5.1. Газомазутные малотоксичные горелки Классификация малотоксичных горелок

Горелочные устройства с пониженным выходом оксидов азота, или так называемые малотоксичные горелки, получили широкое распространение во всем мире. Использование малотоксичных горелок наиболее надежный и эффективный способ снизить выход оксидов азота. Независимо от квалификации обслуживающего персонала обеспечивается надежность работы горелочных устройств, а высокая эффективность достигается совмещением в одном устройстве различных способов снижения образования NO_x, таких как ступенчатое (стадийное) сжигание топлива, ввод газов рециркуляции в зону горения, подача пыли высокой концентрации и др.

В настоящее время известно много типов горелок с пониженным образованием NO_x, которые по конструктивным признакам и принципам сжигания можно разделить:

на горелки нестехиометрического сжигания;

горелки ступенчатого сжигания;

горелки стадийного сжигания;

горелки с предварительным подогревом угольной пыли; комбинированные горелочные устройства.

Различие между ступенчатым и стадийным сжиганием достаточно условное. Эти способы организации сжигания топлива принято разделять по следующим признакам.

Под ступенчатым сжиганием обычно подразумевают такой процесс горения, при котором с топливом через горелочное устройство организованно подается только часть воздуха; остальной воздух, необходимый для полного выгорания топлива, поступает в топочную камеру в виде дополнительного дутья через специальные сопла или шлицы, расположенные обычно по периферии горелки. При этом суммарное количество подаваемого непосредственно через горелку воз­духа всегда меньше теоретически необходимого объема (т.е. α_гор < 1).

При стадийном сжигании процесс горения топлива разбивается на несколько явно выраженных стадий с разными локальными избытками воздуха (α₁ < α₂ < ... < 1), что достигается распределенным по длине факела подводом воздуха. При этом коэффициент избытка воз­духа в горелке не меньше стехиометрического значения (α_гор ≥ 1).

При сжигании твердого топлива рециркуляция продуктов сгорания в качестве природоохранного мероприятия не применяется ввиду малой эффективности. Исключение составляет ряд теплонапряженных топок с ЖШУ. Это связано с тем, что заметное образование термических оксидов азота при сжигании твердых топлив возможно только в топках с ЖШУ. Однако применение рециркуляции для снижения выхода NO_x в таких топках возможно лишь в том случае, если снижение температуры в топке не повлияет на устойчивость выхода жидкого шлака.

Эффективность подавления образования оксидов азота при вводе газов рециркуляции определяется следующими факторами: местом отбора газов на рециркуляцию; условиями их ввода в топочную камеру; степенью рециркуляции r, %; распределением газов рециркуляции по объему топочной камеры; состоянием котла.

Существует несколько способов ввода газов рециркуляции в топку:

в под (нижнюю часть) топки;

в шлицы под горелками;

в воздухопровод горячего воздуха;

непосредственно в горелочное устройство в один из воздушных потоков или между потоками воздуха;

в горелку в поток топлива.

Эффективность снижения выбросов оксидов азота при реализации этих способов существенно различается.

Иногда внедрение рециркуляции на действующих котлах серьезно затруднено из-за отсутствия свободного пространства для установки дымосос рециркуляции дымовых газов и прокладки дополнительных газоходов. В этих случаях может быть реализован третий способ рециркуляции газов. Он заключается в устройстве перемычки между газоходом непосредственно за дымососом и воздухопроводом перед дутьевым вентилятором.

В этом случае дымовые газы с выхлопа дымососа (с избыточным давлением) самотеком поступают на всас дутьевого вентилятора (находящегося под разрежением). Количество рециркулирующих газов регулируется с помощью шибера, установленного на перемычке. Данный способ подачи газов рециркуляции отличается самыми короткими газоходами и отсутствием ДРГ, ввиду чего он намного дешевле остальных способов. К достоинствам такой упрощенной схемы следует также отнести хорошее перемешивание продуктов сгорания с воздухом в дутьевом вентиляторе (известны случаи, когда неудовлетворительные условия ввода и смешения газов рециркуляции в воздушном коробе снижали эффективность подавления оксидов азота). Недостатками упрощенной схемы являются ограничение максимальной степени рециркуляции, которая, как правило, составляет 12–15 % (определяется запасом производительности тягодутьевых машин), возможность усиления коррозии и заноса воздухоподогревателя отложениями при сжигании мазута, дополнительная нагрузка дутьевого вентилятора и дымососа.

