Петров Ю. И., Меренов А. А., Усман Ю. М., Серков Д. Е., инженеры, Котлер В. Р., канд. техн. наук
Липецкая ТЭЦ-2 - ВТИ
Липецкая ТЭЦ-2 является наиболее крупной электростанцией в системе Липецкэнерго. На ТЭЦ установлено шесть мощных газомазутных котлов: три котла ТГМ-96 Б и три - более современных котла ТГМЕ-464.
Станция расположена по соседству с агломерационной фабрикой и другими производствами Новолипецкого металлургического комбината, что определяет высокую фоновую загазованность в приземном слое атмосферы.
Основное топливо для ТЭЦ - природный газ, поэтому практически единственным токсичным загрязнителем, выбрасываемым с дымовыми газами, являются оксиды азота (NOX).
Руководство электростанции в 90-х годах предпринимало шаги для снижения выбросов NOX в атмосферу. Для этой цели использовались дымососы рециркуляции дымовых газов (ДРГ) и ступенчатый ввод воздуха в топочную камеру.
Испытания, проведенные в 1996 г. бригадой ОРГРЭС на котле ТГМЕ-464 (ст. № 4), показали, что котел имеет ограничение по нагрузке из-за превышения температуры пара (гпе > 560°С при максимальной величине впрысков). Фактически котел мог работать с нагрузкой до 390 т/ч, при этом концентрация NOX в дымовых газах достигала 450 мг/м3 (в пересчете на NO2 при стандартных условиях: 0 °С, 101,3 кПа, 6% О2). И только на сниженной нагрузке при значительном увеличении степени рециркуляции дымовых газов удавалось снизить концентрацию NOX до значений менее 200 мг/м3. Наладочные работы, проведенные бригадой ОРГРЭС, позволили повысить нагрузку до 430 т/ч, при этом концентрация NOX составляла 380 - 400 мг/м3.
Исходя из необходимости более глубокого снижения выбросов оксидов азота Липецкая ТЭЦ-2 обратилась в ВТИ с просьбой разработать метод подавления NOX с минимальными затратами на реконструкцию котла. Используя свой опыт разработки технологических методов подавления NOX, ВТИ предложило Липецкой ТЭЦ-2 внедрить метод нестехиометрического сжигания, проверенный ранее как на газомазутных [1, 2], так и на пылеугольных котлах [3]. Сущность метода заключается в организованном перераспределении топлива или воздуха между ярусами горелок или между отдельными горелками. В результате часть горелок (или целые ярусы) работает с недостатком воздуха, в то время как остальные горелки (ярусы) имеют повышенный избыток воздуха. Образование оксидов азота в первом случае уменьшается из-за недостатка окислителя, а во втором - из-за снижения максимальной температуры горения (в связи с чрезмерно высокими избытками воздуха).
Котел ТГМЕ-464 (Е-500-140 ГМ) имеет призматическую топку с размерами в плане 7,68 х х 13,52 м (рис. 1). Стены топки экранированы цельносварными панелями из гладких труб диаметром 60 мм с толщиной стенки 6 мм и приваренных к трубам полосок. Слабонаклонный под топочной камеры является началом фронтового экрана. В верхней части топки трубы заднего экрана образуют выступ в сторону топки для улучшения аэродинамической структуры.
Газомазутные горелки типа ГМУ-45 установлены в два яруса по высоте на заднем экране. В каждом ярусе - четыре горелки, а расстояние между осями горелок по высоте - 2,6 м.
Первая попытка добиться снижения выбросов оксидов азота на котле ТГМЕ-464 путем внедрения нестехиометрического сжигания была осуществлена еще в 1994 г. на ТЭЦ-11 Мосэнерго. Изменение конструкции газораздающих частей горелок, выполненное по результатам расчетных и экспериментальных исследований, привело к уменьшению выбросов оксидов азота не менее чем на 40%. При номинальной нагрузке котла без рециркуляции концентрация NOX в дымовых газах снизилась до 370 - 380 мг/м3 (6% О2), а при работе ДРГ (г = 8%) концентрация NOX снижалась до 210 - 220 мг/м3 (6% О2).
