Опыт эксплуатации азотоочистных установок с использованием аммиака и аммиачной воды

ТЭС «Тита» в Японии была одной из первых, где был опробован (1978 г.) СНКВ-метод. На котле мощностью 375 МВт (паропроизводительностью 1250 т/ч), сжигающем мазут и природный газ, за двумя разными ступенями ширмового пароперегревателя парового котла были установлены коллекторы для раздачи аммиачно-воздушной смеси. Коллекторы имели квадратное сечение с охлаждающими парообразующими трубами по углам. При номинальной и 80% -ной нагрузках котла была достигнута эффективность очистки 30-40 % при мольном соотношении NH3/NOx, равном 1,5. Проскок аммиака в этих условиях не превышал 10-20 млн-1.

На Кировоканской ТЭЦ на котле БКЗ-160-100ГМ в 1982-1986 гг. были опробованы две схемы введения аммиака в котел: с помощью пара и с газами рециркуляции. Раздающее устройство включало в себя два горизонтальных коллектора, соединенных 27 вертикальными трубами диаметром 60 х 5 мм. Трубы были сгруппированы в девять секций. В двух из трех труб каждой секции имелись отверстия диаметром 3 мм с шагом 30 мм, всего было 91-18=1638 отверстий. Оси струй, истекающих из этих отверстий, были направлены под углом 70° к потоку дымовых газов.

Испытания установки проводили при паровой нагрузке котла 130-150 т/ч, что позволяло обеспечить в зоне раздачи аммиака температуру 900-1000 °С. Мольное соотношение P=NH3/NOx варьировали в интервале 0,5-3,0, что обеспечивало эффективность очистки, составляющую 12-75 %.

В 1986 г. на угольной ТЭС Marl (ФРГ) на котле тепловой мощностью 214 МВт с жидким шлакоудалением и расходом дымовых газов до 261 ООО м3/ч, содержащих до 1800 мг/м3 NOx. была смонтирована СНКВ-установка, в которой раздача аммиака осуществлялась паром через смонтированные на стенке котла сопла с диаметром выходного отверстия 25 мм. Струи сопл формировали четыре зоны в сечении котла, причем каждая из зон включала пять — семь форсунок. Форсунки первой и второй зон находились на передней (фронтовой) стене котла, раздача в третью и четвертую зоны осуществлялась с потолка котла. Сопла четвертой зоны использовались в широкой области нагрузок котла, сопла третьей зоны — только при нагрузке 80 % номинальной.

Установка обеспечивала снижение выбросов NOx на 30 % при нагрузке котла 80-100 % номинальной. При этом мольное соотношение NH3/NOx в зависимости от загрязненности котла изменялось от 1,2 до 2,1. Проскок аммиака не превышал 10 млн-1.

На ТЭС Andra на котле мощностью 110 МВт, сжигающем бурый уголь, для раздачи аммиака использовался пар низкого давления (до 0,3-0,4 МПа) с расходом до 6 т/ч. Впрыск пароаммиачной смеси осуществлялся в конце топки (сечение 10,5 х 6 м) в верхний уровень (при номинальной нагрузке) через шесть и в нижний (при нагрузке 70-85 МВт) через семь форсунок.

Расположение форсунок верхнего и нижнего уровней раздачи пароаммиачной смеси на котле (мощность 110 МВт) ТЭС Andra

Проведенные эксперименты показали, что при раздаче аммиака через форсунки нижнего уровня наиболее высокая эффективность очистки достигается при нагрузке 70-85 МВт, что объясняется оптимальным значением температуры в реакционной зоне (990 1020 °С).

Эффективность очистки для различных углей определялась в основном значением мольного соотношения β =NH3/NOx. Проскок аммиака не превышал 8 млн. -1.

Зависимости эффективности очистки от мольных соотношений β =NH3/NOx для различных бурых углей

Раздача аммиака через форсунки верхнего уровня позволила при р=2 и проскоке аммиака, равном 10 млн обеспечить 50% -ную очистку при нагрузках котла 100-110 МВт.

Полученные на ТЭС Andra результаты представлены на рисунке:

Концентрации NOx в дымовых газах котла ТЭС Andra до и после внедрения топочных мероприятий и СНКВ очистки

Из рисунка видно, что до реконструкции котла выбросы NOx составляли 420-470 мг/м3 (O2=6 %). С помощью внедрения первичных мероприятий удалось уменьшить выбросы NOx до 370-390 мг/м3. Последующее сооружение СНКВ-установки позволило снизить выбросы NOx до 200-250 мг/м3.

На угольной ТЭС Zeltweg на котле мощностью 137 МВт первичные мероприятия уменьшили выбросы NOx с 630-700 до 400-430 мг/м3. Использование СНКВ-установки с тремя уровнями раздачи аммиачной воды снизило концентрацию NOx в очищенном газе до 210-260 мг/м3. Проскок аммиака не превышал 10 млн. -1.

На Тольяттинской ТЭЦ на котлах ТП-87 были опробованы три системы раздачи пароаммиачной смеси, параметры которых приведены в таблице ниже. В зависимости от конструкций раздающих устройств расход пара варьировался от 8 до 17 т/ч.

Основные параметры систем раздачи пароаммиачной смеси

Раздающие трубы всех этих систем были размещены практически в одном и том же месте горизонтального газохода котла, за ширмовым пароперегревателем непосредственно перед фестоном, где по данным теплового расчета котла температура дымовых газов равна 1000 °С. Для систем 20РТ-17 и 20РТ-17М использовали трубы диаметром 36 мм, для системы 10РТ-8С2 раздающая труба имела диаметры 28 мм (вверху) и 38 мм (внизу). Диаметры отверстий (сопл) в трубах изменялись от 2 до 8 мм. При этом оси сопл большего диаметра (с наибольшей дальнобойностью) были направлены под небольшим углом навстречу потоку дымовых газов.

