10972

21

Графические зависимости потерь теплоты и КПД теплогенераторов от коэффициента избытка воздуха и тепловых нагрузок котлов отражены на рис.

(2.9 – 2.14)

В последние годы в связи с актуальностью экологических разработок и наличием совершенной измерительной техники, технологические карты энергетического оборудования стали дополняться его экологическими характеристиками.

Эколого-технологические режимные карты содержат информацию о наличии токсичных веществ, выбрасываемых с продуктами сгорания на каждом режиме работы котлоагрегата. В процессе обработки проведенных замеров составляются графики зависимости выброса токсичных веществ от режима работы котлоагрегата и параметров котла.

22

Усредненные графические зависимости выброса токсичных веществ от коэффициента избытка воздуха в топке и тепловой нагрузки котла приведены

на рис.(2.15–2.16)

Рис. 2.15. Зависимость образования вредных веществ от коэффициента избытка воздуха в топке αт

Рис. 2.16. Зависимость образования вредных веществ от тепловой нагрузки котла Qк

Технологические методы снижения выброса оксидов азота методом подавления их образования в топочной камере

Методы подавления оксидов азота в топочной камере основаны на создании процессов горения с минимальным образованием NO. Эти методы базируются на механизме образования оксидов азота [3]. Анализ условий образования NO показывает, что для образования оксидов азота необходимы высокие температуры в топочной камере, локальные высокотемпературные участки в зоне факела и избыток кислорода в зоне синтеза NO.

В настоящее время энергетиками в России и за рубежом разработано и внедрено в промышленность большое количество технических решений, обеспечи-

24

снижения NOх ( 5070)%. Остаточная концентрация NOх в продуктах сгорания доведена до 70–125 мг/м3 при концентрации NOх до мероприятий от 250 до 1500 мг/м3.

На основе полученных результатов остаточная концентрация NOх = 125 мг/м3 в сухих продуктах сгорания при α = 1,4 заложена в нормативный документ ГОСТ Р50831–95 « Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования при работе котлов на газообразном топливе».

Использование технологических методов снижения токсичных выбросов в

промышленных и отопительных котельных имеет свои особенности. Количе-

ство промышленных котлов многообразно, культура эксплуатации – чрезвычайно низка. Выброс токсичных веществ на единицу сжигаемого топлива значительно

25

выше. Особенно это относится к продуктам незавершенного горения – СО, саже, бенз(а)пирену, реальное содержание которых в условиях эксплуатации резко отличается от полученных при наладке. Автоматика процессов горения и приборы для определения концентраций СО и NOх практически отсутствуют.

Технологические методы снижения NOх крайне медленно внедряются в промышленных котлах. Опыт экспериментальных исследований показал, что на промышленных и отопительных котлах можно добиться снижения NOх на 30–50% сочетанием ряда способов (например, ступенчатое сжигание, рециркуляциия продуктов сгорания) при отсутствии СО, сажи, бенз(а)пирена. Дальнейшего снижения выброса NOх на этих котлах можно добиться лишь при реконструкции котлов путем установки специального дожигательного устройства (см. раздел 2.3.3)

Классификация методов подавления образования оксидов азота:

-ступенчатое подача окислителя в топочную камеру котла;

-ввод воды или пара в топочную камеру;

-рециркуляция продуктов сгорания в топочную камеру котла;

-специальные горелочные устройства с минимальным образованием NOx

Использование ступенчатого сжигания топлив.

Энергетические котлы отличаются от промышленных многоярусным расположением горелочных устройств. Это дает возможность осуществить ступенчатую подачу окислителя по высоте топочной камеры. Метод заключается в следующем. В нижний ярус горелочных устройств воздух подается в количестве меньшем, чем теоретически необходимое для горения (αт=0,8). В остальные ярусы горелок воздух подается с избытком, таким образом, чтобы суммарный избыток воздуха в топке на выходе из топки αт был равен нормативному значению (рис.2.18).

