Реферат: Решение проблемы выбросов оксидов азота на тепловых электростанциях Италии
Часть опытов при сжигании мазута была проведена без подачи в дополнительные горелки природного газа и рециркулирующих дымовых газов, но при подаче третичного воздуха через верхние сопла. Это позволило в дальнейшем не только оценить эффективность трехступенчатого сжигания при изменении основных параметров топочного процесса, но и сравнивать его с двухступенчатым сжиганием, когда в основные горелки подается все топливо и только часть воздуха, необходимого для его полного сгорания.
Рис 3 Зависимость концентрации N02 от а2 при сжигании мазута на полупромышленной топке мощностью 26,4 МВт в режиме двухступенчатого (о) и трехступенчатого горения (•)
Результаты опытов показали (рис. 3), что при всех рассмотренных нагрузках уменьшение коэффициента избытка воздуха в восстановительной зоне а от 1,05...1,10 до 0,85...0,95 приводит к снижению концентрации NОх примерно от 340...380 до 130...170 мг/м3 (6 % 02). Дальнейшее уменьшение а2 способствует еще большему снижению концентрации NOx, но и одновременному увеличению содержания СО и механического недожога (растет число Бахараха).
Сравнение методов трехступенчатого и двухступенчатого сжигания показало, что при одном и том же избытке воздуха в топке до ввода третичного воздуха первый метод обеспечивает меньшую концентрацию NOх, меньшее содержание СО и более полное выгорание углерода (меньшее число Бахараха).
Конструкция полупромышленного котла позволяла вводить третичный воздух на двух уровнях. Благодаря этому удалось провести несколько пар опытов, в каждом из которых изменялась только длительность пребывания продуктов сгорания в восстановительной зоне τІІ . Результаты этих опытов показали, что увеличение τІІ во всех случаях повышает эффективность ТСС, но зависимость достаточно пологая: при использовании природного газа для создания восстановительной зоны увеличение τІІ от 280 до 520 мс повысило степень снижения NО2 всего на 7 % (с 55 до 59 %). В другой паре опытов при меньшем значении аІІ рост τІІ от 300 до 560 мс повысил степень снижения NOx на 9,8 % (с 61 до 67 %).
Первый опыт промышленного внедрения схемы ТСС в Италии был осуществлен в 1990 г. на ТЭС Cassanо. Энергоблок № 1 мощностью 75 МВт на этой электростанции был оборудован газомазутным котлом с фронтальным расположением шести горелок в два яруса по высоте. При работе котла на природном газе с обычными вихревыми горелками концентрация NOx в дымовых газах за экономайзером менялась от 550 мг/м3 при O2 = 3 % до 470 мг/м3 при O2 = 2 % (здесь и далее концентрации оксидов азота приведены к нормальным условиям: 273 К, 101,3 кПа и 6 % O2). После установки малотоксичных горелок типа TEA в том же диапазоне избытков воздуха концентрация NOx снизилась до 210...180 мг/м3.
сжигание топочный котел
Рис. 4. Котел № 1 на ТЭС Cassano после внедрения схемы трехступенчатого сжигания.
1— малотоксичные горелки фирмы Ansaldo типа ТКА.
2— дополнительные горелки-инжекторы,
3— сопла третичного воздуха
При сжигании мазута на котле с малотоксичными горелками приходилось работать с коэффициентом избытка воздуха в топке ат = 1,1. При этом концентрация оксидов азота составляла 420 мг/м3, а СО — около 30 мг/м3. Снижение избытка воздуха резко увеличивало содержание СО.
Реконструкция топочной камеры, выполненная в 1990 г., состояла в установке на фронтовой стене трех газовых горелок-инжекторов и трех сопл для ввода третичного воздуха (рис. 4). Испытания, проведенные после ее реконструкции, показали, что при сжигании мазута в основных горелках и газа в дополнительных концентрация NOXснижалась до 250 мг/м3, если коэффициент избытка воздуха в восстановительной зоне уменьшался до аи = 0,9. После оптимизации режима аІІ удалось снизить до 0,8 (при допустимом содержании СО = 100... 150 мг/м3). При этом концентрация NOXуменьшилась до 210 мг/м3, т.е. примерно на 50 % по сравнению с уровнем, полученным только на малотоксичных горелках.
