Технологические методы сокращения выбросов оксидов азота

ЕНЯКИН Ю. П., доктор техн. наук, KOTЛEP В. Р., канд. техн. наук, ВТИ им. Ф. Э. Дзержинского

Методы снижения выбросов NOx можно разделить на две основные группы — подавление образования NOx в процессе горения топлива (технологические методы) и очистка дымовых газов. В настоящее время основным средством борьбы с выбросами оксидов азота на тепловых электростанциях СССР являются технологические методы («первичные» по терминологии, принятой в США и других странах). Сущность их заключается в том, что процесс сжигания в топках котельных установок организуется таким образом, чтобы затормозить .реакции, приводящие к образованию оксида азота NО и одновременно интенсифицировать реакции перехода азотсодержащих компонентов топлива в безвредный молекулярный азот N2.
Внедрение технологических методов снижения выбросов оксидов азота на энергетических котлах ведется в СССР в соответствии с директивными документами Минэнерго СССР, которые предусматривают модернизацию в течение ближайших пяти лет примерно 680 котлов 48 типов. Работа по реализации поставленной задачи осуществляется ВТИ им. Ф. Э. Дзержинского (головной организацией) совместно с ведущими научно-исследовательскими, конструкторскими и наладочными организациями страны — Институтом газа АН СССР, САФ ВНИИпромгаз, НПО ЦКТИ, СКВ ВТИ, ЦКБ Энергоремонта, Союзтехэнерго и др.
В настоящее время на ряде электростанций внедрены некоторые технологические методы, позволившие существенно снизить выбросы оксидов азота без ухудшения надежности работы котлов.
При сжигании мазута и природного газа одним из наиболее доступных методов является сжигание с малыми избытками воздуха. Этот метод имеет еще и ту особенность, что наряду с экологическим эффектом (снижение выбросов NOx на 30—40 %) позволяет повысить экономичность котла, а при сжигании серосодержащих топлив уменьшить также скорость коррозии и загрязнения конвективных поверхностей нагрева.
Минимально допустимый уровень избытка воздуха должен определяться индивидуально для каждого котла в зависимости от степени совершенства установленных на нем горелочных устройств, плотности топочной камеры, оснащенности контрольно-измерительной аппаратурой и т. п. При этом потери теплоты от недожога (q3-\-q4) не должны превышать 0,3 %.
Технические и методические основы организации режимов сжигания сернистых жидких и газообразных топлив подробно изложены в руководящих указаниях Минэнерго СССР.
На пылеугольных котлах возможности данного метода весьма ограничены, так как при снижении избытка воздуха быстро растут потери теплоты с механическим недожогом.
Рециркуляция дымовых газов в топочную камеру влияет на результирующую концентрацию оксидов азота за счет изменения как температуры, так и концентрации окислителя в зоне реакции. Выполненные в ВТИ многочисленные исследования показали, что наибольший эффект обеспечивает подача газов рециркуляции в смеси с воздухом через горелки котла (рис. 1). При такой схеме подача 15 % газов рециркуляции снижает выбросы NOx примерно на 50 %.
При подводе газов рециркуляции через отдельные периферийные каналы горелок аналогичный эффект получается лишь в том случае, если скорость газов рециркуляции на выходе из периферийных каналов примерно равна скорости воздуха на выходе из горелки. Между тем на большинстве газомазутных котлов, выпущенных Таганрогским котельным заводом для энергоблоков мощностью 300 и 800 МВт, и котле энергоблока мощностью 1200 МВт скорость подачи газов рециркуляции по периферийному каналу примерно в 1,5—2 раза ниже, чем скорость воздушного потока на выходе из каналов горелки. В результате из-за плохого перемешивания газов рециркуляции с основным топливно-воздушным потоком выбросы оксидов азота уменьшаются при доле рециркуляции 15 % приблизительно на 40%.
Стендовые исследования и отдельные промышленные испытания показывают, что подачей рециркулирующих газов в рассечку воздушного потока или по центру горелки удается еще более интенсивно снижать концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания газа и мазута. Эти способы нуждаются в более широкой проверке и доработке в обеспечении стабильного и устойчивого воспламенения топливного факела.

С экологической точки зрения представляется оправданным увеличение доли рециркуляции для вновь выпускаемых или модернизируемых газомазутных котлов до 25 % вместо 15—20 % на существующих котлах. Необходимо исключить из практики как малоэффективные все способы подачи рециркулирующих газов через ограждения топки, например, в под котла, через отдельные шлицы под горелками и т. п.
До недавнего времени на газомазутных котлах рециркуляция дымовых газов рассматривалась в основном как средство регулирования температуры перегретого пара.  

