Методы снижения вредных выбросов и образования оксидов азота

Методы снижения образования оксидов азота представляют собой конструктивные и режимные мероприятия, приводящие к изменению термодинамических и кинетический условий в сторону подавления реакций образования оксидов азота и активизации реакций их восстановления в молекулярный азот.

В общем случае это означает управление температурным режимом и концентрационными соотношениями компонентов реагирующей системы в различных зонах факела или топочного объема, а также временем пребывания продуктов горения в каждой реакционной зоне, т.е. временем реакции.

В зависимости от вида и характеристик топлива и технологии сжигания в образовании оксидов азота в конкретных условиях превалирует, как правило, один из описанных механизмов. В соответствии с особенностями этого механизма (механизмов) и выбирается стратегия его подавления.

При сжигании газа и мазута мероприятия по снижению выбросов оксидов азота должны быть направлены в основном на подавление теплового механизма, а при необходимости максимального снижения выбросов - механизма образования "быстрых" оксидов азота, а при сжигании мазута - механизма образования "топливных" оксидов азота.

Основные мероприятия подавления теплового механизма направлены на снижение температуры в топке, точнее в высокотемпературной ее части (в зоне максимального тепловыделения), и концентрации кислорода в этой зоне (снижение коэффициента избытка воздуха).

В качестве основного средства снижения температуры в зоне активного горения при сжигании газа и мазута применяется рециркуляция дымовых газов, отбираемых, как правило, за водяным экономайзером и вводимых в зону активного горения следующими способами:

- в смеси со всем воздухом, подаваемым на горение;
- в смеси с частью воздуха, подаваемым на горение по одному из каналов горелки;
- через автономный канал горелки (с подвариантами по расположению каналов для газов рециркуляции - периферийный или между воздушными каналами).

Ввиду экспоненциальной зависимости выхода оксидов азота от температуры (по тепловому механизму) эффективность ввода газов рециркуляции тем больше, чем выше исходная температура в топке в зоне максимального тепловыделения. Для котлов с исходной температурой (без ввода рециркулирующих газов) 1700 ... 1750 °С ввод газов рециркуляции через горелки в количестве 15 % количества дымовых газов, покидающих котел, уменьшает выбросы оксидов азота более, чем в 2 раза.

Способы ввода газов рециркуляции имеют примерно равную эффективность по снижению образования оксидов азота, но различаются конструктивно и по влиянию на другие показатели топочного процесса.

Ввод газов рециркуляции в смеси со всем воздухом, подаваемым на горение, является одним из наиболее эффективным. Отличается возможностью организации простой схемы газоходов со сравнительно небольшой металлоемкостью, обеспечивает идентичность степени рециркуляции во всех горелках котла. К его недостаткам относятся:

- явно выраженное влияние на устойчивость горения и повышение выбросов сажистых частиц при сжигании мазута, особенно на сниженных нагрузках;

- необходимость достаточно высокого напора дымососов рециркуляции газов и вентиляторов дутьевого воздуха для преодоления повышенного аэродинамического сопротивления газовоздушного тракта;

- взаимное влияние изменения режимов по рециркуляции и по коэффициенту избытка воздуха, что несколько усложняет оперативное управление топочным процессом по этим параметрам.

Его применяют преимущественно при сжигании газа с обеспечением полного перемешивания газов рециркуляции с воздухом до входа в горелки.

Ввод газов рециркуляции в смеси с частью воздуха, подаваемого в периферийные каналы горелок, отличается от предыдущего способа меньшим влиянием газов рециркуляции на зону воспламенения и начальных стадий горения, что особенно важно при сжигании мазута (выбросы сажистых частиц меньше по сравнению с предыдущим способом). Однако его осуществление сложнее, так как требуется разделение воздушных коробов перед горелками на два потока. В остальном этот способ имеет такие же характеристики.

Его применение возможно при сжигании как газа, так и мазута с обеспечением полного перемешивания газов рециркуляции с периферийным воздухом до разделения на потоки к горелкам (или к группам горелок при индивидуальной или индивидуально-групповой раздаче воздуха на горелки).

Ввод газов рециркуляции через отдельные периферийные каналы горелок наиболее гибок с точки зрения управления распределением газов рециркуляции в факеле горелки. Управление этим процессом достигается путем изменения длины обечайки между каналом газов рециркуляции и смежным воздушным каналом, скоростью истечения газов рециркуляции, длины и формы амбразуры горелки.

Благодаря этому можно достичь максимальной эффективности в подавлении оксидов азота, не балластируя зону воспламенения и начальной стадии горения, а следовательно, не ухудшая устойчивости горения и существенно не увеличивая выбросов сажистых частиц в широком диапазоне нагрузок и степеней рециркуляции газов (до 60 %).

Кроме того, ввод газов рециркуляции отдельными каналами (как правило, без закрутки) требует значительно меньшего напора дымососов рециркуляции газов и вентиляторов дутья и практически не приводит к взаимному влиянию изменения режимов по коэффициенту избытка воздуха и степени рециркуляции газов.

Рекомендуемая скорость истечения газов рециркуляции равна или близка к скорости истечения воздуха в смежном канале. К недостатку этого способа относится усложнение газовоздушного тракта, особенно при индивидуальной раздаче воздуха и газов рециркуляции по горелкам, и конструкции горелки.

