Экологические аспекты энергетики атмосферный воздух

Для существенного снижения выбросов оксидов азота путем разделения выходящих из двухсопловой форсунки факелов на два независимых топливных потока и организации двухступенчатого сжигания топлива внутреннее сопло двухсопловой форсунки выполнено подвижным вдоль оси. Причем в любом положении внутреннего сопла его выходной торец выступает за пределы внешнего сопла, а геометрическая характеристика внутреннего сопла в 2-3 раза меньше, чем у внешнего сопла. Для обеспечения стабильности характеристик факела и одинаковых исходных условий при распылении топлива подачу его в сопла форсунки предусмотрено осуществлять по общему топливному патрубку.

Эта форсунка за счет ее конструктивных особенностей позволяет независимо от режимных параметров обеспечить получение факела распыляемого топлива из двух конусов — наружного и внутреннего. Причем угол раскрытия факела внутреннего сопла значительно ниже угла раскрытия факела внешнего сопла. Разделение топливного факела на два независимых топливных потока создает условия для осуществления двухступенчатого сжигания топлива.

Выполнение внутреннего сопла форсунки подвижным вдоль оси позволяет изменять угол конуса распыления топлива внешнего сопла. Это особенно важно для условий его работы. Угол конуса распыления топлива зависит от скорости топливных потоков, которая определяется количеством пропускаемого топлива через сопло и его живым сечением. Последнее можно изменять за счет перемещения внутреннего сопла.

При работе двухсопловой форсунки, установленной в горелочном устройстве с организованным подводом воздуха, в прикорневой зоне факела создается зона, обогащенная топливом за счет его перемещения при поступлении из двух конусов с частью воздуха, при этом избыток воздуха в этой зоне ниже стехиометрически необходимого. Горение топлива затягивается со снижением температуры факела и образованием в прикорневой зоне компонентов химического недожога топлива СО, Н^ , СН^ , С^, Н^.

Остальной воздух, выходящий из периферийной зоны амбразуры горелки, взаимодействует с частью топлива, поступающего из внешнего сопла. В периферийной части факела образуется зона, обед-

ненная топливом, с избытком воздуха больше стехиометрически необходимого.

В результате этого сгорание топлива происходит по ступенчатой схеме с образованием двух зон горения: прикорневая зона с а < 1,0 и периферийная зона дожигания с а > 1,0. По этой схеме сжигания топлива происходит подавление процессов образования оксидов азота за счет снижения температуры факела и восстановления уже образовавшихся оксидов азота за счет наличия в прикорневой зоне факела компонентов химнедожога топлива.

Для изменения режимов работы форсунки внутреннее сопло перемещают с помощью установленных регулирующих шайб (регулирующей гайки или другим путем) вдоль оси форсунки, изменяя входное сечение внешнего сопла и обеспечивая нужный угол раскрытия факела.

При применении рассмотренной конструкции форсунки обеспечивается полное сгорание топлив с минимальным выходом оксидов азота. Это достигается за счет распыления топлива с созданием двух независимых конусов и неодинаковым перемешиванием топливных струй с воздухом. Конструкция форсунки позволяет обеспечить выход топливных струй с разной скоростью и толщиной пленки, что дает возможность управлять процессом подавления оксидов азота.

В табл. 9.4 и 9.5 представлены сведения о результатах внедрения отдельных технологических методов снижения выбросов оксидов азота на котлах разных типоразмеров некоторых тепловых электростанций бывшего Советского Союза.

Как следует из приведенных данных, эффективность ступенчатого сжигания топлив при работе котлов на газе и на мазуте более высокая, чем при работе на твердом топливе. Анализ уровня экологических показателей пылеугольных котлов после реализации мероприятий показывает, что для соблюдения устанавливаемых нормативных уровней ПДВ оксидов азота использования только технологических методов недостаточно. Требуется как разработка более совершенных технологических методов, так и способов денитрификации дымовых газов. В то же время возможности уже известных технологических методов не исчерпаны и в соответствующих эксплуатационных условиях эффективность их может быть существенно повышена.

Примечание.

' ТШУ, Ж Ш У — твердое и жидкое шлакоудаление соответственно.

