Экологические аспекты энергетики атмосферный воздух

9.3. СТУПЕНЧАТОЕ СЖИГАНИЕ ТОПЛИВ

Для улучшения экологических характеристик котлов широко при меняют двухили трехступенчатое сжигание топлив. Наибольшее распространение в энергетике получил способ двухступенчатого сжигания, реализуемый как в факелах горелок, так и в топочной камере в целом. Двухступенчатое сжигание топлива может осуществляться преимущественно без реконструкции горелок и основано на использовании особенностей механизма образования оксидов азота: создании восстановительной среды путем подачи части воздуха ниже стехиометрического его количества, например, в нижнюю зону топки и образования при этом продуктов химнедожога с последующим дожиганием топлива в верхнем ярусе горелок при расчетном избытке воздуха. Воспламенение и формирование ядра факела происходит в условиях недостатка кислорода (окислителя) в топливовоздушной смеси, а завершающая стадия горения происходит при подаче требуемого количества воздуха через верхний ярус горелок или специальные сопла. Реализация этого способа может осуществляться и по «перевернутой» схеме. Этот способ может применяться как для газомазутных, так и пылеугольных котлов. Наиболее высокая эффективность его использования достигается при работе крупных энергетических котлов на природном газе. Для мазутных и пылеугольных котлов возможно увеличение потерь с недожогом топлива, повышение температуры газов на выходе из топки, пшакование и коррозия поверхностей нагрева. Экономичность работы котлов сохраняется практически без изменений, либо КПД котлов снижается до 1%, а уровень выбросов оксидов азота уменьшается на 40-50%. Эффективность применения этого метода тем выше, чем ниже эксплуатационные избытки воздуха на котлах. Требуется система контроля состава газов в пристенных зонах топочного объема. Схема двухступенчатого сжигания топлив рекомендуется к применению на котлах всех типов, работающих на бессернистом топливе. При сжигании сернистых мазутов и сероводородных газов этот способ можно применять на барабанных и водогрейных котлах.

При сжигании серосодержащих топлив более эффективным является метод трехступенчатого сжигания, который может применяться

в сочетании с одним из методов очистки дымовых газов, например, селективным каталитическим восстановлением оксидов азота. Образование трех ступеней сжигания топлива осуществляется за счет: горения топлива в первой зоне с избытком или некоторым недостатком воздуха, создания восстановительной зоны благодаря вводу вторичного топлива, подачи дополнительного воздуха для дожигания несгоревшего топлива. Один из вариантов трехступенчатого сжигания топлива реализован на котле ТП-92 (500 т/ч), работающем на угле. Сущность реализованного метода состоит в том, что 75-85% топлива сжигается в основных горелках с а = 0,95-1,0, остальное — в дополнительных горелках с а = 0,6 и с образованием продуктов неполного сгорания, которые восстанавливают оксиды азота до молекулярного азота. Выше дополнительных горелок подают третичный воздух в количестве 15-20% с обеспечением нормативного избытка воздуха за топкой и дожиганием продуктов неполного сгорания, оставшихся в факеле.

В последние годы за рубежом предложены и опробованы способы снижения выбросов N0^ при сжигании органических, главным образом, твердых топлив, отличные от известных методов каталитического селективного восстановления N0^ вводом аммиака или аминосодержащих соединений в дымовые газы и пропуском их через специальный реактор, заполненный катализаторами. Эти альтернативные способы требуют существенно меньших капитальных затрат, но несколько дороже по эксплуатационным затратам и не столь гибки в работе, что создает помехи при сезонных колебаниях нагрузки, особенно на установках малой мощности. Тем не менее, две модификации таких альтернативных методов получили достаточное для подтверждения их достоинств распространение на установках большой мощности. Суть этих методов заключается в подаче сравнительно небольшой доли топлива в виде природного газа в верхнюю часть топки в стехиометрическом соотношении с воздухом или в несколько ниже стехиометрического для создания там восстановительной среды и восстановления ранее образовавшихся в нижней части топки NO^. Второй модификацией такого способа является ее дополнение вводом вместе с природным газом аминосодержащих соединений. Эти методы успешно применены на ряде мощных пылеугольных блоков на ТЭС

Следует отметить, что для каждого из типоразмеров котлов в зависимости от его конструктивных особенностей, конструкции топоч- но-горелочных устройств при организации ступенчатого сжигания различных видов топлива необходим индивидуальный подход. По вопросам выбора оптимального способа универсальных рекомендаций пока не разработано. Сравнительная эффективность применения различных способов организации ступенчатого сжигания топлив приведена в табл. 9.3.

