Опыт внедрения малотоксичных зарубежных горелок в России

В России для котлов с тангенциальными топками (ТП-85, ПК-24) ВТИ совместно с ЦКБэнергоремонт разработаны и внедрены прямоточные горелки, обеспечивающие снижение уровня NO_x путём организации «концентрического» сжигания.

Однако в отношении вихревых горелок, позволяющих эффективно сжигать каменные угли с пониженным образованием NO_x, заметных успехов добиться не удалось. Сложность задачи заключается в том, что почти все технические решения, снижающие образование топливных NO_x из связанного азота топлива на стадии выхода и сгорания летучих (уменьшение избытка воздуха в горелках, ухудшение смесеобразования топлива с воздухом, рециркуляция дымовых газов через горелки и т. д.), одновременно ухудшают процесс горения и увеличивают потери с недожогом топлива.

Особенно трудно эта задача решается для высокозольных углей (типа экибастузского угля марки СС), а также для кузнецких каменных углей с умеренным выходом летучих и повышенным содержанием связанного азота. Между тем на экибастузском угле работает большое число крупных энергоблоков в системах Урала и в Омскэнерго, а кузнецкие угли являются наиболее перспективным топливом для ТЭС Западной Сибири, Урала и европейской части РФ.

Решению задач может помочь использование богатого опыта зарубежных разработчиков, в частности Технологический Центр известной котлостроительной фирмы Babcock Energy Lmt, расположенной в г. Ренфрю (Шотландия).

Как было выше отмечено, разработанная ими аксиальная вихревая горелка обеспечивает раннее воспламенение разделённого на несколько струй потока аэросмеси и сгорание большей части летучих в зоне, обеднённой кислородом. Раздельное регулирование (на стадии наладки) крутки и расходов вторичного воздуха по внутреннему и наружному каналам обеспечивает ступенчатое сжигание внутри факела каждой отдельной горелки. При этом по периферии факела поддерживается окислительная среда, чтобы не вызвать коррозию топочных экранов /4,5/.

В 1993г. ВТИ, заручившись согласием Свердловэнерго и Рефтинской ГРЭС на промышленное опробование и с ЗиО – на изготовление комплекта горелок для котла П-67, начал сотрудничество с фирмой BEL по созданию вихревой горелки, которая позволила бы эффективно сжигать высокозольный экибастузский уголь, также кузнецкий уголь марки СС с минимальным образованием NO_x . В Технологический центр фирмы были отправлены пробы того и другого угля. С представителями BEL были согласованы исходные данные, а в феврале 1995г. были проведены испытания на огневом стенде с опытным образцом новой горелки, по мощности приближающейся к натурной горелке котла П-57.

Опыты были проведены на установке, сооружённой специально для испытаний натурных пылеугольных или газомазутных горелок.

Топочная камера прямоугольного сечения с размерами 4,2´4,2 м, длиной 12 м расположена горизонтально с размещением горелки на фронтовом торце. К горелке подводятся мазут, пылеугольная смесь и горячий воздух (вторичный и третичный – по общему коробу, в который встроена керосиновая горелка для повышения температуры, а затем добавляется кислород для повышения его концентрации примерно до 21 %).

Топочная камера имеет водяное охлаждение и футеровку, обеспечивающие примерно такой же уровень температур, что и в реальных котельных установках. На боковых стенах топочной камеры, работающей под наддувом, имеются гляделки и лючки для ввода водоохлаждаемых пробоотборных зондов. После топочной камеры горячие дымовые газы по футерованному газоходу поступают к двум котлам-утилизаторам.

Угольная пыль может быть приготовлена на среднеходной мельнице, установленной в соседнем здании, или привезена со специального углеразмольного завода. Расход угольной пыли на горелку регулируется питателем пыли. К транспортирующему агенту добавляется воздух, чтобы обеспечить требуемую долю первичного воздуха. Расход и температура вторичного воздуха регулируются направляющим аппаратом дутьевого вентилятора и количеством керосина, подаваемого на горелку воздухоподогревателя.

Дымовые газы, отобранные из газохода за топочной камерой, поступают в лабораторию газового анализа, где определяется содержание О₂, СО, SO₂, NO_x. При проведении опытов периодически осуществляется калибровка всех приборов. Для измерения NO_x содержания используется хемилюминесцентный газоанализатор.

