Опыт внедрения малотоксичных вихревых горелок в Великобритании

Ряд успешных работ по снижению выбросов NO_x был выполнен на пылеугольных котлах, оборудованных вихревыми горелками. На блоке №4 ТЭС Hammond, по сообщению представителей энергосистемы Southern Company Services, весной 1990г. была внедрена усовершенствованная схема двухступенчатого сжигания с установкой новых горелок. Для энергоблока номинальной мощностью 500 Мвт котлостроительной фирмой Foster Wheeler были поставлены горелки с пониженным образованием NO_x. Длительные испытания котла до реконструкции показали, что при нагрузках, близких к номинальной, концентрация оксидов азота в дымовых газах составляет 1500–1740 мг/м³ (О₂=6%), а содержание горючих в уносе С_ун = 2–3,5 %. Измерение этих же параметров в течение 5 мес. после реконструкции котла показало, что концентрация NO_x снизилась до 1100–1360 мг/м³, но содержание горючих в уносе почти удвоилось – С_ун = 5,5–6,5 %.

Рис. 5.4.Сдвоенные горелки: а – до реконструкции; б – после реконструкции; 1 – стенка топки; 2 – воздушный коллектор; 3 – подвод аэросмеси; 4 – вторичный воздух; 5 – завихритель аэросмеси; 6 – регулируемый регистр; 7 – его привод; 8 – угольный шибер; 9 – конический диффузор; 10 – регулируемое сечение в воздушном тракте; 11 – регулируемый завихритель внутренней зоны; 12 – поворотные лопатки; 13 – устройство для их поворота; 14 – регулировочный диск температуры

Применение горелок с минимальным образованием NO_x на крупном пылеугольном энергоблоке в Великобритании одной из крупнейших тепловых

электростанций в Великобритании является пылеугольная ТЭС Дракс, на которой установлено шесть блоков мощностью по 660 Мвт каждый. Энергоблоки оборудованы котельными установками барабанного типа на параметры 16,5 МПа, 568/568 °С с промежуточным перегревом пара при 4 МПа. Котлы изготовлены фирмой «Babcock Energy Lmt», входящей в «Babcock International Group company» /3/.

В связи с повышенным вниманием к защите окружающей среды в конце 70-х годов специалисты Babcock Energy провели ряд исследований и разработали конструкцию новых вихревых горелок, которые позволяют примерно в 2 раза снизить выбросы оксидов азота NO_x в атмосферу без существенного снижения технико-экономических показателей котельной установки (рис. 5.5).

Такие горелки уже установлены на нескольких энергоблоках электростанции Дракс. Топливом для этой электростанции служат каменные угли со средними характеристиками: влажность W_r = 8 %; зольность А_r = 20 %; теплота сгорания Q_ir = 24400 кДж/кг; выход летучих V_daf = 28 %; сера S_r = 2 %; азот N_daf = 1,64 %. Размол топлива осуществляется в среднеходных мельницах типа 10Е. На каждом котле установлено по десять мельниц, но полную нагрузку котёл может нести на девяти мельницах при поступлении угля ухудшенного качества и на восьми мельницах при поступлении угля с расчётными характеристиками. Подача первичного воздуха на мельницы осуществляется индивидуальными вентиляторами горячего воздуха, от каждой мельницы аэросмесь подаётся к шести горелкам, установленным в одном ярусе на фронтовом или заднем экране. Общее число вихревых горелок 60 при встречном их расположении. По оси каждой горелки расположена растопочная мазутная форсунка парового распыливания с электрогазовым запальником. Расход мазута на форсунку 900 кг/ч, что позволяет нести 20%-ную нагрузку на котле при сжигании только мазута. Форсунки обычно включаются при снижении нагрузки котла ниже 45 % номинальной.

Топочная камера с твёрдым шлакоудалением, размеры топки в плане 25,5´12,2 м. По оси топки установлен двусветный экран. На выходе из топки имеется ширмовый пароперегреватель, расчётная температура газов перед ним 1477°С. Выходные секции пароперегревателя выполнены из аустенитной стали. Каждый котёл имеет по два вращающихся воздухоподогревателя диаметром 14,4 м, по два двухскоростных дутьевых вентилятора и дымососа центробежного типа. Для борьбы со шлакованием каждый котёл имеет по 36 обдувочных аппаратов в топке и по 60 длинновыдвижных аппаратов в зоне пароперегревателя. Электрофильтры имеют эффективность 99,5 %, что обеспечивает выброс золовых частиц при номинальной нагрузке не более 1 мг/нм³.

