2.3. Горелки с низким выходом nOx

В решении проблемы снижения выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов наряду с рассмотренными выше режимными методами значительное место принадлежит реконструкции горелочных устройств. Например на ТЭЦ "Мосэнерго" выполнен большой объем работ, по замене горелок первоначального заводского исполнения на горелки с пониженным выходом оксидов азота, по реконструкции и усовершенствованию существующих горелок котлов, по внедрению наиболее совершенных схем аэродинамики топочных устройств и др. Все эти мероприятия входят в общий комплекс природоохранных мероприятий, проводимых на ТЭЦ "Мосэнерго".

Рис. 7.

Ступенчатое сжигание газа на котле ТГМП-344А, ТЭЦ-26, ст.№6

в работе одной ДРГ

Рис. 8.

Ступенчатое сжигание газа в сочетании с рециркуляцией дымовых газов на котлах ТГМП-344А, ТЭЦ-26 , ст.№6 (верхняя кривая) и ТГМП-334А(пп), ТЭЦ-25, ст.№7 (нижняя кривая)

Вот некоторые из наиболее значимых работ этого комплекса:

-замена горелок на котле ТГМ-96А ТЭЦ-8 (ст. №10) - вместо 18 заводских горелок расположенных в три яруса на фронтовой стене установлены 12 горелок с пониженным выходом оксидов азота в два яруса;

-реконструкция горелок и усовершенствование аэродинамики топки котла ТП-87 ТЭЦ-11 ;

-реконструкция топочно-горелочных устройств котла ТГМП-314Ц ТЭЦ-21

(ст. № 8 и № 9) (замена четырех циклонных предтопков на 16 прямоточно-вихревых горелок тангенциальной компоновки на фронтовой и задней стенах топки, а также установка сопел вторичного дутья с оригинальной аэродинамикой ввода вторичного воздуха в топку);

-аналогичная реконструкция котла ТГМП-314Ц на ТЭЦ-23 (ст. №5);

-установка на котле ТГМП-344А ТЭЦ-25 (ст. №7) полуподовых, плоскофакельных горелок и усовершенствование аэродинамики потоков воздуха и газов рециркуляции в топке с переводом котла на трех стадийное сжигание;

-реконструкция горелочных устройств и усовершенствование аэродинамики топки (схема ПВФ) водогрейных котлов КВГМ-180 ТЭЦ-25 (ст. № 7,8);

-установка на котлах ПТВМ горелок двухступенчатого сжигания (ГДС).

Для характеристики уровня проводимых работ, сложности и эффективности внедряемых мероприятий остановимся подробнее на двух работах: реконструкция горелочных устройств котлов ТГМП-314Ц ТЭЦ-21 (ст. №8 и №9) и ТЭЦ-23 (ст. №5), и установка полуподовых горелок на котле ТГМП-344А ТЭЦ-25 (ст. №7).

На котле ТГМП-314Ц в качестве горелочных устройств в заводском варианте были установлены четыре циклонных предтопка, размещенных в один ряд, встречно: по два циклона на фронтовой и задней стенах топки на отметке 4,88 м. Опыт эксплуатации показал, что для этой модификации котлов ТГМП-314 характерны наиболее высокие концентрации оксидов азота в дымовых газах. Так, для котла ТГМП-314Ц ТЭЦ-21 (ст. №8) исходный уровень C_NOx в дымовых газах при номинальной нагрузке, при традиционном режиме сжигания природного газа с оптимальным избытком воздуха составлял 1125 мг/м³. С рециркуляцией дымовых газов при r  10 % эта величина составляла приблизительно 500 мг/м³. С целью снижения выбросов NOx в 1993 г. котел ст. № 8 был реконструирован.

Вместо циклонов на фронтовой и задней стенах топки установлены 16 блочных, трехсекционных прямоточно-вихревых горелок (в два яруса на отметках 4,45 и 7, 45 м) с тангенциальной компоновкой и организацией двухвихревого сжигания топлива.

Установленные в два яруса горелки, образуют в каждой полутопке вихрь из смеси топлива, воздуха и газов рециркуляции (рис. 9). Вихри полутопок имеют встречное направление вращения. В схемах газомазутопроводов предусмотрена возможность перераспределения топлива по ярусам горелок для поддержания требуемого соотношения «топливо-воздух» по сторонам котла. Выше горелок на отметке 11,3 м смонтированы восемь сбросных сопел с подачей через них до 10 % расхода воздуха на котел. Сбросные сопла образуют свои два вихря, направленные в сторону, противоположную основному вихрю полутопки. Горелка представляет собой короб прямоугольного сечения с размерами в выходной части 1772 мм по высоте и 516 мм по ширине, разделенный на три равновеликие секции. В каждой секции на расстоянии 150 мм от выходной кромки короба помещен аксиальный завихритель  260 мм. В центре каждого завихрителя установлены трубы  76х4 мм под форсунку или под гляделку. В горелке принята трубчатая подача газа, через шесть газораздающих труб 57мм (в каждой секции), на концах которых установлены газораздающие насадки. В торце насадков расположены по два отверстия  21,5 мм, одно из которых направлено параллельно оси трубы, а другое под углом 45⁰ в сторону центра завихрителя.

