Технологии горелочных и топочных устройств в решении проблем по снижению выбросов парниковых газов при сжигании газомазутного топлива.

 

6.1 Общие вопросы снижения выбросов оксидов азота при сжигании газо-мазутных топлив.

 

Специально организуя топочный процесс, можно существенно уменьшить количество образующихся при горении оксидов азота.

Рециркуляция дымовых газов успешно используется на газомазутных котлах с высокой температурой в ядре горения. Эффективность ее зависит от количества и температуры рециркулирующих газов, а также от организации ввода их в топку. Газы рециркуляции нецелесообразно подавать в топку по отдельному периферийному каналу горелки со скоростью близкой к скорости воздуха. Применение рециркуляции дымовых газов снижает концентрацию оксидов азота с 800 до 400 мг/м³.

Следует учитывать, что рециркуляция газов несколько увеличивает расход электроэнергии на собственные нужды.

Впрыск влаги или пара в топку как средство снижения выбросов оксидов азота отличается простотой, легкостью регулирования и низкими капитальными затратами. В целом этот метод целесообразен экологически в аварийных ситуациях, например при особо неблагоприятных метеорологических условиях.

При двухступенчатом сжигании через все горелки подают топливо с недостатком воздуха, так чтобы кислорода не хватало для образования NO_х, а в конечную часть факела вводят недостающий для полного сгорания воздух. Таким образом удаётся снизить концентрацию NO_х в дымовых газах с 800 до 450 мг/м³.

Ступенчатая подача топлива с восстановлением NO_х в топке служит эффективным методом борьбы с оксидами азота. Выше основных пылеугольных горелок в топке устанавливаются дополнительные горелки, в которые подается часть топлива с недостатком воздуха и создается зона с восстановительной средой. Еще выше располагают сопла для ввода третичного воздуха, необходимого для завершения сгорания.

Конструкция горелочного устройства во многом определяет интенсивность воспламенения факела, скорость смешения топлива с воздухом и максимальный уровень температур в ядре горения.

Снижение избытка воздуха в топке на всех видах топлива приводит к снижению выброса оксидов азота. Предел применимости этого способа заключается в появлении в уходящих газах продуктов неполного сгорания (СО, Н₂), увеличение содержания горючих в уносе, увеличении интенсивности шлакования поверхностей нагрева и высокотемпературной коррозии экранов.

Предварительный подогрев топлив до 700^оС изучен еще недостаточно. По предварительным данным этот метод позволяет снизить выброс NO_х в 2-2,5 раза. Результат достигается предварительным выделением части летучих.

Применение того или иного метода подавления NO_х вызывает много трудностей. Объясняется это сложностью топочных процессов, разнообразием конструкции топок, горелочных устройств и свойств топлив.

В тех случаях, когда путем подавления образования NO_х в процессе сжигания топлива достичь требуемого снижения выбросов не удается, можно применить очистку от них.

Имеется опыт использования котлов ТГМП-314Ц с циклонными предтопками конструкции Московского отделения Цен­трального котлотурбинного института на ТЭЦ-23 ОАО «МосЭнерго».

Предполагалось, что использование циклонных предтопков  позволит:

- устранить высокотемпературную газовую корро­зию экранных труб нижней радиационной части (НРЧ) благодаря снижению концентрации сероводорода в пристенных зонах топочной камеры до безопасного значения (объемная доля менее 0,01 %);

- повысить надежность экранных поверхностей на­грева уменьшением падающих тепловых потоков в рай­оне НРЧ и средней радиационной части (СРЧ);

- уменьшить различие в эмиссионных характеристи­ках факела при сжигании жидкого и газообразного топ­лива и тем самым облегчить регулирование температу­ры перегрева вторичного пара;

- обеспечить сжигание сернистого мазута с предель­но малыми избытками воздуха (  = 1,01... 1,02) и благо­даря этому снизить скорость загрязнения и коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева и газохо­дов котла.

На ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго» установлены четыре паровые котла ТГМП-314Ц производства Таганрогского котлостроительного завода «Красный котельщик» [22].

Изначально они имели по четыре горизонтальных циклонных предтопка (вместо 16 вихревых горелок на серийных котлоагрегатах   ТГМП-314), расположенных встречно, по два на фронтовой и на тыльной стенах топочной камеры. Высокие выбросы оксидов азота, частое обгорание и другие проблемы с циклонными предтопками привели к необходимости провести масштабную реконструкцию котлов по замене циклонов на горелки. На котлах ст. №№ 5, 6 были установлены горелочные устройства ГМПВ-40 производства ЗАО «Экотоп», на котлах №№ 7, 8 вихревые горелки конструкции ТКЗ-ВТИ ГМВИг-50. Паровые котлы ТГМП-314– однокорпусные П-образные прямоточные котлы сверхкритического давления с промежуточным перегревом пара, предназначенные для работы на природном газе, либо на мазуте. Температура перегрева острого и вторичного пара составляет 545 ⁰С, номинальная паропроизводительность D_пе  = 1000 т/ч. Экранирование стен топочной камеры, горизонтального газохода и поворотной камеры – негерметичное (негазоплотное).

 

 

Рисунок 24 – Парогенератор ТГМП – 314

6.2 Предлагаемая схема сжигания газа и мазута с горелками ВГТФ в рамках повышения экологической эффективности и надёжности сжигания природного газа.

 

Для повышения надежности и экологической эффективности котельных агрегатов ТГМП-314 разработана схема сжигания природного газа и мазута в прямоточно-вихревом факеле, являющаяся разновидностью схемы сжигания в системе вертикальных и горизонтальных тангенциальных факелов (ВГТФ). Компоновочная схема прямоточных горелок и сопл приведена на рисунках 25,26,27. Отличительной чертой аэродинамики является рассредоточения ядра факела в горизонтальном сечении топки путем создания 11 вихрей с вертикальной осью вращения на каждом ярусе установки горелок. На каждом ярусе вихри вращаются в противоположные стороны, увеличивая тем самым степень турбулентности и внутритопочную рециркуляцию продуктов сгорания в факел.

Для повышения надежности работы экранных труб против сероводородной коррозии при сжигании мазута и снижения образования оксидов азота при работе котла на газе и мазуте предлагается воздушные каналы направить под углом 35^о (на восьми горелках) и 38^о (на остальных) по отношению к газомазутным каналам. В первом случае газомазутные каналы направлены соосно с нормалями амбразур горелок (на нечетных горелках первого и четных горелках второго ярусов), а во втором – под углом к ним, равным 19^о. Таким образом, по ширине топки рассредоточение ядра факела обеспечивается различными углами установки горелок и поворотом каналов вторичного воздуха. Ввод газов рециркуляции, как и до реконструкции, предлагается осуществить в горячий воздух до его поступления в горелочные устройства.

В горелках нет лопаточных аппаратов, обычно используемых для турбулизации потоков. Подвод окислителя к топливу и их смешение происходят в объеме топочной камеры за счет интенсивного перемешивания реагентов в системе вертикальных и горизонтальных вихрей, образованных топливовоздушными и воздушными струями и вращающихся в противоположные стороны.

Рисунок 25 - Предлагаемая компоновочная схема прямоточных горелок и сопл вторичного дутья первого яруса

Рисунок 26 -  Предлагаемая компоновочная схема прямоточных горелок и сопл вторичного дутья второго яруса

Рисунок 27 - Предлагаемая компоновочная схема сопл третичного дутья

 

На рисунках 25-27 приняты следующие обозначения: ГМ – центральный газомазутный канал горелки; В – каналы (верхние и нижние) подачи вторичного воздуха, выполненные в общей с горелкой амбразуре; СТВ – сопла третичного воздуха; цифрами указаны номера горелочных устройств и сопл третичного воздуха.

