ГЛАВА 5
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МОДЕРНИЗАЦИИ КОТЛОАГРЕГАТОВ
- Уменьшение выбросов окислов азота
На образование вредных выбросов при сжигании топлива влияют такие факторы, как конструкция топочно-горелочных устройств, вид топлива, избыток воздуха, интенсивность воспламенения первичной смеси и условия ее смешения со вторичным воздухом, температура факела, время пребывания топлива и окислителя в зоне высоких температур и т. п.
Основным направлением уменьшения количества воздушных окислов азота является уменьшение максимальной температуры в топке. Использование этого метода в толках с ЖШУ ограничено необходимостью обеспечения надежного выхода шлака в широком диапазоне нагрузок. Кроме того, количество образующихся воздушных окислов азота при сжигании угля типа ГСШ с содержанием азота в топливе 1,5 % незначительно по сравнению с образованием, топливных окислов азота. Наличие высокого содержания химически связанного азота в составе твердого топлива из-за его более высокой реакционной способности (по сравнению с воздушным азотом) приводит к образованию NОx при более низкой температуре, так как топливные окислы азота в значительной степени определяются локальной стехиометрией.
Оптимизация топочного процесса как по технико-экономическим, так и по экологическим показателям позволяет сформулировать новые требования к пылеугольным горелкам:
- Конструкция горелки и скоростной режим должны интенсифицировать массообмен между аэросмесью и высокотемпературными продуктами сгорания с высоким содержанием CO2.
- Необходимо затормозить подмешивание вторичного воздуха к воспламеняющейся аэросмеси и одновременно ускорить смешение вторичного воздуха с топочными газами.
- Долю первичного воздуха необходимо снизить до минимально возможной по условиям транспорта пыли.
- Коэффициент избытка воздуха в горелках должен быть минимальным из условий предотвращения высокотемпературной коррозии экранов. Остаточный воздух, необходимый для обеспечения умеренных потерь с механическим недожогом и отсутствия химического недожога, должен поступать во вторичную зону горения в виде высокоскоростных струй третичного воздуха.
Препятствием для снижения доли первичного воздуха обычно является необходимость обеспечить надежный пневмотранспорт пыли к горелкам. Для РПС это препятствие легко устранимо при использовании транспорта пыли высокими концентрациями (ПВК). Концентрированная пыль, подаваемая на выход горелок, распыливается и несколько подогревается паром с дальнейшим прогревом и воспламенением ее в объеме топки. За счет подсоса топочных газов и воспламенения пылевых частиц на расстоянии 0,3 м от среза патрубка концентрированного пылепаровоздушного потока температура находится на уровне не выше 800—1000. Происходит интенсивное перемешивание концентрированного потока с топочными газами с внутренней стороны и с воздухом — с внешней. Воспламенение и горение частиц внутри этого потока происходят при глубоком недостатке кислорода, так как воздух для горения в обратный поток не поступает. Это подтверждается зондированием концентрированного потока в пригорелочном пространстве топки, в котором отсутствует кислород и всегда имеется СО.
Одновременный прогрев и распыливание концентрированного потока приводят к повышению устойчивости воспламенения и стабилизации фронта воспламенения в связи с тем, что высококонцентрированный поток до его распыливания, снижения концентрации пыли, смешивания с топочными газами, а затем перемешивания с воздухом не способен выделять значительное количество тепла. В зависимости от качества топлива фронт воспламенения устанавливается или ближе к срезу выхлопа патрубка высокой концентрации (высококалорийное топливо) или на незначительном удалении от него (низкосортный уголь).
Это принципиальное отличие свойств высококонцентрированного потока угольной пыли от потока аэросмеси обычной концентрации позволяет реализовать по крайней мере следующие его преимущества: 1) обеспечить устойчивое воспламенение и сжигание топлив переменных характеристик, исключив при этом нарушения топочного режима и ухудшение выхода жидкого шлака; 2) благодаря воспламенению при низких температурах с постепенным нарастанием тепловыделения, уменьшением времени пребывания частиц пыли в области высоких температур в пригорелочной зоне, обеднением зоны активного воспламенения кислородом создаются благоприятные условия для подавления окислов азота.
Таблица 5
Вторичный воздух в этих условиях в значительной степени выполняет роль третичного воздуха. Таким образом, реализуется модель ступенчатого воспламенения и горения твердого топлива. Воспламенение высококонцентрированного стержневого потока пыли при низких температурах и в условиях недостатка воздуха сказывается на уменьшении содержания окислов азота в уходящих газах.
