимального соотношения этих топлив, а также расположение горелок. Для пылеугольных котлов на выход оксидов азота существенное влияние оказывает доля первичного воздуха и разность скоростей первичного и вторичного
|
Г а з о м а з у т н ые к о г л ы (Uto.i ^КОЗ.-М.иб) |
|
|
|
= 0,62 МВт/м^ |
=0,78 МВт/м^ |
|
=0.62 с |
= 0,83 |
=0,34с |
>0,34 |
Г р у п п а 1
N O , = l 7 5 D D m
ЕКЗ - 160 -
100ГМ1(3) БКЗ-160- ЮОГМ (2)
ЕКЗ-120- 1 0 0 Г М ( 3 )
Б К З - 7 5 - 3 9 Г М
(2)
ПТВМ100(2) ПТВМ-180(2)
Группа 2 |
Г р у п п а 3 |
Группа 6 |
Гтшш 7 |
N 0 , = |
N 0 , = 2 8 0 . . , 8 5 0 |
|
|
175..,250 Dtim |
PPip |
4t)0„.50Dppm |
11)0.,.750 р р т |
ТГМ - 84(3) |
Т Г М - 9 4 ( 4 ) |
Т Г М П - 1 1 4 ( 1 ) |
ТГМП12()2(3) |
Т Г М - 8 4 Л ( 2 ) |
Т Г М - 9 6 Л ( 3 ) |
П - 4 | ( | ) |
Т Г М П 2 0 4 Х Л ( 3 ) |
Т Г М - 8 4 Б ( 2 ) |
|
П-56(1) |
Т Г М П - 3 4 4 ( 2 ) |
Т Г М - 1 5 1 ( 3 ) |
|
|
Т Г М П - 3 2 4 ( 2 | |
БКЗ - 320 - |
|
|
|
|
|
Т Г М П - 3 1 4 ( 2 ) |
|
140ГМ8(2) |
|
|
|
|
|
|
|
BK3-42U- |
|
|
|
М 0 Н Г М 4 ( 2 ) |
|
|
|
ГМ - 50 - 14(1) |
|
|
ГМ-50-1(2) |
Тзлг |
|
ПТВМ-50(2) |
> ( 1 Д ? С |
|
Г р у п п а 4 |
|
Г р у п п а 5 |
NOr |
|
N0.= |
l75,..2S0ppm |
|
300 3 5 0 р р т |
БКЗ - 320 - |
|
ТГМ|; - 206(21 |
иогми» |
|
Т Г М Е ' 4 6 4 ( 2 ) |
БКЗ - 320 - |
|
ТГМ-|)6В(2) |
140ГМ:(1) |
|
П-47(2) |
Т Г М Е - 4 2 8 ( 1 ) |
|
|
Рис. 9.2. Деление газомазутных |
котлов |
по характеристикам ЗАГ |
(в скобках указано количество |
ярусов горелок) |
|
воздуха в горелках, а также тонкость помола пыли. При сжигании твердого топлива эффективно могут быть использованы вихревые и прямоточные горелки разных модификаций, различные варианты двух- и трехступенчатого сжигания с вводом азотсодержащих соединений. В ряде случаев могут быть рекомендованы перевод топок с жидкого на твердое шлакоудаление, переход от факельного сжигания к факельнослоевому, к топкам с циркулирующим кипящим слоем и др. Необхо-
димо широко использовать возможности изменения структуры топливного баланса, распределения нагрузок между котлами. Для газоплотных котлов с рециркуляцией дымовых газов предпочтительно внедрение более совершенных по экологическим показателям горелочных устройств.
9.2. ЗАВИСИМОСТЬ ВЫХОДА ОКСИДОВ АЗОТА ОТ ИЗБЫТКОВ ВОЗДУХА В ТОПОЧНОЙ КАМЕРЕ
В энергетических котлах в практически реализуемом интервале изменения избытка воздуха в топке от 1,01 до 1,08 и по мере его повышения удельный выброс оксидов азота увеличивается. В тех же условиях при сжигании мазута снижается выброс твердых частиц вследствие уменьшения органической составляюш,ей аэрозолей и высокотоксичного бенз(а)пирена.
Наиболее резко увеличение выброса твердых частиц происходит при минимальных значениях избытков воздуха. Поскольку мазутные котлы, как правило, не оборудованы пылезолоуловителями, выбор оптимальных значений избытков воздуха в топке должен осуществляться по результатам технико-экономических расчетов с учетом экологических последствий воздействия ТЭС на окружающую среду. Несмотря на то, что по экономическим соображениям и условиям надежности сжигание мазута на энергетических котлах наиболее выгодно осуществлять при предельно низких избытках воздуха = 1,01-1,02), с учетом экологических факторов, например, для городских ТЭС этот показатель может быть оптимальным на уровне а^^, =1,05.
Для котлов, работающих на природном газе, с точки зрения уменьшения выбросов оксидов азота снижение избытков воздуха в топке до предельно низких значений вполне оправдано. Это связано со значительно меньшим, чем на мазуте выбросом бенз(а)пирена и сажи (на 1 -
2 порядка) и отсутствием химнедожога при |
1,03. |
Установлено, что для газомазутных котлов мощностью менее 300 МВт в большинстве условий удельные выбросы оксидов азота при работе на газе ниже, чем на мазуте. Для котлов мощностью более 300 МВт значения выбросов оксидов азота на газе выше, чем на мазуте. Для газомазутных котлов это различие объясняется тем,
что в котлах мощностью до 300 МВт по сравнению с котлами большей мощности ниже подогрев воздуха, относительно крутая зависимость темпа охлаждения факела, пониженная максимальная температура горения. Для котлов N >300 МВт применяется более высокий подогрев воздуха, более пологий характер кривой темпа охлаждения факела.
Для пылеугольных котлов с жидким шлакоудалением для снижения выбросов оксидов азота эффективно могут применяться некоторые технологические методы в сочетании с методами очистки дымовых газов. Снижение избытков воздуха в топочной камере позволяет снизить интенсивность образования оксидов азота, однако нижний предел избытка воздуха в топке относительно высокий (порядка а = 1,17) из-за неизбежного появления продуктов неполного сгорания.
При работе котлов на газе снижение избытков воздуха более эффективно, чем на мазуте. При этом уровень избытка воздуха в топке устанавливается на уровне, обеспечивающем минимальный химпедожог. Например, на котле ТГМ-84Б (420 т/ч) за счет снижения избытка воздуха с 1,14 до 1,06, при с^^ = 200 ррт концентрация оксидов азота сокращена на 25%. При добавке к мазуту 5-15% (по тепловыделению) в горелки нижнего яруса природного газа, удается сократить выбросы оксидов азота не менее чем на 25% без увеличения химического недожога. Это достигается за счет более быстрого воспламенения природного газа вокруг мазутного факела и создающего недостаток кислорода в этой зоне. Этот способ может быть эффективным при непрерывном контроле химнедожога в дымовых газах.
При оптимизации эколого-экономических показателей котлов по избыткам воздуха в САР котлов сигнала по кислороду недостаточно. Для оптимизации процессов горения необходимо вводить внешний контур управления с анализатором состава дымовых газов и контролем в них компонентов химнедожога, а также значений концентраций токсичных веществ, выход которых зависит от режимных параметров. Такая система требует разработки и внедрения непрерывно действующих газоанализаторов с высокой чувствительностью и точностью измерений.