В настоящее время в эксплуатации находится ряд различных конструкций горелок с низким выходом NO, разработанных различными котлостроительными фирмами. В большинстве из них используется принцип двухступенчатого сгорания в пределах факела горелки.
Одними из первых горелок с низкой эмиссией NO, внедренными на мощных энергоблоках, стали пылеугольные горелки, разработанные японской фирмой Babcock Hitachi КК и немецкой Steinmuller.
Известны результаты стендовых испытаний трех конструкций вихревых горелок: обычной, двухрегистровой и HT-NR. Эмиссия NO в факеле горелки HT-NR оказалась почти на 80 % меньше, чем при работе обычной вихревой горелки. Оказалось, что при работе двухрегистровых горелок концентрация оксидов азота по оси факела уменьшается незначительно, а при работе горелок HT-NR на расстоянии x/Do= 4 происходит резкое уменьшение концентрации оксида азота с 1200 до 500 мг/м3.
Голландская фирма Stork Ketels совместно с Babcock Hitachi модернизировала эти горелки и использовала на блоке № 5 ТЭС Maac компании EPZ. Эффективность снижения выбросов NOx. за счет горелок составила примерно 45 %.
В 1978 г. 24 горелки котла энергоблока мощностью 707 МВт ТЭС Weiher III были заменены горелками ступенчатого сжигания фирмы Steinmuller. Они были размещены в три яруса встречно на фронтовой и задней стенах. Образование оксидов азота не зависело от избытка воздуха в топочной камере и являлось функцией лишь коэффициента избытка воздуха в зоне первичного горения вблизи горелки. Выбросы NOx при полной нагрузке и αперв=0,9 уменьшились приблизительно в 2 раза по сравнению с концентрацией NOx 1100 мг/м в опыте при закрытом положении шиберов третичного воздуха. Концентрация СО на периферии факела близ 100 млн -1. Коррозия в топке не обнаружена. Содержание горючих в уносе после замены горелок возросло с 2,5 до 3,5 %. К настоящему времени горелки такой конструкции установлены на ряде котлов Германии. Подобные горелки использует и фирма «Рилей-Стокер» (США). При сжигании битуминозного и полубитуминозного угля в промышленных котлах за счет этих горелок была получена концентрация NOx, равная 500 мг/м3.
Названная выше горелка была усовершенствована за счет формирования в факеле не только зоны с интенсивной внутренней рециркуляцией, но и за счет газов рециркуляции в зоне, разделяющей первичный и вторичный воздух. По некоторым данным, такого типа горелки позволяют уменьшить эмиссию NOx на 30 % при сжигании тяжелого мазута, на 40 % в случае газойля и на 60 % при сжигании газа.
Американская фирма Babcock & Wilcox разработала малотоксичную вихревую горелку типа DRB-XCL, прообразом ко торой послужила горелка HT-NR. Горелка была исследована на модели тепловой мощностью 23,5 МВт. При сжигании питтсбургского угля ее применение позволило уменьшить концентрацию NOx на 70 %. При этом содержание горючих в уносе составляло 2-7 %. Промышленная проверка горелки была осуществлена в 1986 г. на блоке № 4 ТЭС Эйджуотер. При этом была получена концентрация оксидов азота в дымовых газах, равная 380-620 мг/м3. Горелка DRB-XCL обеспечивает выбросы NOx на 25 % меньше, чем двухрегистровая горелка первого поколения типа DRB.
В бывшем СССР одна из первых горелок для сжигания газа, использующих принцип двухступенчатого сжигания, была разработана в 70-х годах специалистами Института газа (Украина) и ВТИ. Основная идея горелки состоит в разделении воздуха на два потока: периферийный закрученный, в который подается газ, и центральный прямоточный, выполняющий функции вторичного воздуха.
На выходе из амбразуры центробежные силы отбрасывают топливовоздушную смесь от оси горелочного устройства, образуя первую ступень сгорания топлива в конусообразном раскрывающемся факеле в среде с пониженным содержанием кислорода. Энергия закрученного периферийного потока быстро убывает, а энергия центральной струи сохраняется на большем удалении от выходного сечения горелки. В результате этого продукты сгорания из конусообразного факела подсасываются к приосевой струе, образуя зону дожигания топлива.
Горелка обеспечивает снижение эмиссии NOx в 1,5 раза. На Каунасской ТЭЦ (Литва) использование этих горелок и ступенчатой подачи воздуха позволило уменьшить выбросы NOx в 2 раза.
