1.4.3. Гибридная схема очистки дымовых газов от оксидов азота

Опыт применения в энергетике технологий СКВ и СНКВ показал, что первый метод требует слишком больших капитальных затрат, а второй характеризу­ется невысокой эффективностью и повышенным проскоком аммиака, который не только загрязняет атмосферу, но при сжигании серосодержащего топ­лива еще и забивает воздухоподогреватель из-за об­разования бисульфата аммония.

Учитывая изложенное, специалисты компании Mitsubishi Heavy Industries (MHI) разработали и запа­тентовали в США гибридную схему, объединяющую SCR (СКВ) и SNCR (СНКВ). Предварительные рас­четы и экспериментальные исследования показали, что такое объединение позволяет сократить капи­тальные затраты, характерные для применения толь­ко SCR, и устранить основные недостатки, свойст­венные методу SNCR.

В гибридной системе компактный каталитиче­ский реактор размещается внутри газохода между экономайзером и воздухоподогревателем. Этот ката­лизатор не только дополнительно восстанавливает оксиды азота, но и потребляет избыточный аммиак, который не успел прореагировать с NO и О₂ в высо­котемпературной зоне котла. Регулируя расход до­полнительной порции аммиака на входе в катализа­тор SCR, можно добиться высокой эффективности гибридной схемы во всем диапазоне нагрузок котла.

В настоящее время гибридная схема внедрена специалистами компании MHI на двух крупных энер­гетических котлах, работающих на малосернистом ма­зуте. Испытания этих котлов подтвердили, что при оп­ределенных условиях гибридная схема оказывается оптимальным решением проблемы выбросов NO_x.

Например, на энергоблоке № 4 ТЭС Yokkosuka при мольном соотношении NH₃/NO_x = 2 включение толь­ко схемы SNCR снижало выбросы NO_x на 40  45 %. При включении только малогабаритной установки SCR выбросы оксидов азота уменьшались прибли­зительно на 15 %. А при работе гибридной схемы (SNCR + SCR) снижение выбросов NO_x превышало 50 %. Но главное достоинство новой схемы состояло в том, что проскок аммиака при работе только SNCR был чрезмерно высоким: при NH₃/NO_x = 2 концен­трация NH₃ за экономайзером достигала 20 ppm. A после катализатора SCR концентрация NH₃ снижа­лась до приемлемого значения (менее 5 ppm).

Анализ результатов исследований и демонстрационных испытаний, проведенных японскими энергети­ками на пылеугольных и газомазутных котлах, пока­зывает, что, несмотря на периодическое ужесточение норм по допустимым выбросам NO_x, имеется доста­точное число проверенных технологий, позволяющих выполнить эти нормы не только при сооружении но­вых энергоблоков, но и на действующих котлах.

1.5. Методы расчетного определения мощности и валовых выбросов оксидов азота котлами тэс

Важнейшей экологической характеристикой ко­тельной установки является мощность выбросов окси­дов азота (г/с). Кроме того, эксплуатационному персоналу ТЭС и промышленных котельных прихо­дится отчитываться за количество оксидов азота, по­ступивших в атмосферу в течение года, т.е. приходит­ся рассчитывать валовые выбросы (т/год).

Обычно валовые выбросы не являются произведе­нием мощности выбросов на время работы котла в течение года, так как мощность выбросов оп­ределяется для конкретных условий: номинальная нагрузка котла, проектный избыток воздуха, в работе должны быть все горелки, а котел должен работать на проектном топливе, без подсветки.

При расчете валовых выбросов следует учиты­вать, что котел значительную часть времени работает на сниженной нагрузке, что возможна работа кот­ла с отключением части горелок, что пылеугольные котлы часто работают с подсветкой факела газом или мазутом, а это также влияет на мощность вы­бросов NO_х. Поэтому при расчете валовых выбро­сов необходимо использовать усредненное во вре­мени значение .

Мощность выбросов NO_х является произведением объема дымовых газов на концентрацию оксидов азота в этих газах. Однако приходится учитывать, что большинство газоанализаторов, которые исполь­зуются в настоящее время на тепловых электростан­циях, определяют объемную концентрацию NO_х в сухой пробе дымовых газов. Поэтому, умножая измеренную концентрацию NO_х на полный расход ды­мовых газов, мы получаем завышение фактических выбросов при сжигании каменных углей примерно на 7 %, при сжигании мазута на 11 %, при сжигании высоковлажных бурых углей на 13 % и при сжигании природного газа на 17 %.