Горелки двухстадийного сжигания

Сжигание больших количеств топлива в горелке с малой длиной факела и широкими пределами стабилизации пламени, а также необходимость использования одного и того же горелочного устройства для сжигания двух, а иногда и трёх видов топлива делают весьма привлекательным применение вихревых горелок в энергетических и промышленных котлах. Вместе с тем применение закрутки воздушного потока обычно повышает концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания в связи с более высокой интенсивностью выгорания и более высокими температурами в корне факела. При наличии закрутки воздуха положение температур в вихревом потоке смещается в сторону устья горелки по сравнению с прямоточным. Однако осуществить полный переход от вихревого факела к прямоточному в котельных установках часто не представляется возможным в связи с ограниченностью размеров топочных камер и свободной площади стен и необходимостью обеспечить достаточно высокий уровень температур при сжигании в одном и том же горелочном устройстве не только газа, но также мазута и твёрдого топлива.

По данным ВТИ применение прямоточных горелок вместо вихревых позволяет на 16–18 % снизить выбросы оксидов азота. Исследования проведённые сотрудниками лаборатории «Термическая подготовка КАУ» КГТУ, на котлах Красноярской ТЭЦ-1, хорошо подтверждают вышесказанное /1/. Сигал и его сотрудники разработали вихревые горелочные устройства с комбинированным подводом воздуха, в которых снижение выброса оксидов азота, регулирование температуры, размеров и параметров вихревого факела осуществляются изменением доли воздуха, подаваемого прямым (незакрученным) потоком по оси вихревой горелки /2/.

Институтом газа (Украина) были разработаны газомазутные горелки двухстадийного горения ГДС-50 (рис. 1.1). Были разработаны два варианта: с использованием существующей газовой камеры и с полной заменой горелки. Горелки двухстадийного горения по своим габаритным размерам аналогичны заводским. Поэтому при их установке нет необходимости в реконструкции горелочных амбразур и трактов подвода воздуха и газа и переоборудование котлов осуществляется при минимальных затратах. В горелке дутьевой воздух в закрученный поток первичного воздуха радиальными струями из газовой камеры, смешивается с ним и сгорает на выходе из амбразуры, образуя первичную зону горения с недостатком окислителя.

Р ис. 5.1. Горелка двухстадийного сжигания газа с заводской газовой камерой: 1 – колено воздуховода; 2 – патрубок для мазутной форсунки; 3 – лопаточный закручивающий аппарат; 4 – осевая труба для подачивторичного воздуха; 5 – газовая камера; 6 – глазок; 7 – патрубок для охлаждения ЗУ (запально-сигнальное устройство).

разделяется на первичный и вторичный. Первичный воздух приобретает вращательное движение в результате прохождения через аксиальный лопаточный аппарат; вторичный поступает по оси горелки прямым потоком через центральную осевую трубу в топочную камеру.

На некотором расстоянии от среза горелки струя вторичного воздуха инжектирует продукты неполного сгорания, образовавшиеся на первой стадии горения. При контакте с осевым потоком воздуха эти продукты окисляются, образуя вторую реакционную зону. Соотношение расхода вторичного и первичного воздуха определяется соотношением коэффициента аэродинамического сопротивления трактов вторичного и первичного воздуха и их проходными сечениями. В горелках двухстадийного сжигания, установленных на котлах ПТВМ-50, соотношение вторичного и первичного воздуха находится в диапазоне 0,2–0,4.