Рис. 1. Влияние способа ввода и доли рециркулирующих газов на выход оксидов азота:
1,2,3 — ввод газов через шлицы в поду топок соответственно на котле ТП-80, на котле ТП-230 с двумя горелками Липинского, на котле ТП-230 с шестью горелками ХФ-ЦКБ-ВТИ; 4 — котел ТГМП- 114, ввод газов через шлицы, расположенные под горелками; 5 — котел ПК- 41, ввод газов в воздуховод перед горелками; 6 — котел ТПП-200, ввод газов по отдельному периферийному каналу горелок со скоростью равной скорости воздуха

При этом котел рассчитывался так, чтобы при номинальной нагрузке он эксплуатировался с минимальной загрузкой дымососов рециркуляции, а при снижении нагрузки количество рециркулирующих дымовых газов увеличивалось бы для поддержания постоянной температуры перегретого пара. Для снижения же выбросов оксидов азота следует подавать в топку максимальное количество рециркулирующих газов при номинальной нагрузке. По условиям обеспечения номинальной температуры свежего пара на барабанных котлах и температуры пара промперегрева на прямоточных котлах большинство отечественных котлов оказались неприспособленными для работы в таком режиме.
Для широкого внедрения рециркуляции, одного из наиболее эффективных способов снижения выбросов оксидов азота, требуется реконструкция системы регулирования температуры пара на ряде котлов, например, за счет применения байпасирования, установки паропаровых теплообменников, увеличения впрысков и т. п.
На пылеугольных котлах рециркуляция дымовых газов в топку оказалась малоэффективной при твердом шлакоудалении (из-за сравнительно низких температур в таких топках) и недопустимой при жидком шлакоудалении (из-за ухудшения выхода жидкого шлака при снижении температуры в топочной камере).
Двухступенчатое сжигание топлива может быть организовано как в факелах отдельных горелок, так и в топочной камере в целом. В первом случае эффект достигается за счет конструкции горелки, а во втором — за счет организации в топочной камере зон горения, отличающихся избытком воздуха и уровнем температур. Горелки двухступенчатого сжигания типа ГДС, разработанные Институтом газа АН УССР совместно с ВТИ нашли распространение в основном на водогрейных котлах.
На пылеугольных котлах концентрация кислорода в зоне горения летучих в значительной степени определяется интенсивностью смешения аэросмеси и вторичного воздуха. Исследования, проведенные на огневом стенде и на промышленном котле, подтвердили, что доля первичного воздуха, а также разность скоростей аэросмеси и вторичного воздуха являются важными параметрами, определяющими концентрацию NO в продуктах сгорания.
При использовании вихревых горелок с двумя каналами вторичного воздуха за счет замедления подмешивания воздуха к аэросмеси на нескольких котлах удалось добиться практического снижения выбросов оксидов азота. Так, на котлах БКЗ-420-140-5 (паропроизводительностью 420 т/ч) Карагандинской ТЭЦ-3 при сжигании экибастузского угля уменьшения выходной скорости во внутреннем канале вторичного воздуха при одновременном увеличении скорости в наружном канале уменьшило выбросы NО примерно на 25 %. Еще большее снижение выбросов NО было достигнуто на котле П-57, станционный № 10, Рефтинской ГРЭС во время совместных испытаний Уралтехэнерго и ВТИ. Аналогичные результаты были получены на котле П-57 Экибастузской ГРЭС работниками Сибтехэнерго.
Позже метод замедления (торможения) смесеобразования в канале факела был апробирован на котле ТПП-210А с жидким шлакоудалением. На этом котле доля топливных оксидов азота (на которые главным образом и воздействует проверяемый метод) не превышала 2/3 суммарных выбросов NO. Поэтому и результат был более скромным: уменьшение выбросов составило только 15 %.
Ближайшей задачей ВТИ является проверка вихревых горелок, разделяющих аэросмесь на два потока с разной концентрацией, для оценки влияния уменьшения a1 на выбросы NO.
