Работниками ВТИ в содружестве с ЕРА US и специалистами АВВ Combustion Engineering в 1993 году успешно реализован метод трехступенчатого сжигания каменного угля в топке с жидким шлакоудалением. На блоке 300 МВт Ладыжинской ГРЭС концентрацию NOx удалось снизить почти до 400 мг/м3 (при нормальных условиях). Известны и другие примеры успешного внедрения упрощенного , обеспечивающего значительное снижение выбросов NOx при сжигании бурого и каменного угля на Добротворской ГРЭС, на Иркутских ТЭЦ-9, ТЭЦ-10, на и т. д.
Для котлов с тангенциальными топками (ТП-85, ПК-24) ВТИ совместно с ЦКБэнергоремонт разработаны и внедрены прямоточные горелки, обеспечивающие снижение выбросов NOx путем организации «концентрического» сжигания.
Однако в отношении вихревых горелок, позволяющих эффективно сжигать каменный уголь с пониженным образованием NOx, заметных успехов добиться не удалось. Сложность задачи заключается в том, что почти все технические решения, снижающие образование топливных NOx из связанного азота топлива на стадии выхода и сгорания летучих (уменьшение избытка воздуха в горелках, ухудшение смесеобразования тоилива с воздухом, рециркуляция дымовых газов через горелки и т. д.), одновременно ухудшают процесс горения и увеличивают потери с недожогом топлива.
Особенно трудно эта задача решается для высокозольного угля (тина экибастузского угля марки СС), а также для кузнецкого каменного угля с умеренным выходом летучих и повышенным содержанием связанного азота. Между тем на экибастузском угле работает большое число крупных энергоблоков в системах Урала и в Омскэнерго, а кузнецкий уголь является наиболее перспективным топливом для тепловых электростанций Западной Сибири, Урала и европейской части РФ.
Для решения задачи можно использовать богатый опыт зарубежных разработчиков, в частности, крупнейших энергомашиностроительных компаний, активно работающих над проблемой снижения выбросов NOx применительно к пылеугольным котлам.
Значительных успехов в разработке малотоксичных горелок добились специалисты Технологического Центра известной котлостроительной фирмы «Бабкок Энеджи» (Babcock Energy Limited), расположенной в г. Ренфрю (Шотландия). Разработанная ими аксиальная вихревая горелка обеспечивает раннее воспламенение разделенного на несколько струй потока аэросмеси и сгорание большей части летучих в зоне, обедненной кислородом. Раздельное регулирование (на стадии наладки) крутки и расходов вторичного воздуха но внутреннему и наружному каналам обеспечивает ступенчатое сжигание внутри факела каждой отдельной горелки. При этом по периферии факела поддерживается окислительная среда, чтобы не вызвать коррозию топочных экранов.
Принципиальная схема малотоксичной пылеугольной горелки фирмы «Бабкок Энеджи»
Конструкция горелки была отработана сначала на огневом стенде мощностью 12 МВт (тепловых), затем в 1986 году первый вариант натурной горелки (37 МВт) был опробован на иылеугольном блоке мощностью 500 МВт. После некоторой доработки такими горелками были оснащены котлы крупнейшей в Великобритании ТЭС Драке, на которой установлено шесть блоков по 660 МВт,
В последующие годы малотоксичные горелки фирмы BEL были внедрены на большом числе энергоблоков мощностью от 70 до 677 МВт с горелками на отдельном котле в количестве от 8 до 60 (Великобритания, Италия, Франция, Финляндия, Дания, Польша, Китай, Гонконг). В 1992 году эта горелка была удостоена королевской премии Великобритании за лучшее достижение в области экологии. Следует все же отметить, что диапазон тепловых мощностей этих горелок достаточно узок (от 34,4 до 48,8 МВт), а качество сжигаемого угля, как правило, было высоким. В частности, у фирмы отсутствует опыт применения аналогичных горелок при использовании высокозольного угля, антрацита и тощего угля с выходом летучих 13 % и меньше.