Исправить полученную ошибку можно расчет­ным путем, оценивая объем водяных паров в дымо­вых газах по составу сжигаемого топлива. Но если уж известен состав топлива, то значительно проще и быстрее можно определить мощность выбросов без измерения скорости дымовых газов  по избытку воздуха в продуктах сгорания. Отбор пробы на анализ лучше осуществлять из сечения газохода за ды­мососом, где хорошее перемешивание газов избавля­ет от необходимости тарировать сечение для исклю­чения ошибки, связанной с неравномерностью соста­ва газов в поперечном сечении.

Удельный объем сухих дымовых газов рассчиты­вают, исходя из предположения, что на датчик при­бора поступает полностью осушенная проба:

, (1)

где  соответственно удельные объ­емы воздуха, дымовых газов и водяных паров, обра­зующихся при стехиометрическом сжигании 1 кг или 1 м³ топлива (м³/кг или м³/м³);   коэффициент из­бытка воздуха в сечении газохода, из которого отби­рается проба газа.

Значения можно рассчитать по составу топлива. Коэффициент избытка воздуха  при полном сгорании топлива может быть рассчитан по приближенной кислородной формуле:

, (2)

где О₂  измеренная объемная концентрация кислорода, %.

Фактически в дымовых газах всегда содержится какое-то количество продуктов неполного сгорания, поэтому в формулу (2) следовало бы поставить значение избыточного кислорода

. (3)

Однако при нормальной работе котельных установок СО  0,01 % (по объему), а содержание осталь­ных продуктов неполного сгорания еще меньше, по­этому погрешность, связанная с использованием формулы (2), оказывается ничтожно малой по сравнению с точностью измерения других величин.

При расчете коэффициента избытка воздуха на газомазутных котлах часто используется еще одна формула:

. (4)

Входящая в это выражение величина вычис­ляется по составу топлива

, (5)

где   характеристика топлива, учитывающая рас­ходование части кислорода на горение водорода, а также наличие в составе топлива собственного ки­слорода:

. (6)

Значение  для твердого топлива меняется в диа­пазоне от 0,0625 до 0,135; для газа  от 0,083 до 0,786 и для мазута  от 0,28 до 0,346.

Достоверность измеренной концентрации О₂, как и других компонентов дымовых газов, достигается при отборе пробы за дымососом, где газы хорошо пе­ремешаны. В противном случае требуется тарировка сечения газохода по данным газового анализа.

Теперь можем записать:

, (7)

где В_р  расчетный расход топлива, т/ч (тыс. м³/ч).

Численный коэффициент в этой формуле связан с тем, что в отечественной практике принято концен­трацию оксидов азота в пересчете на NO₂, приведен­ную к стандартным условиям (0 °С, 101,3 кПа, О₂ = 6 %, т.е.  = 1,4), давать в мг/м³, объем сухих дымо­вых газов  в м³/кг (или в м³/м³ при сжигании газо­образного топлива) также при стандартных условиях и  = 1,4, а расход топлива  в т/ч (или тыс. м³/ч при сжигании газа).

Расчетный расход топлива определяют по показа­ниям приборов или методом обратного теплового ба­ланса по нормативному методу расчета котельных установок. Концентрацию NO_x определяют при по­мощи газоанализатора, а объем сухих дымовых газов рассчитывают по составу сжигаемого топлива.

К сожалению, в реальной жизни на тепловых электростанциях часто отсутствует достоверная информация о химическом составе сжигаемого топлива, что не позволяет рассчитать объем сухих дымовых газов. В этом слу­чае можно пользоваться методи­кой ут­вержденной РАО «ЕЭС России» в качестве Руководя­щего документа РД 34.02.305-98. Эта методика исходит из то­го, что существует прямая зависимость между объе­мом сухих дымовых газов и низшей теплотой сгора­ния рабочей массы топлива

. (8)

Расчеты, выполненные для основных марок твер­дых, жидких и газообразных топлив, используемых на ТЭС России, показали, что с достаточной степе­нью точности можно принять следующие значения коэффициента k при сжигании: природного газа  0,345, мазута  0,355, каменных углей  0,365, бу­рых углей  0,375.