По высоте и ширине топки организовано трехступенчатое сжигание топлива с применением сопл вторичного и третичного дутья. Топливовоздушная струя с избытком воздуха α_перв = 0,57 проходит почти до середины глубины топки, куда также подводится вторичный воздух из воздушных каналов противоположных горелок того же яруса. Избыток воздуха во вторичном дутье составляет α_вт = 0,3. Таким образом, прогрев и возгорание топлива начинается при избытке первичного воздуха, а активное горение топлива происходит в центральной части топки при избытке в зоне активного горения α_заг = 0,87. Воздух третичного дутья подается в хвостовую часть топливных струй с избытком α_тр = 0,13 для их дополнительной турбулизации и для выгорания несгоревшей части топлива. Предварительно (до проведения поверочных тепловых расчетов топки) выгорание топлива в зоне расположения ядра факела можно оценить значением 80…85 %.

Конструктивные особенности прямоточных горелок для котла ТГМП-314.

Конструктивно горелка представляет собою центральный канал подачи воздуха (топливовоздушный канал), в который вмонтированы трубы раздачи природного газа, центральный канал для установки мазутной форсунки и четыре канала вторичного воздуха, расположенных попарно сверху и снизу канала первичного воздуха. В амбразуре одной горелки верхние и нижние пары сопл вторичного дутья направлены под углом к горизонтали по отношению к топливовоздушному каналу в одну сторону. Эскиз вида из топки на амбразуру прямоточной горелки представлен на рисунке 28. На рисунке 29 приведен горизонтальный разрез горелки по топливовоздушному каналу.

Рисунок 28 -  Вид из топки на амбразуры прямоточных нечетных горелок первого яруса и четных горелок второго яруса

1 – топливовоздушный канал; 2 – труба Ш89х4,5 мм для установки мазутной форсунки; 3 – газоподающие трубы Ш76х8 мм (6 штук на горелку);                4 – газораздающий насадок (жаростойкая стальв соответствии с рисунком 11); 5 – кольцевой газовый коллектор; 6 – трубы для подачи в топку смеси воздуха и газов рециркуляции (4 штуки на горелку); 7 – карман для подачи в горелку воздуха в смеси с газами рециркуляции; 8 – крестовина для крепления форсуночной трубы; 9 – опора, допускающая продольное перемещение газоподающей трубы (12 штук на горелку); 10 – ось экрана; 11 – короб с уплотнительным огнеупорным бетоном амбразуры горелки

 

Рисунок 29 - Горизонтальный разрез по топливовоздушному каналу прямоточной нечетной горелки первого яруса и четной горелки второго яруса.

 

Принципиальной особенностью предлагаемых горелок является выполнение газомазутного центрального канала и воздушных каналов с осесимметричным профилем, что повышает надежность стенок этих каналов против коробления. Газомазутный канал имеет повышенные значения диаметра и проходного сечения (Ш 720х7 мм и 0,391 м² –шовная электросварная). Проходное сечение четырех воздушных каналов, выполненных из труб Ш 273х7 мм, составляет 0,21 м². Эти решения обеспечивают увеличение избытка воздуха на выходе из топливоподающего канала при сжигании мазута до приемлемой величины порядка 0,66. Этот же показатель при сжигании газа составит 0,55…0,6 (с учетом сопротивления боковых газовых струек, создаваемого потоку воздуха в смеси с газами рециркуляции). Т.е. в обоих случаях значения избытка воздуха на выходе из топливоподающего канала будут увеличены, особенно при сжигании мазута, что диктуется обеспечением надежности его зажигания.

Традиционным решением, обеспечивающим стабилизацию зажигания мазута на выходе из вихревых горелок является установка лопаточных завихрителей в выходной части воздушных каналов [23]. Однако указанные завихрители представляют собою узел пониженной надежности и низкой ремонтопригодности. К тому же при этом усложняется проблема подвода природного газа в выходную часть горелки.

