Для снижения оксидов азота при сжигании углей наиболее часто используется нестехиометрическое (неравномерное распределение топлива и воздуха по горелкам) и ступенчатое (подача части воздуха через специально оборудованные сопла) сжигание топлива в объеме топки.
Комбинация ступенчатого сжигания и малотоксичных горелок позволяет достичь эффективности снижения оксидов азота на 74%.
При разнообразии реализуемых схем в зависимости от конструкции топочно-горелочных устройств и качества топлива общим в них является организации низких избытков воздуха и температур на стадии выхода и выгорания летучих вешеств для уменьшения топливных оксидов азота.
За рубежом ступенчатое (двухступенчатое по отечественной терминологии) сжигание в основном реализуется в виде схемы с подачей третичного воздуха выше зоны горения через расположенные здесь специальные сопла (схема OFA — over-fire air, воздух выше факела).
Определяющие факторы эффективности снижения оксидов азота:
Расход третичного воздуха на сопла
Выбросы NOx снижаются при увеличении доли третичного воздуха;
Ступенчатое сжигание не эффективно в плане снижения оксидов азота, если расход воздуха на горелки близок или немного
меньше количества, необходимого для сгорания летучих. Для топлив с низким выходом летучих обеспечить условия их сжигания с недостатком кислорода сложно, и ступенчатые схемы могут оказаться нэффективными. Другими словами при избытке первичного воздуха, который в процентном выражении выше содержания летучих в сжигаемом угле, процессы горения летучих и генерации топливных NOx протекают при избыточном локальном количестве воздуха. Поэтому образование топливных оксидов азота практически не зависит от организации ступенчатого сжигания угольной пыли при суммарном избытке воздуха на выходе из тангенциально направленных горелок, равном 0,75 — 0,90, особенно при его максимальном значении. В то же время уменьшение суммарного избытка воздуха ниже 0,70, например, путем повышения доли третичного дутья может привести к увеличению механического недожога и коррозии;
Расположение сопел третичного воздуха
При удалении от горелок эффект OFA возрастает.
Совместное влияние положения сопел третичного воздуха и его доли по результатам исследования на стенде одиночной горелки показаны на рисунке:
Совместное влияние положений сопел третичного воздуха и его доли на оксиды азота (а) и недожог (б) в опытах на стекле:1 — Iт/Iф=1,67; 2 — Iт/Iф=2,33; 3 — Iт/Iф=3,0
Видно, что чем сильнее влияние одного из факторов на выбросы NOx, тем более сильное с обратным знаком влияние оказывает этот фактор на механический недожог;
Условия перемешивания за соплами третичного воздуха
При быстром смешении эффект уменьшения NO снижается.
Очевидно, что быстрое смешение, по сути, равноценно уменьшению расстояния до сопел третичного воздуха. Принцип увеличении расстояния до сопел третичного воздуха и штем организация быстрого смешения использован в так называемом оустерном двусту пе нчатом ежи гании.
Бустерное двухступенчатое сжигание — метод BOFA (Boosted OFA) отличается от обычного двухступенчатого сжигания расположением сопл третичного воздуха (они устанавливаются выше, почти на выходе из топки), а также интенсивностью перемешивания третичного воздуха с продуктами сгорания, поднимающимися от основной зоны горения. Для обеспечения этой интенсивности обычно требуется дополнительный дутьевой вентилятор, напор которого позволяет выбрать нужную скорость струи третичною воздуха.
В такой схеме двухступенчатого сжигания горение коксовых частиц происходит в ере пе с низким содержанием кислорода, что приводит к интенсификации восстановительных реакции на поверхности углерода. При этом третичный воздух используется только для дожигания газообразных продуктов неполного сгорания (догорание СО и Н2 не требует много времени, важно только обеспечить максимально полное перемешивание).
По оценкам специалистов Mitsui Babcock Energy Limited (MBEL, Великобритания), бустерное двухступенчатое сжигание дает больший эффект, чем обычное двухступенчатое сжигание. При работе котла с тангенциальной топкой на каменном угле определено более глубокое (на 10 %) снижение выбросов NОх по сравнению с традиционным двухступенчатым сжиганием.
Проблема использования системы OFА состоит в ряде случаев в чрезмерном увеличении коррозии. Некоторыми фирмами применяется дополнительное воздушное дутье (типа воздушной завесы), помимо сопел OFA. На рисунке ниже показана схема Babcock Hitachi ввода воздуха с высокой скоростью вдоль боковых стен (side stream иг injection system SSAP).
Схема расположения сопел ввода воздуха вдоль боковых стен котла
В топках фирмы Siemens сопла воздушного дутья (wing ports) располагают между отметками горелок и третичных сопел OFA по высоте и между горелками и стенами в горизонтальной плоскости. Расположение дополнительных воздушных сопел ниже сопел OPA, кроме того, увеличивает расстояние от ввода части воздуха по выходною окна топки и способствует снижению химического недожога СО, который для комбинации топок с фронтальные расположением горелок, горелок с низкими NOx и ступенатого сжигания достаточно большой вдоль боковых экранов.
На котлах ПК-39 Аксуской (ранее Ермаковской) ГРЭС для решения проблемы шлакования нижней части топки и снижения оксидов азота успешно внедрена система ввода третичного воздуха вдоль экранов ниже уровня основных горелок.
За рубежом и при реконструкции и разработке отечественных котлов с тангенциальной компоновкой горелок сопла третичного воздуха располагают выше горелок с направлением их осей таким образом, чтобы создавать крутку в противоположную по отношению к крутке основных горелок сторону. Считается, что такое решение улучшает перемешивание воздуха с потоком дымовых газов и уменьшает неравномерности газового потока.