1.3.2. Различные схемы ступенчатого сжигания

Эффективным средством снижения эмиссии NO_x являются ступенчатый ввод воздуха (OFA, или двух­ступенчатое сжигание) и ступенчатый ввод топлива с частичным восстановлением NO_x в топке (reburning process, или трехступенчатое сжигание). При сжига­нии высокореакционных каменных и бурых углей значительное снижение выбросов NO_x может достигнуто за счет сочетания ступенчатого сжигания по вертикали и горизонтали. Этот метод, получивший название «концентрическое сжигание», одновременно с уменьшением выбросов оксидов позволяет сократить опасность шлакования топочных экранов и высокотемпературной коррозии труб в нижней части топочной камеры.

Правильное применение метода трехступенчатого сжигания позволяет на 50  60 % снизить эмиссию NO_x при сжигании каменных углей даже в топках с жидким шлакоудалением.

Все известные технологические методы подавле­ния оксидов азота на пылеугольных котлах, включая малотоксичные горелки, или различные схемы сту­пенчатого сжигания фактически являются способами создания восстановительных зон, которые необходи­мы для деструкции NO.

Возможные варианты ступенчатого сжигания применительно к котельным установкам можно ус­ловно разделить на три группы, схемы которых пред­ставлены на рис. 2.

Первая группа (рис.2, а)  это так называемое двухступенчатое сжигание, когда через горелки по­дается топливо с недостатком окислителя ( < 1,0), а недостающий воздух поступает через сопла третич­ного воздуха в промежуточную зону факела. Эта схе­ма называется двухступенчатой даже при подаче тре­тичного воздуха на двух или на трех уровнях. В лю­бом случае восстановительная зона образуется после выгорания кислорода, поданного вместе с топливом через горелки.

Такая схема успешно реализована на большом числе котлов докритического давления при сжигании углей с умеренным содержанием серы.

Рис. 2. Различные схемы ступенчатого сжигания для снижения выбросов оксидов азота на пылеугольных котлах

а  двухступенчатое сжигание; б  трехступенчатое сжигание (reburning process); в  концентрическое сжигание

Впервые проект реконструкции котла с перево­дом его на схему двухступенчатого сжигания был разработан сотрудниками ВТИ вместе с СКБ ВТИ еще в конце 70-х годов XX в. Реализация этого про­екта на котле производительностью 210 т/ч (Запад­но-Сибирская ТЭЦ, г. Новокузнецк) доказала эффек­тивность выбранного метода при сжигании битуми­нозного угля и высокозольных отходов обогащения этого угля. До реконструкции концентрация оксидов азота в дымовых газах достигала 900 мг/м³ в пере­счете на NO₂, в сухой пробе дымовых газов при кон­центрации О₂ = 6 %.

После реконструкции, которая потребовала оста­нова котла только на две недели, концентрация окси­дов азота снизилась до 490 мг/м³, т.е. на 45 %. Кон­струкция сопл третичного воздуха позволила менять направление воздушных струй.

В 80-е годы XX в. технология двухступенчатого сжигания была внедрена еще на большом количестве котлов, сжигающих газ, мазут, бурые и каменные угли. Эффективность этого метода подавления NO_х составляла, как правило, 30  40 %, а заметное увеличение потерь с механическим недожогом наблюдалось только при сжигании малореакционных углей.

На котлах сверхкритического давления (СКД) при сжигании высокосернистых углей применение схемы двухступенчатого сжигания может привести к высоко­температурной коррозии экранов нижней радиацион­ной части (НРЧ). При сжигании малореакционных уг­лей типа АШ, Т или СС двухступенчатое сжигание резко увеличивает содержание горючих в уносе, сни­жая тем самым КПД котельной установки.

КПД котельной установки  это отношение полезной мощности (мощность для нагрева теплоносителя) к подведенной тепловой мощности (потребляемая тепловая мощность). КПД 100 % говорит о том, что 100 % потребленной энергии преобразовалось в форму теплоты. КПД котла зависит от многих параметров: качества материала теплообменника котла, конструкции горелки, панели управления и др.

Вторая группа (см. рис. 2, б)  это схема трех­ступенчатого сжигания (reburning по терминологии, принятой за рубежом). Эта схема предполагает сжига­ние 80  85 % топлива с обычным избытком воздуха ( = 1,05  1,10) и создание восстановительной зоны выше основной зоны горения за счет ввода оставших­ся 15  20 % топлива с недостатком окислителя.

В верхнюю часть топки подается третичный воз­дух, необходимый для догорания продуктов неполно­го сгорания из восстановительной зоны. Эта схема с успехом опробована на нескольких котлах, в том числе и при сжигании высокосернистого донецкого угля марки Г на котле СКД Ладыжинской ГРЭС.

К недостатком метода трехступенчатого сжига­ния можно отнести некоторое усложнение схемы по­дачи топлива в топочную камеру, поскольку появля­ется дополнительный ярус горелок, работающих с недостатком воздуха. В некоторых случаях при ре­конструкции действующих котлов необходимость установки дополнительных горелок создает сущест­венные трудности.

На рис. 2, в представлена еще одна схема, не требующая установки дополнительного яруса горе­лок. В этой схеме восстановительная зона формиру­ется в центральной части топки, вдали от топочных экранов, что позволяет избавиться от таких побочных явлений, как шлакование топочных экранов или их высокотемпературная коррозия. Эта схема получила название «концентрическое сжигание», и в последние годы она все чаще используется для снижения выбро­сов NO_х при сжигании высокореакционных углей на электростанциях Европы, США и Японии.

Высокотемпературная коррозия  окисление металлов и сплавов при повышенных температуpax в газовой средах (чаще на воздухе) или в разных расплавах солей и жидких металлах. При этом скорость окисления увеличивается с повышением температуры.

В США схема концентрического сжигания широ­ко внедряется как при реконструкции действующих котлов, так и при сооружении новых котельных уста­новок, рассчитанных на сжигание каменных и бурых углей.

В результате новой организации топочного процесса на всех котлах удалось снизить концентрацию оксидов азота в дымовых газах в 1,5  2 раза, а экономичность котлов осталась прак­тически на прежнем уровне.

Эффективность схемы концентрического сжига­ния определяется степенью обогащения топливом центральной зоны топочной камеры и соответствен­но обогащения воздухом периферийной зоны, при­мыкающей к топочным экранам. Понятно, что увели­чивая долю вторичного воздуха, который отклоняет­ся от направления струй топливовоздушной смеси, и увеличивая угол (в плане) между этими двумя по­токами, мы можем добиться более глубокого сниже­ния выбросов NO_х. Однако увеличение времени пре­бывания топлива в зоне с недостатком окислителя приводит к снижению скорости выгорания коксового остатка, а время пребывания в верхней части топки, после ввода третичного воздуха, ограничено сущест­вующими размерами топочной камеры. Неполное сгорание топлива, как известно, увеличивает потери тепла и снижает качество летучей золы. Поэтому при внедрении схемы концентрического сжигания не­обходимо знать зависимость степени снижения выбро­сов NO_х от конструктивных параметров концентриче­ской схемы, а также влияние степени концентрично­сти на содержание горючих в уносе.