Результаты испытаний котла ТГМП-314Ц (ст. №8) после реконструкции показали, что концентрации оксидов азота в дымовых газах резко снизились. Более того, после того как на котле удалось преодолеть эксплуатационные трудности, возникающие при включении двух ДРГ на полную нагрузку, был достигнут самый низкий (для котлов такого класса) уровень C_NOx при сжигании природного газа в режиме сочетающем ступенчатое сжигание и рециркуляцию дымовых газов (при r  18-20 %). Испытания реконструированного котла ТГМП-314Ц показали также, что уложиться в допустимые нормы по оксидам азота можно и при одном ДРГ (при r  8-10 %). При двух работающих ДРГ уровень допустимых норм по оксидам азота достигается на этом котле и при сжигании мазута (C_NOx = 200 - 220 мг/м³).

Рис.9.

Двухвихревое сжигание топлива на котле ТГМП-314.

Рис. 10. Система DENOX Топсе

Однако по причинам, о которых довольно обстоятельно говорилось выше, такие режимы сжигания мазута не могут быть рекомендованы для длительной эксплуатации.

Другим эффективным природоохранным мероприятием является установка полуподовых горелок на котле ТГМП-344А ТЭЦ-25 (ст. № 7). Ранее мы коротко касались схемы и результатов, полученных после ее внедрения (рис. 8). Рассмотрим более подробно работы по усовершенствованию этих горелок и аэродинамической схемы топки котла.

После реконструкции топка котла ТГМП-344А оборудована восьмью газомазутными, полуподовыми, плоскофакельными горелками и восьмью соплами вторичного дутья (на отметке на 9,5 м выше осей горизонтальных каналов горелок), расположенными встречно на фронтовой и задней стенах топки в один ярус. Подовая часть горелки представляет собой короб прямоугольной формы, разделенный перегородкой на два канала. По внешнему каналу, расположенному ближе к центру топки, поступает «первичный» воздух. По внутреннему каналу поступают газы рециркуляции. Направление газовых и воздушных потоков подовых каналов под углом 15⁰ к вертикальной оси от стены к центру топки. В канале газов рециркуляции установлена перегородка, направляющая часть газов в центральную часть горелок для защиты от обгорания. Центральная часть горелок состоит из короба для подачи горизонтального «вторичного» воздуха, а также топливоподающего устройства. В состав последнего входит закладная труба для установки форсунки и четыре газораздающие трубы.

Верхняя часть горелки (сопла третичного дутья) состоит из восьми коробов, т.е. над каждой горелкой сопло. Максимальный расход «третичного» воздуха через сопла составляет 35 % от расхода воздуха на котел. Схема воздушного тракта позволяет изменять величину расхода третичного воздуха и перераспределять расходы воздуха между каналами горелок.

На котле было выполнено два этапа реконструкции и усовершенствования полуподовой горелки. На 1-м этапе были установлены направляющие листы под углом 20⁰ на выходе из коробов «вторичного» воздуха и уменьшены размеры сопел с 600х565 мм до 600х280 мм; изменен узел ввода природного газа в топку; уменьшено входное сечение коробов, подводящих третичный воздух к соплам в местах врезки их в общий воздуховод с 800х630 мм до 500х630 мм.

На 2-м этапе реконструкции входное сечение коробов, подводящих воздух к соплам, в местах врезки их в общий воздуховод, уменьшено с 500х630 мм до 300х630 мм с последующим увеличением размеров у сопел над горелками №2 и №6 до 370х630 мм.

Все эти изменения в конструкции горелок позволили оптимизировать аэродинамическую схему потоков и реализовать на котле трехступенчатое сжигание топлива. В ходе экспериментов установлено оптимальное распределение расходов воздуха по каналам горелок: подовые сопла - первичный воздух - 45-50 %; нижние горизонтальные сопла- 22–24 %; сопла третичного дутья 26–28 %. Анализ результатов по снижению выбросов оксидов азота при реконструкции котла приведен выше (см. рис. 8).

В заключение отметим, что эффективность лучших природоохранных мероприятий (по NOx), полученная на котлах ТЭЦ «Мосэнерго» путем рациональной организации процесса сжигания топлива (ступенчатое сжигание + рециркуляция дымовых газов) или при сочетании режимных методов с реконструкцией горелочных устройств, составляет около 80 %. Это вполне соизмеримо с эффективностью каталитической очистки дымовых газов от NOx, но значительно дешевле. Поэтому принятая в Мосэнерго стратегия по охране атмосферы от вредных выбросов, основанная на режимно-технологических мероприятиях, представляется вполне оправданной как в экологическом, так и в технико-экономическом плане. Такой же вывод можно сделать и на основании работ по внедрению режимных мероприятий по подавлению оксидов азота на Сургутской ГРЭС, Костромской ГРЭС, Каширской ГРЭС и других ТЭС России.