Двухступенчатое сжигание
В России впервые проект реконструкции котла с переводом его на схему двухступенчатого сжигания был разработан в ВТИ в конце 70-х годов. Реализация этого проекта на двух котлах производительностью 210 т/ч (Западно-Сибирская ТЭЦ) доказала эффективность метода при сжигании каменного угля марки Г и высокозольных отходов обогащения этого угля. (Необходимо отметить высокое содержание связанного азота в используемом топливе: Ndnf=2,0-3,5 %.) До реконструкции концентрация NO, в дымовых газах достигала 900 мг/м3 (сухой газ, 6 % O2).
Конструкция сопл третичного воздуха позволила менять направление воздушных струй, тем самым изменяя время пребывания продуктов сгорания в восстановительной зоне. Оказалось, что при большем времени пребывания, соответствующем углу наклона струй третичного воздуха вверх на 10°, достигалось более глубокое снижение концентрации оксидов азота (до 470—540 мг/м3, 6 % 02), чем при наклоне струй вниз на 24° (CNOx =564-598 мг/м3, 6 % O2). Но потери с уносом в первом случае были выше на 0,3 %.
Еще один важный вывод — концентрация NOx зависит от доли первичного воздуха α1 и разности скоростей в выходном сечении горелок w2-w1.
Общий эффект по снижению выброса NOx достигал 50 %. Снижения экономичности топочного устройства или интенсификации коррозии топочных экранов не наблюдалось. Шлакование экранов и ширмового пароперегревателя не происходило. Температура газов на выходе из топки после реконструкции увеличилась примерно на 40 °С.
Широкое внедрение двухступенчатого сжигания на котлах, сжигающих газ, мазут, бурые и каменные угли позволило оценить эффективность этого метода для отечественных котлов в 30-40 %. Заметное увеличение потерь с механическим недожогом наблюдалось только при сжигании малореакциинных углей.
На котлах СКД при сжигании высокосернистых углей применение схемы двухступенчатого сжигания может привести к высокотемпературной коррозии экранов нижней радиационной части. При сжигании малореакционных углей типа АШ, Т или СС двухступенчатое сжигание заметно увеличивав содержание горючих в уносе, снижая тем самым КПД котла.
Трехступенчатое сжигание
Первое внедрение классического варианта этой технологии было реализовано на Ладыжинской ГРЭС на котле СКД при сжигании высокосернистого донецкого угля марки Г. Котел ТПП-312 паропроизводительностью 950 т/ч имеет параметры: 25 МПа, 545/545 °С; топка котла — с жидким шлакоудалением. Вихревые пылегазовые горелки расположены встречно на фронтовом и заднем экранах в два яруса по высоте, по восемь горелок в каждом ярусе. Угольная пыль подается к горелкам сушильным агентом, часть которого при работе на ухудшенном топливе сбрасывается в топку через два сопла, размещенных на фронтовой стене выше верхнего яруса горелок.
Зависимость концентрации NOx от коэффициента избытка воздуха на котле ТПП-312 Ладыжинской ГРЭС: 1 — до реконструкции, N=270 МВт; 2 — после реконструкции 1993 г., N=300 МВт;3 — после оптимизации режима, 1994 г., N=313 МВт
Число и размещение пылеугольных горелок оставлено без изменения. Для дополнительных прямоточных горелок используется природный газ в количестве 15-20 %. Они были выполнены и установлены встречно на фронтовом и заднем экранах. Сопла третичного воздуха были смонтированы выше дополнительных горелок на фронтовом и заднем экранах. Для обеспечения требуемой по условию шлакования ширм температуры газов в верхней части топки был установлен аэродинамический выступ.
До реконструкции концентрация NO, в дымовых газах в зависимости от избытка воздуха изменялась от 1100 до 1200 мг/м3. Проведенные испытания реконструированного котла показали, что он работает надежно и экономично в широком диапазоне нагрузок. При подаче в дополнительные горелки природного газа (6-16 %) и газов рециркуляции (8 -10 %) концентрация NO, за котлом составила в среднем 500-570 мг/м3 (α=1,4). Когда расход вторичного воздуха на основные горелки уменьшался до расчетного значения αг=1,05, концентрация NO, снижалась примерно до 400 мг/м3.
