2.2. Ступенчатое сжигание топлива

В большом комплексе режимных методов снижения выбросов оксидов азота, применяют различные варианты стадийного - ступенчатого сжигания: разделение факела на две или более ступеней, причем в первой, высокотемпературной сжигание осуществляется с коэффициентом избытка воздуха меньшим единицы, а в последующих ступеняхдожигание продуктов недожога с относительно большим избытком воздуха, но при сравнительно низких температурах. В результате генерация оксидов азота на первой ступени тормозится из-за недостатка кислорода, а на последующих из-за относительно низкого уровня температур. Кроме того, образовавшиеся на первой стадии горения про-

дукты неполного сгорания (СО, Н₂, СН₄) создают зону с восстановительной средой, и образовавшиеся оксиды азота частично восстанавливаются до молекулярного азота. Все эти процессы определяют достаточно высокую (в отдельных случаях до 50%) эффективность ступенчатого сжигания, как метода подавления образования оксидов азота.

Выше, сравнивая по эффективности различные режимные методы подавления образования оксидов азота, уже касались некоторых результатов применения ступенчатого сжигания на котле ТГМ-96Б (см. рис. 1). Остановимся на этом подробнее. Топка этого котла оборудована четырьмя газомазутными вихревыми горелками ТКЗ, установленными в два яруса (по 2 в ярус) на фронтовой стене. Горелки имеют три воздушных канала - центральный и два периферийных. Воздух, поступающий в центральный канал, закручивается в улиточном коробе. Периферийные воздушные потоки закручиваются неподвижным тангенциальным лопаточным аппаратом. По оси горелки устанавливается паро-механическая мазутная форсунка. Газ вводится в горелку двумя потоками: центральным и периферийным. Производительность горелки по газу 8600 нм³/ч, по мазуту - 7900 кг/ч. Для реализации схемы ступенчатого сжигания на котле выполнен отвод части воздуха (вторичного) из обоих коробов горячего воздуха и подача его через четыре сдвоенных сопла, установленные на задней стене топки над горелками верхнего яруса (проект СКБ ВТИ). Режим ступенчатого сжигания может быть организован при равномерном распределении топлива по ярусам горелок, подаче части воздуха через сопла вторичного дутья и при изменении подачи центрального или периферийного газа на верхний ярус горелок в сочетании с подачей вторичного воздуха. Из экспериментальных данных (ВТИ), характеризующих эффективность различных вариантов ступенчатого сжигания на котле ТГМ-96Б ст. N 16 (ТЭЦ 8 "Мосэнерго") (см. рис.5), видно, что наиболее предпочтительным, является режим при ограничении (или закрытии) подачи центрального потока газа на верхний ярус горелок (кривая 3 рис. 8) в сочетании с рециркуляцией дымовых газов в зону горения при r = 810%. Данный режим сжигания природного газа позволяет решить проблему достижения норм по оксидам азота для котлов такого типа (кривая 4). Без рециркуляции в режиме “3” концентрация NOx в уходящих дымовых газах (в пересчете на  =1,4) будет на уровне 270 мг/м³, что существенно выше допустимых норм для котлов такого типа при сжигании газа. Близкие по эффективности результаты получены и на котлах ТГМ-96Б ТЭЦ-26 ст.N 1 и N 2 (см. рис. 2). На этих котлах ступенчатое сжигание организовано путем закрытия подачи газа в центральные каналы горелок верхнего яруса. На котле N 1, кроме того, в горелках верхнего яруса уменьшено в два раза количество газовыпускных отверстий периферийного ввода. На котле N 1 смонтирована также схема рециркуляции дымовых газов.

Сравнительная эффективность принятых вариантов ступенчатого сжигания и рециркуляции дымовых газов приведенная на рис.6, свидетельствует о том, что ступенчатое (двухступенчатое) сжигание несколько уступает по эффективности рециркуляции дымовых газов. Однако главный вывод состоит в том, что без применения ступенчатого сжигания невозможно решить главную задачу достижения допустимых норм по оксидам азота режимными методами при сжигании природного газа (да и мазута). Этот вывод в полной мере относится и к газо-мазутным котлам СКД энергоблоков Т-250/300-240 с котлами ТГМП-314 и ТГМП-344 различных модификаций.