Другим успешным опытом внедрения метода нестехиометрического сжигания является котел ТГМЕ-464 (ст. № 5) на Смоленской ТЭЦ-2. Опыты на этом котле с перераспределением расхода природного газа по ярусам горелок проводились во всем диапазоне эксплуатационных нагрузок на восьми работающих горелках, при различных избытках воздуха. Все шиберы по воздушному тракту были открыты полностью, а расход воздуха регулировался направляющим аппаратом дутьевых вентиляторов.
Рис. 1. Продольный разрез котла ТГМЕ-464 (Е-500-140 ГМ)
В процессе испытаний было установлено оптимальное (с учетом индивидуальных особенностей работы котла) соотношение расходов газа по ярусам горелок. Для котла ст. № 5 Смоленской ТЭЦ-2 оно оказалось равным 39/61 (верх/низ) и привело к снижению выбросов оксидов азота на 40% при нагрузке, близкой к номинальной (рис. 2).
Минимальная эксплуатационная нагрузка котла при всех работающих горелках с равномерным распределением газа по ярусам составляла 270 т/ч и ограничивалась установкой нижнего предела технологической защиты по давлению газа перед котлом. В режиме нестехиометрического сжигания минимальную паропроизводительность удалось снизить до 250 т/ч. Температура перегрева пара поддерживалась номинальной без включения в работу ДРГ.
Опыты показали также, что переход на нестехиометрическое сжигание не повлиял на температуру уходящих газов. Как и при равномерном распределении природного газа, tух определялась нагрузкой котла и температурой холодного воздуха. Температура пара за котлом оставалась на постоянном уровне (560°С) во всем диапазоне рабочих нагрузок. Дополнительным положительным эффектом от внедрения нестехиометрического сжигания (39/61%) оказалось снижение температуры пароперегревательных поверхностей нагрева.
Расход топлива по ярусам, %
Рис. 2. Зависимость концентрации NOx от степени перераспределения газа по ярусам горелок котла ТГМЕ-464:
D = 500 ^ 510 т/ч; а эк = 1,04 ^ 1,06; • - первый этап испытаний; 0 - второй этап испытаний
Успешные результаты испытаний котла ТГМЕ-464 на Смоленской ТЭЦ-2 позволили уверенно реконструировать газовые насадки горелок ГМУ-45 таким образом, чтобы обеспечить заданное соотношение расходов природного газа по ярусам, не усложняя эксплуатацию котла ТГМЕ-464.
На Липецкой ТЭЦ-2 проект модернизации горелок содержал два варианта: по первому, менее затратному, сохранялись существующие газовые насадки, а расход топлива изменялся за счет рассверливания отверстий в горелках нижнего яруса и уменьшения числа отверстий в горелках верхнего яруса. Второй вариант, обеспечивающий оптимальное перемешивание газовых струй с воздухом, предполагал изготовление новых насадков для горелок нижнего и верхнего ярусов.
Для реконструкции горелок котла ст. № 5 на Липецкой ТЭЦ-2 был выбран первый вариант. Летом 2000 г. была выполнена модернизация газовых насадок горелок верхнего и нижнего ярусов, а в январе 2001 г. совместными усилиями ВТИ и ПТО ТЭЦ были проведены параметрические испытания для оценки эффективности внедренного метода подавления NOx.
Опыты по определению зависимости основных характеристик котла от параметров топочного процесса были проведены при сжигании природного газа, состоящего из следующих компонентов с объемной массовой долей (в процентах): СН4 98,83; С2Н6 0,314; С3Н8 0,081; изобутан 0,013; Н-бутан 0,013; О2 0,026; N2 0,726. Теплота сгорания газа - 8538 ккал /м3 (35,75 МДж/м3), а его удельная плотность р = 0,724 кг/м3.