Рис. 2.18. Ступенчатое сжигание топлива в энергетических котлах

Образование оксидов азота снижается по следующим причинам:

-в нижней части топочной камеры в результате недостатка окислителя синтез оксидов ΝОх резко снижается;

-в этой зоне происходит неполное горение топлива с частичной его газифика-

цией, то есть понижена температура;

- теплоотвод в нижней части топки снижает температуру газов, поэтому заключительная стадия процесса горения происходит также при более низкой температуре;

26

- верхняя зона горения забалластирована продуктами сгорания из нижней части топочной камеры.

Промышленные котлы не имеют многоярусного расположения горелочных устройств. Они, как правило, оснащены одной или двумя горелками, размещенными в одной плоскости. Поэтому ступенчатая подача окислителя в таких котлах осуществляется не по высоте, а по длине топочной камеры

(см. рис.2.19)

Рис. 2.19. Ступенчатая подача окислителя в промышленных котлах: 1 - воздухозаборная шахта; 2 – дутьевой вентилятор; 3 – топочная камера

В горелки воздух подается в недостаточном количестве α = (0,9 – 0,95). Меньшее количество воздуха в горелку подавать нецелесообразно, особенно при малой длине топочной камеры, во избежание химической неполноты сгорания. Поэтому и степень снижения оксидов азота не превышает, как правило, (25-30)%. Остальное количество воздуха подводится непосредственно в топочную камеру, минуя горелочное устройство. В целом избыток воздуха на выходе из топочной камеры должен быть равен нормативному для данного типа котлов (αт = 1,1).

Образование оксидов азота снижается по следующим причинам:

-в передней части топочной камеры в результате недостатка окислителя синтез оксидов ΝОх резко снижается;

-в этой зоне понижена температура, происходит неполное горение топлива с частичной его газификацией;

-среднетопочная температура газов снижается, поэтому заключительная стадия процесса горения происходит также при более низкой температуре;

-зона догорания в хвостовой части топки забалластирована продуктами сго-

рания и синтез ΝО сильно затруднен.

Ввод воды и пара в топочную камеру.

Ввод воды или пара в топочную камеру приводит к снижению локальных

28

- снижение максимальной температуры горения в результате разбавления охлажденными продуктами сгорания;

-балластировка зоны образования ΝО продуктами сгорания, то есть снижение концентрации реагирующих веществ;

-растягивание зоны горения, то есть снижение температуры факела в результате большей теплоотдачи от его поверхности.

При использовании метода рециркуляции в энергетических котлах были исследованы [2,3] несколько способов ввода газов в топочную камеру: через шлицы под горелками, через кольцевой канал вокруг горелок и подмешивание газов в дутьевой воздух перед горелками. Наиболее эффективным оказался последний способ, при котором в наибольшей степени происходит снижение температуры в ядре факела, а степень снижения образования ΝО – (50-60)%.

Оптимальное количество рециркулирующих газов – 20% от расхода продуктов сгорания.

Принципиально возможны 2 схемы отбора рециркулируемых газов (см.

рис.2.20):

-точка I - из газохода под разряжением, то есть из всасывающей линии дымососа; при этом необходим специально устанавливаемый рециркуляционный дымосос;

-точка II - из газохода под давлением, то есть из напорной части дымососа. Преимущество первой схемы в том, что отбор газов на рециркуляцию при

помощи специального рециркуляционного дымососа позволяет регулировать расход отбираемых газов. Недостаток – затраты на установку и эксплуатацию дымососа.

Преимущество второй схемы в том, что отпадает необходимость в установке специального дымососа (газы поступают в топочную камеру за счет остаточного напора основного дымососа). Недостаток этой схемы – запаса в напоре основного дымососа, как правило, недостаточно для отбора оптимального расхода газов. В этом случае степень снижения оксидов азота уменьшается до (40-30)% и менее.

