П.В. Росляков, докт. техн. наук,
И.Л. Іонкін, Л.Є. Єгорова, кандидати техн. наук
Московський енергетичний інститут (технічний університет)
Зниження забруднення навколишнього середовища токсичними продуктами згоряння органічних палив є однією з важливих проблем розвитку української теплоенергетики. В даний час діють досить жорсткі нормативи, які регламентують викиди в атмосферу. Переважна більшість діючих котлів, мають значно більш високі рівні викидів NOX. ніж це регламентується ГОСТ Р50831-95 (рис. 1). До теперішнього часу розроблено велику кількість методів зниження викидів оксидів азоту як на стадії спалювання палива (так звані технологічні або внутрітопочние заходи) так і очищення газів на стадії охолодження продуктів згоряння (наприклад DENOx). Останні є високоефективними методами, що дозволяють забезпечити задані рівні викидів оксидів азоту, і широко застосовуються в технологічно розвинених країнах. Однак дуже високі капітальні та експлуатаційні витрати, необхідність розміщення великогабаритних установок і тривалий час, необхідне для їх реалізації, робить впровадження даних технологій для діючих українських котлів в доступному для огляду майбутньому вкрай малоймовірним.
Проте, зростання промислового виробництва і прискорене введення в дію електрогенеруючих потужностей, який планується в найближчі роки, потребують скоротити обсяги викидів від вже встановленого обладнання. Особливо актуальною ця проблема стане, якщо все-таки почне відбуватися заміна природного газу твердим паливом і мазутом.
Слід зазначити, що при впровадженні даних технологій може спостерігатися не тільки зниження ККД котельної установки, але і складності з регулюванням технологічних процесів. Останнє часто обумовлено не тільки ускладненням схеми регулювання, а й поганим станом контрольно-вимірювальних приладів, встановлених на котлі.
Одним з найбільш легко реалізованих режимних заходів є зниження надлишку повітря в топці. В результаті зменшення вмісту кисню в зоні горіння відбувається придушення освіти як термічних, так і паливних NOx. Тому цей захід може бути застосовано при спалюванні будь-яких видів органічного палива. Воно дозволяє не тільки знизити викиди NOx, але і трохи підвищити ККД котла за рахунок зниження втрат теплоти з газами і витрат енергії на власні потреби.
Вплив надлишків повітря на освіту оксидів азоту описується екстремальної залежністю з максимумом при аmaх = 1,15-1,25 для газомазутних котлів і аmах = 1,4-1,5 для пиловугільних котлів в залежності від конструкції пальників і стану камери згоряння (рис . 2). Причому максимум змісту NOx в димових газах відповідає такому значенню коефіцієнта надлишку повітря, при якому в даних умовах досягається найбільш повне згорання палива (рис.3).
Слід особливо підкреслити, що в освіті оксидів азоту бере участь тільки те повітря, яке подається в зону активного горіння разом з паливом. Зміна кількості присосов холодного повітря в топку, який не бере участі в процесі запалення і горіння палива, практично не впливає на утворення оксидів азоту. Тому при однакових значеннях коефіцієнта надлишку повітря на виході з топки ат через різні присосов надлишки повітря в ЗАГ можуть істотно відрізнятися. Це, в свою чергу, призводить до різного виходу NOX. Крім того, надмірне зниження надлишків повітря в зоні горіння супроводжується не тільки підвищеним недожогом палива, але і збільшенням виходу NOX за рахунок появи швидких оксидів азоту (ліва гілка залежності NOX на рис. 2а).
Дуже часто, як показує практика, котли працюють з досить високими коефіцієнтами надлишку повітря близькими до значень аmах (див. Рис. 4). Для таких агрегатів зниження надлишків повітря показує хороші результати. В результаті зниження надлишків повітря до значень араб = акр + 0,02-0,04 (рис. 4) зазвичай спостерігається зменшення викидів оксидів азоту на 10-30%. При цьому не потрібно якихось додаткових капітальних і експлуатаційних витрат, а всі витрати на його впровадження зводяться до вартості режимно-налагоджувальних випробувань котла.
Таким чином, при спалюванні природного газу і мазуту за рахунок організації контрольованого помірного хімічного недожога можна досягти помітного зниження емісії NOx. Однак збільшувати хімічний недожог понад значень концентрації СО = 50 - 100 ррm (62,5-125 мг / м), що істотно нижче нормативних значень, недоцільно через малого подальшого ефекту (рис. 5) і збільшення сумарної токсичності димових газів за рахунок зростання емісії СО і бенз (а) пірену. При цьому зниження викидів оксидів азоту досягає 30-40%.
