Способи зниження nox
Зниження оксидів азоту в топках котлів
Сибірський федеральний університет, Україна 660041, Горлівка, пр. Вільний, 79 1
Викладено основні шляхи та методи зниження шкідливих газоподібних викидів в атмосферу від теплових електричних станцій і котелень, а так же спосіб зниження оксидів азоту, впроваджений на промислової котельні м Горловкаа.
Ключові слова: оксиди азоту, теплові електричні станції, котельні, викиди в атмосферу.
Промислові та опалювальні котельні і теплові електричні станції є найбільшими забруднювачами навколишнього середовища. Відпрацьовані гази палив, спалюються на цих підприємствах, містять шкідливі забруднюючі речовини, що володіють різною токсичністю. З усіх викидів в атмосферу енергетичними підприємствами найбільш токсичні оксиди сірки, оксиди азоту і канцерогенні речовини.
У зв'язку із збільшеними в останні роки вимогами до охорони навколишнього середовища боротьба з токсичними викидами в атмосферу набула особливої актуальності.
Спалювання палив з малими надлишками повітря є одним з найбільш поширеною
наних способів зниження викидів окислів азоту. Найбільша ефективність досягається при спалюванні з надлишками повітря α "пп = 1,03 ÷ 1,05. Залежність концентрації NO x від
А.В. Жуйков. Зниження оксидів азоту в топках котлів
коефіцієнта надлишку повітря має вигляд екстремальної кривої з максимумом в інтервалі α "пп = 1,1 ÷ 1,3. Причому максимум NO x відповідає, як правило, такому значенню коефіцієнта надлишку повітря, при якому в даних умовах досягається найбільш повне згорання палива. В діапазоні α "пп = 1,1 ÷ 1,3 забезпечується достатня кількість вільного кисню і досить високий температурний рівень. Різниця в місці розташування та рівні максимумів концентрацій NO x визначається відмінностями в конструкціях пальників, топкових камер і ін.
Однак низькі рівні надлишку повітря призводять до збільшення викидів канцерогенних речовин, твердих частинок і окису вуглецю, що суперечить вимогам захисту навколишнього середовища, а також в ряді випадків можуть інтенсифікувати високотемпературну сульфидную корозію екранів в котельній камері. Удосконаленням пальників, що забезпечують надійне регулювання витрат палива і повітря по пальників і гарне змішування паливо-повітряної суміші, можна інтенсифікувати процес горіння палива і домогтися значного зменшення БП (рис. 1): при цьому максимальні значення концентрації NO x залишаються без зміни, але вся крива залежності NO x (α "пп) зсувається в область менших надлишків повітря.
Таким чином, спалювання палив з малими надлишками повітря без значних викидів продуктів неповного згоряння можливо тільки при удосконаленні пальників, що дозволяють інтенсифікувати процес горіння. Крім того, велике значення при цьому має усунення неорганізованих присосов в топку, так як подсосанний повітря бере участь в допалювання факела з утворенням додаткової кількості NO x.
Мал. 1. Залежність концентрацій NO x і БП від надлишку повітря (1 - звичайна горілка; 2 - вдосконалена пальник)
А.В. Жуйков. Зниження оксидів азоту в топках котлів
Рециркуляція відпрацьованих газів включає в себе підведення топкових газів в зону горіння, є ефективним засобом зниження викиду NO x. Зменшення концентрації NO x пояснюється не стільки низькою температурою рециркулює газів, скільки зниженням температури горіння через зменшення швидкостей ланцюгових реакцій внаслідок присутності інертних газів і зниження концентрацій реагуючих речовин. Велика кількість сучасних котлів обладнано різними схемами рециркуляції продуктів згоряння в зону горіння. Дослідження цих схем з точками відбору димових газів на рециркуляцію в діапазоні від 150 до 600 ° С і введення їх в різні зони показали, що найбільший ефект зниження утворення окислів азоту досягається при попаданні усієї кількості рециркулює газів в зону активного горіння в разі повного їх попереднього перемішування з дутьевим повітрям (рис. 2). У цьому сенсі найбільшою ефективністю володіє введення продуктів згоряння в повітропроводи перед пальниками або подача їх в топку через окремі канали пальників (крива 1, рис. 2). Введення рециркулює газів через шліци, розташовані під пальниками (крива 2, рис. 2), менш ефективний, а при введенні димових газів через шліци в поду топки (крива 3, рис. 2) концентрація NO x практично не змінюється. У цих випадках основне згоряння палива відбувається перш, ніж рециркулируют гази змішуються з паливо-повітряної сумішшю.
Організація рециркуляції продуктів згоряння в зону горіння досить дорогий захід, оскільки вимагає додаткових капітальних витрат на установку дутьевого обладнання та газоотходов рециркуляції. Якщо не враховувати витрат на рециркуляцію димових газів, то на ККД котла цей метод практично не впливає.
