Способы снижения NOx. Снижение оксидов азота в топках котловА. В. Жуйков
 Скачать 483.48 Kb.
|
– 620 – Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 6 (2011 4) 620-628 УДК 621.128 Снижение оксидов азота в топках котлов А.В. Жуйков* Сибирский федеральный университет, Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1 Received 2.12.2011, received in revised form 9.12.2011, accepted 16.12.2011 Изложены основные пути и методы снижения вредных газообразных выбросов в атмосферу от тепловых электрических станций и котельных, а так же способ снижения оксидов азота, внедренный на промышленной котельной г. Красноярска. Ключевые слова: оксиды азота, тепловые электрические станции, котельные, выбросы в атмосферу. Введение Промышленные и отопительные котельные и тепловые электрические станции являются крупнейшими загрязнителями окружающей среды. Продукты сгорания топлив, сжигаемых на этих предприятиях, содержат вредные загрязняющие вещества, обладающие различной ток- сичностью. Из всех выбросов в атмосферу энергетическими предприятиями наиболее токсич- ны окислы серы, окислы азота и канцерогенные вещества. В связи с возросшими в последние годы требованиями к охране окружающей среды борь- ба с токсичными выбросами в атмосферу приобрела особую актуальность. Важнейшим мероприятием по снижению образования вредных веществ служит усовер- шенствование технологии сжигания топлива, посредством которого удается снизить содер- жание вредных веществ на 10-40 %. Однако этого недостаточно для удовлетворения норм, введенных в ряде индустриально развитых стран. Указанное мероприятие эффективно в со- четании с очисткой газов. Предлагаем краткий обзор основных путей и методов снижения вредных газообразных выбросов в атмосферу от ТЭС и котельных, а также метод по снижению NO x , разработанный автором и внедренный на промышленной котельной г. Красноярска. Методы исследования Сжигание топлив с малыми избытками воздуха является одним из самых распростра- ненных способов снижения выбросов окислов азота. Наибольшая эффективность достига- ется при сжигании с избытками воздуха α" пп = 1,03÷1,05. Зависимость концентрации NO x от * Corresponding author E-mail address: a.v.zhuikov@mail.ru 1 © Siberian Federal University. All rights reserved – 621 – А.В. Жуйков. Снижение оксидов азота в топках котлов коэффициента избытка воздуха имеет вид экстремальной кривой с максимумом в интервале α" пп = 1,1÷1,3. Причем максимум NO x соответствует, как правило, такому значению коэффици- ента избытка воздуха, при котором в данных условиях достигается наиболее полное сгорание топлива. В диапазоне α" пп = 1,1÷1,3 обеспечивается достаточное количество свободного кисло- рода и достаточно высокий температурный уровень. Различие в местоположении и уровне мак- симумов концентраций NO x определяется различиями в конструкциях горелочных устройств, топочных камер и др. Однако низкие уровни избытка воздуха приводят к увеличению выбросов канцерогенных веществ, твердых частиц и окиси углерода, что противоречит требованиям защиты окружа- ющей среды, а также в ряде случаев могут интенсифицировать высокотемпературную суль- фидную коррозию экранов в топочной камере. Усовершенствованием горелочных устройств, обеспечивающих надежное регулирование расходов топлива и воздуха по горелкам и хорошее смешение топливовоздушной смеси, можно интенсифицировать процесс горения топлива и добиться значительного уменьшения БП (рис. 1): при этом максимальные значения концентра- ции NO x остаются без изменения, но вся кривая зависимости NO x (α" пп ) сдвигается в область меньших избытков воздуха. Таким образом, сжигание топлив с малыми избытками воздуха без значительных вы- бросов продуктов неполного сгорания возможно только при усовершенствовании горелочных устройств, позволяющих интенсифицировать процесс горения. Кроме того, большое значение при этом имеет устранение неорганизованных присосов в топку, так как подсосанный воздух участвует в дожигании факела с образованием дополнительного количества NO x Рис. 1. Зависимость концентраций NO x и БП от избытка воздуха (1 – обычная горелка; 2 – усовершенствования горелка) Рис. 1. Зависимость концентраций NO x и БП от избытка воздуха (1 – обычная горелка; 2 – усовершенствованная горелка) – 622 – А.