В ВТИ была разработана и успешно реализована на ряде крупных энергетических котлов так называемая упрощенная схема трехступенчатого сжигания, которая предполагает использование существующих горелок верхнего яруса для создания восстановительной зоны. Впервые эта схема была реализована на котле ТП-92 Добротворской ГРЭС (Украина). Топка котла ТП-92 оборудована восемью блоками прямоточных горелок, причем каждый блок имел три пылевых и четыре воздушных сопла, чередующихся по высоте. В каждое воздушное сопло встроена газовая горелка, и все сопла наклонены вниз на 15°. Особенностью топки являются высокое тепловое напряжение топочного объема (174,5 кВт/м3) и низкое расположение ширмового пароперегревателя.
Для создания восстановительной зоны верхнее воздушное (с газовой горелкой) и пылеугольное сопла были направлены горизонтально, а выходное сечение по воздуху было значительно уменьшено. Кроме того, часть горячего воздуха подавалась в верхнюю часть топки через вновь смонтированные сопла третичного дутья. При такой схеме в нижней части топки формировалась основная зона горения, в которую поступало 2/3 (при работе на угле) или 3/4 (при работе на газе) всего топлива с коэффициентом избытка воздуха α=1,07. После ввода через реконструированные сопла 33 % угля или 25 % природного газа с недостатком воздуха коэффициент избытка воздуха в средней части топки уменьшался до а=0,937. На выходе из топки за счет третичного дутья поддерживался нормальный избыток воздуха αт=1,2.
Испытания реконструированного котла на природном газе показали, что концентрация NOx в дымовых газах при номинальной нагрузке блока снизилась с 200-300 до 80-100 мг/м3 (6 % 02).
Несколько иная схема трехступенчатого сжигания была разработана и внедрена на котлах ПК-14Р , оборудованных пылесистемами прямого вдувания и топками с двухъярусным фронтовым расположением вихревых горелок.
Над основными горелками были установлены дополнительные сбросные сопла для ввода в топку обеспыленного сушильного агента и горячего воздуха для дожигания продуктов недожога. Благодаря центробежному пыле-концентратору в горелки нижнего яруса поступала более грубая пыль (R90=21+22 %), а в верхние — мелкодисперсная (R90=6+ 8 %), что позволило избежать затягивания факела в верхнюю часть топки. Для получения восстановительной среды использовалась часть основного топлива. Режим трехступенчатого сжигания обеспечивался:
- установкой двухступенчатого лопаточного завихрителя с разделением аэросмеси на три потока с различной концентрацией пыли;
- сбросом части обеспыленного сушильного агента и вторичного воздуха над двумя ярусами горелок;
- поддержанием в горелках верхнего яруса пониженного избытка воздуха с целью формирования восстановительной среды.
Это позволило уменьшить концентрацию оксида азота на на 45-50 %.
На рисунке ниже приведена еще одна упрощенная схема трехступенчатого сжигания на котле ТП-230 (ст. № 6) ТЭЦ-17 Мосэнерго. На этом котле сжигается подмосковный бурый уголь марки Б (Qг= 7,45 — 8,10 МДж/кг, Wг = 25,6 -27,1 %, Аг=35,0-38,8 %) и природный газ. Номинальная паропроизводительность котла 230 т/ч при параметрах пара 9,8 МПа, 510 °С. Топка с твердым шлакоудалением, с фронтальным расположением четырех шахтных амбразур. В эти амбразуры встроены сопла вторичного воздуха, внутри которых размещаются газовые сопла.