Під двоступінчастим або двохстадійною спалюванням мається на увазі така органі-
зація процесу горіння, коли через пальники з паливом подається повітря в кількості, мень-
Мал. 2. Зниження освіти NO x в залежності від рециркуляції топкових газів
А.В. Жуйков. Зниження оксидів азоту в топках котлів
шем стехиометрического (зазвичай α = 0,8 ÷ 0,95), а решта необхідне по балансу кількість повітря вводиться в топку далі по довжині факела. Таким чином, на першому етапі горіння здійснюється спалювання палива при нестачі окислювача, а на другому - дожіганіепродуктовгазіфікацііпріпоніженнихтемпературах (рис.3) .Благодаряетомувначале факела через зниженій концентрації кисню зменшується утворення паливних оксидів азоту, а зниження температурного рівня на другий стадії зменшує утворення термічних NO x.
Основні труднощі реалізації двоступеневого спалювання полягає в правильному визначенні місця підведення повітря другого ступеня і його кількості, які для різних конструкцій котельних агрегатів не тотожні. Повітря повинен бути введений таким чином, щоб забезпечити повне змішання з продуктами реакції першого ступеня для завершення догорання. У той же час ця зона повинна бути досить віддалена від гирла пальника з тим, щоб початкове вигорання у першого ступеня досягло достатньої повноти. Недостатньо інтенсивне змішання в другому ступені може призвести до значного збільшення викидів продуктів неповного згоряння.
При правильній організації двоступенева спалювання дозволяє на 40-50% знизити викиди NO x і на 10-15% зменшити утворення БП. Найбільша ефективність даного способу придушення утворення окислів азоту досягається при спільному вико-
А.В. Жуйков. Зниження оксидів азоту в топках котлів
користуванні режиму з малими надлишками повітря або режиму з рециркуляцією топкових газів (рис. 4) [1].
В цілому даний спосіб перспективний, відносно дешевий і може бути реалізований на більшості існуючих котлів як за рахунок разбаланса співвідношення "паливо-повітря" по ярусах пальників, так і за рахунок подачі відсутнього повітря через шліци або погашення пальника в верхній частині топки. Можлива також організація зустрічного дуття вторинного повітря [1].
Технологічно спалювання вугілля в киплячому (або псевдоожиженном) шарі займає про-
межуточноеположеніемеждуклассіческімегосжіганіемвтопкесколоснікомісжіганіем вугільного пилу з подачею повітря. Якщо через насипаний шар подрібненого палива знизу прогнати повітря, то тиск цього шару буде зменшуватися зі зростанням швидкості повітря. Процес триватиме до тих пір, поки при певній величині швидкості повітря окремі частинки палива не піднімуться повітряним потоком і не виявляться як би зваженими в ньому. Нарешті, при подальшому збільшенні швидкості потоку шар стає високотурбулентним і починає "кипіти", що сприяє швидкому перемішування частинок.
Вимоги, що пред'являються до якості палива при спалюванні в киплячому шарі, невисокі. При цій технології можна використовувати будь-які сорти і марки вугілля, в тому числі забаластіро-
Мал. 4. Вплив надлишку повітря і рециркуляції на освіту NO x - одноступенчатое спалювання; 2 - двоступенева спалювання)
А.В. Жуйков. Зниження оксидів азоту в топках котлів
ванні: кам'яне вугілля, буре вугілля, бітумні піски, сланці, а також палива з низькою теплотою згоряння. Перехід від одного виду палива до іншого не вимагає реконструкції топкового пристрою [2].
Введення присадок. Великі можливості для зниження шкідливих викидів відкривають різні присадки, які можуть бути подані в котел разом з паливом або окремо в будь-яку з зон котла. Часто це обходиться дешевше, ніж попереднє очищення палива.
Ще більший ефект зниження NO x досягається при введенні в мазут водного розчину MgCl 2. Введення даної присадки на котлі ПК-41 в кількості 0,05% від витрати палива дозволив зменшити вибросNO x на номінальному навантаженні і при α '' пп = 1,08 з 300 до 150 мг / м 3. Ефект зниження оксидів азоту в даному випадку досягається завдяки спільному впливу Mg. хлору і води.
Ефективним виявилося дію твердої алюмосилікатної присадки «Кремаліт-I». Пов'язано це з особливостями поведінки диспергує алюмосилікатної присадки в мазуті.
Випари крапель мазуту в цьому випадку супроводжується мікровзривов під дією скипає всередині крапель води, що розриває мазутную оболонку. Подібні мікровибухи інтенсифікують процес горіння. Частинки присадки при цьому реагують з мінеральними компонентами як в факелі, так і за його межами. Присадка "Кремаліт-I" сприяє зниженню концентрації NO x. сажістих частинок і бенз (а) пірену в димових газах.
Недоліком даного методу є те, що введення води або пари викликає додаткові втрати тепла з димовими газами, які зростають прямо пропорційно величині уприскування. В результаті кілька знижується ККД котла.