В 1993 году ВТИ, заручившись согласием на промышленное опробование и с ЗиО — на изготовление комплекта горелок для котла П-67, начал сотрудничество с фирмой BEL по созданию вихревой горелки, которая позволила бы эффективно сжигать высокозольный экибастузский уголь, а также кузнецкий уголь марки СС с минимальным образованием NOx. В Технологический Центр фирмы были отправлены пробы того и другого угля. С представителями BEL были согласованы исходные данные, а в феврале 1995 года были проведены испытания на огневом стенде с опытным образцом новой горелки, по мощности приближающейся к натурной горелке котла П-57.
Опыты были проведены на установке, сооруженной специально для испытаний натурных пылеугольных или газомазутных горелок. В упрощенном виде схема стенда представлена на рисунке:
Схема огневого стенда фирмы BEL для испытаний полномасштабных горелок: 1 — бункер угольной пыли; 2 — воздуходувка; 3 — питатель; 4 — эжектор питателя; 5 — дутьевой вентилятор; 6 — измерительное устройство; 7 — пылепровод; 8 — первичный воздух; 9 — воздухоподогреватель; 10 — насос; 11 — бак с керосином; 12 — короб вторичного воздуха; 13 — бак добавочной воды; 14 — насос для подачи воды; 15 — щит управления огневого стенда; 16 — подача мазута; 17 — пылеугольная горелка с мазутной форсункой; 18 — короб горячего воздуха (вторичного и третичного); 19 — топочная камера с паровым вытяжным колпаком; 20 — горячие дымовые газы к котлам-утилизаторам
Топочная камера прямоугольного сечения с размерами 4,2×4,2 м, длиной 12 м расположена горизонтально с размещением горелки на фронтовом торце. К горелке подводятся мазут, пылеугольная смесь и горячий воздух (вторичный и третичный — по общему коробу, в который встроена керосиновая горелка для повышения температуры, а затем добавляется кислород для повышения его концентрации примерно до 21 %).
Топочная камера имеет водяное охлаждение и футеровку, обеспечивающие примерно такой же уровень температур, что и в реальных котельных установках. На боковых стенах топочной камеры, работающей под наддувом, имеются «гляделки» и лючки для ввода водоохлаждаемых пробоотборных зондов. После топочной камеры горячие дымовые газы но футерованному газоходу поступают к двум котлам — утилизаторам.
Угольная пыль может быть приготовлена на среднеходной мельнице, установленной в соседнем здании, или привезена со специального углеразмольного завода. Расход угольной пыли на горелку регулируется питателем пыли. К транспортирующему агенту добавляется воздух для обеспечения требуемой доли первичного воздуха. Расход и температура вторичного воздуха регулируются направляющим аппаратом дутьевого вентилятора и количеством керосина, подаваемого на горелку воздухоподогревателя.
Дымовые газы, отобранные из газохода за топочной камерой, поступают в лабораторию газового анализа, где определяется содержание O2, СО, SO2 и NOx. При проведении опытов периодически осуществляется калибровка всех приборов. Для измерения содержания NOx используется хемилюминесцентный газоанализатор.
Имеется дымосос рециркуляции, который позволяет часть топочных газов, охлажденных до температуры 30 °С, подавать в короб первичного или вторичного воздуха.
Управление огневым стендом осуществляется из специального помещения, в котором установлены показывающие приборы, позволяющие следить за основными параметрами работы стенда.
Пробы уноса для определения механического недожога отбираются в каждом опыте из газохода за тонкой. Во время опыта стенд обслуживают пять человек, включая руководителя работы. После проведения нескольких опытов приходится останавливать стенд для очистки топочной камеры от шлака.
Во время испытаний горелки, разработанной для России, сначала были проведены опыты на малозольном угле марки Uskmouth, характеристики которого приведены в таблице ниже. По большинству характеристик этот уголь близок к кузнецкому углю марки СС.