Рис. 5. Зависимость концентрации NO* от нагрузки при УПдрг = 20% до реконструкции горелок (7) и после нее (2)
Рис. 3. Зависимость степени рециркуляции дымовых газов на котле ст. № 5 от положения УПдрг
Всего было проведено 45 опытов в диапазоне нагрузок от 249 до 480 т/ч. При этом параметры пара оставались близкими к проектным значениям: температура перегретого пара колебалась в диапазоне 548 - 554°С, а давление менялось в зависимости от нагрузки в диапазоне от 12,0 до 13,4 МПа. Температура питательной воды менялась от 200 до 234°С. Температура горячего воздуха при сниженных нагрузках составляла примерно 230°С, а при увеличении нагрузки до номинальной возрастала до 260 - 265°С.
Рис. 4. Зависимость КПД, температуры уходящих газов и температуры продуктов сгорания перед РВП от нагрузки при УПдрг = 20%
Основные параметры работы котла во всех опытах фиксировались по приборам эксплуатационного контроля. В отобранных пробах дымовых газов при помощи многокомпонентного газоанализатора электрохимического действия ДАГ-16 определяли содержание О2 и СО (в процентах) и NOx (ppm). Затем измеренные в опытах объемные концентрации оксидов азота пересчитывали на диоксид азота NO2 (р No2 = 2,05 кг/м3) и на стандартный избыток воздуха а = 1,4 (02 = 6%).
При проведении опытов оценивалось влияние таких параметров, как нагрузка (D, т/ч), избыток воздуха (02, %) за экономайзером и величина рециркуляции дымовых газов, которая (для удобства эксплуатационного персонала) была представлена в виде УПдрг (указателя положения регулирующего органа - направляющего аппарата дымососа рециркуляции в процентах). Расчет доли рециркуляции (r, %) по составу горячего воздуха показал, что при постоянной нагрузке наблюдается полная корреляция между величинами r и УПдрг (рис. 3).
При нагрузке, близкой к максимальной, было проведено несколько опытов, отличающихся величиной рециркуляции дымовых газов. Оказалось, что при изменении УПдрг от 0 до 100% (г = 0 н 11%) температура дымовых газов перед РВП и за воздухоподогревателем меняется незначительно. КПД котла (брутто) также слабо зависит от доли рециркуляции газов, но все же некоторое предпочтение следует отдать режиму с УПдрг = 20%.
На рис. 4 показана зависимость температуры дымовых газов 0'рвп и 9^, а также КПД котла брутто (^ка) от нагрузки котла для режима УПдрг = 20%. Из рис. 4 видно, что экономичность котла при такой степени рециркуляции остается достаточно высокой во всем диапазоне нагрузок, превышая 94% при паропроизводительности котла 250 - 350 т/ч.
Специальные измерения содержания 02 в газовоздушной смеси перед горелками показали, что газы рециркуляции распределяются в потоке воздуха весьма неравномерно. Вероятно, примитивное конструктивное исполнение узла ввода газов рециркуляции в короб горячего воздуха не обеспечивает надлежащего перемешивания двух потоков, в результате чего к отдельным горелкам поступает разное количество газов рециркуляции. Это, безусловно, снижает экономичность топочного процесса и, возможно, влияет на его экологические характеристики.
Можно не сомневаться, что изменение конструкции узла ввода газов рециркуляции в воздушный короб повысит равномерность состава газовоздушной смеси перед горелками и приведет к улучшению работы котла ст. № 5.
Рис. 7. Зависимость концентрации NO* от рециркуляции дымовых газов: 1 - D = 470 480 т/ч; 2 - D = 450 460 т/ч
Рис. 6. Зависимость концентрации NO* и CO от избытка воздуха при УПдрг = 20%: 1 - D = 470 480 т/ч; 2 - D = 450 460 т/ч
Для определения экологических характеристик котла во всех опытах измерялась объемная концентрация NOX (ppm) в дымовых газах, которая пересчитывалась на весовую концентрацию, исходя из предположения, что все оксиды азота переходят в NO2, т.е., что удельная масса р NOj = 2,05 мг/см3.
