1

Экологическая опасность NO 2 в несколько раз превосходит NO. Это газ красно-бурого цвета с удушливым и резким, раздражающим запахом, хорошо растворяется в воде образуя красно-бурую жидкость, которая при температуре -10,2 о С твердеет и образует бесцветные кристаллы. Диоксид азота отрицательно влияет на здоровье людей, поражается дыхательная система, легкие. Крайне опасным для жизни может оказаться даже временное вдыхание воздуха с концентрацией диоксида азота мг/м 3. Большую опасность для живых организмов представляет образование ещё более вредных, канцерогенных веществ в реакциях с участием NO 2. 2

3

Диоксид азота обладает высокой поглощательной способностью в ультрафиолетовой области спектра. При наличии в воздухе других загрязняющих ингредиентов, например, углеводородов, вступает с ними в реакцию с образованием смога. Кроме того, оксиды азота с водяными парами образуют «кислотные дожди», которые наносят большой ущерб водным и лесным экосистемам и сельскохозяйственным угодьям. 4

5 * - только для котлов с твердым шлакоудалением с настенными и тангенциальными горелками; другие нормативы в стадии утверждения

6 Загрязнитель Япония ГерманияФранцияСША Россия (для вновь вводимых котлов) До 2001 гc 2001 г Твердые частицы Оксиды серы Оксиды азота Уголь Мазут Газ

7 В дымовых газах на выходе из топки котла оксиды азота присутствуют в виде: причем 95 – 97 % составляют Однако при температурах ниже 700 о С происходит доокисление Этот процесс в основном происходит в шлейфе дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу. Степень трансформации в зависит в основном от концентрации озона в приземном слое атмосферы и при интенсивном турбулентном перемешивании идет по реакции.

Газы атмосферы Содержание, об.% Газы атмосферы Содержание, об.% Азот, N 2 78,09Криптон, Kr10 -4 Кислород, O 2 20,95Водород, H Аргон, Ar0,93 Полуоксид, N 2 O Углекислота, CO 2 0,03Ксенон, Xe Неон, Ne Озон, O Гелий, He5, Рений, Rn

образование «термических» (воздушные) из молекулярного азота воздуха при температуре выше 1800 о К (механизм Зельдовича); образование «топливных» из связанного азота, содержащегося в топливе; образование небольшого количества «быстрых» путем реакции молекулярного азота воздуха с углеводородными радикалами (механизм Фенимора). 9

Зависимость образования оксидов азота от температуры при сжигании органического топлива 10

11 Скорость образование термических окислов азота экспоненциально зависит от температуры и содержания кислорода в степени 0,5. Процесс обратимый, протекает по цепному механизму с образованием свободных атомов кислорода воздуха и азота. Итоговую реакцию можно записать в виде: При низкотемпературном сжигании топлива, когда максимальная температура не превышает 1500 о С, термические можно вообще не учитывать ввиду их малости. Такое положение характерно для пылеугольных топок с прямым сжиганием влажного бурого угля, при высокой доле рециркуляции газов, подаваемых через горелки, или при высоком коэффициенте избытка воздуха в топочной камере. КДж.

12 Образование топливных оксидов азота осуществляется в два этапа: на начальном участке факела происходит газификация капель мазута или угольных частиц с выделением летучих азотсодержащих соединений (радикалов R) типа а затем частичное окисление этих соединений по реакции: Топливные оксиды азота образуются параллельно с горением топлива в основной зоне горения за промежуток времени меньший, чем время горения топлива. Процесс образования из азота топлива происходит уже при относительно низких температурах ºС. Зависит от содержания азота в топливе.

13 «Быстрые» образуются на начальном участке факела в зоне разогрева топливо- воздушной смеси. Здесь определяющим является присутствие радикалов, образующихся при термическом разложении топлив в результате аномально быстрых реакций молекулярного азота с углеводородами, содержащимися в топливе Эти реакции активно протекают уже при температуре 1300 ºС, когда образование термических еще не происходит. Концентрация «быстрых» растет при увеличении избытка воздуха и температуры

14 Образование оксидов азота при сжигании различных топлив

Температура в зоне горения топлива Коэффициент избытка воздуха Время пребывания компонентов в зоне высоких температур 15

Предтопочные Подогрев пыли до температуры 850 o С - встроенная система подогрева высококонцентрированной пыли (ВСП), разработанная Уралтехэнерго. Подача высококонцентрированной пыли (ПВК) в топку котлов при расходе первичного воздуха = 0,5 - 1,0 % от теоретически необходимого расхода воздуха. 16

Одним их наиболее эффективных средств подавления топливных оксидов азота является предварительный подогрев угольной пыли до температуры, при которой начинается активный выход летучих. Если этот процесс организовать до поступления топлива в топку и при существенном недостатке окислителя ( ), то большая часть азотосодержащих компонентов переходит в молекулярный азот. В результате концентрация в продуктах сгорания снижается в 25 раз, а процесс горения коксовых частиц в факеле начинается на более ранней стадии, что снижает содержание горючих в уносе. Опыты, проведенные в ВТИ на экспериментальной установке, показали, что для достижения значительного снижения требуется подогрев до достаточно высокой (критической) температуры, зависящей от свойств углей. Так для тощих углей требуется подогрев на 200 о С выше, чем для пыли бурых углей. В настоящее время ведутся работы по разработке пылеугольных горелочных устройств нового типа. 17

Схема системы пылеприготовления с установкой высокотемпературного подогрева угольной пыли: 1 – бункер сырого угля; 2 – газовая сушилка; 3 – питатель сырого угля; 4 – мельница-вентилятор; 5 – пыле концентратор; 6 – пыле подогреватель; 7 – горелки; 8 – топка 18

19 Снижение выбросов оксидов азота

20 Уменьшение коэффициента избытка воздуха а – при сжигании угля б – при сжигании мазута

21 Достоинства: не требуется каких-либо дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат, а все расходы на его внедрение сводятся к стоимости режимно-наладочных испытаний котла. Недостатки: снижение избытков воздуха возможно лишь до тех пор, пока это не приводит к интенсивному росту продуктов неполного сгорания. Уменьшение ниже определенного критического значения приводит к резкому увеличению химического недожога и возрастанию содержания монооксида углерода, сажи и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), в частности бенз(а)пирена. Кроме этого происходит увеличение содержания горючих в уносе, возрастает интенсивность шлакования поверхностей нагрева и высокотемпературной коррозии экранов. Поэтому при переходе на работу с малыми избытками воздуха рабочие избытки воздуха принимаются несколько выше критических значений.