Котлы ТГМП-314П ТЭЦ-26 (ст. N 3-5) переведены на ступенчатое сжигание путем установки на фронтовой и задней стенах топки на отметке 16 м воздухо-подающих шлицов по четыре в один ярус. Горячий воздух отбирается из существующих воздуховодов до врезки трубопроводов газов рециркуляции. Регулирование расхода и изменение направления воздушного потока в шлицах производится направляющими лопатками. Результаты обобщения большого количества экспериментальных данных, характеризующих эффективность ступенчатого сжигания на котле ТГМП-314П ТЭЦ-26 ст.N3 представлены на рис.3. Для этого котла исходный уровень концентраций оксидов азота при традиционном режиме сжигания газа, при номинальной паропроизводительности (1000 т/ч) и при  = 1,4 составляет 575 м/нм³. Отсюда следует, что эффективность собст-

венно ступенчатого сжигания (без рециркуляции дымовых газов) составляет около 45%. Включение в работу двух ДРГ с полной загрузкой (r = 16%) дополнительно к ступенчатому сжиганию позволяет достигнуть на этом котле допустимых норм по оксидам азота при номинальной нагрузке. Однако основным эксплуатационным режимом для этих котлов (ТГМП-314П ст. N 3-5) на ТЭЦ-26 является режим ступенчатого сжигания в сочетании с работой одного ДРГ при полной загрузке (r = 8%). Этот режим несколько проигрывает по эффективности (рис. 3), но при работе одного ДРГ увеличивается надежность работы котла, резервируется один ДРГ и удается избежать других отрицательных моментов, возникающих при работе с большой долей рециркуляции дымовых газов в зону горения.

Рис.5.

Зависимость концентрации оксидов азота в дымовых газах котла ТГМ-96Б, ТЭЦ-8, ст.№16 от коэффициента избытка воздуха в рассечке водяного экономайзера при D=D_НОМ и при различных режимах сжигания природного газа. 1-традиционный режим сжигания при r=0%;

2-ступенчатое сжигание: открыта подача вторичного воздуха, распределение газа по яру - сам горелок равномерное, r=0%; 3-ступенчатое сжигание: открыта подача вторичного воздуха, закрыта подача центрального потока газа на горелки верхнего яруса, r=0; 4-сочетание ступенчатого сжигания по варианту 3 с рециркуляцией дымовых газов при r=8-9%.

Рис.6.

Сравнительная эффективность ступенчатого сжигания и рециркуляции дымовых газов, как методов подавления образования оксидов азота. Котел ТГМ-96Б, ТЭЦ-26, ст.№1 (топливо-природный газ)

Анализ экспериментальных данных показывает, что подовая компоновка горелок на котле ТГМП-314П имеет преимущество в плане ограничения концентраций оксидов азота в дымовых газах, особенно в сочетании со ступенчатым сжиганием. Установка шлицов вторичного дутья на отметке 16 м и наличие протяженной зоны с восстановительной средой в нижней части топки позволяет в полной мере задействовать механизмы торможения генерации оксидов азота и восстановления образовавшихся NO до молекулярного азота.

Для сравнения можно привести данные по котлам ТГМП-314П ТЭЦ-25 работающим с большой долей рециркуляции дымовых газов (r=до 20% при двух ДРГ), но без ступенчатого сжигания. При номинальной нагрузке концентрация оксидов азота в дымовых газах этих котлов (при  = 1,4) на уровне 350 мг/нм³, т.е. значительно выше, чем у котлов ТГМП-314П ТЭЦ-26.