Схема перемешивания системы пароаммиачных струй потоком дымовых газов (а) и изменения во времени параметров, характеризующих степень смешения струи (б): H1 — расстояние проникновения струи в дымовые газы вверх по потоку; H2-расстояние от раздающей трубы до зоны полного смешения аммиака с газом; G=Gi/Gг — отношений расхода газа, к которому примешан аммиак, к общему расходу; В — относительное превышение концентрации аммиака в зоне перемешивания струй над средней концентрацией B0 при идеальном смешении аммиака с дымовыми газами; Т — температура на оси струи; Y — расстояние от раздающего сопла до оси струи («-«, «+» — соответственно вверх и вниз по потоку дымовых газов)

Как следует из рисунка выше, на начальном участке струя практически прямолинейная и проникает на значительное расстояние в набегаюший поток. Согласно расчету глубина проникновения передней границы струи H1 составляет примерно 500 мм, т.е передняя граница струи приближается к трубам ширмового парогревателя (расстояние от сопл до труб 650 мм).

На рисунке выше показано изменение во времени рассчитанных параметров, характеризующих степень смешения струи. Из рисунка видно, что при отрицательных значениях Y доля расхода газа, к которому подмешан аммиак, еще невелика, а температура в этой зоне смешения струи ниже температуры потока из-за более низкой (на 400-500 °С) начальной температуры струи. Температуры струй и дымового газа полностью выравниваются через 0,06 с после смешения. Однако можно считать, что уже при Y= 100 мм, т.е. через 0,01 с, достигается достаточно высокая температура струи и начинается реакция денитрификации, хотя аммиак не распространился на весь поток газа. Заканчивается реакция в пределах конвективного пароперегревателя (на расстоянии 1 м от сопл) вследствие снижения температуры до 900 °С. Протяженность реакционной зоны составляет, по нашим оценкам, примерно 900 мм. Отсюда находим, что при номинальной нагрузке котла и линейной скорости дымовых газов 5 м/с время протекания реакции примерно равно 0,15 -0,18 с.

Наибольшая эффективность очистки с использованием СНКВ-технологии была достигнута на пылеугольном котле с жидким шлакоудалением, оборудованном трехъярусной раздачей аммиака.

Основные полученные результаты приведены на рисунке ниже.

Зависимости эффективности азотоочистки и проскока аммиака от мольного соотношения NH3/NOx в очищаемом газе при различных температурах (начальная концентрация NOx составляет 1200 мг/м3, время протекания реакции 0,6 с)

Из рисунка видно,что:

• при температуре 980 °С и β = 1,4 эффективность очистки составляет 83 % при проскоке аммиака 20 млн. -1;
• при температуре 1010-1030 °С и проскоке аммиака до 3 млн. -1 для обеспечения той же самой эффективности очистки необходимо увеличить подачу аммиака (2,8 >β >1,9);
• при температуре более 1040 °С для достижения эффективности очистки около 83 % необходимо дальнейшее повышение расхода аммиака (β>3,7), проскок аммиака при этом не превышает 20 млн. -1.

НКВ-установка, сооруженная на ТЭС Herne-4 на пылеугольном башенном котле паропроизводительностью 1516 т/ч (25,5 МПа, 535 °С) фирмами «ДойчеБабкок» и «Штайнмюллер» при финансовой поддержке Министерства исследований и технологий ФРГ, является в настоящее время самой большой в мире. К ее проектированию были подключены университеты г. Бохума (гидродинамика топки), г. Эссена (кинетика и механизм СНКВ-процесса), г. Дортмунда (системы раздачи аммиака). Котел оборудован 12 малотоксичными горелками с многоступенчатым смешиванием, специальными мельницами с тонким помолом угольной пыли (до 85 % частиц с размером менее 90 мк), что позволило снизить выбросы NOx после топки до 450-500 мг/м3.

СНКВ-установка имеет четыре яруса раздачи аммиачно-воздушной смеси, используемые при соответствующих диапазонах паровых нагрузок; расстояние между ярусами составляет 5-8 м. В первых двух по ходу газов ярусах раздача аммиака происходит из сопл, расположенных на стенках котла, третий и четвертый ярус помимо сопл на стенках имеют охлаждаемые раздающие трубы с соплами, размещенные поперек потока дымовых газов.

Авторы проекта стремились на базе гидродинамического моделирования по возможности уменьшить неоднородность температуры, концентрации NOx, линейной скорости по сечению топки перед системой раздачи аммиачно-воздушной смеси. На рисунке ниже показано изменение локальных температур по сечению топки.

Температурное поле сечения топки котла над верхним уровнем горелок

Желаемой однородности не получилось. Даже в центральной области сечения различие локальных температур достигало 80 К. В боковых пристеночных зонах шириной до 2 м, температура была на 100 К ниже средней.

Таким образом, для столь большого сечения топки котла (16 х 16 м) не удается обеспечить высокую однородность потока дымовых газов, как это имело место в случае топки котла паропроизводительностью 157 т/ч.

Поэтому на ТЭС Herne-4 при нормировании проскока аммиака на уровне 5-10 млн. -1 удалось получить лишь 50%-ную эффективность азотоочистки.

Раздача реагента осуществлялась воздухом с давлением до 0,32 МПа в зоне с температурой 980-1100 °С непосредственно перед пароперегревателем. При нагрузках 80-90 МВт и β=1 достигнута эффективность очи» тки, равная 53 %, при проскоке аммиака менее 10 млн. -1. До очистки дымовой газ содержал NOx до 660 млн. -1.

Аммиак используется не только при СНКВ, но и в холодильных установках. Заказать качественные машины для мороженого можно перейдя по ссылке.