В. Жуйков. Снижение оксидов азота в топках котлов Рециркуляция продуктов сгорания включает в себя подвод топочных газов в зону го- рения, является эффективным средством снижения выброса NO x . Уменьшение концентрации NO x объясняется не столько низкой температурой рециркулирующих газов, сколько сниже- нием температуры горения из-за уменьшения скоростей цепных реакций вследствие присут- ствия инертных газов и снижения концентраций реагирующих веществ. Большое количество современных котлов оборудовано различными схемами рециркуляции продуктов сгорания в зону горения. Исследования этих схем с точками отбора дымовых газов на рециркуляцию в диапазоне от 150 до 600 °С и ввод их в различные зоны показали, что наибольший эффект снижения образования окислов азота достигается при попадании всего количества рециркули- рующих газов в зону активного горения в случае полного их предварительного перемешива- ния с дутьевым воздухом (рис. 2). В этом смысле наибольшей эффективностью обладает ввод продуктов сгорания в воздухопроводы перед горелками или подача их в топку через отдельные каналы горелок (кривая 1, рис. 2). Ввод рециркулирующих газов через шлицы, расположенные под горелками (кривая 2, рис. 2), менее эффективен, а при вводе дымовых газов через шлицы в поду топки (кривая 3, рис. 2) концентрация NO x практически не меняется. В этих случаях основное сгорание топлива происходит прежде, чем рециркулирующие газы смешиваются с топливовоздушной смесью. Организация рециркуляции продуктов сгорания в зону горения довольно дорогостоящее мероприятие, поскольку требует дополнительных капитальных затрат на установку дутьевого оборудования и газоотходов рециркуляции. Если не учитывать затрат на рециркуляцию дымо- вых газов, то на КПД котла этот метод практически не оказывает влияния. Под двухступенчатым или двухстадийным сжиганием подразумевается такая органи- зация процесса горения, когда через горелки с топливом подается воздух в количестве, мень- Рис. 2. Снижение образования NO x в зависимости от рециркуляции топочных газов Рис. 2. Снижение образования NO x в зависимости от рециркуляции топочных газов – 623 – А.В. Жуйков. Снижение оксидов азота в топках котлов шем стехиометрического (обычно α = 0,8÷0,95), а остальное необходимое по балансу количе- ство воздуха вводится в топочную камеру далее по длине факела. Таким образом, на первом этапе горения осуществляется сжигание топлива при недостатке окислителя, а на втором – до- жигание продуктов газификации при пониженных температурах (рис. 3). Благодаря этому в на- чале факела из-за пониженной концентрации кислорода уменьшается образование топливных окислов азота, а снижение температурного уровня на второй стадии уменьшает образование термических NO x Основная трудность реализации двухступенчатого сжигания состоит в правильном опре- делении места подвода воздуха второй ступени и его количества, которые для разных кон- струкций котельных агрегатов не тождественны. Воздух должен быть введен таким образом, чтобы обеспечить полное смешение с продуктами реакции первой ступени для завершения догорания. В то же время эта зона должна быть достаточно удалена от устья горелки с тем, чтобы начальное выгорание у первой ступени достигло достаточной полноты. Недостаточно интенсивное смешение во второй ступени может привести к значительному увеличению вы- бросов продуктов неполного сгорания. При правильной организации двухступенчатое сжигание позволяет на 40-50 % сни- зить выбросы NO x и на 10-15 % уменьшить образование БП. Наибольшая эффективность данного способа подавления образования окислов азота достигается при совместном ис- Рис. 3. Принципиальная схема двухступенчатого сжигания ( 1 – одноступенчатое сжигание; 2 – двухступенчатое сжигание) Рис. 3. Характеристики двухступенчатого сжигания (1 – одноступенчатое сжигание; 2 – двухступенчатое сжигание) – 624 – А.