Из всего многообразия разработанных и реализованных на котлах разных типоразмеров способов и средств двухступенчатого сжигания топлива ниже рассмотрены только некоторые из них.

Повышение эффективности работы котлов за счет снижения содержания токсичных компонентов в продуктах сгорания топлив может быть достигнуто следующим образом: во встречно расположенных и сгруппированных по парам горелках воздух подается в одинаковом количестве, а топливо в одну из встроенных горелок поступает в количестве, ниже стехиометрического соотношения, создавая бедную смесь, а в другую — выше стехиометрического соотношения, создавая богатую смесь. При таком распределении топлива и

снижения его температуры и уровня теплового напряжения топочного объема. Затем факелы встречно расположенных пар горелок сливаются в один, где происходит дальнейшее сгорание топлива без увеличения содержания оксидов азота.

При организации ступенчатого сжигания топлива достигается снижение температурного уровня и в ядре факела. При этом происходит раздельное сжигание бедной и богатой топливовоздушных смесей, для которых температура горения всегда ниже, чем при одноступенчатом сжигании топлива с оптимальным избытком воздуха по условиям отсутствия химнедожога. Так, при сжигании углеводородных топлив с оптимальным избытком воздуха 1,05-1,1 теоретическая температура горения наивысшая и отличается от аналогичных значений при избытках воздуха а^^^ = 0,8 и а^^^ = 1,3 примерно на 200° С. Эффект снижения температуры горения при избытках воздуха ниже и выше стехиометрических практически одинаков. Поэтому разделение процесса сжигания топлива на две стадии - с низкими (богатые смеси) и высокими (бедные смеси) избытками воздуха позволяет достичь экономичного сжигания топлива с пониженной генерацией оксидов азота.

Для каждой тепловой нагрузки котла известно оптимальное значение, при котором достигается экономичное сжигание топлива при отсутствии продуктов неполного сгорания — оксидов углерода и водорода. Обьгчно избыток воздуха на выходе из топки устанавливают на уровне 1,05-1,1. Меньшее значение избытка воздуха относится к номинальной тепловой нагрузке, большее — к нагрузке ниже номинальной.

Основная задача при реализации этого способа — распределить топливо по каждой из встречно расположенных пар таким образом, чтобы обеспечить наибольшее снижение температуры факела по сравнению с одностадийным сжиганием топлива. Например, при избытке воздуха в топке = 1,05 на одной горелке нужно иметь = 0,8, на другой а^^^ =1,3. Тогда по сравнению с одностадийным сжиганием с а^^^ = 1,05 температура факела при сжигании метана снизится на 180° С, что повлечет за собой снижение выбросов оксидов азота. При росте избытка воздуха в одной из горелок до а'^^ = 0,9 во второй горелке потребуется поддерживать а*^^ = 1,2, температура факела по сравнению с одностадийным сжиганием будет отличаться на 85° С,

что приведет к меньшему эффекту сокращения выбросов оксидов азо^ та. Таким образом, чем ниже избыток воздуха стехиометрического уровня в одной из горелок, тем выше эффект двухступенчатого сжигания топлива в части сокращения выбросов оксидов азота.

Поскольку устойчивая работа горелочного устройства зависит от конструктивных характеристик самого устройства и топочной камеры, то избыток воздуха выше стехиометрического задается по условиям отсутствия обрыва факела и отсутствия продуктов неполного сгорания на выходе из топки. Избыток воздуха в другой горелке той же пары устанавливают ниже стехиометрического тем значительнее, чем выше избыток воздуха в другой горелке, с тем чтобы обеспечить оптимальный для котла при определенной нагрузке избыток воздуха. Эф^ фективность этого способа проверена на водогрейных котлах.

Известны конструкции горелочных устройств, позволяющие реализовать двухступенчатое сжигание топлива с использованием только одной горелки. К ним следует отнести, например, горелочное устройство с тангенциальным и осевым подводом воздуХа. К недостаткам этого горелочного устройства, в части возможностей снижения выбросов оксидов азота с продуктами сгорания топлива, следует отнести:

-высокое аэродинамическое сопротивление, вызываемое тангенциальным подводом воздуха;

-сложность конструкций, предусматривающих комбинированный подвод воздуха;

-взаимодействие прямого и закрученного потоков на ограниченной длине факела, что не позволяет обеспечить стабильное снижение выбросов оксидов азота;

-затруднения с поддержанием оптимального соотношения расходов воздуха по тангенциальному подводу и по осевой трубе.

