Экология энергетики

1.9. ВЫБРОСЫ ОКСИДОВ АЗОТА НА ТЭС. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ОКСИДА АЗОТА ОТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ

1.9.1. Образование оксидов азота

В результате взаимодействия азота, содержащегося в топливовоздушной смеси и в топливе, с кислородом и другими компонентами в топочной камере котлов образуются оксиды азота. Среди них различают тепловые (термические) или воздушные оксиды азота, топливные и «быстрые». Физико-химические свойства оксидов азота приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Тепловые (термические) оксиды азота образуются за счет окисления молекулярного азота воздуха при максимальных температурах по схеме:

N2+О ↔ NO+N; N+O2 ↔ О+NO;

N2+O2 ↔ 2NO; N+OH ↔ NO+H

Определяющими факторами при образовании термических NОх являются:

- Температра в зоне горения.

При темпераутре в зоне горения выше 1500°С процесс образования NO 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, снижается интенсивность его выгорания. Кроме того, выход тепловых оксидов азота для пылеугольных котлов в сравнении с топливными относительно невысокий.

- Избыток воздуха в факеле.

201

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 α→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 реакции в зоне максимальных температур факела, тем выше концентрация оксидов азота в продуктах сгорания топлив.

Образование топливных оксидов азота происходит за счет реакций окисления азотосодержащих соединений топлива. Для мазута этот процесс можно представить по схеме:

RN → R+N; RN+O2 ↔ NO+RO; N+O2 → NO+O

На начальном участке факела при наличии в нем частиц, не вступающих в реакцию, образуется и молекулярный азот

N+M+N → N2 + 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:

- Температура в зоне горения.

202

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 азотосодержащих компонентов как аммиак и цианиды водорода, выделяющихся вместе с летучими на начальном участке факела. В первичной зоне при t = 1000°C 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 (Т) до 1500°С при разном содержании летучих (Vр), может быть определена по эмпирической зависимости:

0,4861 0,01V р 3545exp( 20460/ RT ) 1 3545exp( 20460/ RT )

Степень газификации азота топлива в объеме топочной камеры в зависимости от вида твердого топлива может достигать 90%. Необходимо отметить, что определение степени влияния только температуры в зоне горения на процесс образования оксидов азота представляется сложной задачей, поскольку одновременно в этих процессах проявляется влияние других факторов, обуславливающих 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.

- Избыток воздуха в факеле.

В результате разрушения сложных азотосодержащих молекул топлива образовавшиеся цианиды и амины вспупают в реакции с кислородом, что приводит к выходу оксида азота. Эти реакции протекают интенсивно только в окислительной среде, в восстановительной – образуется молекулярный азот. Кроме того, NO восстанавливается на поверхности углеродных частиц с обра-зованием N2. Восстановление образовавшегося оксида азота при наличии продуктов химнедожога осуществляется по схеме:

2NO+2CO → 2CO2 + N2 2NO+2H2 → 2H2O+N2

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.

203

В интервале значений максимальной температуры факела (Тм) 1200 К < Тм < 1800 К для расчета выхода оксидов азота можно применять эмпирическую зависимость:

NO 7 10 5 K1 (O2 )2 3 Тм 1025 NOm , мг/м3,

где О2 - среднеинтегральная концентрация кислорода на участке

образования топливных оксидов азота, % (об);

К1 – коэффициент, учитывающий степень метаморфизма угля; NOm - предельно возможная концентрация топливных оксидов азота,

мг/м3.

- Содержание связанного азота в топливе.

Степень конверсии азота топлива в оксиды увеличивается с понижением его содержания в топливе с одновременным ростом валового выхода оксидов азота.

- Вид азотосодержащих 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, NH2 и др.). Уровень выхода этих оксидов азота практически не зависит от рассмотренных выше режимных мероприятий и указывает на технический предел снижения оксидов азота без применения способов их восстановления

исвязывания.

Врезультате 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. Важнейшие из них: содержание связанного азота в топливе и форма азотосодержащих 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 максимальных температур. Средства воздействия на топочный процесс выбыраются в зависимости от преобладания степени влияния отдельных режимных параметров. В частности, для высококалорийных топлив при подавлении оксидов азота эффективным будет снижение температуры и выравнивание

204

температурных полей в топочной камере, уменьшение избытков воздуха в топливо-воздушной 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-горелочных устройств и оптимизация режимов их эксплуатации с учетом экологоэкономических показателей.

В зарубежной и отечественной энергетике разработано большое 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 2 группы: с открытой и полуоткрытой топкой. Для I группы котлов характерна односторонняя и встречная компоновка с одно-, двух-, трех-, четырехярусным расположением горелок. Котлы II группы выполняются, как правило, с фронтальной одноярусной и встречной компоновкой горелок.

205

сжигании мазута снижается выброс твердых частиц вследствие уменьшения органической составляющей 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 ( т" 1,01-1,02), с учетом экологических факторов,

например, для городских ТЭС этот показатель может быть оптимальным на уровне т" 1,05.

Для котлов, работающих на природном газе, с точки зрения уменьшения выбросов оксидов азота, снижение избытков воздуха в топке до предельнонизких 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 αпп ≥ 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 в сравнении 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 α = 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 химнедожог. Например, на котле ТГМ-84Б (420 т/ч) за счет снижения избытка воздуха с 1,14 до 1,06, при сСО = 200 ррm 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

209

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

свысокой чувствительностью и точностью измерений.

1.9.3.Ступенчатое сжигание топлив

Для улучшения экологических характеристик котлов широко применяют 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 осуществляется 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 применения этого метода 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, шлакование и коррозия поверхностей нагрева. Экономичность работы котлов либо сохраняется практически без изменений, либо к.п.д. котлов снижается до 1%, снижение выбросов оксидов азота достигается на уровне 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. Этот способ может применяться в

210