А) б) в)

Рис.6. Различные схемы ступенчатого сжигания для снижения выбросов оксидов азота на пылеугольных котлах

а— двухступенчатое сжигание; б — трехступенчатое сжигание; в__концентрическое сжигание;

Вторая группа— это схема предполагает сжигание 80—85 % топлива с обычным избытком воздуха (1,05—1,10) и создание восстановительной зоны выше основной зоны горения за счет ввода оставших­ся 15—20 % топлива с недостатком окислителя.

В верхнюю часть топки подается третичный воз­дух, необходимый для догорания продуктов неполно­го сгорания из восстановительной зоны. Эта схема с успехом опробована на нескольких котлах, в том числе и при сжигании высокосернистого донецкого угля марки Г на котле СКД Ладыжинской ГРЭС .Котел производительностью 950 т/ч имеет параметры 25 МПа, 545/545 °С. Топка котла — с жидким шлакоудалени-ем. Вихревые пылегазовые горелки расположены встречно на фронтовом и заднем экранах в два яруса по высоте по восемь горелок в каждом ярусе. Пыль подается к горелкам сушильным агентом, но часть су­шильного агента при работе на ухудшенном топливе сбрасывается в топку через два сопла, размещенных на фронтовой стене выше верхнего яруса горелок.

Учитывая наличие на Ладыжинской ГРЭС при­родного газа, решили для дополнительных горелок использовать природный газ (15—20 % по теплу), а число и размещение основных пылеугольных горе­лок оставить без изменения. Дополнительные газо­вые горелки были выполнены прямоточными и установлены встречно на фронтовом и заднем эк­ранах. Сопла третичного воздуха были размещены выше дополнительных горелок также на фронтовом и заднем экранах.

Для обеспечения требуемой по условию шлакова­ния ширм температуры газов в верхней части топки был установлен аэродинамический выступ

.

Переход на схему трехступенчатого сжигания предполагает наличие в топке восстановительной зоны в результате чего можно ожидать некоторого снижения интенсивности горения угля. В свою очередь, это может привести к росту температуры газов в конце топки Т", перераспределению падающих тепловых потоков в топке, повышению потерь тепла с механическим недожогом q₄, появлению сероводородной пристенной области экранов топки и усилению процессов их высокотемпературной коррозии. Реализована на ряде крупных котлов так называемая «упрощен ная с:хема трехступенчатого сжигания, которая предполагает использование существующих горелок верхнего яруса для создания восстановительной зо­ны.

Особенно благоприятным (в экологическом плане) оказался режим, когда в горелках верхнего яруса сжи­гался природный газ, а в горелках нижних ярусов — уголь

Режим трехступенчатого сжигания обеспечивается:

• установкой двухступенчатого лопаточного завихрителя с разделением аэросмеси на три потокас различной концентрацией пыли;

• сбросом части обеспыленного сушильного аген­та и вторичного воздуха над двумя ярусами горелок;

• поддержанием в горелках верхнего яруса пониженного избытка воздуха с целью формирования восстановительной среды.

Уменьшение концентрации оксидов азота соста­вило 45—50 %.

Последний пример внедрения технологии упро­щенного трехступенчатого сжигания — котел ТП-230 ТЭЦ-17 ОАО «Мосэнерго». Этот котел рабо­тает на подмосковном буром угле и природном газе. Номинальная паропроизводительность котла 230 т/ч при параметрах пара 9,8 МПа, 510 °С. Топка котла — с твердым шлакоудалением, фронтальным расположе­нием четырех шахтных амбразур. В эти амбразуры встроены сопла вторичного воздуха, внутри которых размещаются газовые сопла (рис7).

Рис. 7. Схема ступенчатого сжигания, внедренная на котле ТП-230 ТЭЦ-17 ОАО «Мосэнерго»

К недостатком метода трехступенчатого сжига­ния можно отнести некоторое усложнение схемы по­дачи топлива в топочную камеру, поскольку появля­ется дополнительный ярус горелок, работающих с недостатком воздуха. В некоторых случаях при ре­конструкции действующих котлов необходимость установки дополнительных горелок создает сущест­венные трудности.