Горелки с рециркуляцией

На котлах ТГМП-314А (энергоблоки 300мвт) Институтом газа АН Украины были проведены две серии опытов по изучению влияния схемы подачи рециркуляционных газов через горелку. В первой серии была использована существующая система рециркуляции, которая предусматривает ввод рециркуляционных газов по кольцевому периферийному каналу газомазутной горелки конструкции ХФ ЦКБ-ТКЗ (Харьковский филиал ЦКБ) производительностью 4350 кг/ч мазута с паромеханической форсункой типа «Факел». Увеличение степени рециркуляции незначительно влияет на выход оксидов азота вследствие нерациональной схемы подачи рециркуляционных газов в топку. По существующей схеме рециркуляционные газы из-за конического раскрытия торкретированной насадки направляются мимо зоны горения, слабо влияя на её температурный уровень. Для усиления влияния рециркуляционных газов на зону горения Институтом газа АН Украины, ВТИ и ТЭЦ-5 Киевэнерго проведена реконструкция горелок, которая заключалась в том, что торкретированные насадки, разделяющие потоки рециркуляционных газов и воздуха, были удалены, а камеры периферийной подачи газа - укорочены. Таким образом, в полости горелки была организована камера предварительного перемешивания рециркуляционных газов с периферийным потоком воздуха, что позволило подать рециркуляционные газы в смеси с воздухом непосредственно в зону горения и, следовательно, более интенсивно охладить её (рис. 1.2).

Во время второй серии опытов котёл работал в номинальном режиме по нагрузке, коэффициент избытка воздуха перед водяным экономайзером составлял 1,02–1,04, степень рециркуляции дымовых газов изменялась от 2,8 до 17 %. При работе на реконструированных горелках рециркуляция дымовых газов более эффективно снижает выход оксидов азота. Повышение степени рециркуляции от 2,8 до 17% соответствовало снижению концентрации оксидов азота в дымовых газах от 625 до 350 мг/м³, т.е. каждый процент повышения степени рециркуляции снижает выход оксидов азота на 3 % (до реконструкции 1 %).

На основании проведённых исследований совместно с ВТИ и Таганрогским ПО «Красный котельщик» разработаны горелочные устройства с перемешиванием части воздуха и газов рециркуляции в пределах горелки для двух энергоблоков 800 Мвт Сургутской ГРЭС-2 (котлы ТГМП-204), работающих на природном газе.

Реконструкция сводится к следующему:

1) длина обечайки, разделяющей каналы рециркуляционных газов и вторичного воздуха, укорачивается на 300 мм или в ней делаются прорези вдоль каналов длиной 300–400 мм;

2) длина обечайки, разделяющей каналы первичного и вторичного воздуха, уменьшается со стороны амбразуры на 200 мм;

3) закрутка вторичного воздуха ликвидируется.

Рис. 5.2. Схема горелочного устройства с подачей газов рециркуляции между каналами воздуха (в «рассечку»)

Ещё одним типом горелочного устройства с пониженным выходом NO_x является разработанная САФ ВНИИПромгаз, ВТИ и ХФ ЦКБ. Минэнерго экологически чистая газомазутная горелка большой мощности. На рисунке представлена горелка с пониженным выходом оксидов азота, разработанная для энергетических котлов. В конструкции этой горелки эффект снижения выбросов NO_x достигается путём подачи дымовых газов рециркуляции по кольцевому каналу между центральным и периферийным каналами воздуха, что создаёт в горелке две ступени сжигания топлива, а также путём подачи природного газа в кольцевой канал дымовых газов рециркуляции через систему газораздающих трубок. Смешение природного газа с дымовыми газами рециркуляции приводит к затягиванию процесса воспламенения и как следствие – к снижению выбросов NO_x. Внедрение таких горелок на котлах производительностью 320 т/ч Шатурской ГРЭС позволило снизить выбросы NO_x от 335 до 120 мг/м³ при работе на газе и от 510 до 250 мг/м³ при работе на мазуте (О₂ = 6%). При этом доля дымовых газов рециркуляции, подаваемых в горелку, составляла всего 8%.