Слід особливо відзначити, що на багатьох котлах спостерігається значні коливання концентрації кисню в продуктах згоряння. Це може бути пов'язано як з роботою автоматики, так і з поганим технічним станом котельного агрегату. Так, наприклад, на котлі ЦКТИ-75-3,9, встановленому на ТЕЦ ВАТ "ЧМЗ" спостерігалися коливання концентрації О2 у вихідних газах в діапазоні 6,8-7,8% об, при цьому при спробі налагодити режим з контрольованим недожогом концентрація СО становила від 0 до 700 мг / м3 (рис. 8). У зв'язку з цим для подібних котлів потрібне проведення попередніх робіт по ущільненню та налаштування АСР.
Одним з аргументів проти реалізації режимів з помірним недожогом палива є збільшення емісії бенз (а) пірену C20 H12 (рис. 6). Дійсно бенз (а) пірен, як шкідлива речовина, належить до першого класу небезпеки і тому є більш токсичним ніж оксиди азоту. Однак об'єктивно кількісно оцінити екологічні показники різних режимів спалювання палива можна тільки з урахуванням, як токсичності різних шкідливих домішок (NOX. CO, C20H12), так і їх масових викидів.
Відомо, що концентрації різних домішок в продуктах згорання найтіснішим чином пов'язані між собою. Зміна режиму спалювання палива призводить до збільшення вмісту одних домішок при одночасному зниженні емісії інших (рис. 5, 9). Тому екологічна безпека режиму буде тим вище, чим менше значення сумарного відносного показника шкідливості викидаються димових газів.
Проведені експериментальні дослідження процесів конверсії СО і БП в газовому тракті котельних установок показали принципову можливість реалізації в котлі різних режимів спалювання (рис. 10).
Режими з недожогом палива характеризуються меншими концентраціями О2 в зоні горіння і зниженим рівнем температур в котельній камері, в результаті чого відбувається затягування процесів догорання продуктів неповного згоряння палива в газохід котельні установки. При цьому в залежності від ступеня хімічного недожога (тобто від затягування процесу горіння по довжині газового тракту) принципово можливі наступні варіанти зміни концентрацій БП і СО в газовому тракті котельні установки (рис. 10б, в, г).
Для порівняння екологічної безпеки розглянутих вище режимів спалювання (рис. 7) для кожного з них розраховувався показник сумарної шкідливості продуктів згоряння SП, що є сумою приватних показників шкідливості Пi для СО, NOX і БП. У свою чергу приватні показники шкідливості Пi характеризують питома кількість шкідливої речовини і його відносну токсичність і являють собою кількість грамів шкідливої домішки mj, що утворилася при спалюванні одного грама палива, віднесене до відносній теплоті згоряння палива і до відносної токсичності шкідливої домішки:
Проведені за результатами випробувань (рис. 14) розрахунки Пi і SП показали, що переважний внесок у сумарну шкідливість викиду продуктів згоряння в атмосферу вносять оксиди азоту NOx, перш за все за рахунок NO2. Їх частка в сумарній шкідливості викиду для різних режимів становить від 90 до 98%. Внесок продуктів хімічного недожога (СО і БП) при звичайних режимах спалювання мізерно малий (<1 - 2%). Поэтому для увеличения экологической безопасности сжигания природного газа в первую очередь необходимо снижать эмиссию NOX. При реализации режимов с недожогом вклад выброса СО и БП в суммарную вредность уходящих газов увеличивается всего до 7 - 8%, не смотря на то, что как показали эксперименты, выход БП при режимах с недожогом увеличивается в 1,5-2 раза по сравнению с обычным сжиганием (см. рис. 14).
При спалюванні палива без недожога (рис. 10 а, і крива 1 на рис. 14), коли монооксид вуглецю практично відсутній в продуктах згорання по всій довжині газового тракту, значення SП уздовж газового тракту залишається практично незмінним, хоча і має незначну тенденцію до зменшення за рахунок догорання БП в газовому тракті (залежність 1 на рис. 15).
Найбільш екологічно чистими з розглянутих вище режимів є режими з помірним недожогом при 1,05 <аРВЭ<1,07 (кривые 4 и 5 на рис. 14 и 15). При их реализации происходит небольшое затягивание процесса горения, в результате чего догорание монооксида углерода почти полностью завершается в пределах газового тракта котельной установки и его концентрация за дымососом не превышает 30 - 60 ррm (37,5-75 мг/м 3 ) (см. рис. 10в, 12 и 14).
Режими з малим недожогом при 1,07 <аРВЭ <1,1 (кривые 2 и 3 на рис. 14) характеризуются незначительными концентрациями СО в дымовых газах в контрольном сечении (менее 50 ррm или 62,5 мг/м 3 ) и за дымососом (0 - 20 ррm или 0-25 мг/м 3 )), что приводит к снижению эмиссии NOx на 25 - 30% по сравнению с обычным сжиганием природного газа. Тем не менее, они имеют более высокие значения SП чем режимы с умеренным недожогом топлива (за счет большего содержания оксидов азота) и потому являются менее экологически чистыми (рис. 15).
Отже, режими з помірним недожогом є найбільш виправданими як з точки зору екологічної безпеки, так і з точки зору ефективного спалювання природного газу.
