Реализация малозатратных технологий снижения вредных выбросов при сжигании органических топлив в котлах ТЭС
Тепловые электростанции, сжигающие органическое топливо, являются одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха оксидами азота. Значительная доля находящихся в эксплуатации котельных агрегатов не соответствуют уровням, регламентируемым Государственным стандартом «Установки котельные. Тепломеханическая часть. Общие технические требования» (ГОСТ Ρ 50831-95). К настоящему времени разработано и успешно внедрено большое количество разнообразных природоохранных технологий, направленных на снижение выбросов оксидов азота. Данные методы существенно отличаются как по эффективности, так и по стоимости их внедрения и эксплуатации.
Наиболее привлекательными для отечественной теплоэнергетики с точки зрения материальных и временных затрат являются малозатратные технологии, позволяющие снизить выбросы в 1,5-2 раза без существенного влияния на технико-экономические показатели работы оборудования.
Чистота атмосферного воздуха является важнейшим компонентом, определяющим воздействие окружающей среды на человека. В крупных промышленных центрах в связи с ростом источников загрязнения, таких как автотранспорт, промышленные предприятия и др., часто наблюдается существенное превышение содержания вредных веществ в воздухе над санитарными нормами. Одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха, особенно оксидами азота ΉΟχ, являются тепловые электрические станции, сжигающие органическое топливо.
Основная часть оборудования, установленного на ТЭС, было введено в эксплуатацию до 1985 г. и, вследствие этого, не соответствует современным требованиям по экологической безопасности и эффективности сжигаемого топлива. Следует отметить и низкий уровень платы ТЭС за загрязнение окружающей среды. Это приводит к тому, что часто капитальные и эксплуатационные затраты при внедрении природоохранных мероприятий значительно
выше оплаты за выбросы, что делает внедрение данных технологий экономически невыгодным.
Все эти факторы чрезвычайно затрудняют целенаправленное внедрение природоохранных технологий. Тем не менее рост промышленного производства и ускоренный ввод в строй электрогенерирующих мощностей, который планируется в ближайшие годы, потребует сократить объемы выбросов от уже установленного оборудования.
К настоящему времени накоплен большой опыт внедрения различных технологий для снижения выбросов ΝΟχ [1]. Чаще всего для снижения выбросов оксидов азота на действующих ТЭС применяются так называемые технологические (или внутритопочные) мероприятия, которые различаются между собой не только эффективностью подавления образования ΉΟχ, но материальными и временными затратами на их реализацию.
Однако ввиду низкой платы за выбросы реализация природоохранных мероприятий на действующих котлах в настоящее время для большинства электростанций экономически невыгодна. Особенно это относится к мероприятиям, которые требуют проведения значительных работ по реконструкции, например замена горелок, установка специальных дымососов для рециркуляции или сопел вторичного дутья.
В связи с этим наиболее привлекательными с точки зрения материальных и временных затрат являются такие малозатратные технологии, как сжигание с пониженными избытками воздуха, не-стехиометрическое сжигание, упрощенные схемы двухступенчатого сжигания и их комбинация (табл. 1). При очень незначительных затратах на внедрение этих методов снижение выбросов ΝΟχ при их комбинации может достигать 70-80 %. Особенно актуальным является реализация таких мероприятий на котлах, у которых величина выбросов ΝΟχ превышает нормативные значения в 1,5-2 раза. Как правило, это водогрейные котлы и паровые котлы производительностью до 670 т/ч.
Таблица 1. Малозатратные технологические мероприятия
Мероприятие Реализация Снижение ΝΟχ, % Недостатки Упрощенное двухступенчатое сжигание Отключение части горелок по топливу 20-40 Сложность реализации на котлах с малым количеством горелок Нестехиометрическое сжигание Рассогласование отношения топливо-воздух в различных горелках или по ярусам 35-55 Снижение эффективности на пониженных нагрузках Снижение избытка воздуха Снижение общего избытка воздуха 10-30 Возможность повышенного химнедожога
2. МАЛОЗАТРАТНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ
Технологические мероприятия обеспечивают снижение образования ΝΟχ за счет изменения режима сжигания топлива. Интенсивность образования оксидов азота определяется характеристиками зоны активного горения (ЗАГ) - избытками воздуха, уровнями температур и временем пребывания в зоне высоких температур [1]. Технологические методы, которые позволяют изменять характеристики ЗАГ и обеспечивают подавление образования NO без внесения каких-либо изменений в конструкцию котла, принято называть малозатратными. Ниже рассмотрены возможности реализации таких мероприятий на котлах.