В. Жуйков. Снижение оксидов азота в топках котлов пользовании режима с малыми избытками воздуха или режима с рециркуляцией топочных газов (рис. 4) [1]. В целом данный способ перспективен, относительно дешев и может быть реализован на большинстве существующих котлов как за счет разбаланса соотношения “топливо-воздух” по ярусам горелок, так и за счет подачи недостающего воздуха через шлицы или погашенные горелки в верхней части топки. Возможна также организация встречного дутья вторичного воздуха [1]. Технологически сжигание угля в кипящем (или псевдоожиженном) слое занимает про- межуточное положение между классическим его сжиганием в топке с колосником и сжиганием угольной пыли с подачей воздуха. Если через насыпанный слой измельченного топлива снизу прогнать воздух, то давление этого слоя будет уменьшаться с возрастанием скорости воздуха. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока при определенной величине скорости воздуха от- дельные частицы топлива не поднимутся воздушным потоком и не окажутся как бы взвешен- ными в нем. Наконец, при дальнейшем увеличении скорости потока слой становится высоко- турбулентным и начинает “кипеть”, что способствует быстрому перемешиванию частиц. Требования, предъявляемые к качеству топлива при сжигании в кипящем слое, невысоки. При этой технологии можно использовать любые сорта и марки угля, в том числе забаластиро- Рис. 4. Влияние избытка воздуха и рециркуляции на образование NO x (1 – одноступенчатое сжигание; 2 – двухступенчатое сжигание) Рис. 4. Влияние избытка воздуха и рециркуляции на образование NO x – одноступенчатое сжигание; 2 – двухступенчатое сжигание) – 625 – А.В. Жуйков. Снижение оксидов азота в топках котлов ванные: каменные угли, бурые угли, битумные пески, сланцы, а также топлива с низкой тепло- той сгорания. Переход от одного вида топлива к другому не требует реконструкции топочного устройства [2]. Ввод присадок. Большие возможности для снижения вредных выбросов открывают раз- личные присадки, которые могут быть поданы в котел вместе с топливом или раздельно в лю- бую из зон котла. Часто это обходится дешевле, чем предварительная очистка топлива. Достаточно перспективны, как показали исследования, растворимые присадки, содержа- щие металлоорганические соединения. Ввод в зону с высокой температурой присадок в виде солей и эфиров муравьиной и щавелевой кислоты позволил за счет промежуточных продуктов разложения указанных веществ добиться разложения части образовавшихся оксидов азота. Присадки данного типа являются катализаторами восстановления и разложения NO x . Их при- менение позволяет снизить содержание окислов азота на 15÷30 % и сажи на 40÷60 %. Еще больший эффект снижения NO x достигается при вводе в мазут водного раствора MgCl 2 . Ввод данной присадки на котле ПК-41 в количестве 0,05 % от расхода топлива позволил уменьшить выбросNO x на номинальной нагрузке и при α’’ пп =1,08 с 300 до 150 мг/м 3 . Эффект снижения окислов азота в данном случае достигается благодаря совместному влиянию Mg , хлора и воды. Эффективным оказалось действие твердой алюмосиликатной присадки «Кремалит-I». Связано это с особенностями поведения диспергированной алюмосиликатной присадки в ма- зуте. Испарения капель мазута в этом случае сопровождается микровзрывами под действием вскипающей внутри капель воды, разрывающей мазутную оболочку. Подобные микровзрывы интенсифицируют процесс горения. Частицы присадки при этом реагируют с минеральными компонентами как в факеле, так и за его границами. Присадка “Кремалит-I” способствует сни- жению концентрации NO x , сажистых частиц и бенз(а)пирена в дымовых газах. Недостатком данного метода считается то, что ввод воды или пара вызывает дополнитель- ные потери тепла с уходящими газами, которые возрастают прямо пропорционально величине впрыска. В результате несколько снижается КПД котла. Усовершенствование горелочных устройств является одним из наиболее экономичных способов предотвращения выбросов окислов азота, сажи и канцерогенных веществ [1]. По условиям образования NO x приходится ограничивать размеры горелок, обеспечивать умерен- ные теплонапряжения, затяжку горения, равномерные поля температур. Поэтому горелочные устройства с пониженным выбросом токсичных продуктов сгорания можно разделить на сле- дующие типы: улучшенного смешения, с рециркуляцией продуктов сгорания, со ступенчатым сжиганием топлива, многофакельного типа. При использовании горелочных устройств с интенсифицированным смешением факел получается коротким и соответственно сокращается время пребывания топлива в высоко- температурной зоне горелки. В результате достигается низкое содержание NO x в продуктах сгорания. При этом обеспечивается хорошее сгорание топлива при малых избытках воздуха и минимальное содержание сажи, СО и бенз(а)пирена в дымовых газах. Диаметр и длина факела зависят от типоразмера горелочного устройства и мало зависят от коэффициента избытка воз- духа и нагрузки. – 626 – А.