Изменение характеристик угольной пыли в опытах на огневом стенде фирмы BEL
Основные результаты опытов приведены на рисунке:
Результаты опытов на огневом стенде при сжигании малозольного угля (типа кузнецкого СС): 1 — максимальная крутка третичного воздуха, минимальная крутка вторичного воздуха, минимальный расход вторичного воздуха; 2 — то же, максимальный расход вторичного воздуха; 3 — максимальная крутка третичного и вторичного воздуха, минимальный расход вторичного воздуха; 4 — то же, максимальный расход вторичного воздуха; 5 — среднее положение шиберов крутки третичного воздуха при максимальных крутке и расходе вторичного воздуха
Из приведенных на рисунке кривых видно, что содержание СО при всех избытках воздуха, превышающих 3 % 02, остается достаточно низким. Следует еще учесть, что по сведениям работников BEL на реальном котле концентрация СО оказывается, как правило, в 4 раза ниже, чем при испытании горелки на стенде.
Концентрация NOx, как и следовало ожидать, снижается по мере уменьшения избытка воздуха. Значительное влияние на уровень NOx оказывают также крутка потоков вторичного и третичного воздуха и положение скользящего шибера, определяющего распределение горячего воздуха между вторичным и третичным.
Из графика видно, что минимальные концентрации NOx (602-605 мг/м3 в пересчете на NOx в сухой пробе дымовых газов при O2=6 %) были получены в опытах с пониженным избытком воздуха (O2=2,97+3,2 %) при максимальной крутке и при полностью открытом скользящем шибере, т. е. при максимальном расходе слабозакрученного потока вторичного воздуха. Содержание СО при этом было достаточно низким (93-98 мг/м3 в пересчете на O2=6 %), а горение — стабильным. Сопротивление горелки но вторичному воздуху в этих опытах составляло 125-127 мм вод. ст., а доля первичного воздуха — около 23 % теоретически необходимого количества воздуха.
Для сравнения можно привести результаты опытов, проведенных работниками УралВТИ на когле П-57 при опытном сжигании кузнецкого угля марки СС со средними характеристиками. При номинальной нагрузке блока концентрации NOx, составляли 1695 мг/м3 (при нормальных условиях) при работе всех восьми мельниц и 1590 мг/м3 при работе семи мельниц (т. е. при подаче через три горелки только части вторичного воздуха).
Вторая серия опытов была проведена при сжигании высокозольного угля марки Harwoth. Зольность этого угля близка к зольности экибастузского. Отметим, что топливный коэффициент (отношение связанного углерода к выходу летучих, которое по результатам многочисленных исследований в значительной степени определяет степень конверсии топливного азота в NOx) у этого угля оказался близким аналогичному параметру экибастузского угля (1,55-1,76).
При сжигании высокозольного угля сначала были проведены опыты с максимальной круткой третичного воздуха и минимальной круткой потока вторичного воздуха. В первых трех опытах скользящий шибер был закрыт, а в следующих трех опытах — открыт полностью. Обе кривые лежат несколько ниже, чем ири сжигании малозольного угля, а минимальная концентрация NOx оказалась равной 543 мг/м3 (6 % 02). При этом горение было устойчивым, а содержание СО оставалось на допустимом уровне (189 мг/м3, или 0,015 % по объему).
Эти опыты показали, что при сжигании высокозольного угля типа экибастузского использование новой горелки более чем в 2 раза снижает концентрацию оксидов азота в дымовых газах.
Во всех опытах при сжигании как малозольного, так и высокозольного угля, фиксировались значения давления в коробке горячего воздуха перед горелкой и в топке. Разность этих двух значений является, очевидно, сопротивлением горелки по вторичному/третичному воздуху. Зависимость сопротивления от расхода вторичного и третичного воздуха приведена на рисунке:
Зависимость сопротивления горелки по каналу вторичного/третичного воздуха от разных расходов горячего воздуха: 1 — малозольный уголь, скользящий шибер в полностью открытом положении; 2 — то же, скользящий шибер закрыт до ограничителя; 3 — высокозольный уголь, скользящий шибер полностью открыт; 4 — то же, скользящий шибер закрыт до ограничителя
Отметим, что абсолютное значение сопротивления в большинстве опытов оказалось выше, чем тот уровень, который можно обеспечить на реальной горелке котла П-57.