Более совершенная российская горелка, использующая принцип двухстадийного сжигания с подачей газов рециркуляции, позволила на котлах блока 200 МВт уменьшить эмиссию NOx с 335 до 120 мг/м3 при сжигании газа и с 510 до 250 мг/м3 при сжигании мазута.
Горелка с пониженной эмиссией NOx фирмы Babcock Energy Lmt (Великобритания) в конце 80-х годов была испытана на котле энергоблока мощностью 660 МВт ТЭС Drax, оборудованном 10 среднеходными мельницами и 60 вихревыми горелками, установленными встречно на фронтовой и задней стенах в 5 ярусов по высоте. Горелки обеспечили при сжигании каменного угля концентрацию NOx. 600-660 мг/м3, что составляет менее 50 % уровня, который наблюдался на котле до замены горелок (1270-1420 мг/м3).
Схема газовой горелки двухступенчатого сжигания
При опытном сжигании угля, аналогичного экибастузскому марки СС, на огневом стенде фирмы BEL была испытана горелка, адаптированная специалистами ВТИ и BEL для последующего ее использования в России. Концентрация NOx в этих опытах составила около 500 мг/м3. При работе на угле, подобном кузнецкому марки СС, была получена концентрация оксидов азота около 600 мг/м3. При испытаниях горелки, однако, выяснилось повышенное гидравлическое сопротивление канала аэросмеси по сравнению с горелками отечественного котла П-57, которые предполагалось заменить.
Разработанные в 80-х годах американской фирмой Foster Wheeler Energy Corp горелки, получившие название CF/SF (Control Flow/Split Flame), были установлены на котле блока №1 (мощностью 360 МВт) ТЭС San Juan (США). При использовании этих горелок в диапазоне тепловых напряжений радиационных поверхностей нагрева в горелочной зоне от 340 до 1100 кВт/м2 концентрация NOx составляла 440-460 мг/м3, что существенно меньше, чем при использовании обычных горелок.
Также известен новый тип горелок с низкой эмиссией оксидов азота. Выброс оксидов азота доведен до 200 мг/м3 вместо 400 мг/м3 у лучших ныне существующих горелок. Новая горелка имеет и другое важное достоинство — широкий диапазсн изменения нагрузки. Демонстрационные испытания на ТЭС Saijo показали возможность устойчивой эксплуатации котла без подсветки при нагрузках 20 % номинальной.
Концерном «Мицубиси» разработана также новая схема тангенциальной топки, названная CUF (circular U-shaped Flame Firing). Основная идея этого способа — разместить горелки в зоне высоких тепловых потоков, около ядра факела. Для этого горелки устанавливают не в углах топки, где тепловые потоки всегда меньше, а в середине стен под углом к ним, где местные тепловые потоки к корню факела достаточно высоки. Установка горелок с наклоном вниз дает возможность уменьшить скорость пылевзвеси и соответственно приблизить зону горения к устью горелок. Котел блока мощностью 300 МВт с такой топкой впервые опробован на электростанции Хуангтан (Китай). В 1995 г. фирма сделала сообщение, что такая топка в сочетании с подачей 40 % воздуха в верхнюю часть блока горелок может снизить выброс NOx до 130 мг/м3 при содержании горючих в уносе 2 %. Для сравнения концентрация оксидов азота при сжигании того же угля в обычной тангенциальной топке с подачей 25 % воздуха в верхнюю часть блока горелок составила примерно 240 мг/м3.
Конструкции прямоточных пылеугольных горелок, которые используются, как правило, для сжигания высокореакционных каменных углей в тангенциальных топках, также претерпели значительные изменения.
В Японии была разработана так называемая SGR-горелка, в которой помимо сопла пылевзвеси и двух расположенных над и под ним сопл вторичного воздуха, как у обычных горелок, между соплами пылевзвеси и вторичного воздуха были установлены сопла для подачи рециркулирующих дымовых газов, чтобы затруднить диффузию вторичного воздуха в первичную зону горения и тем самым уменьшить образование оксидов азота. В 1981 г. такие горелки были установлены на двух пылеугольных блоках мощностью по 500 МВт каждая на ТЭС Matsushima, в 1982 и 1983 гг. — на двух блоках мощностью по 156 МВт каждая, а в конце 1983 г. — на углемазутном блоке мощностью 600 МВт.
За счет сопл новой конструкции прямоточная горелка «быстрого воспламенения» с низким выходом N0, разработанная Международной организацией IVO, обеспечивала уменьшение NO до 50—70 % при содержании горючих в уносе меньше 5 %.