22 Рециркулирующие дымовые газы, вводимые в ядро факела, могут воздействовать на образование По различным направлениям: разделяет топливо и окислитель, что тормозит смесеобразование; обедняя окислитель за счет снижения концентрации кислорода; снижая температурный уровень топочного процесса. Существует несколько способов ввода газов рециркуляции в топку: в под (нижнюю часть) топки; в шлицы под горелками; непосредственно в горелочное устройства в один из воздушных потоков или между потоками воздуха; в горелку в поток топлив; в воздухопровод горячего воздуха. При сжигании природного газа наибольшее снижение выхода оксидов азота наблюдается при вводе газов рециркуляции непосредственно в топливо. Рециркуляция продуктов сгорания

Принципиальная схема рециркуляции дымовых газов котла с использованием дымососов рециркуляции газов: ДРГ – дымосос рециркуляции газов; ДВ – дутьевой вентилятор; ДС – дымосос; РВП – регенеративный воздухоподогреватель, СК – смесительная камера Рециркуляция дымовых газов (три варианта отбора рециркулируемых газов) Эффективность 40-70% при сжигании природного газа 40-60% при сжигании мазута. 23

24 Недостатками первого способа является высокая стоимость (ДРГ), повышенные энергозатраты на привод (ДРГ) и затраты на его техническое обслуживание в связи с повышенными температурами газов рециркуляции. Второй способ реализует отбор газов на рециркуляцию из газохода после РВП. Из-за меньших температур газов (обычно 130–160°С) затраты на обслуживание (ДРГ) и стоимость самого (ДРГ) меньше по сравнению с первым способом. Недостатками данной схемы являются длинные газоходы, дополнительная нагрузка на (ДС). Третий способ организации рециркуляции газов заключается в устройстве перемычки между газоходом непосредственно за дымососом (ДС) и воздухопроводом перед дутьевым вентилятором. В этом случае дымовые газы с выхлопа дымососа (с избыточным давлением) самотеком поступают на вас дутьевого вентилятора (находящегося под разрежением). Количество рециркулирующих газов регулируется с помощью шибера, установленного на перемычке. Данный способ отличается самыми короткими газоходами и отсутствием (ДРГ), ввиду чего он намного дешевле остальных.

25 Недостатками упрощенной схемы является ограничение максимальной степени рециркуляции, которая, как правило, не превышает (определяется запасом производительности тягодутьевых машин), возможность усиления коррозии и заноса воздухоподогревателя отложениями при сжигании мазута, дополнительная нагрузка (ДВ) и (ДС). Эффект снижения выхода оксидов азота при организации рециркуляции газов несколько выше при сжигании природного газа, чем при сжигании мазута. В настоящее время большинство действующих и все новые газомазутные котлы имеют рециркуляцию в качестве эффективного внутри топочного мероприятия. % К достоинствам такой упрощенной схемы следует также отнести хорошее перемешивание продуктов сгорания с воздухом в дутьевом вентиляторе.

Схемы разбаланса подачи топлива и газа в топку котла: а) воздушный; б) топливный; в) комбинированный Нестехиометрическое сжигание топлива Двухстадийное сжигание Нижний ярус горелок: топливо-60%; воздух – a=0,95 Верхний ярус горелок: топливо-40%; воздух – a=1 3-й ярус - через сопла - третичное дутье - чистый воздух 26

27 Воздушный разбаланс осуществляется перераспределением подачи воздуха по горелочным устройствам путем частичного прикрытия воздушных шиберов перед частью горелок при равномерной раздаче топлива. Частичное закрытие индивидуальных воздушных шиберов перед соответствующими горелками обеспечивает переток дополнительного количества воздуха на остальные горелочные устройства, воздушные шибера перед которыми остаются полностью открытыми. При этом общий расход воздуха на котел остается неизменным, что можно контролировать по содержанию кислорода в дымовых газах за топкой. Данный способ разбаланса является достаточно универсальным и может быть использован при нестехиометрическом сжигании любых топлив, а также при их совместном сжигании. Реализация его проста и требует лишь предварительной проверки работы исполнительного механизма привода воздушных шиберов. Изменение нагрузки котла в этом случае осуществляется путем регулирования подачи топлива на котел и давления воздуха в общем коробе.

28 Топливный разбаланс осуществляется перераспределением подачи топлива в горелки при равномерной раздаче воздуха по всем горелочным устройствам. Для этого все воздушные шибера перед горелками полностью открыты. Данный вид разбаланса рекомендуется при нестехиометрическом сжигании природного газа и в отдельных случаях при сжигании угля. При этом характер аэродинамики топки, условия воспламенения и выгорания топлива практически не изменяются. При нестехиометрическом сжигании мазута топливный разбаланс не рекомендуется из-за ухудшения качества распыла и сепарации раскаленных капель мазута из воздушного потока, что приводит к появлению химического недожога и загрязнению поверхностей нагрева в газоходах котла.

