Наиболее подробно влияние температуры на эффективность очистки было изучено на буроугольной ТЭС Andra в Австрии (на котле мощностью 110 МВт). Раствор мочевины впрыскивался поочередно на четырех различных уровнях — А, В, С, D (рисунок ниже). На нижнем уровне мочевина вводилась вместе с третичным воздухом верхних горелок. На прочих уровнях раствор мочевины впрыскивался из сопл, размещенных на стенке котла.
Полученные результаты представлены на рисунке ниже в виде зависимостей эффективности очистки и проскока аммиака от соотношения температуры соответствующего уровня и оптимальной температуры (конкретные температуры не приводятся).
Уровни раздачи раствора мочевины на котле ТЭС Andra. Эффективность азотоочистки при использовании различных уровней раздачи раствора мочевины (β =2; O2 = 6 %)
Из рисунка видно, что при раздаче раствора мочевины на уровнях С и D наблюдается большой проскок аммиака. Поэтому оптимальным оказывается уровень В. В целом проведенные эксперименты (было осуществлено более 100 опытов) показали, что при использовании мочевины может быть обеспечена такая высокая эффективность очистки, как и при применении аммиака. Однако раствор мочевины должен впрыскиваться при более высокой температуре.
На котле мощностью 330 МВт ТЭС Voitsberg 3 раствор мочевины вводился через шесть сопл раздачи третичного воздуха. При испытаниях получена зависимость эффективности очистки от температуры в зоне раздачи реагента и соответственно от мощности котла. Оптимальная температура достигалась при нагрузке 220 МВ.
На рисунке ниже приведены результаты проведенных исследований. Видно, что наибольшая эффективность очистки достигалась при пониженных нагрузках котла.
Зависимость эффективности очистки от нагрузки. Эффективность топочных и СНКВ-технологий на ТЭС Voitsberg 3.
На ТЭС Riedersbach на котле мощностью 160 МВт с помощью топочных технологий удалось снизить выбросы NOx до 300-350 мг/м3. Для этого котел был оборудован шестью газоходами третичного воздуха и шестью газоходами газов рециркуляции. Дальнейшее снижение выбросов NOx до 200 мг/м3 обеспечивалось за счет впрыска 50% -ного раствора мочевины через специальные форсунки, размещенные внутри вышеназванных газоходов. В работе предложена оригинальная система раздачи мочевины, которая схематически приведена на рисунке ниже. Из рисунка видно, что впрыск реагента совместно с паром (расход пара низкого давления 1-2 т/ч) осуществлялся в газоход с помощью специального раздаточного устройства. Раствор мочевины подавался по внутренней трубе, заканчивающейся соплом. Пар, проходя по наружной трубе, нагревал раствор мочевины до температуры кипения, что приводило к снижению вязкости и поверхностного натяжения раствора. Благодаря этому обеспечивались тонкое распыление и необходимое смешение мочевины с третичным воздухом.
Система впрыска раствора мочевины в котел совместно с третичным воздухом
На рисунке ниже приведены результаты испытаний, проведенных при номинальной нагрузке и использовании в качестве топлива смеси каменного и бурого углей. Из рисунка видно, что с увеличением доли в топливе каменного угля при равных мольных соотношениях NH3/NOx эффективность очистки падает, что авторы работы объясняют повышением температуры на уровне раздачи мочевины до 1200 °С и выше.
Согласно полученным данным при 1,7 >β >1 проскок аммиака, измеренный перед воздухоподогревателем , не превышал 1 млн-1. Содержание аммиака в золе изменялось в интервале 30-50 мг/м3 (норматив 100 мг/м3).
Зависимости эффективности очистки от мольного соотношения NH3/NOx и содержания в топливе (бурый уголь) каменного угля (5-25 %) при номинальной нагрузке котла
На основании проведенных измерений в системе автоматического регулирования была использована зависимость величины β от паровой нагрузки котла, что позволило обеспечить поддержание выброса NOx на нормативном уровне (200 мг/м3).
На ТЭС Weisweiler в Австрии освоение СНКВ-технологии проводилось на котлах мощностью 75 и 150 МВт, оборудованных системами рециркуляции дымовых газов и подачи третичного воздуха. Эти топочные технологии обеспечивали выбросы NOx на уровне 220-250 мг/мл. С целью дальнейшего понижения выброса NOx до нормативного значения (200 мг/м3) был использован опыт ТЭС Riederbach — раствор мочевины подавался с газами рециркуляции и с третичным воздухом.
На рисунке ниже приведены экспериментальные данные для котла мощностью 75 МВт для двух режимов работы, отличающихся концентрациями кислорода в дымовых газах. Из рисунка видно, что эффективность очистки и селективность СНКВ-процесса растут при увеличении содержания O2.
Зависимости эффективности азотоочистки от β=NH3/NOx(ТЭС Weisweler, котел мощностью 75 МВт, раствор мочевины подается с третичным воздухом) при различных концентрациях кислорода
На рисунке ниже представлены результаты измерений выбросов NOx для обоих котлов при подаче мочевины с третичным воздухом, поскольку при использовании газов рециркуляции положительного эффекта достичь не удалось. Из рисунка видно, что для котла мощностью 150 МВт выброс NOx на уровне 200 мг/м3 достигался при мольном соотношении NH3/ NOx равном 1,0, и проскоке аммиака, составляющем 4 мг/м3. Для котла мощностью 75 МВт в равных условиях обеспечен выброс NOx на уровне 150 мг/м3. Важно отметить, что эти результаты получены при использовании для раздачи мочевины всего четырех форсунок.