Массовая концентрация оксидов азота (мг/м³) может быть получена по измеренной объем­ной концентрации NO_x (ppm) путем умножения по­следней на плотность NO₂ ( = 2,05 мг/м³). Если одновременно привести измеренную объемную кон­центрацию к стандартному избытку воздуха ₀ = 1,4, то в конечном счете получим расчетную формулу

, (9)

где и О₂  измеренные концентрации окси­дов азота (NO + NO₂, ppm) и кислорода (О₂, %).

Теперь формулу (7) можем переписать в та­ком виде:

. (10)

Здесь (NO + NO₂)  измеренные концентрации окси­дов азота, ppm; О₂  измеренная концентрация кисло­рода в месте отбора пробы на анализ, %; k  безраз­мерный коэффициент, зависящий от вида топлива;  теплота сгорания топлива, МДж/кг (МДж/м³).

В проектно-конструкторских организациях при разработке новых котлов или реконструкции дейст­вующих, когда нет возможности измерить концен­трацию NO_x, в дымовых газах, приходится использо­вать расчетный метод в РД 34.02.304-95, утвержденный РАО «ЕЭС России» 28.09.1995 г. и согласованный с Госкомэкологией России. В исключительных случаях (при отсутствии возможности измерить на дейст­вующих котлах) по согласованию с местными орга­нами Госкомэкологии РФ этим методом можно вос­пользоваться и для составления статистической от­четности на тепловых электростанциях.

Расчетная методика РД 34.02.304-95 составлена отдельно для пылеугольных и газомазутных котлов. В случае сжи­гания угля совместно с газом или мазутом расчет вы­полняется для 100 %-ного сжигания твердого топлива, а в полученный результат вносится поправочный ко­эффициент, зависящий от доли газа или мазута.

При подсветке пылеугольного факела газом рас­считанную для угольного котла концентрацию NO_x следует умножить на безразмерный поправочный ко­эффициент _г:

, (11)

где _г  доля газа по теплу.

При подсветке факела мазутом безразмерный ко­эффициент _м можно рассчитать по формуле

, (12)

где _м  доля мазута по теплу.

Приведенные формулы дают хорошее совпадение с действительными цифрами при сжигании газа (или мазута) в тех же горелках, через которые подается аэросмесь. Если котел оборудован самостоятельны­ми газовыми (или мазутными) горелками, то влияние подсветки (в отношении концентрации оксидов азо­та) будет менее существенным.

Расчет концентрации NO_х на пылеугольных кот­лах по расчетной методике РД 34.02.304-95 проводится по формуле

, (13)

где  удельные выбросы оксидов азота в пе­ресчете на NO₂, г/МДж.

Условно принято, что являются суммой то­пливных и воздушных NO_х, т.е.

, (14)

Топливные NO_х рассчитываются по эмпириче­ским формулам, полученным при исследовании влияния основных параметров горения угольной пы­ли на образование оксидов азота. Для подсчета используется полуэмпирическая зависимость, учиты­вающая известное уравнение Зельдовича для скоро­сти образования термических NO_х.

При расчете концентрации NO_х на мазутных кот­лах также суммируются топливные и термические NO_х. Количество первых зависит от содержания азо­та в топливе, а количество вторых  от тепловой на­грузки лучевоспринимающей поверхности в зоне ак­тивного горения q_лг (МВт/м²).

При сжигании природного газа топливные окси­ды азота отсутствуют, поэтому основным парамет­ром, влияющим на концентрацию NO_х, является q_лг. Кроме того, на концентрацию оксидов азота (как и при сжигании мазута) оказывают влияние некото­рые параметры топочного процесса: наличие, объем и место ввода газов рециркуляции; температура го­рячего воздуха; коэффициент избытка воздуха в го­релках; доля воздуха, подаваемого в топку помимо горелок; наличие, количество и место ввода влаги в топочную камеру; относительная нагрузка котла.

Подробно все формулы и порядок расчета мощ­ности выбросов NO_х для пылеугольных и газомазут­ных котлов для тех случаев, когда нет возможности измерить концентрацию NO_х, приведены в РД 34.02.304-95.