На энергетических газомазутных котлах весьма эффективной оказалась схема сжигания, при которой в основных горелках топливо сжигается с коэффициентом подачи воздуха 0,7—0,8, а остальной воздух (20—30 %) подается на 3—4 калибра горелки выше верхнего яруса горелок.
На котлах ТГМП-84 паропроизводительностью 420 т/ч такая схема сжигания была организована за счет установки сопл вторичного воздуха в амбразурах верхнего яруса горелок и двух сопл в углах топки на задней стенке топочной камеры.
На котлах ТГМП-204 (2650 т/ч) схема двухступенчатого сжигания была организована за счет подачи всего топлива через горелки нижнего и среднего ярусов, а горелки верхнего яруса были использованы для подачи вторичного воздуха. Измерения показали, что при сжигании газообразного топлива такие схемы сжигания позволяют примерно в 2 раза снизить выбросы NO. При этом критический коэффициент избытка воздуха увеличивается примерно на 0,05, температура газов на выходе из топки возрастает на 50 °С, а КПД котла снижается на 0,2— 0,3%.
На основании полученных данных схемы двухступенчатого сжигания следует рекомендовать прежде всего для котлов, эксплуатирующихся на газообразном бессернистом топливе. При использовании сернистых мазутов и сероводородных газов схема двухступенчатого сжигания может использоваться только на барабанных и водогрейных котлах. Применение ее на котлах СКД весьма проблематично из-за возможности возникновения в зоне нижней радиационной части сероводородной коррозии экранных труб.
При сжигании твердого топлива метод ступенчатого сжигания с подачей части воздуха выше горелок проверен на котлах БКЗ-210-140Ф (210 т/ч) и БКЗ-220-100Ф (220 т/ч) Западно-Сибирской и Кузнецкой ТЭЦ. Первый из этих котлов оборудован пылесистемой с ШБМ и промбункером, второй — среднеходными мельницами и пылесистемой с прямым вдуванием. При сжигании кузнецких каменных углей марки Г и промежуточного продукта подача 15—20 % воздуха через сопла третичного дутья снижала концентрацию NO2 в дымовых газах с 900 до 530 мг/м3 на первом котле и с 820 до 430—560 мг/м3 на втором (концентрации приведены в пересчете на NO2 в сухой пробе газа при а=1,4). Снижение коэффициента избытка воздуха в основных горелках не ухудшило топочный процесс, но температура газов на выходе из топки несколько возросла. Это обстоятельство благоприятно отразилось на эксплуатации котла БКЗ-21-140Ф, так как раньше из-за недостаточной поверхности пароперегревателя не удавалось включить в работу автомат регулирования температуры перегретого пара.
На некоторых котлах рост температуры газов на выходе из топки может препятствовать применению метода ступенчатого сжигания. Другим недостатком этого метода, который будет, вероятно, особенно ощутим при сжигании высокосернистых углей на котлах СКД, является опасность высокотемпературной газовой коррозии топочных экранов, неизбежной при снижении избытка воздуха в горелках. Для таких котлов в настоящее время разрабатывается новый метод, который в отечественной литературе называют методом трехступенчатого сжигания, а за рубежом — «ребенинг-процессом».
Сущность этого метода подавления оксидов азота заключается в том, что кроме основной зоны горения в топке образуются восстановительная и дожигательная зоны. В первой зоне сжигается основная масса топлива (примерно 80 %) при небольшом избытке воздуха, во второй зоне — остальное топливо (при недостатке воздуха), а в третью зону подается остальной воздух, необходимый для полного сгорания топлива.
Исследования, проведенные на огневом стенде*, показали, что смешение продуктов сгорания первой зоны с газами-восстановителями второй зоны приводит к резкому снижению концентрации NO. Следовательно, применительно к пылеугольным котлам задача состоит в том, чтобы новая организация топочного процесса не привела к негативным результатам (шлакованию или коррозии топочных экранов, недопустимому повышению температуры газов на выходе из топки и потерь теплоты от механической неполноты сгорания топлива.

