Рециркуляция дымовых газов
Одним из наиболее распространенных методов снижения количества образующихся оксидов азота является рециркуляция продуктов сгорания в зону горения. До внедрения технологических методов снижения дымовых газов рассматривались в основном лишь как средство регулирования температуры перегретого пара. При этом котел рассчитывался так, чтобы при номинальной нагрузке он эксплуатировался с минимальной нагрузкой дымососов рециркуляции, а при снижении нагрузки количество рециркулирующих дымовых газов увеличилось бы для поддержания постоянной температурой перегретого пара.
При с сжигании твердого топлива рециркуляция продуктов сгорания в качестве природоохранного мероприятия применяется довольно редко ввиду малой эффективности. Исключение составляет ряд теплонапряженных топок с ЖШУ. Это связано с тем, что заметное образование термических оксидов азота при сжигании твердых топлив возможно только в топках с ЖШУ. Однако применение рециркуляции для снижения выхода 
в таких топках возможно лишь в том случае, если снижение температуры в топке не повлияет на устойчивость выхода жидкого шлака.
Эффективность подавления образования оксидов азота при вводе газов рециркуляции определяется следующими факторами: место отбора газов на рециркуляцию; условиями их ввода в топочную камеру; степенью рециркуляции 
, %; распределением газов рециркуляции по объему топочной камеры; состоянием котла.
Существует несколько способов ввода газов рециркуляции в топку:
– в под (нижней части) топки;
– в шлиц под горелками;
– в воздухопровод горячего воздуха;
– непосредственно в горелочное устройство в один из воздушных потоков или между потоками воздуха;
– в горелку в поток топлива.
Эффективность снижения выбросов оксида азота при реализации этих способов существенно различается (рис. 11.14).
Рис. 1.14. Влияние способа ввода газов рециркуляции на снижение концентрации оксидов азота при сжигании природного газа: 1 – через шлицы в поду топки; 2 – через шлицы под горелками; 3 – во вторичный воздух; 4 – в воздухопровод перед горелками;
5 – в топливо
Иногда внедрение рециркуляции на действующих котлах серьезно затруднено из-за отсутствия свободного пространства для установки ДРГ и прокладки дополнительных газоходов. В этих случаях может быть реализован третий способ рециркуляции газов. Он заключается в устройстве перемычки между газоходом непосредственно за ДС и воздухопроводом перед ДВ (рис. 1.15).
В этом случае дымовые газы с выхлопа дымососа (с избыточным давлением) самотеком поступают на всас ДВ (находящегося под разрежением). Количество рециркулирующих газов регулируется с помощью шибера, установленного на перемычке. Данный способ подачи газов рециркуляции отличается самыми короткими газоходами и отсутствием ДРГ, ввиду чего он намного дешевле остальных способов.
К достоинствам такой упрощенной схемы следует также отнести хорошее перемешивание продуктов сгорания с воздухом в ДВ (известны случаи, когда неудовлетворительные условия ввода и смешения газов рециркуляции в воздушном коробе снижали эффективность подавления оксидов азота). Недостатками упрощенной схемы являются ограничение максимальной степени рециркуляции, которая, как правило, составляет 12–15% (определяется запасом производительности тягодутьевых машин), возможность усиления коррозии и заноса воздухоподогревателя отложениями при сжигании мазута, дополнительная нагрузка ДВ и ДС.
Рис. 1.15. Способы организации рецеркуляции дымовых газов в воздухопроводы
При этом более эффективной является не внутренняя рециркуляция горячих топочных газов из хвостовой части котла в дутьевой воздух. Так, например, при подаче газов рециркуляции с температурой 300 ºС в ядро факела в количестве, равном 20 % от объема воздуха, поступающего на горение, максимальная температура факела снижается обычно на 120–130 oС.
Обычно дымовые газы с температурой 300–400ºС отбираются перед воздухоподогревателям и специальным рециркуляционным дымососом подаются в топочную камеру. При этом условия ввода могут быть различными. В некоторых случаях газы подаются через каналы в поду топки, через кольцевой канал вокруг горелки или же в воздуховод. Применение рециркуляции позволяет регулировать теплоотдачу к топочным экранам и температуру перегретого пара, сближать характеристики работы котлов при сжигании различных топлив, например, жидких и газообразных.
Ввод рециркулирующих газов в топочную камеру приводит к сравнительно малому снижению КПД котла (0,01–0,03 % на 1 % рециркулирующих газов), однако открывает большие возможности унификации котлов по топливу. В топочных камерах с qт ≤174 МВт/м³ температура в выходном сечении топки при вводе рециркулирующих газов в зону горения повышается на 1 ºС, а изменение температуры перегретого пара при сжигании мазут в котле ПК-10-2 составляет около 1,3 ºС на 1 % рециркуляции.
Наряду с явными преимуществами, к которым следует отнести защиту топочных экранов от перегрева, регулирование перегретого пара, возможность унификации котлов по топливу, а также возможность снижения образования оксидов азота, применение рециркуляции связано с определенными трудностями, которые должны быть учтены. К таким трудностям (наряду с некоторым снижением КПД) следует отнести необходимость в специальном рециркуляционном дымососе и в газоходах. Кроме того, это вызывает повышение сопротивления воздушного тракта и возможность нарушения стабилизации пламени или появление сажи оксида углерода при чрезмерной степени рециркуляции. В настоящее время рециркуляция газов применяется в мощных котлах энергоблоков, работающих на угольной пыли, мазуте и природном газе. Очень широко применяется рециркуляция и в зарубежных котлах.
Ввод рециркулирующих газов в зону горения позволяет уменьшить образование оксидов азота в топочной камере.