Схема ступенчатого сжигания на котле ТП-230 ТЭЦ-17 Мосэнерго: 1 — сопло вторичного воздуха с номинальным расходом; 2 — сопла вторичного воздуха с уменьшенным расходом; 3 — сопла третичного воздуха
По аналогии с Добротворской ГРЭС на этом котле было уменьшено выходное сечение канала, по которому подается воздух в верхнюю часть факела и смонтированы сопла третичного воздуха на фронтовом и заднем экранах.
Концентрация NO2 в дымовых газах до реконструкции составляла: при сжигании природного газа 300-390 мг/м3; подмосковного угля 1025 мг/м3.
После реконструкции были испытаны различные режимы. При закрытых шиберах третичного воздуха, когда подавление NOx осуществлялось только благодаря перераспределению избытков воздуха между верхней и нижней частями основного факела, концентрация NOx составила: при сжигании газа 280 мг/м3; при работе на угле 730-750 мг/м3.
Вторая группа опытов была проведена при открытии шиберов третичного воздуха на 50 %. В этих опытах концентрация NOx уменьшилась до 185 мг/м3 при сжигании газа и до 580 мг/м3 при сжигании угля. И наконец, при полностью открытых шиберах, т.е. при расчетной схеме упрощенного трехступенчатого сжигания, концентрация NOx в дымовых газах составила: при сжигании газа 74-90 мг/м3; при работе на угле 450-480 мг/м3.
Котел работал устойчиво, химический и механический недожог оставались примерно на том же уровне, что и до внедрения новой технологии сжигания.
На зарубежных ТЭС в настоящее время также активно внедряется метод трехступенчатого сжигания.
Концентрическое сжигание
При этой схеме ступенчатого сжигания не требуется установки дополнительного яруса горелок. Восстановительная зона формируется в центральной части топки, вдали от топочных экранов, что позволяет избавиться от таких побочных явлений, как шлакование топочных экранов или их высокотемпературная коррозия.
В США схема концентрического сжигания широко внедряется как путем реконструкции действующих котлов, так и при сооружении новых котельных установок, рассчитанных на сжигание каменных и бурых углей. Существуют данные о 17 крупных пылеугольных котлах, реконструированных котлостроительной фирмой ABB С-Е по схеме концентрического сжигания. В результате новой организации топочного процесса на всех котлах уменьшилась концентрация оксидов азота в дымовых газах в 1,5-2 раза, а экономичность котлов осталась практически на прежнем уровне.
В России концентрическое сжигание внедрено на котле ТП-85 Иркутской ТЭЦ-9 при использовании горелки, разработанной ВТИ и ЦКБ «Энергоремонт». На рисунке ниже показан один из вариантов такой горелки, верхнее сопло вторичного воздуха которой может отклоняться от оси горелки на угол β. В результате этого в центре топки образуется зона, обогащенная топливом, а вблизи экранов — среда, обогащенная воздухом. При сжигании азейского бурого угля и использовании названной горелки концентрация оксидов азота уменьшилась (при нагрузке, близкой к номинальной) от 1100 до 650-700 мг/м3.
Прямоточная пылеугольная горелка конструкции ВТИ-ЦКБ «Энергоремонт» для организации концентрического сжигания: 1 — аэросмесь; 2 — верхнее поворотное сопло вторичного воздуха; 3 — поворотная заслонял для регулирования расхода нижнего потока вторичного воздуха
Эффективность схемы концентрического сжигания определяется степенью обогащения топливом центральной зоны топочной камеры и соответственно обогащения воздухом периферийной зоны, примыкающей к топочным экранам. Естественно, что, увеличивая долю вторичного воздуха, который отклоняется от направления струй топливовоздушной смеси, и угол (в плане) между этими двумя потоками, мы можем добиться более глубокого снижения выбросов NOx. Однако пребывание топлива в зоне с недостатком окислителя тормозит скорость выгорания коксового остатка, а время пребывания в верхней части топки после ввода третичного воздуха ограниченно. Поэтому при внедрении концентрического сжигания снижение эмиссии NOx оптимизируют с учетом влияния его на недожог топлива.