На угольных электростанциях в России и СНГ
В конце 70-х годов в США и Японии началось исследование новой технологии сжигания топлив, рассчитанной на подавление оксидов азота. Эта технология получила название «reburning-process» (повторное сжигание) и была внедрена с 1981 по 1986г. в Японии на девяти котлах.
Такая технология в России известна как метод трехступенчатого сжигания. Сущность ее заключается в интенсификации процесса восстановления оксида азота NO углеводородами и, возможно, азотосодержащими радикалами, образующимися в зонах горения с недостатком окислителя /2–6/.
Технология сжигания, реализующая этот метод, состоит в том, что в основные горелки котла подается 80–90 % топлива с обычно применяемым избытком воздуха, обеспечивающим стабильное воспламенение и эффективное горение. Остальное топливо (предпочтительно в виде природного газа или другого высокореакционного топлива) подается в дополнительные горелки с большим недостатком воздуха, чтобы после его смешения с продуктами сгорания основного факела коэффициент снизился до 0,9–0,95. Еще выше располагают сопла для ввода третичного воздуха, необходимого для завершения топочного процесса.
Этот метод предполагает наличие в объеме топочной камеры трех зон:
– основной зоны горения с коэффициентом избытка воздуха a1 ³ 1,0;
– восстановительной зоны, в которой за счет сжигания дополнительного топлива устанавливается стехиометрическое соотношение a2 £ 1,0;
– дожигательной зоны, в которой за счет ввода третичного воздуха поддерживается коэффициент избытка воздуха a3 = 1.2 
В России используют технологию «reburning» в двух вариантах: классическом – с установкой газовых горелок для создания восстановительной зоны (энергоблок 300 МВт Ладыжинской ГРЭС) и упрощенном, в котором восстановительная зона образуется путем снижения избытка воздуха в горелках верхнего яруса, и другими способами (энергоблок 150 МВт Добротворской ГРЭС, котел ТП-230 Ступинской ТЭЦ «Мосэнерго») (рис. 1.9).
а) б) в)
Рис. 1.9. Организация трехступенчатого сжигания по упрощенной (а и б) и классической (в) схемам с установкой дополнительных горелок: а – блок 150 МВт Добротворской ГРЭС; б – блок 300 МВт Ладыжинской ГРЭС; в – котел ТП-230 Ступинской ТЭЦ-17 (ОАО «Мосэнерго»)
Разница между классическим и упрощенным вариантом трехступенчатого сжигания видна из сопоставления трех схем на рис.1.6. Первая схема реализована на котле ТП-92 (блок 150 МВт Добротворской ГРЭС) в 1989г.
Первый опыт внедрения классического варианта схемы трехступенчатого сжигания был использован сотрудниками ВТИ на блоке мощностью 300 МВт Ладыжинский ГРЭС в 1989-1992 гг. при сотрудничестве со специалистами АВВ Combustion Engineering (США), Ладыжинской ГРЭС (Украина) и Южтехэнерго (Украина).
Работа выполнялась на котле ТПП-312, оборудованном топкой с жидким шлакоудалением, при встречном расположении 16 вихревых горелок, установленных в два яруса по высоте на фронтовом и заднем экранах. На задней и фронтовой стенах топки были установлены дополнительные прямоточные газовые горелки с небольшим наклоном вниз. Выше дополнительных горелок были размещены сопла третичного дутья.
Результаты приведенных испытаний на котле ТПП-312 после реконструкции по схеме трехступенчатого сжигания показали, что котел работает надежно и экономично в широком диапазоне нагрузок. При подаче в дополнительные горелки природного газа (6–16 %) и газов рециркуляции (8–10 %) концентрация NОx за котлом составляла в среднем 500–560 мг/м3 (вместо 1100–1200 мг/м3 для котлов с жидким шлакоудалением).
В настоящее время на котле № 6 Ладыжинской ГРЭС внедрена схема трехступенчатого сжигания только на угле.
Третья схема реализована на котле ТП-230 Ступинской ТЭЦ-17 Мосэнерго в 1993г. Этот котел работает на подмосковном буром угле и природном газе. Номинальная производительность котла 230 т/ч при параметрах пара 9,8 МПа, 510 °С. Топка котла – с твердым шлакоудалением, фронтальным расположением четырех шахтных амбразур. В амбразуру встроены сопла вторичного воздуха, внутри которых размещаются газовые сопла.
