Подача воды или пара в зону горения.

Влияние добавки воды в зону горения изучалось в связи с проблемой сжигания водотопливных суспензий – обводненного мазута и водоугольных суспензий (ВУС), а также в связи с проблемой снижения выброса оксидов азота. На состоявшемся в октябре 1982г. в Токио совещании в ряде докладов приведены данные о влиянии замены топлив суспензиями на образование NO_x. При использовании жидкого топлива в виде водотопливных эмульсий содержание NO_x в дымовых газах обычно снижается на 20 – 30 %, значительно также снижается содержание сажи. Однако при добавке в мазут 10 % воды КПД котла снижается на 0,7 %.

Выводы о влиянии ввода воды или водяного пара, полученные в нескольких проведенных исследованиях, можно разделить на две группы. Часть исследователей утверждает, что даже значительное количество водяных паров не оказывает существенного влияния на выход оксидов азота, другие, наоборот, указывают на эффективность этого метода. Так, согласно некоторым данным при впрыске воды в топочные устройства котлов при сжигании угля, мазута и газа снижение выхода оксидов азота не превышает 10 %. При впрыске воды в количестве 110 % от расхода топлива (или около 14 % от расхода воздуха) в периферийную часть факела в топку, оснащенную мазутной форсункой производительностью 29 Гкал/ч, содержание оксидов азота в продуктах сгорания снизилось всего на 22 %.

Очевидно, что когда водяной пар или вода вводятся за зоной образования оксидов азота, они вообще не должны оказывать влияние на образование NO. Если же они вводятся в топливовоздушную смесь, они должны влиять на процесс горения и образование NO не в меньшей степени, чем аналогичное по объему и теплосодержанию количество рециркулирующих газов.

Известно, что водяные пары влияют на скорость распространения пламени в углеводородных пламенях, следовательно, они могут оказывать влияние на кинетику образования оксида азота и даже при подаче в ядро зоны горения в малом количестве заметно влиять на выход оксидов.

Исследования П. Сингха, выполненные на опытной камере сгорания газовой турбины, показали, что впрыск воды в ядро зоны горения жидкого топлива позволяет снизить образование оксида азота и сажи, а добавление пара к дутьевому воздуху снижает образование оксида азота, но увеличивает выброс оксида углерода и углеводородов. При впрыске воды в количестве 50 % от массы жидкого топлива (6,5 % от расхода воздуха) удаётся снизить выход оксидов азота в 2 раза, при впрыске 160 % воды – примерно в 6 раз. Впрыск в топку 80 кг. воды на 1 Гкал (9 % от массы воздуха) сжигаемого природного газа снижает выброс оксидов азота с 0,66 до 0,22 г/м³, т.е. в 3 раза. Таким образом, введение водяного пара и воды, с точки зрения снижения выхода оксидов азота, является перспективным. Однако следует иметь в виду, что ввод воды или пара в количестве более 5 – 6 % от массы подаваемого в горелки воздуха может оказать отрицательное влияние на полноту сгорания топлива и показатели работы котла. Например, при вводе 12 % пара (по отношению к воздуху) в камеру сгорания ГТУ выход оксида углерода возрастал с 0,015 до 0,030 %, а углеводородов с 0,001 до 0,0022 %. Следует отметить, что подача 9–10 % пара в котёл приводит к снижению его КПД на 4–5 %.

Ввод водяного пара интенсифицирует реакции горения и, прежде всего, дожигание СО за счёт добавочного количества гидроксильного радикала (ОН):

; (1.8)

; (1.9)

По-видимому, некоторое снижение образования NO при подаче пара или воды в зону горения можно объяснить:

а) снижением максимальной температуры в зоне горения;

б) уменьшением времени пребывания в зоне горения за счёт интенсификации горения СО по реакции (1.9);

в) расходованием гидроксильного радикала в реакции (1.8);

Подача пара или воды в зону горения с целью снижения образования оксидов азота вызывает значительный интерес исследователей, главным образом, в связи со следующими обстоятельствами:

– сравнительно малым расходом среды и отсутствием необходимости строительства трубопроводов большого диаметра;

– положительным воздействием не только на снижение оксидов азота, но и на догорание в факеле оксида углерода и 3,4-бензпирена;

– возможностью использования при сжигании твёрдых топлив.