Правильность таких оценок подтверждается в литературе [9; 14; 52], в том числе по замене улиточно-лопаточных горелок прямоточно-лопаточными с подачей части сушильного агента систем пылеприготовления (сушка дымовыми газами) по центральному каналу горелок в зону активного воспламенения. Механизм действия высококонцентрированного потока, описанный выше, и центральной подачи сушильного агента в улиточно-лопаточных горелках Углегорской ГРЭС на подавление окислов азота примерно аналогичен. В обоих случаях улучшены технико-экономические показатели топочного процесса, достигнута высокая надежность топочных кранов и уменьшены выбросы окислов азота.
По данным измерений, произведенных до модернизации пылеприготовления и пылесжигания прибором УГ-2 на котлах Бурштынской ГРЭС, содержание окислов азота в газах за пароперегревателем, как видно из табл. 5, находилось на уровне 750—850 кг/м2.
Из многих факторов, определяющих скорость окисления азота, воздуха и топлива, при прочих равных условиях наиболее существенно влияет интенсивность воспламенения первичной смеси и ее смешение со вторичным воздухом на начальном участке факела. Интенсивность этих процессов определяет как уровень максимальной температуры факела, оказывающей основное влияние на скорость образования окислов азота из азота воздуха, так и полноту окисления топливного азота, зависящую прежде всего от локальных избытков воздуха в зоне воспламенения. Так, при подъеме факела вверх, когда воспламенение затягивается, а температура факела снижается, на котлоагрегате № 2 с плоскофакельными горелками содержание NOх в дымовых газах уменьшилось с 800 до 500 мг/м2.
Результаты, приведенные на рис. 5.1 за 1979 г., показывают, что данные, относящиеся к различным котлам с ПВКр и без нее, отличаются друг от друга, имеют максимум 560 мг/м3 и меньшие значения для схем с ПВКр. Если привести эти данные к нормальным условиям (Т = 0 °С; Р = 760 мм рт. ст.), то максимальное значение NOх составит 600—650 мг/м3. Обращает на себя внимание снижение общего уровня выбросов по сравнению с предыдущими годами почти на 30 %, что прежде всего обусловлено внедрением ПВКр, а также некоторым ухудшением качества топлива. По последним данным, полученным в 1988 г., выбросы NOх на котлах Бурштынской ГРЭС не превышают 450 мг при сжигании угля и 250 мг при сжигании газа.
В целом можно отметить, что технико-экономическое и экологическое сравнение результатов работы котлоагрегатов до и после проведения широких промышленных экспериментов и внедрение новых технологических и конструктивных решений свидетельствуют в пользу модернизации котлоагрегатов. Абсолютное значение выбросов NOх на котлах Бурштынской ГРЭС не только снижено по сравнению с тем, которое было до внедрения новых горелок с ПВКр и РПС, но и ниже, чем при сжигании аналогичных топлив на котлах ТПП-312, ТПП-312А (исследования Московского энергетического института и НПО ЦКТИ им. Ползунова И. И.) — соответственно 0,4—0,50 г/м3 и 0,8—0,9 г/м3.
Значения выбросов NOх на уровне 1,0 г/м3 имеют место и на зарубежных ТЭС, сжигающих высокореактивное топливо и не оборудованных специальными горелочными устройствами, обеспечивающими глубокое подавление окислов азота.
Повышение производительности систем пылеприготовления, как и совершенствование топочного процесса, позволяют уменьшить вынужденное совместное сжигание угля и мазута, при котором, как известно, образование NOх увеличивается в 1,5—1,7 раза. Повышение КПД брутто котлоагрегатов снижает расход топлива на выработку электроэнергии и, соответственно, выбросы вредных веществ. Кондиционирование топки с помощью РПС и интенсификация топочного процесса благодаря ПВКр и управляемым плоскофакельным горелкам позволяет: 1) сглаживать переходные эксплуатационные режимы; 2) не допускать залповых выбросов вредных веществ при сжигании топлива резкопеременных характеристик; 3) исключить химический и уменьшить механический недожог. Подача 0,025—0,05 кг пара на 1 кг подаваемого в топку топлива интенсифицирует горение СО, подавляет сероводород. Таким образом, топочно-горелочные устройства в результате проведенной модернизации, обеспечивают пониженное содержание вредных выбросов и, в частности, окислов азота в уходящих газах котлоагрегатов.
К экологическим преимуществам проведенной модернизации следует отнести также полнее исключение пылений пылеприготовительного оборудования и горелок. Благотворным с точки зрения уменьшения теплового загрязнения атмосферы является то, что температура уходящих газов котлоагрегатов в схемах с РПС снижается на 20—25оС. При этом утилизируется до 15 % тепла уходящих газов по сравнению с котлоагрегатами, работающими с ЗПС.
Исходя из вышеизложенного, а также из многочисленных исследований у нас и за рубежом, следует обратить особое внимание на разработку и внедрение таких конструктивных и технологических усовершенствовании, которые, не являясь крупнозатратными, повышают технико-экономические показатели и обеспечивают решение экологических проблем.