На рис.6, в представлена еще одна схема, не требующая установки дополнительного яруса горе­лок. В этой схеме восстановительная зона формиру­ется в центральной части топки, вдали от топочных экранов, что позволяет избавиться от таких побочных явлений, как шлакование топочных экранов или их высокотемпературная коррозия. Эта схема получила название «концентрическое сжигание», и в последние годы она все чаще используется для снижения выбро­сов NO_X при сжигании высокореакционных углей на электростанциях Европы, США и Японии.

Восстановительная зона в этой схеме обеспечива­ется изменением конструкции прямоточных горелок, установленных вблизи углов топочной камеры. На

Рис.8.показан один из вариантов такой горелки, и установ­ки на котле ТП-85 Иркутской ТЭЦ-9. Верхнее сопло вторичного воздуха в этой горелке отклоняться от оси горелки на угол . В результате этого в центре топки образуется зона, обогащенная топливом, а вблизи экранов — среда, обогащенная воздухом. Ступенчатость по горизонтали даст почти такой же эффект, как и ступенчатость повертикале.

По А—Л

Рис 8.. Прямоточная пылеугольная горелка для организации концентрического сжигания 1-аэроемесь; 2 — верхнее поворотное сопло вторичного воздуха;3 — поворотная заслонка для регулирования расхода нижнего потока вторичного воздуха.

В результате новой организации топочного процесса на всех котлах удалось снизить концентрацию оксидов азота в дымовых газах в 1,5—2 раза, а экономичность котлов осталась прак­тически на прежнем уровне.

Эффективность схемы концентрического сжига­ния определяется степенью обогащения топливом центральной зоны топочной камеры и соответствен­но обогащения воздухом периферийной зоны, при­мыкающей к топочным экранам. Понятно, что увели­чивая долю вторичного воздуха, который отклоняет­ся от направления струй топливовоздушной смеси, и увеличивая угол (в плане) между этими двумя по­токами, мы можем добиться более глубокого сниже­ния выбросов NO₂.. Однако увеличение времени пре­бывания топлива в зоне с недостатком окислителя приводит к снижению скорости выгорания коксового остатка, а время пребывания в верхней части топки, после ввода третичного воздуха, ограничено сущест­вующими размерами топочной камеры. Неполное сгорание топлива, как известно, увеличивает потери тепла и снижает качество летучей золы. Поэтому при внедрении схемы концентрического сжигания не­обходимо знать зависимость степени снижения выбро­сов NO_V от конструктивных параметров концентриче­ской схемы, а также влияние степени концентрично­сти на содержание горючих в уносе.

Третичный воздух

Рис.9 Схема ввода топлива и воздуха на реконструированном котле ТП-92 Добротворской ГРЭС (Украина)

При такой схеме в нижней части топки формиро­валась основная зона горения, куда поступало 2/3 (при работе на угле) или 3/4 (при работе на газе) всего топлива с коэффициентом избытка воздуха ос= 1,07. После ввода через реконструированные со­пла 33 % угля или 25 % природного газа с недостат­ком воздуха коэффициент избытка воздуха в средней части топки снижался до а = 0,937. На выходе из топки за счет третичного дутья поддерживался нор­мальный избыток воздуха а" = 1,2.мелкодисперсная (R₉₀ = 6—8 %) что позволило из­бежать затягивания факела в верхнюю часть топки. В отличие от известных решений здесь для полу­чения восстановительной среды использовалась часть основного топлива

Исходя из желания свести к минимуму объем ре­конструктивных работ, электростанция выбрала вари­ант упрощенного трехступенчатого сжигания, кото­рый предполагал по аналогии с Добротворской ГРЭС уменьшение выходного сечения канала, подающего воздух в верхнюю часть факела, и монтаж сопл тре­тичного воздуха на фронтовом и заднем экранах.

Испытания котла были проведены только после завершения реконструкции, поэтому выбросы окси­дов азота в базовом режиме оценивались по данным, полученным на ТЭЦ. В соответствии с этими данны­ми концентрация N0^ в дымовых газах составляла:

при сжигании природного газа 300—390 мг/м³, при работе на подмосковном угле 1025 мг/м³.