Успешный опыт внедрения схемы ТСС на небольшом котле ТЭС Cassano способствовал переходу к реконструкции более мощных газомазутных энергоблоков: в 1995 г. котла № 3 ТЭС Monfalcone, в следующем году — котла №4 на ТЭС Cassella, а в 1997 г. — котла № 3 на этой же ТЭС. Все три энергоблока имели номинальную мощность по 320 МВт, их котлы были оборудованы вихревыми горелками, расположенными в два яруса по высоте на фронтовой стене (в каждом ярусе— по три горелки). Окончательный вариант реконструкции котлов заключался в установке на фронтовой стене шести горелок для ввода дополнительного топлива и десяти сопл третичного воздуха, размещенных на боковых экранах (по пять с каждой стороны).
Результаты испытаний, проведенных при сжигании мазута на всех котлах после внедрения схемы ТСС, показали, что при коэффициенте избытка воздуха в восстановительной зоне, равном 0,7, обеспечивается нормальный топочный режим с умеренным содержанием твердых частиц за котлом (менее 25 мг/м3) и допустимой концентрацией оксида углерода (СО < 100 мг/м3). При этом концентрация NOx в дымовых газах не превышает 150 мг/м3 (при 02 = 6 %), что ниже допустимой.
На следующем этапе схема трехступенчатого сжигания была внедрена на энергоблоках № 5 и 6 ТЭС Tavazzano. Котлы этой ТЭС имеют такую же конструкцию, как и котел № 3 ТЭС Casella, но в отличие от последнего могут работать и на мазуте, и на природном газе. Поэтому при внедрении схемы ТСС пришлось изменить конструкцию дополнительных горелок. Опыты, проведенные при сжигании природного газа в основных и дополнительных горелках, показали, что при aІІ = 0,8...0,85 концентрация NOx в дымовых газах составляет 125... 150 мг/м3 при 02 = 6 %.
Общий итог проведенных природоохранных мероприятий на ТЭС Tavazzano можно считать успешным: до реконструкции концентрация NOx в дымовых газах составляла более 540 мг/м (6 % O2), после использования малотоксичных горелок типа TEA № 2 выбросы оксидов азота при сжигании природного газа были снижены на 60 %, а внедрение метода ТСС уменьшило исходную концентрацию NOx на 77 % . В настоящее время продолжаются работы по усовершенствованию ввода третичного воздуха, что позволит, по мнению авторов [2], еще больше снизить выбросы NOx без увеличения содержания СО в дымовых газах.
К заметным достижениям специалистов фирмы AnsaldoEnergia следует отнести внедрение метода ТСС на котле энергоблока № 8 мощностью 160 МВт ТЭС Keratsini, расположенной в г. Афины (Греция). По решению местных властей необходимо было обеспечить достаточно жесткие нормы по допустимым выбросам оксидов азота: примерно 135 мг/м3 (6 % 02) при сжигании газа и 210 мг/м3 при сжигании мазута.
Реконструкция котла была вызвана необходимостью обеспечения 100 %-ной нагрузки котла на природном газе (ранее основным топливом на ТЭС был мазут), а также снижения концентрации NOx до указанных выше предельных значений без увеличения механического недожога.
До реконструкции в топочной камере было установлено 20 вихревых горелок. Новая система сжигания включала в себя восемь вихревых малотоксичных горелок типа YEA, расположенных в два яруса по высоте на фронтовой стене топки. Выше этих горелок (на задней стене) были установлены шесть газомазутных горелок-инжекторов для создания восстановительной зоны. Еще выше (на боковых стенах топки) размещались поворотные сопла третичного воздуха (по три на каждом боковом экране). В объем реконструкции входили также новые воздушные короба, дополнительные приборы, вспомогательные механизмы и др.
Испытания котла после проведения указанных мероприятий показали, что при сжигании природного газа (на другом виде топлива работа котла запрещена местными властями) внедренная схема обеспечивает стабильную работу котла с концентрацией NOx, не превышающей допустимый уровень. При номинальной нагрузке блока (160 МВт) подача 15... 17 % природного газа в дополнительные горелки-инжекторы приводит к снижению коэффициента избытка воздуха в восстановительной зоне аІІ до 0,82...0,85. При этом содержание СО в дымовых газах сохраняется на уровне, не превышающем 100 мг/м3, а концентрация NOx составляет 115...130 мг/м3 (6%02).
На этом же котле были проведены опыты по оценке двухступенчатой схемы сжигания. В этих опытах все топливо поступало через основные горелки, а часть воздуха - через сопла третичного дутья. Оказалось, что при таком режиме, даже с учетом интенсивного перемешивания третичного воздуха с продуктами сгорания, концентрация NOx все же выше, чем при использовании схемы трехступенчатого сжигания: в диапазоне нагрузок от 130 до 160 МВт содержание N0x составляло 136... 188 мг/м3 (6 % 02) и только при нагрузках менее 130 МВт оно оказывалась меньше допустимого (135 мг/м при 02 = 6%).
Последним объектом, на котором была внедрена схема трехступенчатого сжигания в Италии, является энергоблок № 4 мощностью 320 МВт на ТЭС VadoLigure. В отличие от описанных выше объектов этот энергоблок работает на угле и на нем еще в начале 90-х годов была выполнена реконструкция горелок для снижения выбросов оксидов азота. В заводском исполнении котел этого энергоблока был оборудован 30 горелками, размещенными в 15 ячейках. При работе энергоблока с номинальной нагрузкой (320 МВт) при пяти включенных мельницах концентрация оксидов азота составляла 1 200 мг/м3, а содержание горючих в уносе — 6 %.
Модернизация котла заключалась в следующем: в каждой ячейке все топливо стало поступать через нижнюю горелку (пылепроводы были заменены новыми), а через верхнюю горелку (после замены регистра) стал подаваться только воздух. В результате при той же нагрузке и при работе пяти мельниц была получена концентрация NOx = 876 мг/м3 (при избытке воздуха за котлом аІІ = 1,23), а содержание горючих в уносе возросло до 8 %. Повышение избытка воздуха как до, так и после реконструкции несколько снижало содержание горючих в уносе (до 5,5 % в исходном варианте и до 7,7 % после реконструкции), но концентрации оксидов азота при повышенных избытках воздуха (Ox = 1,31) были другими: 1 440 мг/м3 до и 970 после реконструкции.
Достигнутые результаты не отвечали требованиям по допустимым выбросам NOx в атмосферу. Учитывая это, руководство ENEL приняло решение о внедрении на этом энергоблоке схемы трехступенчатого сжигания. Причем для создания восстановительной зоны было решено использовать не природный газ, а основное топливо — уголь. Ранее такое техническое решение было реализовано только в США, но на котле с циклонными предтопками.
Разработка и внедрение схемы ТСС на ТЭС VadoLigure осуществлялись на средства фонда ЕС (по программе Thermie) и девяти партнеров — участников проекта: ENEL и Ansaldo (Италия), PowerGen и MutsuiВаbcockEnergy (Великобритания), IVD (Дания), EdF (Франция), 1ST и EDP (Португалия), ISB (Ирландия).
После новой реконструкции топочного устройства на котле были установлены 24 малотоксичные вихревые горелки, размещенные встречно на фронтовой и задней стенах топки. Горелки располагались в три яруса по высоте, по четыре горелки в каждом. Выше верхнего яруса горелок на фронтовой и задней стенах топки были установлены 10 горелок-инжекторов, в которые подавалась пыль более тонкого помола для создания восстановительной зоны. Еще выше, но на боковых стенах, были расположены сопла третичного воздуха ( попять на каждой стороне). На этой же отметке на фронтовой и задней стенах было размещено три сопла для регулированиятемпературы на выходеиз топки (рис. 5).