9.4. РЕЦИРКУЛЯЦИЯ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

Одним из наиболее эффективных и распространенных способов снижения выбросов оксидов азота в энергетических котлах является рециркуляция дымовых газов (РДГ), т. е. возврат их части в топочную камеру. РДГ имеет многофункциональное назначение и применяется не только для улучшения экологических показателей работы котлов, но и для обеспечения их режимных параметров (температура газов на выходе из топки, перегрев пара, сушка топлива и т. п.).

Экологический эффект применения РДГ в котлах достигается в основном из-за снижения максимальной и средней температуры факела как за счет балластирования топливовоздушной смеси, так и за счет выравнивания полей температур, а также снижения концентрации окислителя (кислорода) в зоне горения. Применение способа РДГ позволя-

ет в газомазутных котлах снизить выход оксидов азота на 50% (в ряде случаев и выше) от исходного уровня. РДГ оказывает существенное влияние на выход тепловых (термических) оксидов азота и незначительное — на выход топливных.

Способы сжигания топлива с вводом рециркулирующих дымовых газов в воздушный тракт горелочных устройств позволяют снизить тепловые нагрузки экранов и перераспределять тепловосприятия поверхностей нагрева котлов, а также уменьшать выход оксидов азота. Однако для сокращения выхода оксидов азота при таком способе сжигания топлива газы рециркуляции нужно подавать в значительных объемах, что может привести к снижению устойчивости процесса горения топлива. При вводе газов рециркуляции в воздушные короба появляется опасность загазованности помещения котельной газовоздушной смесью через неплотности воздушных коробов.

При одновременном сжигании жидкого и газообразного топлива в вихревых горелках воздух подается центральным и периферийным кольцевыми потоками, а газы рециркуляции подают между потоками воздуха со скоростью, в 1,08-1,5 раза превышающей среднюю скорость центрального потока воздуха. Жидкое топливо распыляется в центральном поток форсункой, расположенной по оси горелки, а газообразное топливо подается из кольцевого коллектора в периферийный поток воздуха.

Этому способу присущи следующие недостатки:

-чрезмерное охлаждение газами рециркуляции периферийной зоны факела для достижения требуемой температуры по условиям подавления оксидов азота в ядре горения, что приводит к неустойчивости горения;

-требуются значительные объемы газов рециркуляции, что влечет за собой рост энергетических затрат на собственные нужды;

-увеличение потерь теплоты с уходящими газами.

Для снижения выхода оксидов азота при совместном или раздельном сжигании жидкого и газообразного топлива газы рециркуляции целесообразно делить на два потока. Один из них, составляющий от 20 до 35% от общего объема газов рециркуляции, подают закрученным в корень горения топливного факела по дополнительному каналу, а второй — между кольцевым и периферийным потоками воздуха.

Особенностью этого способа является деление газов рециркуляции на два потока в приведенном выше соотношении и подача одного из потоков в ядро горения топливного факела по специальному центральному каналу.

Разделением газов рециркуляции на два потока можно сократить их общий объем, поскольку ввод части газов рециркуляции в ядро горения факела позволяет более эффективно снизить его температуру и обеспечить пониженный выход оксидов азота и одновременно решить перечисленные выше задачи.

Рециркуляция части продуктов сгорания топлива в зону ядра горения за счет ввода дымовых газов с более низкой температурой и снижения содержания окислителя в них позволяет достичь значительного уменьшения температуры ядра факела.

Как известно, воздействие на течение топочных процессов путем понижения избытков воздуха и температуры в ядре факела позволяет существенно снизить концентрацию оксидов азота в дымовых газах. Для достижения этого эффекта достаточно ввести в ядро горения топливного факела газы рециркуляции в количестве не более 20-35% от их общего объема. Поскольку зона факела, в составе которой ядро горения, занимает не более 1/3 объема факела, то объем рециркулирующих газов, подаваемых в ядро горения, не должен превышать указанной выше величины. Остальная часть газов рециркуляции подается в периферийные зоны факела для их охлаждения и обеспечения условий двухстадийного сжигания топлива за счет разделения воздушных потоков. В зоне ядра горения обеспечивают условия для протекания реакций восстановления азотистых соединений в молекулярный азот.

При вводе газов рециркуляции в рассечку между двумя потоками в горелке за счет замедления смесеобразования и снижения локальной концентрации кислорода на начальном участке факела появляется возможность влиять на процесс окисления связанного азота топлива и тем самым уменьшать выход оксидов азота.

