2. Режимно-технологические методы подавления образования

оксидов азота в топках котлов ТЭС

Режимно-технологические методы подавления образования оксидов азота можно условно разбить на три основные группы:

-основанные на снижении максимальной температуры в зоне горения (рециркуляция дымовых газов, снижение температуры горячего воздуха, ввод добавочной влаги в зону горения, применение двусветных экранов и др.);

-основанные на снижении концентрации окислителя в зоне генерации NОx (сжигание топлива с минимальным избытком воздуха, нестехиометрическое и ступенчатое сжигание, применение горелок с затянутым смесеобразованием и др.);

-специальные методы сжигания (сжигание в кипящем слое, предварительная термическая обработка топлива, применение специальных горелок и др.).

Еще раз подчеркнем, что это условное разбиение, так как многие режимы одновременно влияют на несколько определяющих факторов.

Применение режимных методов на угольных и газомазутных котлах имеет существенно различается. В начале XXI века ожидается увеличение доли твердого топлива в балансе энергоносителей России. Однако в последние десятилетия ΧΧ века в энергетике России наблюдалась обратная картина: увеличивалась доля газообразного и жидкого топлива, а крупные города обеспечиваются энергией в основном за счет сжигания природного газа. Поэтому в настоящее время (особенно для крупных городов) актуальны работы по снижению выхода оксидов азота на газомазутных котлах.

На газомазутных котлах практическое применение получили несколько методов, чаще это сочетание нескольких методов:

-ступенчатого сжигания топлива с рециркуляцией дымовых газов в

зону горения;

-ступенчатого сжигания и рециркуляции дымовых газов с вводом

добавочной влаги в зону горения;

-установка полуподовых горелок (компоновка ТКЗ) в сочетании со ступенча- тым сжиганием и рециркуляцией дымовых газов;

-установка горелок с пониженным выходом оксидов азота (типа горелок двухступенчатого сжигания).

Применение режимно-технологических мероприятий по подавлению образования оксидов азота в топках газомазутных котлов рассмотрим на примере службы этой крупной энергосистемы в тесном сотрудничестве с ведущими научно-исследовательскими и конструкторскими организациями уделяли большое внимание повышению экологических характеристик установленного котельного оборудования. Были разработаны и внедрены различные схемы рециркуляции дымовых газов в топочную камеру, методы ступенчатого сжигания топлива. Проделана большая работа по усовершенствованию горелочных устройств, а также разработаны новые конструкции горелок для котлов различной паропроизводительности. Ниже рассматриваются основные результаты работ по ограничению выбросов оксидов азота [8-14], выполненных ВТИ, ОРГРЭС, СНП "Мосэнергоналадка", МЭИ по заказам ОАО "Мосэнерго".

2.1. Рециркуляция дымовых газов

В настоящее время рециркуляция газов, как средство эффективного подавления оксидов азота, внедрена практически на всех энергетических котлах "Мосэнерго" и на значительной части водогрейных котлов. Рециркуляция дымовых газов  это подача части продуктов сгорания, отбираемых за ВЭ или ВП, обратно в топочную камеру. Ввод газов рециркуляции может осуществляться в различные места топки: через специальные шлицы, в каналы горелок, в верхнюю часть. Первоначально рециркуляция дымовых газов была задумана как средство обеспечения надежной работы поверхностей нагрева газомазутных котлов и как метод регулирования температуры вторичного перегрева. Одновременно это позволяет снизить максимальную температуру в топке котла, что приводит к снижению образования термических оксидов азота.

Для определения оптимальных конструктивных решений был выполнен комплекс промышленных и лабораторных исследований. Промышленные испытания проводились на котлах производительностью от 120 до 1000 т/ч. Результаты испытаний различных схем ввода рециркуляции дымовых газов показали, что наибольший эффект по снижению выбросов NO_x дает ввод дымовых газов рециркуляции через центральные каналы горелок. Однако широкого распространения этот способ не нашел, так как в некоторых случаях возникают проблемы с обеспечением стабильного воспламенения факела, особенно при переходе на сжигание мазута. В связи с этим чаще применяется ввод дымовых газов рециркуляции в смеси с дутьевым воздухом, а также по среднему или периферийному каналам горелок. При настенной компоновке горелок ввод газов рециркуляции в под топки, практически не приводит к снижению максимальных температуры в топке и мало влияет на выбросы оксидов азота.

Имеющийся опыт показывает, что для эффективной работы котла необходима установка двух дымососов рециркуляции газов - (ДРГ), обеспечивающих рециркуляцию около 20% продуктов сгорания на номинальной нагрузке. По данным наладочных испытаний, как правило, в работе рекомендуется держать только один ДРГ. Второй ДРГ находится в резерве или включается в работу в период неблагоприятной экологической обстановки.