Имеется дымосос рециркуляции, который позволяет часть топочных газов, охлаждённых до 30 °С, подавать в короб первичного или вторичного воздуха.

Управление огневым стендом осуществляется из специального помещения, в котором установлены показывающие приборы, позволяющие следить за основными параметрами работы стенда.

Пробы уноса для определения механического недожога отбираются в каждом опыте из газохода за топкой. Во время опыта стенд обслуживают 5 чел., включая руководителя работы. После проведения нескольких опытов приходится останавливать стенд для очистки топочной камеры от шлака.

Во время испытаний горелки, разработанной для России, сначала были проведены опыты на малозольном угле марки Uskmouth, характеристики которого приведены в таблице. По большинству характеристик этот уголь близок к кузнецкому углю марки СС.

Всего при сжигании этого угля было проведено 15 опытов, из них 14 – с нагрузкой по топливу 5,16–5,19 т/ч (Q_т =40,9–41,5 МВт, т.е. около 36 Гкал/ч). Один опыт был проведен с пониженной нагрузкой: В=3,54 т/ч, Q_т =28 Мв_т. Температура горячего воздуха при номинальной нагрузке составляла 283–318 ^оС, при сниженной нагрузке – 269 ^оС. В разных опытах менялись избыток воздуха, степень крутки и распределения горячего воздуха между вторичным и третичным потоками.

Концентрация NО_х, как и следовало ожидать, снижается по мере уменьшения избытка воздуха. Значительное влияние на уровень NО_х оказывают также крутка потоков вторичного и третичного воздуха и положение скользящего шибера, определяющего распределение горячего воздуха между вторичным и третичным.

Для сравнения можно привести результаты опытов, проведенных работниками УралВТИ на котле П-57 Рефтинской ГРЭС при опытном сжигании кузнецкого угля марки СС со средними характеристиками: W = 7,3 %; A^в=15,6 %; Q_i=26,43 Мдж/кг (6313 ккал/кг). При номинальной нагрузке блока концентрации NО_х составляли 1695 мг/м³ (при нормальных условиях) при работе всех восьми мельниц и 1590 мг/м³ при работе семи мельниц (т.е. при подаче через три горелки только части вторичного воздуха).

Вторая серия опытов была проведена при сжигании высокозольного угля марки Harwoth. Необходимо отметить, что топливный коэффициент (отношение связанного углерода к выходу летучих, которое по результатам многочисленных исследований, в значительной степени определяет степень конверсии топливного азота в NО_х) у этого угля оказался близким аналогичному параметру у экибастузского угля (1,55–1,76).

При сжигании высокозольного угля сначала были проведены опыты с максимальной круткой третичного воздуха и минимальной круткой потока вторичного воздуха. В первых трех опытах скользящий шибер был закрыт, а в следующих трех опытах – открыт полностью, а минимальная концентрация NО_х оказалась равной 543мг/м³ (6 % О₂). При этом горение было устойчивым, а содержание СО оставалось на допустимом уровне (189 мг/м ³ или 0,015 % по объему).

Эти опыты показали, что при сжигании высокозольного угля типа экибастузского, использование новой горелки более чем в 2 раза снижает концентрацию оксидов азота в дымовых газах.

Анализ проведённых ранее испытаний малотоксичных горелок фирмы BEL и испытаний, проведённых ранее на котле П-57 Рефтинской ГРЭС, позволяют сделать следующие выводы.

1. Концепция, заложенная в конструкцию малотоксичной горелки, обеспечивает ранее воспламенение и сгорание летучих в зоне, обеднённой кислородом, в результате чего снижается концентрация NO_x в продуктах сгорания.

2. При сжигании каменного угля с характеристиками, подобными кузнецкому СС, можно ожидать снижения концентрации NO_x до 600 мг/м³ (в пересчёте на NO₂ в сухой пробе при стандартных условиях: 101,3 кПа, 273 К,

6 % О₂). При сжигании угля, близкого по характеристикам к экибастузскому, были получены концентрации NO_x, близкие 530 мг/м³. Эти концентрации более чем в два раза ниже тех, которые были получены на серийном котле П-57, оборудованном заводскими горелками.

