Экология энергетики

Как следует из приведенных данных, эффективность ступенчатого сжигания топлив при работе котлов на газе и на мазуте болеевысокая, чем 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.

1.9.4. 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, а 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 топливо-воздушной смеси, так и за счет выравнивания полей температур, а также снижения концентрации окислителя (кислорода) в зоне горения. Применение способа РДГ позволяет 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, на выход топливных – это влияние незначительное.

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 снижать 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

222

воздуха со скоростью в 1,08-1,5 раза превышающей среднюю скорость центрального потока воздуха. Жидкое топливо распыливается 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 тепла 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 поток газов рециркуляции подают 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 2 потока можно сократить их общий объем, поскольку ввод части гпазов 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 снижения 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 вышеуказанной величины. Остальная часть газов рециркуляции подается в периферийные зоны факела для их охлаждения и обеспечения условий двухстадийного

223

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 зависимости 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 котлов была проверена экологоэкономическая эффективность разных схем реализации РДГ на энергетических котлах. 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 к.п.д. котлов в среднем на 0,03-0,06% на каждый 1% кратности рециркуляции и требует, как правило, реконструкции топочно-горелочных устройств, а также установки специальных дымососов.

Для пылеугольных котлов с твердым шлакоудалением способ РДГ малоэффективен из-за сравнительно низких температур в топках, а для котлов с жидким шлакоудалением и малореакционных топлив этот способ 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.

224

где M i - приведенная масса выброса i -го токсичного вещества, усл. т; Ai - показатель относительной агрессивности примеси i-го вида

(усл.т/т);

mi - масса выброса примеси i -го вида (в т) за принятый промежуток

времени.

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 загрязняющих 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 в сравнении 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.

Система содержит датчики расхода топлива 1 и воздуха 2, газоанализаторы 3-5 для определения содержания в дымовых газах таких токсичных веществ как оксидов азота, окиси углерода и бенз(а)пирена и др. В состав системы входит сумматор условной токсичности выбросов 6, подключенный по входному сигналу к выходам газоанализаторов 3-5, а по выходному

226

подается в регулятор 9, который дает управляющий сигнал на направляющие аппараты 10 и 11, которые обеспечивают требуемую подачу рециркулирующих газов и воздуха в топку котла 12. Таким образом, обеспечивается минимальный выброс загрязняющих веществ с продуктами сгорания топлива по условной токсичности. В качестве примера для реализации предложенного способа приведены такие токсичные компоненты дымовых газов как оксиды азота, окись углерода, канцерогенные вещества. В случае изменения состава токсичных выбросов система может быть настроена соответствующим образом на другие вещества.

Основное преимущество этого способа по сравнению с известными состоит в том, что при его реализации можно существенно снизить суммарную токсичность выбросов с продуктами сгорания топлив за счет одновременного учета токсичности нескольких токсичных веществ и управления подачей рециркулирующих газов в зависимости от уровня превышения фактической токсичности выбросов (при заданной нагрузке котла) нормативного ее значения.

1.9.5. Ввод влаги в топку и сжигание водомазутных эмульсий

К числу эффективных малозатратных экологических мероприятий по снижению выбросов оксидов азота газомазутными котлами относятся различные способы подачи воды и водяного пара в зону горения, а также сжигание водомазутных эмульсий (ВМЭ). Эти способы могут применяться в сочетании с другими (снижение избытков воздуха, рециркуляция дымовых газов). При реализации этого способа можно использовать загрязнение воды, что позволяет решать одновременно проблему защиты водного бассейна.

Локализованное зональное воздействие на факел воды или водяного пара позволяет сократить образование сажи, бенз(а)пирена и топливных оксидов азота, а также снизить концентрации тепловых оксидов азота и серного ангидрида. Сокращение выхода оксидов азота происходит в основном из-за ингибирующей роли влаги в процессах окислительных реакций; балластирования топливо-воздушной смеси и замедления ее выгорания; снижения максимальной температуры факела вследствие растягивания процесса горения. Наиболее значительный эффект достигается при пониженных избытках воздуха и локализованном зональном впрыске воды и водяного пара. Ввод влаги в топку котла может осуществляться различными способами: через паровые каналы мазутных форсунок (водяными форсунками, размещенными на боковых стенках топки перпендикулярно, либо встречно оси факелов горелок); через воздушный канал. Экологическая эффективность этого метода иллюстрируется данными, приведенными на рис. 9.7.

228

в зоне горения.

Для обводненных мазутов вследствие снижения содержания горючих в рабочей массе сокращается теплота их сгорания, объем продуктов сгорания, соотношение между отдельными их составляющими.

При сжигании обводненных мазутов в виде водомазутных эмульсий (ВМЭ) снижается теоретическая температура сгорания в топочной камере тем больше, чем выше обводненность мазута. В пределах обводненности мазута от 0 до 30% теоретическая температура сгорания топлива снижается в среднем на 4-4,5°С на каждый 1% роста обводненности. Эффективность использования обводненного мазута по сравнению с необводненным снижается за счет затрат теплоты топлива на испарение дополнительной влаги.

Относительная потеря теплоты на испарение влаги топлива может быть найдена по выражению

qw 600W р , %

Qнр

Вэнергетических котлах возможности снижения избытков воздуха весьма ограничены. В результате исследований, выполненных на мощных котлах современных конструкций, обводненность мазута, при которой достигается максимальное сокращение выбросов оксидов азота (до 20%), не должна превышать 7-10%. Экологический эффект (уменьшение платы за выбросы) при сжигании ВМЭ ниже дополнительных затрат на топливо, связанных со снижением к.п.д. котла, которое составляет порядка 0,3-0,5%. При повышении влагосодержания ВМЭ сверх приведенного уровня отмечается ухудшение процесса горения, сопровождающееся растягиванием факела, неудовлетворительным распыливанием топлива и т.п.

Всложившихся условиях энергетических котлов использование ВМЭ с естественным обводнением мазута является малозатратным и эффективным экологическим мероприятием. Использование ВМЭ с искусственным обводнением мазута для энергетических котлов с относительно высоким уровнем организации топочных процессов не приводит к положительным эколого-экономическим результатам.

Эфективность снижения генерации оксидов азота технологическими методами по данным зарубежных авторов приведена в табл. 9.6.

230