29 Комбинированный способ разбаланса, заключается в одновременном перераспределении и воздуха, и топлива по горелочным устройствам с целью создания в топочной камере ярко выраженных восстановительных и окислительных зон горения. Для этого через одни горелки обеспечивается пониженный расход топлива, а через другие - пониженный расход воздуха. Комбинированный разбаланс может быть рекомендован в тех случаях, когда простым перераспределением по горелкам или топлива, или воздуха не удается обеспечить оптимальные величины избытков воздуха в окислительных и восстановительных зонах горения. Этот способ разбаланса топливовоздушного соотношения рекомендуется для нестехиометрического сжигания природного газа, углей, а также при совместном сжигании разных видов топлива. Наиболее эффективно Тангенциальное расположение горелок образующих центральный вихрь в центре топки.

На действующих котлах концентрическая система сжигания может быть организована путем реконструкции. Так на котле ПК-40 с жидким шлакоудалением (Беловская ГРЭС) со встречной компоновкой прямоточных горелок реконструкция была проведена путем переориентировки осей горелок с различным отклонением потоков аэросмеси и вторичного воздуха от стенки топки. Достигнуто уменьшение выхода 30 на 50–60 %.

31

32

33 Котел ТопливоВыбросы, мг/м 3 Снижение выбросов, % При обычном сжигании При стехио- метрическом сжигании ПТВМ-100Мазут, газ ТГМЕ-464Газ--30 БКЗ ГММазут ТГМ-151Газ ТГМЕ-94Газ--50 ТГМ-84БГаз мазут газ/мазут ТГМЕ-206Газ Мазут БКЗ-75-35ГММазут БКЗ-420_140НГМГаз ТП-230-2Газ--25 Газ ПК-24Черемховский уголь ЦКТИ-75-39ФКизеловский уголь

Эффективность подавления образования оксидов азота при нестехиометрическом сжигании топлив существенно зависит от режимных условий. При сжигании природного газа минимальный выход оксидов азота наблюдается при избытках воздуха соответственно в восстановительной и окислительной зонах, равных 0,75 и 1,35, сжигании мазута восстановительной зоне - 0,8– 0,85 и в окислительной -1,3–1,25. 34

35

Основная идея этого внутри топочного мероприятия заключается в том, чтобы, наряду с подавлением образования оксидов азота на начальной стадии горения, создать далее по факелу условия для их восстановления до молекулярного азота За рубежом данное технологическое мероприятие известно под названием Reburning Technology. С этой целью при трехступенчатом сжигании основное количество топлива (7590 %) сжигается в нижней части топки (первая ступень) с пониженными избытками воздуха, близкими к стехиометрическому значению (для газа и мазута для твердых топлив). 36

Это подавляет образование топливных и термических оксидов азота в данной зоне. Выше основных горелочных устройств в топке устанавливаются дополнительные горелки, через которые подается остальная часть топлива (10–25 %) с недостатком воздуха. Избытки воздуха в этих горелках выбираются таким образом, чтобы в результате смешения с продуктами сгорания из первой ступени в данной промежуточной зоне (вторая ступень) суммарные избытки воздуха были ниже стехиометрических (обычно ). В такой восстановительной газовой среде происходит не только подавление образования топливных и термических, но и активное реагирование (восстановление) оксидов азота из первой ступени с углеводородными и азотсодержащими радикалами с образованием молекулярного азота в цепных реакциях. 37

Еще выше, над восстановительной зоной устанавливаются сопла подачи воздуха для организации зоны дожигания (третья ступень) с традиционными для сжигаемого топлива избытками. Таким образом, объем топочной камеры делится по высоте на зону первичного горения топлива, поступающего через основные горелки, зону вторичного горения и восстановления оксидов азота и третичную зону дожигания продуктов неполного горения из второй зоны. 38

Практическая реализация метода трехступенчатого сжигания в топках котлов возможна лишь при наличии нескольких ярусов горелок. При этом их расположение на стенах топочной камеры (встречное, одностороннее, тангенциальное) не является определяющим фактором. В отличие от двух­ступенчатого данный метод нетрадиционного сжигания представляется более перспективным для использования на котлах с жидким шлакоудалением по условиям выхода жидкого шлака и при сжигании высокосернистых топлив по условиям обеспечения минимальной газовой коррозии экранных труб. В то же время трехступенчатое сжигание может применяться и в топках с твердым шлакоудалением 39

Для усиления эффективности снижения выбросов оксидов азота и уменьшения недожога топлива на пылеугольных котлах при реализации трехступенчатого сжигания во вторую (восстановительную) ступень вместо твердого топлива подается природный газ в количестве 10–25 % по теплу. При его сжигании в восстановительной зоне с недостатком воздуха образуется большее количество углеводородных радикалов чем при сжигании угля. Поэтому реакции восстановления в этом случае протекают заметно активнее. В эти же горелки вместе с воздухом подаются газы рециркуляции в количестве %. 40

41

Дополнительный эффект при трехступенчатом сжигании разных видов топлива дает использование в первичной зоне горения современных малотоксичных горелочных устройств. При таком сочетании концентрации оксидов азота в уходящих газах снижаются на 75–80 %. Классическая схема трехступенчатого сжигания внедрена на котле ТПП-312 блока 300 МВт Ладыженской ГРЭС. Основные пыле­угольные вихревые горелки расположены встречно на фронтовом и заднем экранах топки котла в два яруса (по 8 горелок в каждом ярусе). В дополнительных прямоточных горелках сжигается природный газ в количестве 15–20 % по теплу. Данные горелки расположены встречно над основными с небольшим наклоном вниз. Сопла третичного воздуха размещены выше дополнительных горелок на тех же стенах топочной камеры. Кроме этого для предотвращения шлакования ширм в районе аэродинамического выступа дополнительно через сопло вводились газы рециркуляции. 42