Снижение выбросов NOx и проскок аммиака при СНКВ-очистке на ТЭС Weisweiler при подаче мочевины с третичным воздухом для котлов мощностью 75 МВт (а) и 150 МВт (б)
Приведены данные испытаний СНКВ-технологии фирмы Nalco Fuel Tech (фирменное название процесса NOx-out) на двух американских ТЭС (Mercer, котел № 2 мощностью 321 МВт и B.L. England, котел № 1 мощностью 138 МВт), сжигающих каменный уголь.
До очистки при номинальной нагрузке выбросы NOx на ТЭС Mercer составляли 1175 млн-1, а на ТЭС B.L. England — 800 млн-1.
Применялся раствор мочевины, вводимый в СНКВ-зону котлов вместе с конденсатом посредством форсунок, установленных на стенах котлов и выполненных из труб по ГОСТу. Для улучшения раздачи реагента использовался сжатый воздух.
На котле ТЭС Mercer вначале планировали три уровня раздачи реагента при использовании штатных лючков в высокотемпературной области. Верхний и средний уровни с лючками на передней стене были расположены на отметках 63,3 и 59,5 м соответственно, нижний с лючками на задней стенке — на отметке 56,7 м. Каждый уровень имел по четыре форсунки. Затем при испытаниях был дополнительно смонтирован четвертый уровень с направленными под углом форсунками на отметке 52,5 м. Этот уровень имел две форсунки на передней стенке и по одной на боковых.
На котле ТЭС B.L. England было установлено 17 форсунок на двух уровнях при использовании штатных и дополнительно смонтированных лючков. Первый уровень включал шесть форсунок на передней стенке, три на задней и две на боковых. На втором уровне было размещено шесть форсунок на передней стенке котла. Использованная схема позволяла устанавливать необходимые расходы реагента и сжатого воздуха индивидуально для каждой форсунки.
Автоматическое управление подачей реагента обеспечивалось за счет использования сигналов от NOx-анализатора и датчика паровой нагрузки.
Ниже представлены результаты испытаний, проведенных на ТЭС Mercer при сжигании каменного угля:
| Мощность, MВт |
80 |
135 |
200 |
220 |
321 |
|
β |
1,2 — 1,83 |
0,82 |
0,78 — 1,63 |
0,78 |
1,17 |
| Эффективность очистки от NOx, % |
32 — 46 |
37 |
38 — 51 |
34 |
37 |
| Проскок NH3, млн-1 |
7,8 — 17,5 |
2,3 |
1,4 — 3,3 |
4,1 |
4,0 |
| N2O, образующийся из NOx, % |
35 — 34,4 |
10,5 |
7,0 — 5,6 |
7,0 |
7,7 |
| Селективность, % |
27 — 25 |
45 |
44 — 31 |
44 |
31 |
Из приведенных данных следует, что эффективность очистки изменяется от 32 до 51 %. При этом наибольшая очистка при проскоке аммиака, меньшем 5 млн-1, достигнута при мощности 200 МВт, при которой, вероятно, была оптимальная температура в реакционной зоне. При этом важно отметить, что при этой мощности котла увеличение расхода мочевины в 2 раза не приводило к пропорциональному росту эффективности очистки, проскок аммиака по-прежнему не превышал 5 млн-1. В то же время повышение расхода реагента в 1,5 раза при мощности 80 МВт сопровождалось увеличением проскока аммиака до значения 17,5 млн-1. Наибольшее образование N2O наблюдалось при малой мощности котла.
Зависимости эффективности очистки и проскока аммиака от нагрузки котла при испытаниях на ТЭС B.L. England
Основные результаты при испытаниях на ТЭС B.L. England приведены на рисунке выше. Из рисунка видно, что при значениях проскока аммиака ниже 10 млн-1 эффективность очистки примерно равна 30 %.
Приведены данные по отработке СНКВ-технологии на пылеугольных ТЭС MerrimacK Unit 1 (на котле мощностью 120 МВт) и Arapahoe Unit 4 (100 МВт) с использованием специальных устанавливаемых на стенах котлов раздающих устройств, названных Aril Lances, которые обеспечены электроприводом, позволяющим автоматически (используя сигналы нагрузки котла или температуры) изменять угол раздачи реагента по отношению к направлению потока дымовых газов. Эти устройства в 1991 г. были испытаны на ТЭС Morro Вау Unit 3 (330 МВт).
Наиболее подробно эти устройства описаны применительно к ТЭС Arapahoe, где для раздачи реагента были дополнительно установлены в лючках сажеобдувки на боковых стенках котла два раздающих коллектора. Каждый коллектор имел диаметр 10 см и длину 6,1 м. На коллекторах имелось по девять сопл, размещенных в один ряд с шагом 61 см. Диаметр сопл мог изменяться в зависимости от того, как раздается реагент — путем подачи аммиачно-воздушной смеси (диаметр сопла равен 2,5 см) или впрыска раствора мочевины. Коллекторы могли автоматически и вручную менять угол впрыска по отношению к направлению потока дымовых газов.
Как следует из рисунка ниже, кроме названных раздающих устройств два уровня котла были оснащены форсунками, смонтированными на стенках котла (по десять на каждом уровне).
Уровни раздачи реагента на котле ТЭС Arapahoe
Применение топочных технологий позволило снизить выбросы NOx на 70 %. За счет раздачи реагента десятью стационарными форсунками первого уровня удалось снизить выбросы NOx до 45 % при номинальной мощности, что обеспечило выбросы NOx на уровне 170 млн-1 при мощностях котла 80-110 МВт.