5.2.3.Малотоксичные горелки, разработанные в Японии
Одной из первых горелок с низкой эмиссией NОх, внедренных на мощных энергоблоках, стала пылеугольная горелка НТ-NR (высокотемпературная, с низким выходом NOx), разработанная фирмой Babcock Hitachi KK (Япония) на основе двухрегистровой горелки /4/.
Процесс сжигания иллюстрируется схемой, представленной на рис. 5.8 Пылевзвесь подается через центральную трубу, а вторичный воздух делится на два кольцевых потока: внутренний и периферийный. Аэродинамика горелки обеспечивает развитую внутреннюю зону рециркуляции.
Рис. 5.8. Схема процесса горения в горелке НТ-М1:
А – зона выхода летучих; В – выделение промежуточных радикалов; С – зона восстановления NО; И – окислительная зона
Другой важной конструктивной особенностью горелки является наличие стабилизатора, благодаря которому обеспечивается интенсивное воспламенение в непосредственной близости от сопла аэросмеси. Высокая температура в этой зоне способствует быстрому выделению летучих и раннему воспламенению. Это, наряду с развитой внутренней зоной рециркуляции, обеспечивает благоприятные химические условия и достаточное время пребывания частиц в восстановительной зоне факела.
Благодаря высокотемпературной внутренней рециркуляционной зоне непосредственно на выходе из канала первичного воздуха, в которой происходит выход летучих веществ из угольной пыли. Они сразу попадают в зону с глубоким недостатком кислорода, что способствует интенсивному переходу азотсодержащих компонентов в молекулярный азот, а не в NО. Высокотемпературная отгонка летучих приводит, кроме того, к повышению стабильности пламени. По способности работы при пониженной нагрузке горелки с низкой эмиссией NО, превосходят базовые конструкции.
Еще в 70-х годах XX века японскими специалистами была разработана так называемая SGR-горелка, в которой помимо сопла пылевзвеси и двух расположенных над и под ним сопел вторичного воздуха, как у обычных горелок, между соплами пылевзвеси и вторичного воздуха были установлены сопла для подачи рециркулирующих дымовых газов, чтобы тормозить диффундирование вторичного воздуха в первичную зону горения и тем самым уменьшить образование оксидов азота. В 1981 г. такие горелки были установлены при монтаже двух пьлеуголых блоков мощностью по 500 МВт на ТЭС Matsushima, в 1982 и 1983 гг. – на двух действующих блоках мощностью по 156 МВт, а в конце 1983 г. – на углемазутном блоке мощностью 600 МВт.
Позже в Японии был разработан усовершенствованный вариант горелки, получивший обозначение РМ (Pollution Minimazed). На рис. 5.9. приведена схема такой горелки для тангенциальной пылеугольной топки /5/. Путем установки простейшего пылеконцентратора инерционного типа на пылепроводе перед горелкой поток аэросмеси делился на два: обогащенный и обедненный. В результате выход и сгорание летучих у большей части топлива происходит при значительном недостатке воздуха, что приводит к снижению образования топливных оксидов азота. Летучие обедненного потока будут сгорать с повышенным избытком воздуха, что также снижает образование NОх.
Рис. 5.9. Схема пылеугольной горелки РМ (Япония):1 – мазутная форсунка;
2 – вторичный воздух;3 – рециркулирующие газы; 4 – концентрированный потокаэросмеси; 5 – обедненный пылью поток аэросмеси;6 – инерционный пылеконцентратор
Филиал японского концерна «Мицубиси» разработал новую схему тангенциальной топки, названную CUF (circular U-shaped Flame Firing). Основная идея этого способа – разместить горелки в зоне высоких тепловых потоков, близ ядра факела. Для этого горелки устанавливают не в углах топки, где тепловые, потоки всегда меньше, а в середине стен под углом к ним, где местные тепловые потоки к корню факела достаточно высоки. Установка горелок с наклоном вниз дает возможность уменьшить скорость пылевзвеси и, соответственно, приблизить зону горения к устью горелок. Котел блока 300 МВт с такой топкой впервые опробован на электростанции Хуангтан (Китай). В 1995 г. фирма сделала сообщение, что такая топка в сочетании с подачей 40 % воздуха вверх блока горелок может снизить выброс NОх до величины 130 мг/м3 при содержании горючих в уносе 2 %. Для сравнения, концентрация оксидов азота при сжигании того же угля в обычной тангенциальной топке и 25 % верхнего воздуха составила примерно 240 мг/м.3