При закрытых шиберах третичного воздуха, когда подавление NO_V осуществлялось только благодаря перераспределению избытков воздуха между верх­ней и нижней частями основного факела, концентра­ция N0^ составила: при сжигании газа 280 мг/м³, при работе на угле 730—750 мг/м³.

Вторая группа опытов была проведена при откры­тии шиберов третичного воздуха на 50 %. В этих опытах концентрация NO_V снизилась до 185 мг/м³при сжигании газа и до 580 мг/м³ при сжигании угля. И, наконец, при полностью открытых шиберах, т.е. при расчетной схеме упрощенного трехступенчатого сжигания, концентрация NO_t в дымовых газах соста­вила: при сжигании газа 74—90 мг/м³, при работе на угле 450—480 мг/м³. При этом котел работал устой­чиво, химический и механический недожог остава­лись примерно на том же уровне, что и до внедрения новой технологии сжигания.

. Рециркуляция дымовых газов

Подача некоторой части дымовых газов из газо­хода за котлом или за экономайзером в ядро горения уменьшает максимальную температуру и действую­щую концентрацию кислорода. Результатом этого является снижение количества оксидов азота в про­дуктах сгорания.

Эффективность этого метода подавления NO_V оп­ределяется не только количеством рециркулирующих дымовых газов, но также способом их подачи в ядро горения и уровнем температуры в топке до ввода газов рециркуляции. При низкотемпературном сжигании эффективность рециркуляции может ока­заться незначительной, но при сжигании газа и мазу­та в высоконапряженных топках даже умеренная ре­циркуляция дымовых газов позволяет в 3—4 раза снизить выбросы N0^.

На пылеугольных котлах эффект от рециркуляции дымовых газов может быть получен только в случае замещения этими газами первичного воздуха, транс­портирующего угольную пыль к горелкам.

Предварительный подогрев угольной пыли

Одним из наиболее эффективных средств подавления топливных оксидов азота является предварительный подогрев угольной пыли до температуры, при которой начинается активный выход летучих.

Если этот процесс организовать до поступления топлив топку и при существенном недостатке окислителей^:, то большая часть азотсодержащих компонентов переходит в молекулярный азот в результате концентрация NO в продуктах сгорания снижается в 2—5 раз, а процесс горения коксовых частиц в факеле начинается на более ранней стадии, чтоможет снизить содержание горючих в уносе.

Для широкого внедрения этого метода на энергетических котлах предстоит еще решить ряд инженерных проблем, связанных с необходимостью подогревать угольную пыль до требуемой температуры до ее поступления в топку.

Иследования, проведенные В.И. Бабием и его со­пками в конце 70-х—начале 80-х годов, показали образование топливных оксидов азота факеле происходит при разложении азотистых соединений топлива в процессе выхода летучих веществ из частиц угольной пыли на начальном участке факела .В связи с этим идея разработки нового метода уменьшения окислов в топках котлов путем такой обработки угольной пыли до подачи ее в камеру сгорания, которая позолила бы перевести азотистые соединения в химически неактивное состояние. Одним из средств достижения этой цели является предварительная термическая обработка угольной пыли.

Первые же опыты подтвердили перспективность метода. В ВТИ была создана специальная ментальная установка, на которой проводились исследования, показавшие что метод является одним из наиболее эффективных способов подавления образования азота в пылеугольных топках и позволивший уменьшить выбросы NO_V. с дымовыми газами в 2-5раз в зависимости от температуры и условий подогрева угольной пыли.

По мере повышения степе­ни метаморфизма угля для достижения заданного снижения выхода NO_X требуется более высокий по­догрев пыли. Например, для снижения концентрации N0^ за камерой сгорания в 4 раза для тощего угля требуется подогрев на 200 К выше, чем для пыли бу­рого угля. И второй: подогрев пыли дает снижение выхода топливных NO_X лишь после превышения не­которого критического уровня температуры, причем этот критический уровень возрастает для углей с более высо­кой степенью метаморфизма.

Эффект снижения выхода N0_х. в топке при пред­варительной термической обработке пыли проявля­ется лишь при определенных условиях подогрева пыли. Избыток воздуха в пылеподогревателе должен соответствовать коэффициенту избытка 0,04—0,06.