3. Испытанную горелку можно считать моделью натурной горелки, уменьшенной примерно в 1,5 раза по мощности, в 2 раза – по площади выходного сечения вторичного и третичного воздуха и в 2,5 раза – по площади входного и выходного сечений первичного воздуха. В результате такого соотношения на огневом стенде горелка испытывалась при несколько увеличенных (по сравнению с реальной горелкой) скоростях вторичного воздуха и при чрезвычайно высоких скоростях аэросмеси.

4. Испытанная на огневом стенде горелка не может быть без изменения поставлена на котёл П-57 как по геометрическим параметрам, так и по аэродинамическому сопротивлению.

Осенью 1999 г на котле ТГМЕ-206 Тюменской ТЭЦ-2. были размещены газомазутные горелки фирмы «Todd Combustion» и для сравнениягорелки ЗАО «ЭКОТОП.»

Основной причиной замены заводских горелок была необходимость обеспечения санитарных нормативов по содержанию NО_х. До начала работ по минимизации выбросов NО_х в атмосферу уровень их концентрации составлял более 700 мг/м³. После выполнения комплекса внутритопочных мероприятий, таких как оптимизация схемы рециркуляции дымовых газов и двухступенчатое сжигания топлива, содержание NO_х в уходящих газах рассматриваемых котлов с заводскими горелками составила 250–300 мг/м³ при нормативном значении 125 мг/м³ (ГОСТ Р 50831-95). Дальнейшее сокращение выбросов NO_х в сложившихся условиях было возможно только благодаря увеличению доли рециркуляции дымовых газов до уровня 16–18 %, что делало необходимым включение в работу аварийного впрыска для корректировки температуры промежуточного перегрева пара. Расход питательной воды в этих режимах на котле ТГМЕ-206 достигал 24–25 т/ч. Подача такого количества питательной воды через аварийный впрыск при номинальной нагрузке котлов приводила к снижению КПД энергоблока на 0,6 % вследствие недовыработки мощности в цилиндре высокого давления турбины, что эквивалентно перерасходу 1,5 млн м³ топлива в год на один энергоблок.

До модернизации на котле ТГ-104 работало двенадцать вихревых двухканальных горелок конструкции ТКЗ, размещенных в два яруса на фронтовом экране, а на котле ТГМЕ-206 – двенадцать вихревых горелок ГМУ-45, установленных в два яруса на заднем экране. При модернизации котлов новые горелки были размещены в заводские амбразуры. На котле ТГ-104 сохранены индивидуальные подводы воздуха к каждой горелке, а на ТГМЕ-206 индивидуальные воздуховоды горелок заменены общим коробом.

Горелочные устройства конструкции ЗАО «ЭКОТОП» (рис.5.10) по воздушной стороне выполнены одноканальными. Однако наличие аксиального завихрителя на входе в амбразуру горелки предопределяет деление воздушного потока на закрученный центральный (около 20 % воздуха, поступающего на горелку) и прямоточный периферийный. Аэродинамическое сопротивление горелки составляет примерно 1 кПа.

Система газораспределения горелки состоит из газового коллектора и двенадцати газораздающих труб, обеспечивающих раздачу газа в оба воздушных потока. Давление газа перед горелкой составляет 23 кПа. Для снижения ее сопротивления по всей поверхности лопаток аксиального завихрителя выполнены сквозные отверстия. Следует отметить, что при монтаже горелок суммарная площадь газораздающих отверстий горелок нижнего яруса была увеличена на 12 % по сравнению с горелками верхнего яруса, что определяет жестко фиксированное зонирование процесса горения топлива по вертикали и существенно затрудняет выявление реальных возможностей горелочных устройств для подавления образования NO_х.

Рис. 5.10. Газомазутная горелка «ЗАО ЭКОТОП»: 1. – газовый коллектор; 2 – газораздающие трубы; 3 – аксиальный завихритель

Он предназначен для стабилизации фронта пламени. Вторичный (основной) воздух поступает в топку прямотоком через профилированную трубу Вентури, служащую для расширения зоны внешней рециркуляции и измерения расхода воздуха на горелку. Текущие данные о расходах воздуха на все горелки включены в информационный блок АСУ ТП. Третичный воздух также поступает в топку прямотоком по кольцевому каналу вокруг трубы Вентури и предназначен для регулирования угла раскрытия факела.