На рис. 5 показаны результаты измерения концентраций NOX в диапазоне нагрузок котла от 250 до 480 т/ч (кривая 2). Во всех опытах положение направляющего аппарата ДРГ оставалось постоянным (УПдрг = 20%), а химический недожог отсутствовал (СО = 0,0%). На этом же рис. 5 приведены данные ПТО Липецкой ТЭЦ-2 по измерению С No2 до реконструкции горелок (кривая 1). В этих опытах была такая же рециркуляция: УПдрг = 20%. Несмотря на значительный разброс точек, можно заметить, что при работе на старых горелках концентрация NOX составляла 350 - 400 мг/м3 при нагрузках, близких к номинальной. Эти цифры хорошо согласуются с результатами, полученными ранее на котле ТГМЕ-464 Смоленской ГРЭС и ТЭЦ-11 Мосэнерго.
После модернизации горелок, как это видно из графика (рис. 5), при максимальной нагрузке концентрация NOX не превышала 165 мг/м3, а при правильной настройке режима составляла примерно 140 мг/м3. Эта настройка заключалась в выборе оптимального избытка воздуха.
Рис. 8. Зависимость концентрации NO* от г:
1 - D = 470 480т/ч; 2 - D = 450 460т/ч; 3 - D = 400 405т/ч; 4 - D = 300 305 т/ч; 5 - D = 250 255 т/ч
Результаты опытов по оценке влияния избытка воздуха на концентрацию NO* показаны на рис. 6, из которого видно, что по мере снижения О2 концентрация NO* уменьшается как при максимальной, так и при сниженной нагрузке. Однако при О2 < 1,0% в дымовых газах появляются продукты неполного сгорания: СО = 0,005% при D = 475 т/ч и СО = 0,004% при D = 450 т/ч. Сами по себе приведенные концентрации СО не представляют экологической опасности и не слишком влияют на экономичность котла, но их наличие свидетельствует о возможности присутствия в дымовых газах полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), в число которых входит канцерогенный бенз(а)пирен С20Н12. Поэтому в режимной карте рекомендованы параметры, при которых содержание СО в дымовых газах равно нулю.
При некоторых нагрузках были проведены серии опытов, отличающиеся только долей газов рециркуляции. На рис. 7 показана зависимость концентрации NOX от величины УПдрг для максимальной (D = 470 ^ 480 т/ч) и сниженной нагрузки (D = 450 ^ 460 т/ч). Из рис. 7 видно, что увеличение доли газов рециркуляции до УПдрг = 40% (г = 7,0%) при максимальной нагрузке снижает концентрацию NOX до 110 мг/м3, что значительно ниже допустимого значения (125 мг/м3) для новых котельных установок в соответствии с ГОСТ Р 50831-95.
Для более полного представления о влиянии рециркуляции дымовых газов на рис. 8 показана зависимость концентрации NOX от доли рециркулирующих дымовых газов. Как видно из рис. 8, уже при г = 8% обеспечивается ограниченная государственным стандартом концентрация NOX (когда нагрузка котла максимальная). При всех других нагрузках достаточно поддерживать г = 5 ^ 6% (т.е. УПдрг = 20%), чтобы концентрация NOX не превышала 125 мг/м3.
Вывод
Малозатратная реконструкция горелок, в результате которой изменилось распределение топлива по ярусам горелок на котле ТГМЕ-464 (ст. № 5) Липецкой ТЭЦ-2, привела к снижению выбросов NOX в 2,5 - 3 раза и в сочетании с рециркуляцией дымовых газов обеспечила выполнение требований ГОСТ Р 50831-95 по допустимой концентрации оксидов азота для новых котельных установок (125 мг/м3 при а = 1,4).
Список литературы
- Снижение выбросов оксидов азота с помощью режимных мероприятий / Котлер В. Р., Беликов С. Е., Ильин А. В. и др. - Промышленная энергетика, 1994, № 7.
- Разработка и внедрение способа нестехиометрического сжигания топлива на газомазутных котлах / Росляков П. В., Егорова Л. Е., Ионкин И. Л. и др. - Электрические станции, 1999, № 8.
- Беликов С. Е., Котлер В. Р. Малые котлы и защита атмосферы. М.: Энергоатомиздат, 1996.