По опыту МЭИ [24], полученному при реконструкции большого количества газомазутных энергетических котлов различных типов, надежное зажигание мазута на выходе из прямоточных горелок обеспечивается при растопках котлов из холодного состояния за счет использования мазутных форсунок парового распыла с большим (110-120^о) углом раскрытия паромазутных струй при расходе пара 0,2-0,3 от расхода мазута. В этом случае, распыливающая головка мазутной форсунки размещается в выходном сечении амбразуры горелки.

Надежная зона приосевых обратных токов мазутного пламени, обеспечивающего испарение капель мазута и стабилизирующего зажигание, создается струйным способом. Таким образом, устойчивое горение мазута (после отключения запальника) будет обеспечиваться излучением из ядра факела и за счет прогрева струи эжектированными топочными газами [25]. При использовании на котле типовых паромеханических форсунок растопку котла производят на природном газе. В случае необходимости, для возможности производить растопку котла на мазуте, целесообразно иметь на два котла ТГМП-314 растопочный комплект из 6-8 мазутных форсунок парового распыла.

В выходном сечении горелки воздушные каналы отделены от топливовоздушного канала зазорами не менее 90 мм, причем те и другие направлены под существенным углом по отношению друг к другу. Вследствие этого подмешивание воздуха к горящим топливовоздушным струям будет ограничено по сравнению с исходной технологией сжигания. В результате в приосевой зоне топки температура продуктов сгорания будет пониженной. Во-первых, это произойдет за счет рассредоточения факела по ширине топки, а, во-вторых, из-за значительного недожога топлива, т.е. пониженной степени выгорания топлива в указанной зоне. Наличие здесь большого количества продуктов химнедожога будет способствовать разложению образовавшихся термических (при сжигании газа и мазута) и топливных (при сжигании мазута) оксидов азота.

Аэродинамические исследования на физических моделях топок с близкими компоновочными схемами размещения и направления горелок показали, что благодаря вращению соседних горизонтальных вихрей в противоположные стороны, вся аэродинамическая структура высокотемпературной части факела является устойчивой. Центральное положение высокотемпературной части факела изменяется незначительно даже при уменьшении расхода воздуха на отдельные горелки.

Скорость истечения струй из каналов предлагаемой горелки будет почти на 15 % больше осредненной скорости истечения струй из каналов существующей горелки. С учетом прямоточности всех каналов горелки это не приведет к увеличению ее аэродинамического сопротивления.

Анализ выбросов оксидов азота, проведённый по режимным картам котла показал, что приведённая концентрация выбросов оксидов азота на нагрузках более 700 т/ч пара по экологическим характеристикам соответствуют нормативным и более.

1- котёл с циклонными предтопками

2- котёл с горелками ТКЗ ВТИ

3- котёл с горелками конструкции МЭИ

 

Рисунок 30 - Анализ выбросов оксидов азота, проведённый по режимным картам котла

Вопросы к лекции 8:

1. Для каких котлов применяется рециркуляция дымовых газов в рамках снижения выбросов оксидов азота при сжигании газо-мазутных топлив?

2. В каких случаях применяется впрыск влаги или пара в топку как средство снижения выбросов оксидов азота?

3. Является ли ступенчатая подача топлива с восстановлением NO _х в топке эффективным методом борьбы с оксидами азота?

4. Насколько конструкция горелочного устройства определяет эффективность сжигания топлива и почему?

5. Основные недостатки использования циклонных предтопков на котлах ТГМП-314?

6. Какая схема сжигания газо-мазутного топлива является наиболее эффективной?

7. Методы, применяемые для повышения надежности работы экранных труб против сероводородной коррозии при сжигании мазута и снижения образования оксидов азота при работе котла на газе и мазуте?

8. Принципиальная особенность прямоточной горелки для сжигания газа и мазута конструкции МЭИ?

9. За счёт чего в горелке конструкции МЭИ не происходит увеличения её аэродинамического сопротивления?

10.  Какова максимальная концентрация выбросов NO _x при применении горелочных устройств конструкции МЭИ?