Слід зазначити, що робота на знижених надлишки повітря з помірним контрольованим недожогом пред'являє більш високі вимоги до стану котельного агрегату, роботу контрольно-вимірювальних приладів, а також до кваліфікації експлуатаційного персоналу та технологічної дисципліни.
Відомо, що більшість діючих в даний час на ТЕС котлів були введені в експлуатацію понад 20 років тому і, як правило, їх експлуатаційні характеристики вже не в повній мірі відповідають проектним величинам. Це в першу чергу відноситься до Присос холодного повітря в топку і газоходи котла, які перевищують нормовані значення, і рівномірності роздачі палива і повітря по пальникових пристроїв.
Тому перед впровадженням режимів спалювання палива з контрольованим помірним недожогом слід провести ущільнення топки, перевірку штатних приладів і усунення перекосів в топлівовоздушних трактах. Останнє дозволяє оптимізувати процес спалювання палива і зменшити вихід СО і БП. При цьому максимальні значення концентрації NOX залишаються без зміни, але вся крива залежності NOx (a) зсувається в область менших надлишків повітря (рис. 16).
Далі проводяться режимно-налагоджувальні випробування, в ході яких визначаються величини критичних акр і допустимих робочих адоп надлишків повітря на різних навантаженнях і розробляються режимні карти котлів. Як зазначалося вище, знижувати робочі надлишки повітря можна до рівня, що не викликає підвищення концентрації СО в димових газах понад 50 - 100 ррт (62,5-125 мг / м 3). Конкретне значення адоп. відповідне цьому рівню СО, залежить від стану ущільнень топкової камери, досконалості горілчаного пристрою і рівномірності розподілу палива і повітря між пальниками.
При реалізації на діючих котлах режимів з контрольованим помірним недожогом особливу увагу слід приділяти інструментальному контролю процесу горіння палива. Це пов'язано з тим, що режим з контрольованим помірним недожогом знаходиться в досить вузькому діапазоні надлишків повітря. Експлуатувати котли в таких режимах, грунтуючись тільки на свідченнях штатних Киснеміри (які до того ж часто мають низьку точність) в режимному перетині, надзвичайно важко. Наприклад, на перехідних режимах концентрація СО в димових газах може досягати декількох тисяч мг / м. Крім того, в разі режимів з недожогом має місце конверсія СО і БП в газовому тракті котельні установки аж до димососа. Все це вимагає додаткових вимог до інструментального контролю складу димових газів і кваліфікації експлуатаційного персоналу.
З огляду на результати експериментальних досліджень, для ефективного впровадження режимів з контрольованим помірним недожогом необхідна організації безперервного контролю складу димових газів одночасно в наступних перетинах газового тракту котельні установки: в режимному перетині - контроль концентрацій О2 і СО, в перерізі за димососом - контроль концентрації СО. Відомо, що утворення оксидів азоту повністю завершується в котельній камері і далі по газовому тракту їх концентрація (в перерахунку на сухі гази і а = 1,4) і масова витрата практично не змінюються (рис. 11, 12, 14). Тому контроль вмісту NOX принципово може бути організований в будь-якому із зазначених перетинів газового тракту, де забезпечується найбільша наочність результатів. При проведенні налагоджувальних випробувань для складання режимних карт рекомендується також проводити інструментальні вимірювання вмісту бенз (а) пірену в режимному перетині газового тракту і в перерізі за димососом.
Вимірювання концентрацій СО і NOx в перерізі за димососом можна також використовувати для інструментального безперервного контролю масових викидів шкідливих речовин в навколишнє середовище і звітності за формою №2тп-повітря.
Спалювання природного газу з контрольованим помірним недожогом дозволяє знизити викиди NOX на 30-40% при одночасному підвищенні ККД котла.
Сумарний показник шкідливості таких режимів в 1,5 - 2,0 рази нижче, ніж при звичайному спалюванні природного газу відповідно до режимної карти, а сумарний внесок монооксиду вуглецю і бенз (а) пірену в загальну шкідливість викиду від котла в атмосферу не перевищує 3 - 7%.
Отже, режими з контрольованим помірним недожогом є найбільш виправданими як з точки зору екологічної чистоти, так і з точки зору ефективного спалювання палива.
Режими з контрольованим помірним недожогом є маловитратними і швидко впроваджуються, оскільки можуть бути легко реалізовані на котлі в результаті налагоджувальних випробувань.
Для ефективної роботи котла з контрольованим помірним недожогом необхідна повна інформація про завершеності процесів вигоряння палива, що можливо тільки на підставі одночасних вимірювань вмісту СО в димових газах в режимному перетині і в перерізі за димососом.
Впровадження режимів з контрольованим недожогом доцільно при модернізації АСУ ТП котла. Для цих цілей слід передбачити установку на котлі вимірювальних систем для контролю вмісту O2, СО і NO в продуктах згоряння.
скачати безкоштовно Контрольований хімічний недожог -ефективний метод зниження викидів оксидів азоту в архів.zip (516 кБт)