При подаче газов рециркуляции во вторичный воздух актуально равномерное распределение инертных газов по отдельным горелкам. Для этой цели применяются теневые смесители. Конструкции смесителей и соответствующие компоновочные решения разработаны для котлов ТГМП-314, ТГМЕ-464 и некоторых других.

Так как котлы на ТЭЦ "Мосэнерго" большую часть времени работают на газообразном топливе, то в отдельных случаях используется схема с подачей дымовых газов рециркуляции из конвективной шахты на всас дутьевых вентиляторов (ДВ), позволяющая обойтись без установки дымососов рециркуляции. Успешный опыт внедрения такой схемы имеется на котлах ТГМ-96Б ТЭЦ-8 "Мосэнерго". Результаты испытаний (ВТИ) котла ТГМ-96Б ст. N16, проведенные при номинальной нагрузке, при традиционном и ступенчатом сжигании природного газа в сочетании с рециркуляцией дымовых газов (на всас ДВ) представлены на рис.1. Эти испытания показали достаточно высокую эффективность рециркуляции дымовых газов по принятой схеме. Так, при традиционном режиме сжигания природного газа ввод газов рециркуляции на всас ДВ (при r = 14%, при средних величинах коэффициента избытка воздуха в рассечке водяного экономайзера  = 1,08) приводит к снижению концентрации оксидов азота в дымовых газах котла от исходного уровня 660670 мг/нм³ (при традиционном сжигании) до величин 210220 мг/нм³ , т.е. более чем на 68%.

Для сравнения приведем экспериментальные данные (СНП МЭН) по аналогичному котлу ТГМ-96Б ТЭЦ-26 ст. N 1, на котором для осуществления рециркуляции дымовых газов установлены ДРГ (2 шт.). Газы рециркуляции забираются из газоходов после дымососов и через теневые смесители подаются в воздуховоды после РВП. В работе обычно находится один ДРГ, обеспечивающий при полной загрузке величину доли рециркуляции r = 8-10% при нагрузке котла близкой к номинальной, при этом снижение концентрации оксидов азота в дымовых газах составляет 7072% от уровня при традиционном сжигании газа, т.е. несколько выше, чем в варианте реализованном на ТЭЦ-8 (рис.1). Однако вариант ТЭЦ-8 при некотором проигрыше в эффективности значительно проще и требует меньше капитальных затрат.

В испытаниях котлов средней мощности ТЭЦ-8 было установлено, что рециркуляция дымовых газов при правильно выбранной схеме и способе ввода газов рециркуляции является одним из самых эффективных режимных методов подавления образования оксидов азота. В этом плане рециркуляция дымовых газов имеет преимущество и перед методами ступенчатого сжигания. Это хорошо видно из результатов испытаний (ВТИ) котла ТГМ-96Б ст. N 16 ТЭЦ-8 (см. рис.1). Конечно, в практике эксплуатации эти методы не противопоставляются, а наоборот, наиболее высокая степень подавления образования оксидов азота достигается при сочетании (там, где это возможно) рециркуляции дымовых газов и ступенчатого сжигания топлива.

В качестве показательного примера можно привести результаты, полученные на котле ТГМ-96Б ТЭЦ-26 ст. N 1 (рис.2), где при сочетании рециркуляции дымовых газов (схема с ДРГ) и ступенчатого сжигания (закрытие подачи газа в центральные каналы горелок верхнего яруса) концентрации оксидов азота в широком диапазоне нагрузок не превышали 100 мг/нм³ (при  = 1,4). Нежелательно еще одно противопоставление режимных методов подавления образования вредных веществ. Речь идет о вводе добавочной влаги в зону горения, когда из-за относительно невысокой эффективности и некоторого снижения экономичности котла этот метод не нашел широкого применения на котлах ТЭЦ

Рис.1

Концентрация оксидов азота в дымовых газах котла ТГМ-96Б,

ТЭЦ-8, ст.№16 в зависимости от коэффициента избытка воздуха

в рассечке водяного экономайзера (при D=D_ном)

1-традиционный режим сжигания газа ; 2-ступенчатое сжигание, r=0 ;

3-традиционный режим сжигания + рециркуляция дымовых газов, r=14%;

4-ступенчатое сжигание + рециркуляция дымовых газов (на всас в ДВ), r=9%.

Рис.2

Концентрация оксидов азота в дымовых газах котла ТГМ-96Б,

ТЭЦ-26, ст.№1 при ступенчатом сжигании газа в сочетании с

рециркуляцией дымовых газов в зону горения (в работе один ДРГ)

"Мосэнерго". В исследованиях МЭИ, ВТИ (на ТЭЦ-8, ТЭЦ-23) показано, что в режимах сжигания топлив с рециркуляцией дымовых газов, при ступенчатом сжигании, а особенно, при сочетании этих методов существует реальная опасность повышенного образования Н₂S, бенз(а)пирена и других особо опасных веществ (особенно при сжигании мазута), резко снижающих технические и экологические характеристики котла.