После внедрения трехступенчатого сжигания концентрация в дымовых газах (при стандартных условиях) была снижена с 1100–1200 до 500–570 мг/м 3, а при тщательной настройке режима - даже до 400 мг/м 3, т. е. примерно на 65 %. Проведенные испытания показали, что реконструкция не уменьшила надежность и экономичность работы котла. Разработан проект реализации трехступенчатого сжигания на котлах данного типа с использованием для создания восстановительной зоны пыли более тонкого помола. 43

44 Основными преимуществами технологии трехступенчатого сжигания являются ее универсальность по топливу, возможность внедрения на котлах даже при сжигании высокосернистых топлив, высокая эффективность снижения выбросов оксидов азота, составляющая в зависимости от условий реализации 40–75 %. К недостаткам способа следует отнести его сложность, как правило значительный объем реконструкции при внедрении и связанные с этим довольно большие капитальные затраты, а также некоторое увеличение недожога топлива.

45 Схемы образования восстановительных зон при различных способах сжигания топлива: а) – нестехиометрическое; б) – трехступенчатое; в) - концентрическое

46 МАЛОТОКСИЧНЫЕ ГОРЕЛКИ Экологический эффект достигается: при сжигании угля - за счет выделения основной массы связанного азота топлива в среде, обедненной окислителем, и снижения образования топливных NO; при сжигании газа - за счет снижения температурного уровня процесса при рассредоточении тепловыделения по высоте топочной камеры и соответствующего уменьшения образования термических (воздушных) NO. 1 – первичный воздух; 2 – пылевоздушная смесь; 3 – вторичный воздух; 4 – третичный воздух (α – избыток воздуха )

Принцип работы такой горелки заключается в следующем. В ядро факела подается количество воздуха, недостаточное для обеспечения полноты горения (кислородный «голод»), в то время как во внешнюю зону горения подается избыточное количество воздуха, чтобы обеспечить полноту сгорания топлива. Кроме того, конструкция горелки позволяет поддерживать рециркуляцию воздуха внутри зоны горения. Применение этих горелок дает возможность снизить выбросы оксидов азота от 50 % для угольных котлов до 60 % для газомазутных котлов, не ухудшая технико-экономические показатели котла. 47

Впрыск влаги в виде воды или водяного пара подавляет в основном образование термических оксидов азота и в значительно меньшей степени влияет на выход топливных. Поэтому впрыск влаги используется в виде природоохранного мероприятия только при сжигании газа и мазута. Подавление образования происходит в результате снижения температуры в зоне горения топлива и разбавления действующих концентраций реагентов. Причем первый фактор имеет превалирующее влияние на уменьшение образования оксидов азота. Поэтому для достижения наилучшего эффекта впрыск влаги следует осуществлять непосредственно в ядро горения (так называемый локальный дозированный впрыск). 48

техническая вода; насыщенный пар; вода непрерывной продувки; пар промежуточных отборов; замазученные воды. Данный метод в основном рекомендуется использовать на ТЭС как кратковременное мероприятие в период неблагоприятных метеорологических условий (НМУ) или для термической переработки загрязненных вод. 49

50 Тип котла Топливо, %Снижение выбросов, % ТГМП-314ЦМазут 6, БКЗ ГМ Мазут ТГМ-84Газ,мазут 10,025 ТГМ-94Газ 8,020

Достоинством метода являются небольшие конструктивные и эксплуатационные затраты, а также его простота и легкость автоматизации. Подача влаги осуществляется через форсунки, которые, как правило, устанавливаются в горелочных устройствах, для этого часто используют паровые каналы мазутных форсунок. К недостаткам можно отнести существенное снижение кпд котла (0,51,3 %) за счет потерь с уходящими газами и повышение интенсивности низкотемпературных сернокислотной и кислородной коррозии поверхностей нагрева. Последнее существенно уменьшает сроки службы (РВП) и газоходов. Кроме этого, в ряде случаев отмечается увеличение гидравлического сопротивления газового тракта. 51

52

при сжигании топлив в топках котлов, как правило, применяют комбинации первичных методов. На газомазутных котлах чаще всего используют следующие комбинации первичных мероприятий: сочетание ступенчатого сжигания топлив с рециркуляцией дымовых газов; установку полуподовых горелок в сочетании со ступенчатым сжиганием и с рециркуляцией дымовых газов и др. 53

54 Метод подавления Тип и произ- водительность котла ( ),т/ч Топливо Содержание, мг/м 3 (при ) ТЭС, ГРЭС, на которых внедрены мероприятия по подавлению до внедрения после внедрения Использование горелок с пониженным выходом и с рециркуляцией дымовых газов ТМ-104; (670) Газ Мазут Шатурская ГРЭС, Двухступенчатое сжигание топлива ТГМ-84; (420) Газ Мазут ТЭЦ-9 ОАО «Мосэнерго» Трехступенчатое сжигание топлива ТГМ-96Б; (480) Газ Мазут ТЭЦ-8 «Мосэнерго», Северская ТЭЦ Ленэнерго Многоступенчатое сжигание, рециркуляция дымовых газов на вас дутьевых вентиляторов ( %), ТГМ-96Б; (480) Газ 47030ТЭЦ-8 «Мосэнерго» Двухступенчатое сжигание, рециркуляц. дымовых газов, 10%- ный впрыск воды в горелки ТГМП-204; (2500) газ Сургутская ГРЭС Рециркуляция дымовых газов в воздуховод перед горелками КВГМ-180; Водорейн. Газ Мазут ТЭЦ-21, 23 и 25 ОАО «Мосэнерго»