В. Жуйков. Снижение оксидов азота в топках котлов Снижение образования окислов азота при применении многофакельных горелочных устройств происходит за счет быстрого сгорания топлива и уменьшения удельного заполнения объема топки. Рассекателем в горелочном устройстве или форсунке служит специальный на- садок. Такие горелочные устройства обеспечивают также низкое сажеобразование и снижают образование БП. Применение разных типов горелочных устройств улучшенной конструкции позволяет снизить содержание NO x на 30-50 %, а иногда и более, а также уменьшить сажеобразование и выбросы других вредных продуктов сгорания. Как правило, с их помощью удается улучшить процессы выгорания топлива, увеличить КПД и повысить надежность работы котлов [3]. Обсуждения и результаты В процессе разработки простого и дешевого способа подавления образования оксидов азо- та при сжигании ирша-бородинских углей на котле БКЗ-75-39ФБ предложен вариант ступен- чатого сжигания топлива, отличающийся от классического варианта рядом конструктивных и технологических особенностей. Организация ступенчатого сжигания твердого топлива с пода- чей части воздуха выше основных горелок (классический вариант) позволяет снизить содержа- ние оксидов азота на 4050 %, но при этом отмечается одновременный рост температуры газов на выходе из топки. Это неприемлемо для котлов, сжигающих канско-ачинские угли (КАУ), так как рост температуры на выходе из топки приводит к резкому повышению интенсивности загрязнения поверхностей нагрева. Здесь был применен принцип организации топочного про- цесса, в основу которого положено использование как гравитационных сил, так и сил инерции частиц топлива для вовлечения их в циркуляционное движение в топочной камере с подачей свежего окислителя по длине факела. Газовый вихревой факел в топке образуется в результате аэродинамического взаимодействия горелочных факелов и плоского факела нижнего дутья, направленного параллельно фронтовому скату «холодной воронки». Возникающая циркуля- ция топлива создаёт благоприятные условия для выгорания наиболее крупных частиц за счет значительного увеличения времени их пребывания в топочном процессе при неоднократном возврате к месту подачи свежего окислителя. Таким образом, нижняя часть топки (холодная воронка) начинает интенсивно участвовать в теплообменных процессах, что несколько сни- жает температуру дымовых газов на выходе из топки, тем самым предотвращая загрязнение конвективных поверхностей нагрева за счет некоторого растягивания процесса горения по всему объему топочной камеры с подачей свежего окислителя по длине факела. Вследствие интенсивного турбулентного перемешивания продуктов горения, многократной циркуляции частиц в топочной камере и ряда других факторов в топочных устройствах такого типа про- исходят существенные изменения в процессе горения топлива, способствующие подавлению образования оксидов азота. Предлагаемый способ ступенчатого сжигания во многом лишен недостатков классиче- ской схемы. Основное отличие предлагаемого способа от классической схемы заключается в том, что эффект снижения температуры топочных газов получен за счет воздействия двух фак- торов. Во-первых, созданием в топочном объеме турбулентных пульсаций с большой глуби- ной зоны перемешивания за счет взаимодействия струи топливно-воздушной смеси с плоской струей вторичного дутьевого воздуха, направленного под углом к аксиальной оси факела. Та- – 627 – А.