В промышленных котлах используется преимущественно вторая схема, (см. рис. 2.20, точка II), то есть отбор газов на рециркуляцию осуществляется из напорной части газового тракта. При этом дымосос и вентилятор устанавливаются в непосредственной близости друг от друга с целью снижения аэродинамического сопротивления газохода рециркуляции (рис.2.21) .

Это позволяет осуществить отбор оптимального расхода возвращаемых в топку продуктов сгорания и способствует снижению уровня образования оксидов азота в промышленных котлах до 50 % при условии установки специальных дожигательных устройств (подробно см.раздел 2.3.3).

Рис.2.21. Рециркуляция продуктов сгорания в промышленных котлах:

1 – воздухозаборная шахта; 2 – дутьевой вентилятор; 3 – топочная камера; 4 – дымосос; 5 – дымовая труба; 6 – шибер; - в – воздух; - р - газы рециркуляции

Применение специальных газогорелочных устройств с пониженным образованием оксидов азота

Конструкция газогорелочных устройств также оказывает влияние на выход

оксидов азота за счет изменения геометрических размеров факела, максимальной температуры пламени, времени пребывания газов в зоне высоких температур и других факторов.

В связи с актуальностью экологической безопасности все топливосжигающие устройства должны иметь экологический сертификат, в котором содержаться сведения об экологических характеристиках данного устройства. При проектировании топливосжигающих установок следует принимать те газогорелочные устройства, при использовании которых образуется минимальное количество оксидов азота в топочной камере.

Топливосжигающие устройства, разработанные ранее без учета экологических характеристик, отличаются, как правило, повышенным выходом оксидов азота. Это обусловлено тем, что газогорелочные устройства разрабатывались с позиции обеспечения максимальной полноты сгорания топлив. Они конструировались таким образом, чтобы факел был компактным, ядро факела концентрировалось вблизи устья горелочного устройства. Таким образом достигались максимально возможные температуры в факеле и полнота сгорания топлива осуществлялась при минимальном избытке воздуха.

Анализ механизма синтеза оксидов азота показывает, что именно эти условия (высокие температуры, локализация факела, минимальный избыток воздуха) способствуют их максимальному образованию [3]. В конечном итоге такое сжигание топлив и привело к высоким фоновым концентрациям оксидов азота в крупных промышленных центрах.

При разработке новых горелочных устройств используются те же методы подавления образования оксидов азота, которые были изложены выше: рециркуля-

30

ция продуктов сгорания, ступенчатое сжигание, снижение коэффициента избытка воздуха.

Рассмотрим особенности конструктивного решения горелок с пониженным образованием оксидов азота:

- горелки со ступенчатой подачей воздуха для получения растянутого факела (см. рис.2.22); в этой горелке за счет ступенчатой подачи окислителя увеличивается длина факела, возрастает его поверхность и, как следствие, теплоотдача от факела, что приводит к снижению его температуры, затрудняет образование оксидов азота.

Рис.2.22. Горелка со ступенчатой подачей воздуха:

-микрофакельные горелки, например, блочные инжекционные горелки БИГ, разработанные ООО «Промэнергогаз». Наличие множества малых факелов способствует их быстрому охлаждению и, как следствие, пониженному образованию оксидов азота;

-горелки с рециркуляцией продуктов сгорания к устью факела. Конструкция горелки выполнена так, что факел растягивается в ширину за счет рециркуляции части продуктов сгорания к устью факела. Выход оксидов азота снижается за счет балластировки зоны горения рециркулирующими газами и снижения максимальной температуры факела.

Следующим примером снижения выброса оксидов азота NОХ является опыт организации рационального совместного сжигания газа и мазута в котлах. При подсветке газового факела мазутом, сжигавшимся в отдельных горелках, либо

совместно с газом в одной горелке, удается достичь снижения NОХ на 20–30%. Причинами этого эффекта являются: