Решение проблемы выбросов оксидов азота на тепловых электростанциях Италии
Решение проблемы выбросов оксидов азота на тепловых электростанциях Италии
Котлер В.1. канд. техн. Наук
Приведены результаты экспериментального исследования процесса трехступенчатого сжигания ни крупном огневом стенде, которые были успешно использованы при реконструкции нескольких газом. Путных и одного пылеугольного энергоблока для достижения норм по выбросам NOх в атмосферу.
В Италии, как и в большинстве стран Западной Европы начиная с 1492 г. действуют весьма жесткие ограничения на выбросы оксидов азота NOx паровыми котлами ТЭС. Данные, приведенные в таблице, показывают, что для мощных энергоблоков независимо от вида топлива и конструкции котла концентрация оксидов азота и дымовых газах не должна превышать 200 мг/м3 (в пересчете на N02, при нормальных условиях, при от 6 % для пылеугольных котлов и 3 ° для газомазутных).
По мнению итальянских энергетиков, столь низкую концентрацию NOх для пылеугольных котлов невозможно получить только технологическими методами, т. е. изменением технологии топочного процесса. Поэтому энергомашиностроительная компания Ansaldo Energin и энергетическая компания ENEL приняли стратегическое решение: обеспечить нормы по выбросам NOх на газомазутных котлах применением различных вариантов ступенчатого сжигания и малотоксичных горелок, а на пылеугольных - установкой аппаратов селективного каталитического восстановления (СКВ) за экономайзером, причем для удешевления mix аппаратов должны быть в максимальной степени использованы технологические методы подавления NO3.
Значительную долю мощностей компании ENTL составляют мазутные энергоблоки, общая мощность которых достигает 8 800 МВт, Поэтому еще в начале 90-х годов специалисты этой компании при активной поддержке американской компании ABB Combustion Engineering решили реконструировать один из мазутных котлов с тангенциальной топкой с помощью метода трехступенчатого сжигания (ТСС).
Этот метод, как известно, предполагаем ввод дополнительного топлива в конечную зону факела для coздания восстановительной среды. В образовавшейся зоне с недостатком кислорода происходит взаимодействие
Допустимые концентрации NO и СО (мг/м ) для тепловых электростанций Италии
|
Вид топлива |
Новые ТЭС |
Действующие ТЭС |
Ожидаемые Европейские стандарты |
||||
|
Тепловая мощность котла МВт(D т/ч) |
|||||||
|
50….300 (60-400) |
300….500 (400-670) |
>500 (>670) |
<50 (<65) |
50….500 (65-670) |
>500 (>670) |
>500 (>670) |
|
|
Твердое Жидкое Газообразное Допустимые концентрации СО на всех видах топлива |
650 450 350 |
650..200 450..200 350..200 150 |
200 200 200 |
650 500 350 |
650 650 650 250 |
200 200 200 |
200 200 200 100 |
Рис. 1 Зависимости степени снижения NO, от его исходной концентрации при подаче 20% газа в зону восстановления
Углеводородов с радикалами аминов и оксидом азота NO2 образовавшимся в факеле основных горелок. Проблемные ранее фундаментальные исследования показали что NO восстанавливается до N2 в результате реакции с аминами (NH) или взаимодействия с углеводородами (СH2 СH2), при котором образуется цианид водорода переходящий в NH3 а затем в молекулярный азот N3
В совместной работе итальянских и американских специалистов был использован обширный экспериментальный материал, полученный ранее на огневых стендах и полупромышленных установках ABB С-Е . В частности при реконструкции котла были учтены зависимости эффективности восстановления NОх от основных параметров схемы ТСС, полученные на туннельной топке тепловой мощностью 50 кВт. Применение этой топки, имеющей верхнее расположение горелки позволяло сжигать 4...8 кг/ч угля или 3...6 кг/ч мазута. Воздух для горения можно было нагревать до 600 °С. В качестве вторичного топлива использовался природный газ.
Результаты опытов, проведенных на этой установке, привели к следующим выводам:
1. При постоянном расходе вторичного топлива (15% по теплу) существенным средством повышения эффективности ТСС является снижение избытка воздуха в первичной зоне.
2. Исходная концентрация NOх мало влияет на эффективность ТСС, что свидетельствует о целесообразности сочетания, например, малотоксичных горелок и метода ТСС. Правда, эти опыты были проведены только при доле вторичного топлива 20 % и концентрации NO3 за первичной зоной в диапазоне 850..1 700 мг/м3 ( рис 1 )
3 .Температура в восстановительной зоне играет важную роль только при глубоком недостатке кислорода, т.е. при избытке радикалов, участвующих в восстановлении NO3, что подтверждается зависимостью на рис. 2. Видно, что по мере снижения доли топлива, подаваемого во вторичную зону, уменьшается не только эффективность ТСС, но и ее зависимость от температуры в восстановительной зоне.
Рис 2 Зависимость степени снижения NO3 от температуры при разной доле природного газа, подаваемого в восстановительную зону.
Одновременно с проведением физического моделирования процесса ТСС разрабатывались прикладные программы для расчета аэродинамики и процессов смешения в топочной камере, для оценки воздействия трехступенчатого сжигания на теплообмен в толке, а также для расчета степени снижения выбросов NOх , для обеспечения надежности математического моделирования сопоставлялись результаты расчетов и экспериментов, полученных на модели топки, установленной в исследовательском центре ABB С-Е. Конфигурации этой топки и топки энергоблока № 2 на DC Santa Giila (Италия) совпадали
По мнению авторов , расчетные значения скоростей, температур и тепловых потоков удовлетворительно согласуются с измеренными при базовом режиме, однако при переходе к системе ТСС появляются существенные различия. Работа по совершенствованию пакета прикладных программ продолжается.
На следующем этапе исследований была проведена серия опытов по сжиганию мазута на полупромышленной топке тепловой мощностью 15 ...30 МВт. Установленной в уже упоминавшемся исследовательском центре ABB С-Е. Топочная камера этой установки была переделана таким образом, чтобы можно было моделировать топочный процесс в котле энергоблока №2 электрической мощностью 35 МВт на ТЭС Santa Gil la (Италия), а также в типовом мазутном энергоблоке энергокомпании ENEL мощностью 660 МВт (э). Основные и дополнительные горелки, а также сопла третичного воздуха на полупромышленном котле были установлены в углах топки, а направление их осей в плане можно было регулировать.
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
Страницы: 1, 2
