Низкоэмиссионные горелочные устройства
Одним из эффективных способов минимизации выбросов энергетическими котлами оксидов азота в атмосферу является осуществление внутритопочных мероприятий. К ним относятся: ступенчатое сжигание топлива, рециркуляция дымовых газов, установка горелочных устройств с малотоксичными выбросами и др. Если первые два достаточно хорошо отработаны и уже получили широкое распространение на ТЭС России, то темпы внедрения малотоксичных горелок пока явно недостаточны.
Как показали исследования процесса образования топливных NОх, что решающее влияние на количество оксидов азота оказывает конструкция пылеугольной горелки, которая формирует факел и определяет параметры процесса горения в факеле.
Горелка с низкой эмиссией оксидов азота должна удовлетворять следующим требованиям:
– максимальная скорость выделения летучих и, по возможности, полный выход летучих топлива;
– образование начальной зоны с недостатком кислорода, но при этом количество кислорода должно быть достаточным, чтобы обеспечить стабильность пламени;
– оптимизация времени пребывания и уровня температуры в зоне богатой топливной смеси таким образом, чтобы промежуточные азотистые вещества в максимальной степени переходили в молекулярный азот;
– обеспечение максимального времени пребывания коксовых частиц в условиях богатой топливной смеси для уменьшения образования N0 из азота кокса;
– подвод вторичного воздуха в достаточном количестве в нужном месте, чтобы обеспечить полное сгорание топлива.
Кроме этих требований, должен быть учтен ряд практических соображений:
– горелка должна работать так, чтобы не было существенного увеличения потерь тепла от неполноты сгорания;
– пределы стабильности пламени не должны быть ухудшены;
– желательно, чтобы само пламя имело общую окислительную оболочку для предупреждения коррозии труб топочных экранов.
Подавляющее большинство горелок, применяемых на отечественных котлах, разработаны более 40 лет назад, когда многие нормативы по выбросу токсичных веществ в атмосферу еще не были разработаны. За немногими исключениями эти горелки относятся к классу устройств вихревого типа, в которых весь поступающий воздух закручивается в аксиальных или тангенциальных регистрах. Вихревые горелки характеризуются относительно коротким и широко раскрытым факелом с надежной стабилизацией фронта пламени, что обеспечивается хорошо развитой зоной внутренней рециркуляции. Подсос высокотемпературных продуктов сгорания из топочного объема к корню факела обеспечивает его стабильность и одновременно создает благоприятные условия для формирования «быстрых» оксидов азота, которые образуются на небольшом участке факела, примыкающем к горелке. Протяженность этого участка зависит от многих факторов и обычно не превышает 15–20 % общей длины факела. Температурный уровень и концентрация окислителя в этой зоне играют доминирующую роль в процессе образования оксидов азота, концентрация которых в уходящих газах на котлах с горелками этого типа составляет более 700 мг/м3 , что в несколько раз превышает нормативное значение.
Существенно иная картина наблюдается при работе прямоточно-вихревых и прямоточных (щелевых) горелок. В первых доля закрученного воздуха составляет около 10–20 %, во-вторых – закрутка воздуха отсутствует. Стабилизация фронта пламени осуществляется в первом случае благодаря закрученному потоку первичного воздуха, во втором – внешней рециркуляции топочных газов, подсасываемых к корню факела эжектирующим воздействием сомкнутой воздушной струи.
Следует отметить, что условия смесеобразования и воспламенения топлива в горелках, выполненных по прямоточно-вихревой и прямоточной аэродинамическим схемам, хуже, чем у горелок вихревого типа. Поэтому рассматриваемые горелки формируют сомкнутые факелы большей длины, чем горелочные устройства аналогичной мощности с вихревой аэродинамикой. Затягивание процесса горения топлива приводит к снижению температурного уровня начального участка факела, а следовательно, и к замедлению процесса генерации оксидов азота.
Исследование механизма образования оксидов азота при сжигании пылевидного топлива показало, что решающее влияние на содержание топливных оксидов азота в продуктах сгорания оказывает концентрация кислорода на начальном участке факела, т.е. в том месте, где происходит воспламенение и сгорание летучих. Поэтому конструкция горелки и параметры пылевоздушной смеси на входе в топку должны выбираться с учётом новой качественной характеристики котла – степени его экологического совершенства. На пылеугольных котлах концентрация кислорода в зоне горения летучих в значительной степени определяется интенсивностью смешения аэросмеси и вторичного воздуха. Доля первичного воздуха, а также разность скоростей аэросмеси и вторичного воздуха являются важными параметрами, определяющими концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания. Следовательно, изменяя конструкцию горелки, можно уменьшить образование оксидов азота при минимальных капитальных затратах.
В настоящее время существует несколько способов снижения оксидов азота путем изменения конструкции горелки. В них предусмотрена работа с низкими избытками воздуха, ступенчатое и стадийное сжигание, внутренняя или внешняя рециркуляция продуктов сгорания в корень факела, контроль скоростей и мест ввода топлива, воздуха и газов рециркуляции для многоканальных горелок и др. Выход оксидов азота при внедрении малотоксичных горелок уменьшается на 30–60 % без снижения технико экономических показателей котельных агрегатов.
Внедрение малотоксичных горелок одно из наиболее малозатратных и перспективных мероприятий, снижающих выбросы оксидов азота на тепловых электростанциях.