55 Метод подавления Тип и произ- водительность котла ( ),т/ч Топливо Содержание, мг/м 3 (при ) ТЭС, ГРЭС, на которых внедрены мероприятия по подавлению до внедрения после внедрения Рециркуляция дымовых газов ( %), ступенчатое сжигание топлива ТГМП-344; (950) Газ Мазут ТЭЦ-26 «Мосэнерго» Использование подовых горелок, рециркуляция дымовых газов, ступенчатое сжигание ТГМП-344; (950) Газ Мазут ТЭЦ-25 ОАО «Мосэнерго» Трехступенчатое сжигание и подача рециркулирующих газов в горелки ПК-33; (640) газ 30090Щекинская ГРЭС Рециркуляция дымовых газов %), прямоточные горелки, малые избытки воздуха ПК-41; (475) Мазут Кармановская ГРЭС Ступенчатое сжигание с перераспределением топлива по ярусам, рециркуляция дымовых газов ТГМП-1202; (3950) Газ Костромская ГРЭС котел блока 1200 МВт Ввод рециркулирующих газов на вас дутьевых вентиляторов ТГМ-84; (420) Газ Ново-Рязанская ТЭЦ Малотаксичные горелки, ступенчатое сжигание топлива ТГМ-114; (475) Газ мазут Среднеуральская ГРЭС

56 Метод подавления Производит. котла, т/ч Уголь, способ шлакоудаления Содержание, мг/м 3 (при ) Котел, ТЭС, на которых реализовано мероприятие исходное состояние после реализац. мероприятия Двухступенчатое сжигание топлива 210Кузнецкий Г промпродукт ТШУ БКЗ Ф; Западно- Сибирская ТЭЦ Ступенчатое сжигание топлива 170Донецкий тощий; ЖШУ Котел ТП-170; Ярославская ТЭЦ-2 Трехступенчатое сжигание с использованием 12 % газа 950Донецкий Г, Д; ЖШУ Котел ТПП-312; Ладыженской ГРЭС Схема трехступенчатого сжигания с горелками концентрического сжигания 420Азейский; ТШУ Котел ТП-85; Иркутской ТЭЦ-9 Горелками концентрического сжигания топлива, ступенчатый ввод воздуха 270Смесь азейского Б и черем-ховского каменного Котел ПК-24-82СП; Иркутская ТЭЦ-10 Подача пыли высокой концентрации в горелки 475Экибастузский; ТШУ Котел ПК-39; Троицкая ГРЭС Предварительный подогрев угольной пыли 420Тощий; ЖШУ Котел ТП-87; Ижевская ТЭЦ-2 Двухступенчатое сжигание топлива 220Кузнецкий Г; ТШУ Котел БКЗ ; Кузнецкая ТЭЦ Упрощенное трехступенчатое сжигание 187Подмосковный бурый; ТШУ Котел ТП-230; Ступинская ТЭЦ

на котлах, в которых сжигается газ, можно при использовании первичных мероприятий получить концентрации оксидов азота, приближающиеся к требуемым для экологически безопасных ТЭС ( мг/м 3 ); на котлах, в которых сжигаются мазут и твердое топливо, для получения экологически безопасных показателей выбросов NOx необходимо использование вторичных мероприятий. 57

Снижение выхода оксидов азота вследствие снижения максимальной температуры возможно за счет организации интенсивного охлаждения зоны активного горения путем введения в нее дополнительных поверхностей нагрева, например двусветных экранов. Двусветные экраны являются эффективным методом снижения выбросов оксидов азота при реконструкции барабанных котлов с прямоугольным сечением топки. При относительно небольших капитальных затратах включение дополнительной экранной поверхности существенно снижает теплонапряжение лучевоспринимающей поверхности и уменьшает выход на 20–40 %. Исследования, проведенные на котлах ТГМ-84 и ТГМ-94 паропроизводительностью 420 т/ч, показали, что при близких значениях тепловых напряжений топочного объема и одинаковой (однофронтальной) компоновке горелок при равных избытках воздуха, концентрация в газах за котлом ТГМ-84, который имеет двусветный экран, почти в 2 раза ниже, чем за котлом ТГМ-94, в котором двусветного экрана нет. 58

Селективное некаталитическое восстановление NОx до молекулярного азота (снижение NОx до 40-60%). Селективное каталитическое восстановление «горячая» схема (снижение NОx до 40-90%). Селективное каталитическое восстановление «холодная» схема. Озонный метод очистки дымовых газов от SO 2 и NO 2 (снижение NОx до 85-90%). Радиационно-химическое доокисление SO 2 и NO 2 («сухой метод» с применением аммиака, снижение NОx до 90%). Радиационно-химическое доокисление SO 2 и NO 2 («мокрый метод» с нейтрализацией). 59

Некаталитические системы проще, а их эффективность достаточно высока: выбросы оксидов азота снижаются на 4060 %. Аммиак (аммиачная вода, карбамид) вводится в высокотемпературную ( ºС) область газохода котла с газами рециркуляции, воздухом или паром. Сочетание технологических методов подавления оксидов азота с методом СНКВ при сжигании угля позволяет снизить концентрации оксидов азота в дымовых газах до 300 мг/м 3. По технологии СНКВ в мире эксплуатируется более 20 установок в Западной Европе, свыше 100 в США. В России метод СНКВ был внедрен на Тольяттинской ТЭЦ (АО «Самараэнерго»), затем на котле ТП-81 Чайковской ГРЭС («Пермьэнерго»). 60

ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПУТЕМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ NO ДО МОЛЕКУЛЯРНОГО N 2 (СНКВ) Принципиальная технологическая схема (СНКВ) установки на Тольяттинской ТЭЦ 1 – устройство для впрыска аммиака в газоход; 2 – раздающие трубы; 3 – коллектор; 4 – смеситель; 5 – ёмкость для хранения аммиака; 6 – насос-дозатор 61