2.1. Упрощенное двухступенчатое сжигание
Принцип организации двухступенчатого сжигания заключается в пространственном разделении в объеме топочной камеры двух основных процессов (ступеней), влияющих на образование оксидов азота в факеле [2]:
1) воспламенение и сгорание основной части топлива в среде с недостатком кислорода (обычно при алок = 0,8-4,95);
подача оставшегося воздуха (как правило, ΔαΒΤορ = 15+25 %), смешение с продуктами сгорания из первой ступени и догорание топливо-воздушной смеси.
Через основные горелки в топочную камеру подается топливо с недостатком воздуха (а < 1), a остальная (необходимая для полного сгорания топлива) часть воздуха подается далее по факелу через специальные сопла (рис.1). При упрощенном двухступенчатом сжигании вместо специальных сопел для ввода воздуха используются отключенные по топливу горелки.
Для метода требуется, чтобы топка котла отвечала следующим требованиям:
• большое количество горелок или их многоярусная компоновка;
• запас производительности горелок по топливу;
• расстояние между ярусами горелок должно обеспечивать достаточно протяженную восстановительную зону.
К основным недостаткам этого метода следует отнести отсутствие возможности отключения части горелок на номинальных нагрузках и возможное снижение эффективности со снижением нагрузки. Последнее происходит из-за существенного повышения избытков воздуха на минимальных нагрузках для обеспечения температуры перегрева и полноты выгорания топлива.
Примером может служить реализация двухступенчатого сжигания на котле Е-140-3,1 номинальной паропроизводительностью 140 т/ч. В процессе эксплуатации максимальная паропроизводитель-ность была снижена до 100 т/ч, что обеспечило значительный запас производительности горелок. Схема организации двухступенчатого сжигания представлена на рис. 2. Результаты внедрения представлены на рис. 3.
2.2. Нестехиометрическое сжигание
Нестехиометрическое сжигание (рис. 4) реализуется за счет создания в объеме топочной камеры восстановительной (а < 1) и окислительной (а> 1,2+1,25) зон горения при сохранении традиционных избытков воздуха на выходе из топки [3]. В восстановительной зоне происходит подавление бразования термических и топливных оксидов азота из-за недостатка кислорода, а в окислительной зоне образование термических ΝΟχ сдерживается в результате снижения температуры за счет больших избыточных объемов воздуха (рис. 5).
Нестехиометрическое сжигание топлива в котлах реализовывается различными способами разбаланса топливовоздушного соотношения в горелочных устройствах. Разбаланс может быть получен за счет перераспределения между горелками воздуха, топлива или одновременно топлива и воздуха.
Основным недостатком нестехиометрического сжигания является уменьшение эффективности подавления ΝΟχ при снижении котла. Как правило, это связано с изменением оптимальных соотношений топливо-воздух в горелках при снижении нагрузки. Один из вариантов устранения данного недостатка - настройка системы регулирования соотношения «топливо-воздух» в горелках (если она установлены на котле).
В качестве примера данного метода можно рассмотреть организацию нестехиометрического сжигания мазута на котле ТГМ-84Б. Котел оснащен 6 вихревыми горелками (4 в нижнем ярусе и 2 в верхнем). Режим реализовывался за счет воздушного разбаланса - частичного прикрытием индивидуальных воздушных шиберов перед четырьмя горелками нижнего яруса при полностью открытых шиберах перед двумя горелками верхнего яруса. Результаты, приведенные на рис. 6, хорошо иллюстрируют снижение эффективности при снижении нагрузки.