В исследованиях МЭИ [15] установлено, что хорошим средством предотвращения повышенного образования этих особо опасных веществ является небольшой (на уровне 510 % от расхода топлива) ввод добавочной влаги в зону горения. Поэтому наиболее оптимальным режимом сжигания природного газа и мазута является режим, сочетающий рециркуляцию дымовых газов, ступенчатое сжигание и ввод добавочной влаги в зону горения, что позволит на большинстве котлов позволит обеспечить необходимый уровень концентраций оксидов азота, предотвратить повышенное образование бенз(а)пирена и сохранить высокую надежность котлов.

Возвращаясь к вопросу об эффективности применения рециркуляции дымовых газов в зону горения, как метода подавления образования оксидов азота, отметим, что на ТЭЦ "Мосэнерго" этот метод наиболее широко внедрен на мощных котлах СКД различных типов: ТГМП-314, ТГМП-314П, ТГМП-344А и др. В большинстве случаев на котлах СКД основной эксплуатационный режим сжигания топлива - это сочетание рециркуляции дымовых газов в зону горения со ступенчатым сжиганием.

В качестве примера рассмотрим экспериментальные данные, полученные (СНП МЭН) на котле ТГМП-314П ТЭЦ-26 ст. N 3 . Котел этого типа оснащен двумя ДРГ, которые при полной загрузке обеспечивают при D = D_ном долю рециркуляции r =16-20%. В работе обычно находится один ДРГ и доля рециркуляции составляет 8%. Дымовые газы рециркуляции забираются за водяным экономайзером и вводятся в воздуховоды непосредственно на каждую из 8 подовых горелок без установки специальных смесителей. Для других котлов ТГМП-314П ТЭЦ-26 (ст.N4 и N5) схема рециркуляции аналогична.

Из представленных на рис. 3 данных видно, что при сжигании природного газа и при полной загрузке двух ДРГ в сочетании со ступенчатым сжиганием (подача части горячего воздуха через шлицы, установленные на фронтовой и задней стенах топки по четыре в одном ярусе) величины концентрации оксидов азота во всем диапазоне нагрузок котла ниже уровня 100 мг/м³ , т.е. существенно ниже нормы.

При нагрузке котла близкой к номинальной (D=900 т/ч) эффективность режимных мероприятий по отношению к исходной величине C_NOx=470 мг/м³ (при традиционном сжигании) превышает 80%.

При работе одного ДРГ (r = 8%) эффективность составляет 72%, что вполне достаточно, так как C_NOx в дымовых газах на уровне нормы.

Испытаниями на ТЭЦ "Мосэнерго" (ВТИ, ОРГРЭС, СНП МЭН и др.) установлено, что применение рециркуляции дымовых газов (особенно при больших величинах r = 10–20%) сопровождается рядом отрицательных моментов, прежде всего, это повышение температуры уходящих газов с увеличением доли рециркуляции. Проиллюстрируем это на примере экспериментальных данных (ОРГРЭС), полученных на котле ТГМП-314 ТЭЦ-23 ст.N 5 (рис. 4). При полной загрузке одного ДРГ температура уходящих газов повышается на всех нагрузках котла в среднем на 10–12С, что эквивалентно снижению КПД котла на 0,5–0,6%. С ростом газовой рециркуляции повышаются также расходы на собственные нужды котла как за счет затрат на привод ДРГ, так и дополнительных затрат на приводы ДВ и ДМС. Кроме того, дополнительно снижается экономичность блока за счет увеличения расходов на впрыск в промежуточный пароперегреватель. Таким образом, достижение норм по выбросам оксидов азота режимными методами сопровождается дополнительными потерями тепла и затратами на собственные нужды котла. И, тем не менее, в настоящее время наиболее оптимальный путь решения проблемы ограничения выбросов NOx, особенно на действующих ТЭЦ.

Рис.3.

Рециркуляция дымовых газов и ступенчатое сжигание природного газа

на котле ТГМП-314П, ТЭЦ-26, ст.№3 (все концентрации приведены к _ух=1,4)

Рис. 4.

Зависимости температуры уходящих газов от нагрузки котла

ТГМП-314(Ц), ТЭЦ-23, ст. № 5 при оптимальных избытках

воздуха с рециркуляцией и без рециркуляции дымовых газов

Нижняя кривая-ДРГ отключены ; верхняя кривая-полная загрузка одного ДРГ .