Стационарная емкость 5 для хранения аммиачной воды, обеспечивает непрерывную работу в течение 10–20 дней, два (один резервный) насоса-дозатора 6 для подачи аммиачной воды в смеситель 4, в котором происходит испарение аммиачной воды. Смесь аммиака с паром после смесителя поступает в устройство впрыска в газоход 1, в зону температур о С. Пар подается через коллектор 3 в количестве необходимом для охлаждения сопел и раздающих труб 2 до температур, обеспечивающих заданный ресурс их эксплуатации, а также достаточном для раздачи аммиака по сечению газохода. Эффективность очистки газов от на установке составила 50 %. 62

63 Температурный диапазон процесса восстановления NO oC, эффектирность 20 – 50 %. СЕЛЕКТИВНОЕ НЕ КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ NO

невозможно обеспечить оптимальную температуру дымовых газов по всему сечению газохода; невозможно предотвратить изменение температуры в реакционной зоне при изменении нагрузки котла; недостаточна протяженность реакционной зоны для обеспечения необходимого времени протекания реакции; невозможно распределить аммиак по сечению газохода так, чтобы везде соотношение NН 3 / NOx было близко к оптимальному. При превышении температуры газов свыше 1100 ºС возможно протекание реакции в результате которой ввод аммиака увеличивает содержание NOx в дымовых газах. 64

При температуре газов ниже 950 о С скорость реакции взаимодействия падает и происходит проскок аммиака, который сам является токсичным газом. Кроме того, при понижении температуры газов до 210–220 о С (область воздухоподогревателей) происходит взаимодействие аммиака с водяными парами и c образованием кристаллического бисульфата аммония. 65

В системах (СКВ) восстановление оксидов азота аммиаком происходит на поверхности гетерогенного катализатора в присутствии кислорода при температурах о С. Реакции с монооксидом азота имеют вид: (его не более 5 %) вступает с аммиаком в несколько иные реакции: Присутствующий в уходящих газах котла диоксид азота При температурах дымовых газов ниже 340ºС увеличивается интенсивность нежелательных реакций при этом увеличивается расход аммиака. При температуре 450 ºС и выше возникает опасность значительного снижения эффективности работы катализатора. 66

Зависимость степени очистки дымовых газов от оксидов азота СКВ и СНКВ-установками от температуры дымовых газов (α – мольное соотношение NH 3 и NO х ) Если на СКВ-установке степень очистки 90 % достигается при мольном соотношении т.е. аммиак дозируется в недостаточном количестве, то на СНКВ-установке та же эффективность достигается при мольном соотношении и равном 2,5, т.е. при большом избытке аммиака. 67

высокая активность восстановления в широком диапазоне температур; высокая избирательность (селективность) по низкая активность реакций с оксидами серы; устойчивость против истирания твердыми частицами и отравления катализатора; длительный ресурс. Этим требованиям отвечают следующие материалы: оксиды титана, алюминия или кремния в пористом виде; смеси оксидов ванадия, молибдена, вольфрама, а также ряда других металлов. 68

СКВ-установка «горячая» - работает в зоне температур газа около 350 ºС. Располагается такая установка в газовый тракт котла перед воздухоподогревателем за водяным экономайзером СКВ-установка «холодная» включается после электрофильтра и сероочистки Наиболее эффективным и проверенным методом очистки дымовых гaзов от NОx на сегодняшний день является селективное каталитическое восстановление NОx аммиаком на оксидных ванадий-титановых катализаторах. 69

СХЕМЫ СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ NO Эффективность 80 – 95 % Схема «горячей» СКВ-установки (350 0 С) 70

Достоинством «горячей» СКВ-установки является то, что дымовые газы на входе в каталитический реактор имеют температуру, оптимальную для эффективного восстановления и дополнительный подогрев дымовых газов перед реактором не требуется. Недостатки: образующиеся кристаллы сульфат и бисульфат аммония «отравляют» катализатор и забивают регенеративный воздухоподогреватель (РВП). В связи с этим требуется увеличивать число промывок (РВП), возрастает объем обмывочных сточных вод, снижается число часов использования установленной мощности блока. 71

72 Схема «холодной» СКВ-установки

Концентрация в очищенных дымовых газах может составлять примерно 0,60,7 мг/м 3. Время эффективной работы катализатора составляет в среднем 23 года на угле, 5 лет на мазуте и 7 лет при работе ТЭС на природном газе 73

В схеме «холодной» СКВ-установки расположенной после золо- и сероочистки содержание в уходящих газах меньше. Значительно уменьшается опасность загрязнения катализатора и (РВП) твердыми частицами и отложениями сульфат и бисульфат аммония. За счет более эффективного использования катализатора уменьшается объем катализатора. Поскольку для эффективной работы реактора требуется температура дымовых газов около 350 ºС, уходящие газы перед реактором следует подогревать. Так как регенеративного подогрева газа в этом случае недостаточно, приходится использовать дополнительный подогрев сжигание мазута или природного газа или обеспечивать подогрев в теплообменнике паром при повышенных параметрах. 74

75

По технологии СКВ в мире работают более 300 установок, в России - 2 установки на ТЭЦ-27 ОАО «Мосэнерго». Общая доля установок селективного каталитического восстановления NО X в дымовых газах в Японии и США оценивается в 65 % (от общего числа установок очистки от NO X ) В Японии в 1985 году общая численность установок денитрации газов составляла более 200 на ТЭС общей мощностью МВт. Это позволило уменьшить выброс NО X в атмосферу с 2 до 1,3 млн.т. В Германии в 1988 году эксплуатировалась 131 установка очистки дымовых газов от NО X. При этом в 93-ех %-ах из них использовался аммиачно-каталитический метод (SСR). В настоящее время эквивалентная мощность всех заказанных в Германии установок каталитической очистки от оксидов азота различными фирмами (Deutsche Babcock, Siemens, BASF, Steinmuller и др.) составляет около МВт. Примерный объем заказанного катализатора составляет 10 тыс. тонн. 76