2.3. Комбинация нестехиометрического и двухступенчатого сжигания
Для того чтобы нейтрализовать основные недостатки рассмотренных выше методов, можно рекомендовать их комбинацию. В этом случае котел на нагрузках, близких к номинальным, работает по схеме нестехиометрического сжигания, а на пониженных нагрузках — по двухступенчатой схеме за счет отключения части горелок по топливу [3]. В этом случае удается сохранить высокую эффективность подавления оксидов азота во всем диапазоне нагрузок.
Режим комбинированного сжигания природного газа был реализован на котле ТПЕ-430, оборудованном 8 прямоточными горелками, скомпонованными встречно в один ярус. При нагрузке котла в диапазоне £>Пе = 350+500 т/ч в топке путем частичного закрытия топливных клапанов перед четырьмя горелками осуществлялось нестехиометрическое сжигание газа по «чередующейся» схеме; в работе находились все 8 горелочных устройств. На пониженных нагрузках £>Пе = 300+350 т/ч производилось отключение по топливу двух крайних горелок, расположенных на фронте котла. Таким образом, процесс горения в топочной камере разбивался на три зоны: в центре топки находилась зона нестехиометрического сжигания, а по краям — зоны двухступенчатого сжигания. На малых нагрузках £>пе < 300 т/ч по топливу отключались все 4 фронтальные горелки и полностью открывались топливные клапаны перед горелками, установленными на задней стене, и во всей топке устанавливался режим двухступенчатого сжигания. Во всем рабочем диапазоне нагрузок котла воздух в топочную камеру подавался равномерно через все 8 горелок. Как видно из рис. 7, такой режим позволил обеспечить высокую степень подавления ΝΟχ во всем диапазоне нагрузок.
Другим примером является реализация комбинированного режима сжигания мазута на котле БКЗ-75-39ГМ, оборудованном 6 вихревыми горелками, скомпонованными в два яруса (рис. 8). На нагрузках £>Пе =70-75 т/ч была реализована схема нестехиометрического сжигания за счет подачи большей части воздуха в верхний ярус горелок. Снижение выбросов ΝΟχ в этом случае составило 43-45 % (рис. 9). Достичь нормативного уровня (250 мг/м ) в этом диапазоне нагрузок удается только в случае совместной реализации нестехиометрического сжигания с контролируемым недожогом. Выбросы в этом случае составляют 240-250 мг/м3.
При нагрузках ниже £>Пе = 65 т/ч реализуется схема комбинации двухступенчатого и нестехиометрического сжигания за счет отключения по топливу горелки №2 с сохранением подачи через нее воздуха. В этом случае выбросы были ниже нормативного значения — 250 мг/м3 как при сжигании мазута без недожога, так и в режимах с контролируемым недожогом (см. рис. 9). Наблюдается тенденция увеличения концентрации ΝΟχ со снижением нагрузки от 65 до 55 т/ч, что связано с повышением общего избытка воздуха в зоне активного горения. Таким образом, за счет комбинации режимов нестехиометрического сжигания в верхнем диапазоне нагрузок и двухступенчатого сжигания в нижнем диапазоне нагрузок совместно с контролируемым недожогом удается снизить выбросы оксидов азота до нормируемых значений.
1. Реализация малозатратных технологий позволяет существенно (в 1,5-2 раза) снизить выбросы оксидов азота без существенного снижения КПД котла.
2. Сочетание упрощенного двухступенчатого и нестехиометрического сжигания с контролируемым недожогом позволяет повысить их эффективность.
3. Затраты на реализацию данных методов в основном сводится к стоимости режимно-наладочных испытаний, разработки режимных карт и настройки АСУ.
1. Росляков П.В., Егорова Л.Е., Нонкин И.Л. Технологические мероприятия по снижению вредных выбросов ТЭС в атмосферу. М.: Издательство МЭИ, 2001.
2. Ионкин И.Л. Пути повышения эффективности двухступенчатого сжигания природного газа и мазута в паровых и водогрейных котлах. Дисс. . канд. техн. наук. М., 2002.
3. Росляков П.В., Закиров И.А. Нестехиометрическое сжигание природного газа и мазута на тепловых электростанциях. М.: Издательство МЭИ, 2001.