*Опыты на стенде проведены инженером Щербаченко С. И.

При сжигании природного газа упрощенная схема трехступенчатого сжигания была проверена на котлах ПК-33 (640 т/ч), которые проектировались для сжигания подмосковного угля. Для уменьшения реконструктивных работ решено было создать восстановительную зону путем снижения коэффициента избытка воздуха в существующих горелках верхнего яруса котла до 0,8—0,9 при а нижнего яруса 1,0—1,02 (рис. 2, а). На заднем экране были смонтированы сопла третичного дутья. Внедрение такой схемы сжигания газа обеспечило снижение выбросов NO примерно на 40 %. При этом в результате повышения температуры газов на выходе из топки (ориентировочно на 50—60 °С) удалось снизить коэффициент избытка воздуха в топке, который при старой схеме сжигания поддерживался высоким для обеспечения температуры перегрева вторичного пара. При внедрении такой же схемы трехступенчатого сжигания на барабанных газомазутных котлах ТГМ-96Б оказалось, что из-за увеличения температуры газов на выходе из топки температура металла ширм (особенно лобовых змеевиков) становится выше допустимой по условиям жаростойкости.

Рис. 2. Схемы трехступенчатого сжигания топлива

Экспериментальным путем установлено, что для этих котлов с целью обеспечения минимального повышения температуры газов на выходе из топки и тем самым более высокой надежности работы металла труб ширмового пароперегревателя более целесообразно применить схему ступенчатого сжигания, представленную на рис. 2, б. В отличие от схемы трехступенчатого сжигания она позволяет получить тот же эффект подавления выбросов NО при росте температуры газов на выходе из топки примерно на 20—30 °С в основном за счет уменьшения длины факела в топке. Схема сжигания, изображенная на рис. 2, б, рекомендуется прежде всего для сжигания газообразного топлива. При организации совместного сжигания газа и мазута более предпочтительна схема, изображенная на рис. 2, а. При этом мазут должен сжигаться в нижнем ярусе горелок с коэффициентом избытка воздуха, близким к единице, а зона с восстановительной средой создаваться за счет сжигания в верхнем ярусе горелок природного газа с недостатком воздуха.

Рис. 3. Эффективность воздействия на выход оксидов азота воды, подаваемой в зону горения, при сжигании в котле ТГМП-314П мазута (7—3) и газа (4) при D=DH; а'кПП=1,03; г=0):
1 — ввод воды через паровые каналы форсунок без подачи пара; 2 — через отдельные щелевые форсунки, установленные в горелках; 3— через паровые каналы паромеханических форсунок совместно с паром; 4 — через отдельные центробежные форсунки, установленные в горелках

При использовании твердого топлива схему трехступенчатого сжигания предполагается проверить как в упрощенном варианте (с уменьшением избытка воздуха в горелках верхнего яруса), так и в классическом варианте — с устройством специальных горелок для создания восстановительной среды выше основной зоны горения. По проектам, разработанным совместно с СКВ ВТИ и ЦКБ Энергоремонта, первичное внедрение схемы предполагается на котлах производительностью от 210 до 1650 т/ч при сжигании бурых и каменных углей, а также антрацитового штыба (в последнем случае в качестве дополнительного топлива будет использован природный газ). Часть котлов (см. таблицу) оборудована схемами прямого вдувания, а часть — пылесистемами с промежуточным бункером.
Одна из намеченных работ (котел ТПП-312 на Ладыжинской ГРЭС) проводится совместно с Агентством по защите окружающей среды США, которое привлекает к участию в ней специалистов котлостроительной фирмы. Результаты работы имеют важное значение не только для 18 котлов ТПП-312 и ТПП-312А, установленных на четырех электростанциях Минэнерго УССР, но и для оценки целесообразности дальнейшего выпуска котлов СКД с жидким шлакоудалением.
Подача воды или водяного пара в зону горения газомазутных котлов снижает температуру факела, изменяет содержание активных промежуточных соединений и тем самым создает условия для снижения образования оксидов азота. Исследования этого способа проведены ВТИ на котлах БКЭ-320-140ГМ (320 т/ч), ТГМП-314 (1000 т/ч) и ПК-33 (640 т/ч). Показано, что наиболее целесообразно подавать воду (не более 10 % расхода топлива) через специально установленные рядом с основными форсунки или через паровые каналы паромеханических форсунок в смеси с паром, в соответствии со схемой МЭИ (рис. 3). При этом выбросы оксидов азота снижаются примерно на 25 % и одновременно на 0,6—0,7 % уменьшается КПД котла. Это мероприятие может быть рекомендовано в качестве дополнительного к другим методам подавления NО в случае повышения требований к охране атмосферного воздуха (например, при неблагоприятных метеорологических условиях или в районах с повышенной фоновой концентрацией вредных веществ).
Из конструктивных элементов газомазутных котлов наиболее сильное влияние на выбросы NO. оказывают двусветные экраны. Сопоставление экспериментальных данных, полученных на котлах ТГМ-84, имеющих двусветные экраны, и на аналогичных по большинству характеристик котлах ТГМ-94 без двусветного экрана показало, что на котлах ТГМ-84 выбросы NO существенно (на 30—40 %) меньше. Подобные результаты были получены ранее в ВТИ при сопоставлении опытных данных на близких по конструктивным характеристикам котлах ТП-80 и ТП-82 с двусветным экраном и без него.
Конструкция горелок также оказывает существенное влияние на выбросы NOx. Например, применение прямоточных горелок вместо вихревых по данным ВТИ позволяет на 16—18% снизить выбросы оксидов азота. Заметного влияния единичной мощности горелок на выбросы NOx не обнаружено.
Главным достоинством перечисленных технологических методов подавления оксидов азота являются их невысокая стоимость (по сравнению с известными методами очистки газов от NOx), а также возможность быстрого применения на действующих котлах.