В начале 80-х годов исследовательский центр фирмы Babcock Energy Lmt начал разработку новой конструкции горелки, которая позволила бы снизить уровень выбросов оксидов азота из котлов. Для эксперементальной проверки модели новой горелки был создан крупный огневой стенд в г. Ренфрю тепловой мощностью 12 Мвт.

Испытание различных конструкций вихревой горелки на этом стенде позволило выбрать вариант, который обеспечивал стабильное горение при снижении концентрации NO_x в продуктах сгорания с 1100–1200 до 440–480 мг/м³ (в сухой пробе дымовых газов при a = 1,4).

Рис. 5.5. Вихревая горелка фирмы Babcock Energy для снижения выбросов оксидов азота: 1 – обечайка третичного воздуха; 2 – лопаточный аппарат вторичного воздуха; 3 – шибер вторичного воздуха; 4 – патрубок аэросмеси; 5 – растопочная форсунка; 6 – вентилятор центрального воздуха; 7 – вход аэросмеси; 8 – воздух; 9 – лопаточный аппарат третичного воздуха; 10 – стабилизатор пламени

Первый вариант горелки в натуральную величину (37 Мвт) был опробован на пылеугольном блоке мощностью 500 Мвт. На котле этого блока были установлены две новые вихревые горелки весной 1986г. Одна из этих горелок примыкала к боковому экрану, что позволило исследовать факел с помощью водоохлаждаемых зондов и сравнить результаты с измерением полей температур и концентраций в факеле обычной горелки фирмы Babcock Energy. Это сравнение позволило сделать предположение, что котёл, оснащённый целиком новыми горелками, будет иметь концентрацию оксидов азота в дымовых газах ниже допустимой величины 649 мг/м³ в сухой пробе газа при О₂=6% (предельно допустимая концентрация для угольных котлов по Директиве Совета Европейского Сообщества (1985г.)).

По образцу этих горелок были созданы более мощные горелки для блока 660 МВт ТЭС Дракс. Испытания, проведённые на котле после установки этих горелок, показали значительное снижение концентрации оксидов азота, однако через некоторое время были обнаружены крупные шлаковые образования вблизи выходных конусных отверстий горелочных амбразур в зоне взаимодействия топочных газов с третичным воздухом (или точнее с вторичным периферийным воздухом).

Последовала новая серия испытаний на стенде мощностью 12 МВт для изучения аэродинамической структуры пламени. По результатам этих испытаний были внесены изменения в конструкцию горелки. К этому времени на экспериментальной базе фирмы Babcock Energy в Ренфрю был создан новый огневой стенд, на котором можно было исследовать полномасштабные горелки мощностью до 65 МВт. Именно на этом стенде была проверена горелка усовершенствованной конструкции, созданная для котлов ТЭС Дракс (рис.1.6).

Стендовые исследования показали, что концентрация оксидов азота не зависит от колебаний расхода топлива в диапазоне ±20 %, от равномерности распределения топлива в выходном сечении и даже от имитированного отложения шлака в выходном конусообразном патрубке горелки.

Однако концентрация оксидов азота в дымовых газах при использовании этой горелки была снижена только на 37 % (до 776 мг/м³ при О₂=6 % ). Поэтому решено было ещё раз изменить конструкцию горелки. В частности, на горелке был установлен стабилизатор факела, который обеспечивал ранее воспламенение топлива, что также усиливало подавление оксидов азота (так как выход летучих в топливовоздушной струе происходил уже в среде с недостатком кислорода). При испытании окончательной конструкции горелки (вариант III) было получено дополнительное снижение концентрации оксидов азота примерно на 220 мг/нм³. Именно эта горелка была установлена на ТЭС Дракс.

Как видно из рис. 5.7, каждая горелка имеет собственный вентилятор для подачи центрального воздуха к мазутной форсунке. При этом обеспечивается стехиометрическое отношение топливо – воздух. Благодаря этому достигается хорошее сгорание мазута в холодной топке (при растопке котла). При работе котла на угле подача центрального воздуха не требуется и горелочные вентиляторы выключаются. Для продления срока службы горелок внутренняя поверхность входного патрубка аэросмеси облицована износостойкой хромистой сталью. Вторичный воздух делится на внутренний и периферийный потоки, причём первый из них имеет повышенную крутку, которая обеспечивается регулируемым лопаточным аппаратом.