Впрыск влаги или пара в топку как средство снижения выбросов NO_x отличается простотой, лёгкостью регулирования и низкими капитальными затратами. На газомазутных котлах он позволяет снизить выбросы NO_x на 20 – 30%, но требует затрат теплоты на парообразование и вызывает увеличение потерь с уходящими газами. При сжигании твёрдого топлива результаты очень незначительные. Следует отметить, что эффективность подавления оксидов азота очень сильно зависит от способа подачи воды в зону горения.

Практическая реализация снижения NO_x за счет впрыска пара

Белорусской государственной политехнической академией совместно с Жабинковским сахарным заводом разработано и внедрено эффективное техническое решение, обеспечивающее за счет подачи пара концевых уплотнений и протечек от штоков автоматического стопорного и регулирующих клапанов турбины ТР-6-35/4 в котлы ГМ-50 снижение удельного расхода условного топлива на выработку электроэнергии на 0,9 % (60 т условного топлива в год), улучшение догорания окиси углерода (по результатам испытаний) не менее чем на 40 %, уменьшение концентрации выбросов оксидов азота на 31,6 %, а при распределении всего количества пара уплотнений на два работающих котла при их номинальной нагрузке - в среднем на 20–21 % .

В турбоустановках конденсационного типа (с регулируемыми отборами пара и без отбросов) пар концевых уплотнений обычно отводится в охладители уплотнений. Возможно подключение трубопровода отсоса пара от сальниковых камер уплотнений турбины к подогревателю сетевой воды низкого потенциала или подогревателю подпиточной воды. Недостаток таких установок - снижение тепловой экономичности из-за вытеснения пара отбора следующего за охладителями уплотнений (по линии конденсата) регенеративного подогревателя низкого давления.

В теплофикационных турбоустановках при их эксплуатации в обычном режиме и включенной линии рециркуляции конденсатора теплота пара уплотнений теряется с охлаждающей водой конденсатора.

В тепловых схемах мощных турбоустановок в первую ступень охладителя пара концевых уплотнений (ОУ), находящуюся под небольшим разряжением, с паром из последних камер лабиринтовых уплотнений поступает большое количество воздуха. Так, на энергоблоке мощностью 300 МВт в нее подсасывается свыше 50 % воздуха по массе, а во второй ступени ОУ его содержится уже более 70 %. Между тем известно, что при содержании в паре воздуха в количестве 5 % и более конденсация пара на трубной поверхности происходит крайне неудовлетворительно. При подключении же трубопроводов отсоса пара из уплотнений турбины к топке котла в нее, кроме пара, будет подаваться значительное количество воздуха, вбрасываемого в атмосферу при традиционных тепловых схемах. Такая реконструкция способствует повышению экономичности работы котла.

На турбоустановках с противодавлением тракт подогрева конденсата отсутствует, соответственно нет и ОУ, в котором может подогреваться основной конденсат турбины. При отсутствии дополнительного теплового потребителя такие турбины работают с выбросом пара уплотнений в атмосферу. Это приводит к полной потере и отводимого от уплотнений теплоносителя, и содержащейся в нем теплоты. С учетом пара высокого потенциала от уплотнений штоков клапанов температура выбрасываемой в атмосферу пара воздушной смеси по опытным данным превышает температуру уходящих газов котлов на 50–150 ºС. Включение таких установок представляется наиболее эффективным.

Таким образом, использование разработанного и испытанного, практически не требующего дополнительных капитальных затрат технического решения повышает экономичность котлов, оказывает положительное воздействие на догорание в факеле смеси углерода и бенз-а-пирена, сокращает выбросы вредных примесей в атмосферу.

Снижение выбросов оксидов азота с уходящими газами котлов на тепловых электростанциях может быть достигнуто также при подаче в топку котла (в короб горячего воздуха или во всасывающий коллектор вентилятора) выпара из деаэраторов (в зависимости от типа деаэратора и давления в нём) без уменьшения экономичности установки.