В 3aBHCHM0QTH от способа ввода рециркулирующих газов в топку по-разному проявляется роль отдельных факторов в процессе образования оксидов азота? и эффективность РДГ неодинакова. С позиций повышения экологического эффекта целесообразно предусматривать возможность подачи газов рециркуляции в котлах до 25 вместо 15-20%

на существующих типах котлов для поддержания соответствующих теплотехнических параметров.

На многочисленных типах энергетических котлов была проверена эколого-экономическая эффективность разных схем реализации РДГ. Установлена низкая эффективность РДГ при повышенных исходных значениях избытков воздуха в топке. Это связано с ростом концентраций кислорода в рециркулирующих газах. Снижение эффективности РДГ происходит при пониженных нагрузках котлов. Увеличение степени РДГ выше 20-25% практически не приводит к сокращению выбросов оксидов азота. Применение РДГ приводит к снижению КПД котлов в среднем на 0,03-0,06% на каждый 1% кратности рециркуляции и требует, как правило, реконструкции тоночно-горелочных устройств, а также установки специальных дымососов.

Для пылеугольных котлов с твердым щлакоудалением способ РДГ малоэффективен из-за сравнительно низких температур в топках, а для котлов с жидким щлакоудалением и малореакционных топлив — вообще не применим из-за ухудшения условий выхода жидкого шлака. Наибольшее распространение способ РДГ получил на газомазутных котлах.

Эффективность способа РДГ для некоторых типов котлов с разной схемой ввода рециркулирующих газов приведена на рис. 9.5.

В результате проведенных испытаний установлена относительно невысокая экологическая эффективность подачи рециркулирующих

газов через ограждения топки (под котла, отдельные шлицы под горелками и т. п.). Поэтому такие и им подобные технические решения применять не рекомендуется.

Эффективность применения РДГ в котлах может быть повышена njTeM совершенствования способов автоматического регулирования процессов горения топлива. Большинство способов автоматического регулирования процесса горения в топке газомазутного парового котла ориентированы на снижение выбросов оксидов азота путем корректировки расхода воздуха и рециркулирующих газов по сигналам, поступающим от датчиков концентрации азота и топлива в топке. При значительном снижении концентрации оксидов азота в топке котла, как известно, образуются продукты неполного сгорания топлива (например, оксид углерода) и канцерогенные вещества, представленные в основном бенз(а)пиреном. Выход продуктов неполного сгорания топлив и канцерогенных веществ особенно проявляется при применении получившего распространение двухступенчатого сжигания топлив. Поэтому при сжигании топлив для устранения приведенных выше недостатков требуется минимизировать не только концентрацию оксидов азота в дымовых газах, но и суммарную токсичность выбросов загрязняющих веществ, поскольку снижение выхода одних токсичных веществ влечет за собою в ряде случаев повышение содержания других, в частности окиси углерода.

За условную токсичность выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух с продуктами сгорания топлив обычно принимают суммарное значение приведенной массы выброса загрязнений

i=i /=1

где М.— приведенная масса выброса г-го токсичного вещества, у. т; А.— показатель относительной агрессивности примеси i-ro вида

(у.т/т); т . — масса выброса примеси г-го вида за принятый промежуток

времени, т.

Ниже рассмотрен способ автоматического регулирования процесса горения топлива (рис. 9.6), в котором по дополнительно измеренным концентрациям оксидов азота, окиси углерода и бенз(а)пирена

находят суммарную токсичность выбросов этих загрязняюпдих веществ и сравнивают с заранее определенным для заданной тепловой нагрузки значением нормативной токсичности выбросов. Для каждой из нагрузок котла при нормативных параметрах режимов работы предполагается заранее определять условную токсичность выбросов, которую принимают за нормативное значение. По измеренным сигналам разности между фактической и нормативной токсичностью выбросов формируется сигнал, по которому осуществляется регулирование подачи рециркулирующих газов.

Особенностью этого способа является определение суммарной токсичности выбросов загрязняющих веществ с продуктами сгорания топлив и минимизация их уровня по сравнению с заданным значением. При этом количество рециркулирующих газов для заданной тепловой нагрузки котла устанавливается не по содержанию кислорода и топлива в топке, а по разности между фактической и нормативной токсичностью выбросов.