В. Жуйков. Снижение оксидов азота в топках котлов кое взаимодействие привело к размыванию факела по объему топки и созданию циркуляцион- ных потоков, включивших в работу объем «холодной воронки» топочной камеры. В процессе перераспределения факела температура его ядра уменьшилась, что повлияло на выход оксида азота. Второй фактор связан с обдувом устья факела потоком газа из холодной воронки, когда газ из «холодной воронки» охлаждает начальный участок факела. Такое взаимодействие кро- ме гидродинамической нестабильности приводит к нестабильности, обусловленной эффектом термоэмиссии, сопровождающимся возникновением турбулентных вихрей значительно мень- ших размеров, заполняющих циркуляционные потоки в объеме топки. Известно, что такие по- токи обладают хорошей устойчивостью и частицы топлива могут многократно циркулировать в объеме топочной камеры. Подвод окислителя и отвод продуктов реакции горения в данном случае более эффективен, чем в традиционной схеме, поэтому при использовании предлагае- мого способа ухудшения полноты сгорания не наблюдается [4, 5]. Для определения затрат на реконструкцию котла мы определяем величину необходимых капитальных вложений, включающих в себя капитальные вложения на составление проекта работ, а также сметную стоимость. На составление проектных работ закладываем 100 тыс. руб. Сметная стоимость равна 188, 564 тыс. руб. Она состоит из сметной стоимости строитель- ных работ, сметной стоимости оборудования и монтажных работ. Капитальные вложения (без НДС), необходимые нам для реконструкции одного котла, составляют: К=Кпр+Ксм=100000+159800=259,8 тыс. руб. Итого: затраты на реконструкцию (с НДС) – 306,6 тыс. руб. В результате автоматического расчета получили следующие данные: Простой срок окупаемости (РР): РР = 2,23 года. Дисконтированный срок окупаемости: DPP = 2,35 года. Чистый дисконтированный поток с нарастающим итогом (ЧДПНИ): NPV = 1462,44 тыс. руб. Индекс доходности: DPI = 5,8 %. В результате автоматического расчёта ВСД составляет 82 %. Выводы Анализируя работу реконструированного котла БКЗ-75-Э9ФБ и данные инструменталь- ных замеров, следует отметить, что организация низкотемпературного ступенчатого сжигания в целом снижает содержание оксидов азота на 25-49 %. Достигаемый эффект объясняется об- разованием в топочной камере котла зон горения, отличающихся избытком воздуха и уровнем температур. То есть кроме основной зоны горения в топке образуются восстановительная и дожигательная зоны. В первой зоне сжигается основная масса топлива (примерно 65-75 %) при небольшом избытке воздуха. Во второй зоне (зоне холодной воронки) при использовании воз- духа нижнего дутья – остальное топливо, а в третью зону подается оставшийся воздух, необ- ходимый для полного сгорания топлива при использовании сопел, расположенных на задней стенке топочной камеры на уровне основных горелок. Следует отметить, что наряду со сниже- А.В. Жуйков. Снижение оксидов азота в топках котлов нием выбросов в атмосферу оксидов азота в целом проведенная реконструкция благоприятно отразилась на эксплуатации котлов. Уменьшилось загрязнение поверхности нагрева, снизи- лась температура уходящих газов, потери с механическим недожогом (q 4 ) остались в пределах нормы для котлов такого типа. Список литературы [1] Цирульников Л.М., Коюхов В.Г., Кадыров Р.А. Охрана воздушного бассейна и пути уменьшения токсичности выбросов газомазутных котлов. М.: ВННИГазпром 1975. 51 с. [2] Спейтер В.А. Обезвреживание промышленных выбросов дожиганием. М.: Энергоато- миздат, 1986. [3] Защита атмосферы от промышленных загрязнений: Справ. Изд-е: В 2 ч.; Пер. с англ./ Под ред. С. Калверта, Г.М. Иглунда. М.: Металлургия, 1988. 760 с. [4] Жуйков А.В., Кулагин В.А., Радзюк А.Ю. Способ уменьшения выбросов оксидов азота от котла БКЗ-75-39ФБ, работающего на ирша-бородинских углях// Промышленная энергетика. 2011. №8. С. 9-11. [5] Патент №109527 F23C 5/00. Низкоэмиссионная вихревая топка / Опубл. 20.10.2011 Бюл. №29. Reducing Nitrogen Oxides in the Boiler Furnaces Andrey V. Ghuykov Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia The basic ways and methods to reduce harmful gaseous emissions from thermal power plants and boilers, as well as a method of reducing nitrogen oxides, introduced on an industrial boiler plant in Krasnoyarsk. Keywords: nitrogen oxides, thermal power plants, boilers, emissions into the atmosphere. |