Существуют конструкции горелочных устройств, в которых двухступенчатое сжигание топлива обеспечивается перераспределением потоков топлива и воздуха внутри горелки с подачей богатой топливовоздушной смеси закрученным потоком по периферийному каналу, а остального воздуха — прямоточно по оси горелки с последующим окончательным смешением двух потоков за ее пределами в топочном объеме.^

Недостатками этих конструкций горелочных устройств являются:

-относительно невысокая рабочая кампания котла из-за недопустимого нагрева и разрушения амбразур и устья горелок;

-высокое аэродинамическое сопротивление горелки;

-трудно реализуемое концентрически соосное расположение топливовоздушного и воздушного каналов, образуемых корпусом и трубой. В случае смеш;ения осей и образования эллипсности каналов наступает неустойчивость процесса горения топлива.

Вприведенной ниже конструкции горелки двухступенчатое сжигание газообразного топлива организуется за счет конструкции горелочного устройства, позволяющего все топливо сжигать с избытком воздуха 0,7.. .0,8 и подавать остальной воздух (20-30%) выше входа в нее топливо-воздушной смеси. Расстояние между осями воздуховода ввода недостаюш;его воздуха и корпуса горелки принимается равным

3...4 диаметра последнего.

При вводе части воздуха выше выхода топливовоздушной смеси из горелочного устройства обеспечивается двухстадийное сжигание топлива. Из-за недостатка воздуха в ядре факела снижается его температура. При этом формируется зона горения первой стадии со значительным содержанием продуктов неполного горения и относительно небольшой концентрацией оксидов азота в продуктах сгорания топлива. По мере подвода недостающего количества воздуха из расположенной выше оси потока топливовоздушной смеси происходит их перемешивание и завершается процесс горения топлива во второй стадии. При этом общий выход оксидов азота снижается как по сравнению с одноступенчатым сжиганием топлива, так и в сопоставлении с двухступенчатым сжиганием, реализуемым в приведенных выше конструкциях горелок.

Эта конструкция описанного горелочного устройства позволяет независимо от ее тепловой нагрузки сохранять заданное соотношение расходов первичного и вторичного воздуха. При этом достигается устойчивый результат сокращения выбросов оксидов азота.

Двухступенчатое сжигание топлив может быть организовано в горелках, оснащенных двухсопловыми форсунками.

Известны механические форсунки, содержащие корпус, внутри которого установлены два сопла для распыления жидкого топ-

Р — угол между направлением входного канала и осью сопла; 0 — угол между направлением входного канала и тангенциаль-

ным направлением к камере закручивания; т — число входных каналов;

f^^ — сечение входного канала.

По величине геометрической характеристики А судят о значении угла раскрытия факела. При Л > 4 он практически не увеличивается. Отмечается относительно резкое увеличение угла факела в пределах значений геометрической характеристики от О до 2. Это обстоятельство использовано при разработке конструкции форсунки для выбора необходимой величины соотношений между геометрическими характеристиками внутреннего и внешнего сопла.

В упомянутых выше конструкциях двухконтурных двухсопловых форсунок геометрическая характеристика вторых ступеней (наружное распыливающеесопло) принимается обычно равной 1...2,5. Геометрическая характеристика первых ступеней (внутреннее распыливающее сопло) всегда выше вторых в 3.. .5 раз. Таким образом, угол раскрытия топливных струй первой ступени всегда выше аналогичного угла второй ступени.

Кроме того, конструктивно принимаемое отношение наружного диаметра первого сопла (выполненного неподвижным) к диаметру

Такое выполнение двухконтурной форсунки (геометрические характеристики сопел и соотношение диаметров DJd^^^ позволяет получить устойчивый факел из каждого сопла при раздельной работе сопел и перемешивание топливных струй с образованием одного факела при одновременной работе двух стуценей.

Наличие независимых двух контуров подачи топлива и сопла, превышение геометрической характеристики внутреннего сопла по сравнению с внешним, неподвижность внутреннего сопла не позволяют обеспечить условия снижения выбросов оксидов азота при регулировании характеристик топливного факела. Эти условия характеризуются состоянием поля, концентрацией реагирующих веществ в объеме факела. В рассмотренных выше конструкциях форсунок предусмотрено образование топливного факела с более-менее равномерным распределением топливных потоков в объеме.