Для снижения выбросов оксидов азота на котле реализован ряд технологических мероприятий. При работе на угле предусмотрено трёхступенчатое сжигание с reburning-процессом, в котором в качестве восстановительного топлива используется природный газ, и с системой подачи пыли высокой концентрации. В конструкции горелок применён принцип двухступенчатого сжигания топлива. При работе котла на газе используется двухступенчатое сжигание и рециркуляция дымовых газов в тракт вторичного воздуха. 77

Исходным сырьём для получения восстановительной смеси является твёрдый гранулированный карбамид. поступающий из бункеров хранения 1 при помощи винтовых питателей 2 в баки приготовления раствора карбамида 3. Из баков 3 раствор карбамида перекачивается насосом 4 в расходный бак 5, откуда насос-дозатор 6 подаёт раствор карбамида в смеситель 7. где происходит образование парогазовой восстановительной смеси получаемой в результате термической деструкции водного раствора карбамида перегретым паром. Восстановительная смесь вводится в поток дымовых газов через две распределительные решётки 8, размещённые в газоходах второй ступени ширмовых пароперегревателей корпусов котла. где и протекает процесс восстановления оксидов азота. 78

1- хранилище твёрдого карбамида: 2 винтовой питатель; 3 бак для приготовления раствора; 4 - перекачивающий насос; 5 - расходный бак; 6 - насос-дозатор; 7 смеситель; 8 - распределительная решётка. 79

Однако применением только технологических мероприятий можно обеспечить снижение содержания оксидов азота в дымовых газах при сжигании угля примерно до 800 мг/м 3, что превышает установленные ГОСТ Р нормативы - не более 570 мг/м 3. Для соблюдения нормативных требований на котле установлена система очистки дымовых газов от N0, посредством селективного некаталитического восстановления оксидов азота. Технологические решения по установке были разработаны на основе опыта, полученного ВТИ при внедрении технологии СНКВ на котлах ТП-87 Тольяттинской ТЭЦ. Первоначально в качестве восстановителя предполагалось использовать аммиачную воду, однако в процессе проектирования она была заменена карбамидом. Это позволило решить ряд серьёзных проблем, связанных с размещением на территории объекта аммиачного хозяйства, повысить надёжность и безопасность эксплуатации установки СНКВ. Карбамид, в отличие от аммиака, является нетоксичным, непожароопасным и невзрывоопасным веществом, поэтому его использование не требует создания специальных хранилищ и защитных зон. Карбамид может применяться без каких-либо ограничений в городах и населённых пунктах. 80

Разработка технологии СНКВ применительно к котлу П-50Р осуществлялась ВТИ совместно с РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, имеющим опыт исследований и промышленной реализации процесса селективного некаталитического восстановления NO x карбамидом. Реализация полномасштабной установки СНКВ с применением карбамида на энергоблоке 330 МВт осуществлялась в РФ впервые. Ранее считалось, что область применения технологии СНКВ ограничена котлами малой и средней мощности 81

Технология основана на избирательном взаимодействии оксидов азота с продуктами термического разложения карбамида в газовой фазе при температуре °С 82

В развитие технологии СНКВ на энергоблоке 3 планируется сооружение низкотемпературной ступени установки СНКВ, что позволит обеспечить снижение выбросов оксидов азота при сжигании угля до уровня европейских нормативов 200 мг/м з. Работы проводятся ОАО БТИ и РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина при финансовой поддержке Министерства науки и образования Российской Федерации (госконтракт ). 83

Схема РХО основана на облучении дымовых газов потоком β-частиц (электронов). В результате протекания радиационно-химических реакций образуются реакционно-активные компоненты Они взаимодействуют с и в результате чего получаются более высокие оксиды азота и серы и которые с водяным паром образуют пары азотной и серной кислот. Возможны два способа нейтрализации кислот: аммиаком, который вводится в газоход до стадии облучения (сухой способ); промывка газов после облучения водой в скруббере и нейтрализация высококонцентрированной золой (мокрый способ). 84

Схема радиационно-химического обезвреживания дымовых газов («сухой способ») 1.NO+ 2Оˉ NO 3 ; SО 2 + Оˉ SO 3 ; 2.4NO 3 + 2H 2 O 4HNO 3 +O 2 ; SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 ; 3. HNO 3 +NH 3 NH 4 NO 3 ; H 2 SO 4 +2NH 3 (NH 4 ) 2 SO 4. 85

86 Схема радиационно-химического обезвреживания дымовых газов («мокрый способ»)

Достоинствами способа являются: 1) одновременная очистка дымовых газов как от NOx, так и от SO 2 ; 2) отсутствие отходов; 3) получение товарных продуктов; 4) возможность удобного размещения установки на действующих электростанциях. К недостаткам ЭЛС следует отнести: 1) высокие капитальные затраты; 2) необходимость дополнительной очистки уходящих газов от твердых частиц сульфата и нитрата аммония; 3) психологическое воздействие на людей понятия «радиационная защита». 87

Во всех существующих методиках расчет суммарного выброса оксид азота по сложившейся традиции ведут в пересчете на. 88

В связи с установленными раздельными ПДК на оксид и диоксид азота и с учетом трансформации оксидов азота в атмосферном воздухе, суммарные выбросы оксидов азота разделяются на составляющие (с учетом различия в молекулярной массе этих веществ): где и молекулярные веса и равные 30 и 46 соответственно; 0,8 коэффициент трансформации оксида азота в диоксид. Численное значение коэффициента трансформации устанавливается по методике Госкомэкологии России на основании данных наблюдений организаций Госкомгидромета, но не более 0,8. 89