Концентрация NОx до реконструкции составляла: при сжигании природного газа – 300–390, подмосковного угля – 1025 мг/м3.
При полностью открытых шиберах, т. е. при расчетной схеме упрощенного трехступенчатого сжигания концентрация NОx в дымовых газах составляла: при сжигании газа – 74–90, угля – 450–480 мг/м3.
При этом котел работал устойчиво, химический и механический недожоги оставались примерно на том же уровне, что и до внедрения новой технологии сжигания.
Вторая группа опытов была проведена при открытии шиберов третичного воздуха на 50 %. В этих опытах при сжигании газа концентрация NОx снизилась до 185, при сжигании угля – до 580 мг/м3.
Снижение выбросов оксида азота примерно в 1,5 раза, достигнутое при внедрении упрощенного метода трехступенчатого сжигания, конечно, нельзя назвать выдающимся достижением, но и затраты на реализацию этого мероприятия лишь незначительно увеличивали обычные затраты при проведении капитального ремонта котла.
Затраты на относительно сложную реконструкцию при реализации классической схемы трехступенчатого сжигания окупались достигнутым результатом: если до начала работ по модернизации системы сжигания концентрация NOx в дымовых газах за котлом составляла 1100–1200 мг/м3, то после внедрения метода трехступенчатого сжигания – только 500–570 мг/м3, а при тщательной настройке режима, обеспечивающей проектные параметры по котлу, – даже 400 мг/м3.
Следует отметить, что эксплуатационные характеристики котла и его экономичность после перехода на схему трехступенчатого сжигания остались, практически, на прежнем уровне.
На Красноярской ТЭЦ-3для котла Еп-670-13,8-545БТ (модель ТПЕ-216) на основании технических предложений НПО ЦКТИ были разработаны мероприятия по внедрению трехступенчатого сжигания с целью значительного снижения оксидов азота.
Сущность предлагаемой ЦКТИ схемы ступенчатого сжигания заключается в следующем: на реконструируемом котле устанавливаются 18 основных пылеугольных горелок, в которые подаётся 85 % бурого канско-ачинского угля. Скорость аэросмеси на выходе из горелок составляет 14,9 м/с, при этом скорость вторичного воздуха составляет 31,4 м/с. Аэросмесь подаётся в горелку одним пылепроводом, а в горелке делится на верхний и нижний сопла аэросмеси, каждый из которых разделён вертикальной перегородкой на две равные части. Вторичный воздух подается в горелку одним воздуховодом, а в горелке проходит через завихритель, установленный в её центральной части и являющийся стабилизатором для растопочного мазутного факела, и прямоточный воздух, проходящий в щели между корпусом горелки и загромождениями внутри горелки (сопла аэросмеси, завихритель).
Сжигание 85 % топлива с избытком воздуха 1,03 в основных горелках позволит обеспечить высокую степень выгорания угольной пыли в зоне активного горения с уменьшенной опасностью шлакования топочных экранов в этой зоне и более низким образованием оксидов азота за счет малых избытков воздуха в горелках, которые составляют величину менее 1,0.
Над верхним ярусом основных пылеугольных горелок на отметке +29,250 организована вторая ступень сжигания канско-ачинского угля в виде дополнительных пылеугольных горелок, через которые подаётся 15 % топлива и 20 % воздуха от его общего расхода на котёл. Скорость аэросмеси на выходе из дополнительных горелок составляет 25 м/с. Ввод топлива второй ступени с избытком воздуха менее 1,0 способствует образованию восстановительной зоны выше основных горелок, что в свою очередь позволит значительно снизить выбросы оксидов азота.
Учитывая, что в восстановительной зоне создаются благоприятные условия для шлакования топочных экранов, над дополнительными горелками второй ступени устанавливаются четыре сопла промежуточного дутья по тангенциальной схеме. Выше этих сопел на отметке +36.100 расположены шесть сопел верхнего дутья.
Кроме вышеизложенного в основных горелках предусмотрено разделение потоков угольной пыли между соплами каждой горелки в отношении 70 и 30 % с равномерным распределением сушильного агента между соплами. Организуется так называемое концентрическое сжигание. Установка таких горелок, позволит дополнительно снизить выбросы оксидов азота и уменьшить опасность шлакование экранов топки в зоне горелок.
Внедрение вышеизложенной схемы сжигания позволит, по мнению специалистов ЦКТИ, обеспечить после проведения наладки котла уровень выбросов оксидов азота не более 225 мг/м3.