Удосконалення пальникових пристроїв є одним з найбільш економічних способів запобігання викидів окислів азоту, сажі і канцерогенних речовин [1]. За умовами утворення NO x доводиться обмежувати розміри пальників, забезпечувати помірні теплонапружених, затяжку горіння, рівномірні поля температур. Тому пальники зі зниженим викидом токсичних продуктів згоряння можна розділити на наступні типи: поліпшеного змішання, з рециркуляцією продуктів згоряння, із ступінчастим спалюванням палива, многофакельного типу.
А.В. Жуйков. Зниження оксидів азоту в топках котлів
Зниження утворення окислів азоту при застосуванні многофакельних пальників відбувається за рахунок швидкого згоряння палива і зменшення питомої заповнення обсягу топки. Розсікачем в пальниковий пристрій або форсунки служить спеціальний насадок. Такі пальники забезпечують також низьке сажеобразование і знижують утворення БП.
Обговорення та результати
Пропонований спосіб ступеневої спалювання багато в чому позбавлений недоліків класичної схеми. Основна відмінність запропонованого способу від класичної схеми полягає в тому, що ефект зниження температури топкових газів отримано за рахунок впливу двох факторів. По-перше, створенням в топковому об'ємі турбулентних пульсацій з великою глибиною зони перемішування за рахунок взаємодії струменя паливно-повітряної суміші з плоскою струменем вторинного дутьевого повітря, спрямованого під кутом до аксіальної осі факела. та-
А.В. Жуйков. Зниження оксидів азоту в топках котлів
дещо взаємодія призвело до розмивання факела за обсягом топки і створення циркуляційних потоків, які включили в роботу обсяг «холодної воронки» топкової камери. У процесі перерозподілу факела температура його ядра зменшилася, що вплинуло на вихід оксиду азоту. Другий чинник пов'язаний з обдувом гирла факела потоком газу з холодної воронки, коли газ з «холодної воронки» охолоджує початкова ділянка факела. Така взаємодія крім гідродинамічної нестабільності призводить до нестабільності, зумовленої ефектом термоеміссіі, що супроводжується виникненням турбулентних вихорів значно менших розмірів, що заповнюють циркуляційні потоки в обсязі топки. Відомо, що такі потоки мають гарну стійкість і частки палива можуть багаторазово циркулювати в обсязі топкової камери. Підведення окислювача і відведення продуктів реакції горіння в даному випадку більш ефективний, ніж в традиційній схемі, тому при використанні запропонованого способу погіршення повноти згоряння не спостерігається [4, 5].
Для визначення витрат на реконструкцію котла ми визначаємо величину необхідних капітальних вкладень, що включають в себе капітальні вкладення на складання проекту робіт, а також кошторисну вартість. На складання проектних робіт закладаємо 100 тис. Руб. Кошторисна вартість дорівнює 188, 564 тис. Руб. Вона складається з кошторисної вартості будівельних робіт, кошторисної вартості устаткування і монтажних робіт. Капітальні вкладення (без ПДВ), необхідні нам для реконструкції одного котла, складають:
К = Кпр + КСМ = 100000 + 159800 = 259,8 тис. Руб.
Разом: витрати на реконструкцію (з ПДВ) - 306,6 тис. Руб.
В результаті автоматичного розрахунку отримали наступні дані:
Простий термін окупності (РР): РР = 2,23 року. Дисконтований термін окупності: DPP = 2,35 року.
Чиста поточна потік з наростаючим підсумком (ЧДПНІ):
NPV = 1462,44 тис. Руб.
Індекс прибутковості: DPI = 5,8%.
В результаті автоматичного розрахунку ВСД становить 82%.
А.В. Жуйков. Зниження оксидів азоту в топках котлів
ням викидів в атмосферу оксидів азоту в цілому проведена реконструкція сприятливо позначилася на експлуатації котлів. Зменшилася забруднення поверхні нагрівання, знизилася температура відхідних газів, втрати з механічним недожогом (q 4) залишилися в межах норми для котлів такого типу.
[1] Цирульников Л.М. Коюхов В.Г. Кадиров Р.А. Охорона повітряного басейну та шляхи зменшення токсичності викидів газомазутних котлів. М. ВННІГазпром 1975. 51 с.
[2] Спейтер В.А. Знешкодження промислових викидів дожиганием. М. Вища школа, 1986.
[3] Захист атмосфери від промислових забруднень: Справ. Изд-е: У 2 ч .; Пер. з англ. / Под ред. С. Калверта, Г.М. Іглунда. М. Металургія, 1988. 760 с.
Reducing Nitrogen Oxides
in the Boiler Furnaces
Andrey V. Ghuykov
Siberian Federal University
79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
The basic ways and methods to reduce harmful gaseous emissions from thermal power plants and boilers, as well as a method of reducing nitrogen oxides, introduced on an industrial boiler plant in Krasnoyarsk.
Keywords: nitrogen oxides, thermal power plants, boilers, emissions into the atmosphere.