Ввод газов рециркуляции отдельным каналом горелки, расположенным между воздушными каналами. В этом случае кроме снижения температуры факела кольцеобразная струя газов рециркуляции замедляет смешение внутреннего и внешнего потоков воздуха, что при соответствующем подборе распределения топлива по сечению факела позволяет получить более глубокое подавление образования оксидов азота.

Применение такой схемы подачи газов рециркуляции требует очень тщательной настройки рабочего процесса, поскольку попадание топлива (особенно жидкого) в поток газов рециркуляции может приводить к пульсационному горению с вибрацией топки, чрезмерной концентрации коррозионно-активной восстановительной среды в пристенной зоне экранов и к повышенному образованию сажистых частиц и бенз(а)пирена.

Двухступенчатый подвод воздуха. Для подавления образования оксидов азота по всем трем механизмам применяется двухступенчатый подвод воздуха (двухступенчатое сжигание), при котором большая часть воздуха (70 ... 80 %) подается на горение через горелки, остальная часть для дожигания продуктов горения, образовавшихся в первой ступени, вводится над горелками через специальные сопла. Это эффективный способ подавления топливных и "быстрых" оксидов азота.

Расчет подачи воздуха второй ступени производится из условия общего коэффициента избытка воздуха α = 1,05 ... 1,1. Расстояние расположения сопл вторичного воздуха над горелками должно выбираться из условия прохождения продуктами горения этого расстояния за время 0,1…0,5 с для обеспечения протекания реакций восстановления образовавшихся в первой ступени оксидов азота продуктами недожога.

Недостатками этого способа являются: усложнение конструкции топки и газовоздушного тракта; возможность омывания экранов топки коррозионно-активной восстановительной средой; повышенная склонность к сажеобразованию. Последнее особенно неблагоприятно проявляется при сжигании мазута, так как достаточно полное дожигание образовавшихся в первой ступени сажистых частиц весьма затруднено.

Кроме того, необходимо повышать общий коэффициент избытка воздуха в топке, что увеличивает потери теплоты с уходящими газами, и несколько снижать интенсивность теплообмена в топке, т. е. повышать температуру на выходе из топки при прочих равных условиях.

Для газомазутных котлов с многоярусной компоновкой горелок возможна организация двухступенчатого подвода воздуха путем полного или частичного отключения подачи топлива на верхний ярус с сохранением на нем полной подачи воздуха. При этом соответственно перегружаются по топливу нижние яруса горелок.

Примером удачного применения такой схемы является использование ее на котле энергоблока 800 МВт (тепловое напряжение сечения топки 9,1 х 10⁶ МВт/м²), на котором из трех ярусов горелок полный расход топлива (природного газа) подается на первый и второй ярусы (α = 0,7), а воздух через третий ярус горелок (общий коэффициент избытка воздуха по топке α = 1,06). В комбинации с рециркуляцией дымовых газов через периферийные каналы горелок со степенью рециркуляции 15 % достигнуто снижение выбросов оксидов азота в 6 раз (до 140 мг/м³).

Вариантом двухступенчатого сжигания топлива является нестехиометрическое сжигание. В этом случае режим горения в части горелок устанавливается с существенным недостатком воздуха (α = 0,7... 0,8), в остальных горелках подача воздуха осуществляется с соответствующим превышением над стехиометрическим количеством. Такая организация процесса горения эффективно уменьшает выбросы оксидов азота, но, как известно из общей практики оптимизации топочного процесса, существенно ухудшает показатели топочного процесса по экономичности и выброскам сажистых частиц.

Применение горелок специальной конструкции. Горелочное устройство, поскольку оно влияет на максимальную температуру факела, время пребывания продуктов горения при этой температуре, а также на образование тепловых оксидов азота. Замедленное смесеобразование, а следовательно, удлиненный факел, умеренная закрутка воздуха в вихревых горелках являются отличительной особенностью таких горелок.

В подавлении образования "быстрых" и топливных оксидов азота особенно велико значение организации горения на начальном участке факела. Для решения этой задачи горелочное устройство должно обеспечивать смешение топлива и воздуха в зоне воспламенения и активного горения таким образом, чтобы уменьшить время пиролиза топлива и ускорить окисление продуктов пиролиза, обеспечить в указанной зоне процесс горения преимущественно при α ≈ 0,7 и активное перемешивание с остальным воздухом в конце зоны активного горения. Температурное поле по сечению факела не должно иметь резких пиков.

Конструктивное исполнение горелок, отвечающих перечисленным требованиям, может быть весьма разнообразно, но, как правило, это многоканальные горелки (не менее двух воздушных каналов) с распределением топлива, главным образом, в потоке воздуха внутреннего канала с вводом газов рециркуляции одним из описанных выше способов.

Применение различных комбинаций перечисленных способов ограничения образования оксидов азота, как показал опыт, позволяет обеспечить выбросы их из энергетических котлов при сжигании природного газа на уровне 100 ... 125 мг/м³ (приведенных к содержанию кислорода в дымовых газах 6 %), а при сжигании топочного мазута - можно достичь до 120 ... 150 мг/м³. Однако в этом случае резко возрастают выбросы сажистых частиц и бенз(а)пирена.

Поэтому при сжигании тяжелого топочного мазута в качестве мероприятий по снижению выбросов оксидов азота применяют, как правило, только рециркуляцию дымовых газов и оптимизацию конструкции горелочного устройства. На мощных энергетических котлах при этом достигаются выбросы на уровне 250 мг/м³.