Рециркуляция дымовых газов в топочную камеру влияет на результирующую концентрацию оксидов азота, а также на изменение, как температуры, так и концентрации окислителя в зоне горения.
При r=20 % подача рециркулирующих газов в дутьевой воздух позволяет снизить выход оксидов азота примерно на 50 %, подача через кольцевой канал вокруг горелок – на 25 %, через шлицы под горелками – на 15 %. Подача рециркулирующих газов через шлицы в поду топки сказывается на выходе оксидов азота незначительно.
Эти выводы подтверждаются результатами исследований, проведенных группой сотрудников ЭНИН, ОРГРЭС и Костромской ГРЭС под руководством С. А. Тагера. Одна серия опытов была проведена при сжигании мазута (Sр =2,5 %) в топочной камере котла ТГМП-314 рециркулирующие газы с температурой 335 oС подавалась через шлицы в поду горелки: повышение r на 20 % (от 9 до 29 %) сравнительно слабо сказывалось на выходе оксидов азота и приводило к снижению выходов всего на 5–8 % во второй серии опытов при сжигании мазута в топочной камере котла ТГМП-324 блока 300 МВт [Д=1000 т/ч, qт =1050 МДж/(м³·ч)], оборудованной 16 вихревыми подтопочными горелками ХФ ЦКБ-ВТИ-ТКЗ, газы рециркуляции с температурой Т=320–370 ºС поступали в периферийный воздушный канал каждой горелки. При этом, например, изменение r на 14 % (при Д=0,7 Дн) приводило к снижению выхода оксидов азота на 25–30 %.
Роудон и Р. Садовски на опытах с малыми топочными камерами показали, что при значительной степени рециркуляции дальнейшее ее увеличение (r >25 %) слабо сказывается на выходе оксидов азота. Эти результаты совпадают с данными исследований С. А. Тагера, а также К. Зигмунда и Д. Тэрнета. Проведенные исследования позволили авторам рекомендовать выбор коэффициента рециркуляции в пределах от 20 до 30 %. По мнению К. Зигмунда и Д. Тернера, при сжигании жидкого топлива 30 %–рециркуляция газов обеспечивает уменьшение или «полное предотвращение» выбросов воздушных оксидов азота, но совершенно не оказывает влияние на топливные оксиды.
Применение рециркуляции является одним из самых доступных средств снижения образования оксида азота в топочных камерах. В ряде случаев снижения выброса оксидов азота в эксплутационных условиях на 30–35 % можно осуществить без какой-либо реконструкции. Так, в исследованиях ВТИ, проведенных при сжигании мазута в парогенераторе ТГМП-114 с прямоточными горелками, такое снижение достигалось даже при подаче рециркулирующих газов с r =23 % при Т= 350 ºС через шлицы, расположенные под каждой горелкой при номинальной и 58 %-й нагрузках.
По данным К. Блейксли и Х. Бурбаха при работе на природном газе котлов паропроизводительностью 480 т/ч энергоблоков мощьностью 160 МВт с концентрацией оксида азота 0,5–0,6 г/м³ применение рециркуляции позволяет снизить выход оксидов на 47–70 %. При подаче рециркулирующих газов в дутьевой воздух котла паропроизводительностью 900 т/ч на станции «Аламитос», США, работающего на газе, достигнуто снижение выброса оксидов азота с 0,66 до 0,30 г/м³ (55 %). Подача газов рециркуляции в дутьевой воздух применяется и в отечественном котлостроении.
При поддержки режима с α>1,04 (в районе экономайзера) токсичность продуктов сгорания определяется только выходом оксида азота и серы.
С уменьшением αв.э от 1,09 до 1,01 концентрация NOx снижается в 2 раза, но возрастает содержание сажи и 3,4-бенз(а)пирена.
Для усиления влияния рециркулирующих газов на зону горения была произведена реконструкция горелок, которая заключалась в том, что кольцевая коническая насадка, отделяющая поток рециркуляционных газов от топливовоздушной смеси, была укорочена. При этом рециркуляционные дымовые газы смешиваются с дутьевым воздухом и попадают непосредственно в зону горения, более интенсивно охлаждая её. При работе котла на реконструированных горелках было отмечено более эффективное снижение выходов оксидов азота при увеличении степени рециркуляции дымовых газов. Повышение степени рециркуляции от 5 до 24 % снижает содержание оксидов азота в дымовых газах парогенератора на 57 %, т.е. каждый процент повышения степени рециркуляции снижает выход оксидов азота на 3 %. Увеличение выхода сажи при повышении степени рециркуляции не существенно. Из анализа результатов промышленной проверки влияния рециркуляции на выход оксидов азота следует сделать ряд выводов.
Рециркуляция газов в тракт дутьевого воздуха или в горелку является эффективным способ снижения образования оксидов азота в топочной камере. Подача рециркулирующих газов более эффективна при высоких нагрузках и r< 20 %.
Применение рециркуляции газов общий канал или в канал первичного воздуха на котельных агрегатах, уже оснащенных рециркуляционными дымососами и каналами, требует незначительной реконструкции и может найти самое широкое применение.
Эффективность рециркуляции тем больше, чем выше температура в зоне горения. Она снижается при:
– уменьшении нагрузки котла;
– уменьшении температуры горения топлива;
– увеличении коэффициента избытка воздуха;
– повышении содержания азотосодержащих соединений в топливе;
Максимальная эффективность рециркуляции имеет место при сжигании природного газа при номинальной нагрузке топочной камеры и малых α..
При подаче 1 % газов рециркуляции КПД котла электростанций для средних условий снижается на 0,02 %.