В качестве подтверждения оптимальности (преимуществ) схемы ступенчатого сжигания и схемы установки горелок на котлах ТГМП-314П можно привести данные по концентрациям оксидов азота в дымовых газах котлов ТГМП-344А ТЭЦ-26. Топка этих газоплотных котлов оборудована 16 вихревыми горелками, установленными в два яруса на фронтовой и задней стенах. Горелки трехканальные. В периферийном и центральном каналах установлены неподвижные направляющие аппараты для закрутки потоков. Через внутренний и центральный каналы подается воздух, а через периферийный смесь воздуха с газами рециркуляции. Газы рециркуляции отбираются из газоходов до РВП и подаются в воздуховоды перед горелками. Газ поступает по кольцевому каналу между центральной трубой и трубой внутреннего воздушного потока и затем распределяется через отверстия на тупиковом конце канала. Ступенчатое сжигание топлива на котле организовано путем отключения по топливу горелок верхнего яруса. При сжигании газа отключаются четыре горелки в шахматном порядке. На рис.7 представлена зависимость С_NOx в дымовых газах котла ТГМП-344А ТЭЦ-26 (ст.N6) при ступенчатом сжигании и полной загрузке одного ДРГ (r = 10%). Согласно этим данным уровень С_NOx при таком режиме существенно выше уровня С_NOx для котла ТГМП-314П (см. рис. 3) при соответствующем режиме сжигания газа, а также выше допустимых норм для оксидов азота. И только включение двух ДРГ на полную загрузку позволяет при номинальной нагрузке котла выйти на уровень допустимых норм .

Положительный опыт снижения выбросов оксидов азота на котлах ТГМП-314П ТЭЦ-26 получил развитие в оригинальной схеме трехступенчатого сжигания газа и мазута на котле ТГМП-344А ТЭЦ-25 ст. №7, где в дополнение к стадийному сжиганию и рециркуляции дымовых газов установлены полуподовые горелки вместо горелок настенной компоновки в первоначальном заводском варианте. По проекту завода «Красный котельщик» (совместно с Харьковским ЦКБ «Энергоремонт») топка котла ТГМП-344А была оснащена восьмью полуподовыми плоскофакельными горелками по четыре шт. на фронтовой и задней стенах.

Горелки, предназначенные для сжигания газа и мазута, а также их смеси представляют собой систему прямоточных соударяющихся струй. Каждая горелка состоит из трех частей: подовой - вертикальной, центральной - горизонтальной и верхней - сопла вторичного дутья. Наличие трех потоков воздуха, подаваемого в каждую из частей горелки, при соответствующей аэродинамике топки позволяет организовать трехступенчатое сжигание топлива. Более подробно конструкция этой горелки будет рассмотрена ниже. Здесь же отметим, что внедрение схемы трехступенчатого сжигания на котле ТГМП-344А ТЭЦ-25 ст. №7 позволило (в сочетании с рециркуляцией дымовых газов при r  20 %) достигнуть одного из самых низких уровней C_NOx в дымовых газах и уложиться в допустимые нормы для котлов такого класса при сжигании природного газа. Экспериментальные данные, представленные на рис.8, позволяют сравнить эффективность режимных мероприятий по снижению выбросов NOx на котлах ТГМП-344А с настенной компоновкой горелок и с полуподовой компоновкой горелок.

На основании проведенного анализа экспериментальных данных можно сделать главный вывод: применение комплекса режимных мероприятий при сжигании природного газа позволило уложиться в допустимые нормы по оксидам азота для большинства котлов ТЭЦ "Мосэнерго". Что касается сжигания мазута, то здесь дело обстоит сложнее. Экспериментальные данные по котлу ТГМП-344А ТЭЦ-26 ст. №6 показывают, что при сочетании ступенчатого сжигания с рециркуляцией дымовых газов (в работе два ДРГ, r  20 %) достижение допустимых норм по оксидам азота практически возможно.

На котле ТГМП-344А ТЭЦ-25 ст. №7 в режиме трехстадийного сжигания и при работе двух ДРГ также достигнут уровень C_NOx в 250 –

280 мг/нм³. Однако при работе котлов в таком «рекордном» по снижению C_NOx режиме в районе экранов нижней радиационной части в восстановительной газовой среде было обнаружено повышенное содержание H₂S (на уровне 0,07 объемных %). При длительном сжигании мазута в таком режиме велика опасность газовой коррозии экранных труб котла СКД. Установлено также, что в таких режимах сжигания мазута повышается интенсивность образования бенз(а)пирена. Поэтому такой режим сжигания мазута не может быть рекомендован к длительной эксплуатации котла. Менее опасными являются режимы сжигания мазута с меньшими долями рециркуляции дымовых газов (r  8–10 %). Однако в этом случае C_NOx в дымовых газах при номинальной нагрузке котла составляют 400–600 мг/м³ , что существенно выше допустимых норм.