Газораздающая часть горелки состоит из двух каналов – центрального (20 % расхода природного газа на горелку) и периферийного. Первый предназначен для подачи топлива в закрученный первичный воздух, второй обеспечивает топливом вторичный воздух. Горелки верхнего яруса оснащены тремя газораздающими трубами периферийного газа. Нижние горелки имеют по шесть таких труб.

Рис.5.11. Газомазутная горелка фирмы «Todd Combustion»: 1 – первичный и вторичный оздух; 2 - третичный воздух; 3 - труба Вентури; 4 - импульсная линия трубы Вентури; 5 – поток первичного воздуха; 6 – раздающая камера центрального газа; 7 – газораздающие трубы перифирийного газа; 8 – запальник

Для наладки горелок предусмотрены возможности перемещения вдоль их оси аксиального аппарата и га-зораздающих труб с помощью специальных приводов и регулирования расхода третичного воздуха. Каждая горелка оборудована системой контроля и защиты, со­стоящей из двух отсечных клапанов со свечой безопасности, а также датчиками контроля факела и запальным устройством. Распыливание жидкого топлива производится паромеханическими форсунками. Система контроля топочного режима и экологического мониторинга включает измерение концентрации кислорода, монооксида углерода и оксидов азота в газоходах за водяным экономайзером (режимное сечение) и за дымососами (балансовое сечение). При испытаниях обоих котлов в этих же сечениях выполнялся контрольный анализ продуктов сгорания с помощью многокомпонентных газоанализаторов «Testo-ЗЗ» и «Testo-ЗОО» фирмы «Testoterm» (Германия), прошедших Госповерку.

Результаты всех измерений концентрации оксидов азота приводились к а = 1,4 (О₂ = 6 %). Системы рециркуляции дымовых газов на обоих котлах примерно идентичны и предназначены для регулирования температуры промежуточного перегрева пара и подавления образования оксидов азота. Рециркулирующие дымовые газы подаются в короба горячего воздуха перед горелками через специальные смесители. Расход дымовых газов в системе рециркуляции определялся интегральными трубками в сочетании с электронным цифровым микроманометром «Testo-400». Испытания котла ТГ-104 были выполнены при сжигании попутного газа с калорийностью Q_нр = 33,9–34,4 МДж/м³. Котел ТГМЕ-206 был испытан при работе на природном газе с калорийностью 33,0–33,1 МДж/м3 (7900–7920 ккал/м³) и плотностью р = 0,682 кг/м³ при температуре 20 °С.

Можно констатировать, что при оптимальной загрузке ДРГ и перебросе части топлива с верхнего яруса горелок на нижний 12 и 30 % для горелок «Todd Combustion» обеспечивается выполнение действующих норм по выбросу в атмосферу оксидов азота на обоих котлах. Переход от горелок только с вихревой аэродинамикой к прямоточно-вихревым в сопоставимых условиях позволил снизить концентрацию NO_X в 2,0–2,5 раза.

Для выявления реальных возможностей горелок для подавления выхода NOX были проведены специальные опыты с отключением рециркуляции дымовых газов. В результате было выявлено, что останов ДРГ приводит к росту концентрации оксидов азота в уходящих газах при номинальной нагрузке котлов до 420 мг/м³ – у горелок «Todd Combustion». Так как отключение рециркуляции на обоих котлах сопровождается ухудшением топочного режима и ростом оптимального избытка воздуха, то необходима постоянная работа ДРГ во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок для обеспечения оптимальной экономичности котлов и минимального выброса NO_х. На основании проведенных работ следует отметить, что прямоточно-вихревая аэродинамика является перспективным направлением для разработки газомазутных горелок с малотоксичными выбросами.

Установка прямоточно-вихревых горелок фирмы «Todd Combustion» на котлах ТГ-104 и ТГМЕ-206 взамен заводских горелок с только вихревой аэродинамикой позволила в 2,0–2,5 раза сократить выброс оксидов азота. Однако, следует отметить, что эффективность использования горелок ЗАО «ЭКОТОП» для подавления генерации NO_х существенно выше, чем фирмы «Todd Combustion».