КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ПАРОГЕНЕРАТОРЫ

Сокращение вредных выбросов в окружающую среду Режимными методами

Принципиально существует несколько разных подходов к решению за­дачи уменьшения выбросов вредных веществ с дымовыми газами в атмо­сферу. Их можно разделить на следующие три группы:

— удаление вредных компонентов из топлива путем комплексной его пе­реработки перед сжиганием в котле;

— непосредственное воздействие на механизм образования вредных ве­ществ в процессе сжигания исходного натурального топлива в топоч­ной камере;

— очистка продуктов сгорания топлива (уходящих дымовых газов) от при­сутствующих в них вредных соединений.

Наибольший эффект, конечно, может дать комплексное применение разных методов, но при этом надо учитывать, что все они требуют значи­тельных дополнительных затрат и тем больших, чем глубже очистка с при­менением сочетания разных методов.

К числу вредных выбросов электростанций, которые возможно умень­шить правильной организацией режима сжигания топлива, относятся глав­ным образом оксиды азота, полициклические углеводороды (в том числе бензапирены) и триоксид серы SO3.

Наибольшую зону загрязнения воздушного бассейна от выбросов ТЭС составляют оксиды азота, которые по характеру образования разделяются на топливные, быстрые и термические (рис. 7.26).

Образование топливных NOTJI и быстрых NO5 оксидов азота проис­ходит на начальной стадии горения. Топливные NOTJI образуются за счет азота топлива, NP, в результате его преобразования при нагреве в активные Радикалы NH3, HCN в процессе выхода летучих веществ в области темпе­ратур 600-1 120°С и при локальных избытках воздуха алок > 1 происходят Реакции:

NH3 + 02 -> NO + Н20 HCN + 02 ОН + СО + N0.

Быстрые NO6 образуются за счет разложения углеводородных соединений топлива, в результате чего в корневой части факела накапливаются ради­калы CN, HCN и при наличии некоторого количества кислорода также происходит образование N0. Максимальное значение N0 имеет место при алок = 0,7-0,8 и в области температур 930-1 250°С.

Наиболее массовый выход NOx имеет место в области ядра факела при температурах Тф > 1800°К 1 530°С) за счет прямого окисления азота воздуха атомарным кислородом:

N2 + О" N0 - 316,9 кДж/моль. (7.30)

Этот путь образования NOx называют термическим.

Основными способами подавления образования оксидов азота в топках котлов являются следующие:

1. Уменьшение избытка воздуха в зоне горения до минимального по условиям полного сгорания топлива.

2. Применение ступенчатого сжигания топлива, при котором в одну группу горелок (в нижний ярус или в горелки одной стены топки) подается основная масса топлива при избытке воздуха меньше единицы, а в дру­гую группу (верхний ярус горелок или противоположную группу горелок) поступает остаток топлива и воздуха со значением а > 1.

3.4 Рециркуляция дымовых газов с температурой 350-400°С в топку, что обеспечивает снижение температурного уровня в зоне горения и кон­центрации горючих веществ и окислителя за счет разведения горючей смеси инертными газами.

4. Ввод в зоны активного образования оксидов азота струи пара или воды для локального снижения уровня температуры и создания химических реакций, препятствующих образованию вредных соединений.

5. Создание горелок двухступенчатого сжигания с созданием времен­ного недостатка воздуха в зоне образования быстрых и топливных оксидов азота.

Характерная зависимость образования оксидов азота от избытка возду­ха в зоне горения при сжигании природного газа показана на рис. 7.27. При­ближение избытка воздуха к единице и менее обеспечивает низкий уровень выхода NOx, но при этом в разных зонах топки возникает недожог топлива и, что особенно опасно, резко растет концентрация бенз(а)пирена. Переход на значительный избыток воздуха также ведет к снижению выхода NOx за счет снижения температурного уровня реакций, но эксплуатация котлов с такими высокими избытками воздуха не экономична.

Более эффективным способом снижения выхода NOx является ступен­чатое сжигание. На рис. 7.28 показан пример снижения выхода NOx при сжигании природного газа и переходе с одноступенчатого на двухступен­чатое сжигание, используя двухъярусное расположение горелок. В первой

Ступени сжигания обеспечивают избыток воздуха а = 0, 75-0,85, при этом не происходит полного сгорания топлива. Кроме снижения уровня темпера­туры в зоне горения, здесь создаются условия для восстановления оксидов азота при их контакте с раскаленным углеродом или промежуточными про­дуктами при нехватке кислорода:

2NO + С 2СО + N2, 2NO + 2СО -> 2С02 + N2, (7.31)

2NO + СН2 СО + Н20 + N2.

В результате выход NOx в первой зоне резко сокращается. Во второй зоне при избытке воздуха больше единицы температура газов уже не достигает Уровня активного образования термических оксидов.

Организация рециркуляции газов в топку показана на рис. 7.29. Вли­яние рециркуляции наиболее значительно при вводе продуктов сгорания в воздуховоды перед горелками, когда они в смеси с горячим воздухом поступают в топку (рис. 7.29,5).

Надо отметить, что наибольший эффект снижения концентрации NOx в продуктах сгорания достигается при доле рециркуляции грц - 0, 2-0, 3 (^0-30%). Дальнейшее увеличение грц при сжигании газа и мазута ведет

К затягиванию горения и появлению недожога топлива. К тому же мак­симальное подавление образования NOx требуется при номинальной или близкой к ней нагрузке, когда ввод заметного количества газов рециркуля­ции сильно увеличивает скорость газов и аэродинамическое сопротивление газового тракта.

Частичный эффект снижения образования NOx создают горелки двухступенчатого сжигания (ГДС). Принцип их работы основан на том (рис. 7.30), что вторичный поток воздуха участвует в дожигании топлива на более поздней стадии. Таким образом, прогрев топлива, выход летучих и разложение сложных углеводородных соединений топлива происходит в зоне с а < 1. Это обеспечивает снижение образования топливных и бы­стрых NOx в начальной части факела и понижение максимальной темпера­туры горения.

Наиболее глубокое подавление образования оксидов азота возможно при сочетании разных способов. Так, например, организация ступенчатого

Рис. 7.29. Влияние степени рециркуляции газов на выход оксидов азота а — общая схема рециркуляции газов: б — относительное изменение концентрации NOx от доли рециркуляции газов; 1 — без рециркуляции; 2 — ввод рециркуляции через сопла боковых стен; 3 — то же под работающие горелки; 4 — то же непосредственно в горелки (внутренний канал для газов рециркуляции).

Сжигания в топке может сопровождаться частичной рециркуляцией газов. При сжигании газа и мазута удачным является сочетание впрыска воды с рециркуляцией газов, причем при высокой нагрузке котла целесообразно использование впрыска воды в зону горения (0,5-0,6% от расхода перегре­того пара), а при более низкой нагрузке — усиление рециркуляции газов. Конструктивно обеспечение впрыска воды значительно дешевле, чем ре - Циркуляция газов, но при этом способе ниже КПД котла за счет увеличения потерь с уходящими газами (рост объема водяных паров в газах).