Периферийный поток вторичного воздуха поступает в топку без закрутки. Кроме того, установленные в кольцевом канале делители образуют четыре самостоятельные прямоточные струи воздуха. Выходные элементы горелки выполнены из жаростойких материалов. Каждая горелка имеет два детектора пламени (для мазутной форсунки и пылеугольной горелки).

Горелки последней модификации (рис. 5.7) были установлены на блоке №6 ТЭС Дракс в мае 1989г. Концентрация оксидов азота снизилась более чем на 50 % при работе восьми мельниц, подающих топливо к верхним горелкам. Полученная концентрация NO_x ниже действующей нормы Европейского Экономического Сообщества. Одновременно увеличилось содержание горючих в уносе с 1–1,15 % до 2,5–3 %. Несмотря на это, общий КПД котла остался практически на прежнем уровне. Положительным результатом установки горелок явилось снижение на 50–100 °С температуры газов на выходе

Рис. 5.6. Схема огневого стенда фирмы BEL для испытаний полномасштабных горелок: 1 – бункер уголной пыли; 2 – воздуходувка; 3 – питатель; 4 – инжектор питателя; 5 – дутьевой вентилятор; 6 – измерительное устройство; 7 – пылепровод; 8 – первичный воздух; 9 – воздухоподогреватель; 10 – насос; 11 – бак с керосином; 12 – короб вторичного воздуха; 13 – бак добавочной воды; 14 – насос для подачи воды; 15 – щит управления огневого стенда; 16 – подача мазута; 17 – пылеугольная горелка с мазутной форсункой; 18 – короб горячего воздуха (вторичного и третичного); 19 – топочная камера с паровым вытяжным клапаном; 20 – горячие дымовые газы к котлам

Рис. 5.7. Вихревая горелка фирмы Babcock Energy для снижения выбросов оксидов азота: 1 – обечайка третичного воздуха; 2 – лопаточный аппарат вторичного воздуха; 3 – шибер вторичного воздуха; 4 – патрубок аэросмеси; 5 – растопочная форсунка; 6 – вентилятор центрального воздуха; 7 – вход аэросмеси; 8 – воздух; 9 – лопаточный аппарат третичного воздуха; 10 – стабилизатор пламени

из топки (перед ширмами) благодаря работе котла с более чистыми топочными экранами.

Теперь поддержание температуры перегретого пара обеспечивалось при меньшей величине впрыска.

Дополнительные испытания, проведённые в марте 1990г., подтвердили двукратное снижение выбросов оксидов азота и отсутствие шлакования в топке и в около горелочной зоне. После этого было принято решение об установке аналогичных горелок на котлах №4 и 5 ТЭС Дракс.

В последующие годы малотоксичные горелки фирмы BEL были внедрены на большом числе энергоблоков мощностью от 70 до 677 Мвт с горелками на отдельном котле в количестве от 8 до 60 (Великобритания, Италия, Франция, Финляндия, Дания, Польша, Китай, Гонконг).

Такие горелки были установлены на всех четырех энергоблоках мощностью по 680 МВт на ТЭС Castle Peak в Гонконге. Топочные камеры этих котлов имели по 42 горелки, расположенные встречно на фронтовом и заднем экранах. На этой ТЭС после установки новых горелок было проведено опытное сжигание углей почти ста различных марок не только из Китая, но и практически из всех экспортирующих уголь стран: Индонезии, ЮАР, Австралии, Польши, Южной Америки и России.

В последние годы специалисты MBEL усовершенствовали вихревые малотоксичные горелки, что позволило снизить выбросы оксидов азота дополнительно на 20 %,сохранив при этом на прежнем уровне содержание горючих в уносе. Усовершенствованные малотоксичные горелки были проверены на энергоблоке № 2 ТЭС Cockenzie и на ТЭС River Rouge при сжигании смеси, состоящей из 40 % восточных битуминозных углей и 60 % углей из бассейна Паудер Ривер (США).

В 1992г. эта горелка была удостоена королевской премии Великобритании за лучшее достижение в области экологии. Следует отметить, что диапазон тепловых мощностей этих горелок достаточно узок (от 34,4 до 48,8 Мвт), а качество сжигаемого угля, как правило, было высоким. В частности у фирмы отсутствует опыт применения аналогичных горелок при использовании высокозольных углей, антрацита и тощего угля с выходом летучих 13 % и меньше.