г/с, - содержание на 1 МДж тепла. В табл приведены результаты измерения содержания окислов азота в дымовых газах, проведенные ВТИ и рядом других организаций на наиболее крупных отечественных котлах при сжигании основных топлив. Эти выбросы относятся к нормальным эксплуатационным режимам при номинальной нагрузке без применения каких-либо средств снижения выбросов 90

91 Котлоагрегат Эквивалентная электрическая мощность Топливо ТГМП – мазут 0,23 П экибастузский СС0,35 ТПП – донецкий АШ0,88 ТПП – мазут 0,67 ТПП – донецкий ГСШ0,47 ТГМП – мазут 0,26 П – сушенка назаровск. Б0,36 ПК – подмосковский 0,33 ТП донецкий ПАШ0,24 ТП – донецкий АШ0,39 ТГМ – мазут 0,23 ТГМ – газ 0,29 ТПП – донецкий АШ0,59 ТПП – газ 0,54 ПК – экибастузский СС0,35 ГТМП – мазут 0,4 ПК – мазут 0,25 ТП – кузнецкий Г0,54 ТП – кузнецкий СС0,52 ПК – 10 Ш65 ирша-бородинский Б0,36 ПК – 10 Ш65 березовский Б0,24

В случае применения мероприятий по уменьшению выбросов в формулу вводится коэффициент, учитывающий процент снижения выброса. В табл. приведен возможный процент снижения выбросов % для наиболее изученных и эффективных мероприятий, обеспечивающих снижени выбросов 92

93 Мероприятия, обеспечивающие снижение выбросов Снижение выбросов,, % Оптимизация топочного процесса До 15 Двухстадийное сжигание Малотоксичные горелки Трехступенчатое сжигание Двухстадийное сжигание и малотоксичные горелки Трехступенчатое сжигание и малотоксичные горелки СНКВ (топливо-уголь) при о C40-60 СКВ (топливо-уголь) при о C40-90 Двухстадийное сжигание Трехступенчатое сжигание совместно с СНКВ70-90

В случае отсутствия экспериментальных данных, выброс окислов азота с учетом применения указанных выше способов уменьшения выбросов определяется по формуле Где – коэффициент характеризующий выход на 1 т условного топлива, кг/т; – коэффициент, учитывающий влияние на выход качества сжигаемого топлива: для твердого топлива для газообразного и жидкого табл ниже – коэффициент, учитывающий конструкцию горелок (для вихревых для прямоточных – коэффициент, учитывающий вид шлакоудаления: при жидком шлакоудалении и во всех остальных случаях 94

степень рециркуляции дымовых газов % от расхода дутьевого воздуха; – коэффициент эффективности воздействия рециркуляции газов в зависимости от условий подачи их в топку (табл.); – коэффициент, характеризующий снижение выброса при двухстадийном сжигании в зависимости от, % доли воздуха, подаваемого через фурмы воздушного дутья, расположенные выше горелок (табл). - эффективность применяемой установки по уменьшению выбросов (азотоочистка, радиационно-химической очистки – РХО, каталитического восстановления и т.д.); – длительность работы котла и применяемой установки, час/год; коэффициент, учитывающий впрыск воды (пара) в топку котла. 95

Для котлов паропроизводительностью более 70 т/ч при сжигании газа и мазута во всем диапазоне нагрузок, а также для котлов, сжигающих твердое топливо при нагрузках выше 75% номинальной и номинальная и фактическая паропроизводительность котла. Для котлов паропроизводительностью менее 70 т/ч Для водогрейных котлов 96

Где и – номинальная и фактическая тепловая производительность котла, ГДж/ч. При сжигании твердого топлива с температурой факела o C во всем диапазоне нагрузок вместо и подставляются и 97

При одновременном сжигании в котле двух видов топлива с расходом одного из них более 90 % значение должно приниматься по основному виду топлива. В остальных случаях определяется как средневзвешенная по топливу где – соответственно значения коэффициента и расхода каждого из видов топлива. 98

99 Коэффициент избытка воздуха Топливо Газ Мазут 0,9 0,8 0,7 1,0 0,9 0,75

100 Способ ввода в топку газов рециркуляции Газ-мазут при вводе: в под топки через шлицы под горелками по наружному каналу горелок в воздушное дутье в рассечку двух воздушных потоков 0,002 0,015 0,020 0,025 0,030 При высокотемпературном сжигании твердого топлива при вводе рециркуляционных газов: в первичную аэросмесь во вторичный воздух 0,01 0,005

101 Доля воздуха, %Топливо газ-мазуттвердое топливо ,9 0,8 0,7 0,62 0,85 0,74 0,65 0,58

Определение массового выброса окислов азота при сжигании топлива в камерах сгорания ГТУ (РД ) Суммарное количество оксидов азота в пересчете на, поступающих в атмосферу с отработавшими газами газотурбинных установок,, г/с при сжигании жидкого топлива определяется Где - концентрация оксидов азота в отработавших газах в пересчете на, мг/нм 3 (определяется экспериментально или принимается по табл. 102

103 Тип ГТУ, завод Тип камеры сгорания Вид топлива Содержан. в продуктах сгорания, % Концентрация оксидов азота, мг/м 3 без усовершенств ования с изменением конструкции ГТ-100, 750, ЛМЗ Регистров. блочная Газотур- бинное 4,115,9275- ГТ , ХТЗ Регистров. выносная Газ Газотур- бинное 4,6 4,7 16,4 16, ГТ П, ЛМЗ Регистров. выносная Газ 5,517,0135- ГТГ-12 Высокофорсир ованная блочная Дизельн.5,116,9190- ГТН-25, НЗЛ Микрофа- кельная, кольцевая Газ 4,115,958- ГТЭ-150, ЛМЗ Высокофорсир ованная блочная Газ Газотур- бинное 3,515, ГТЭ-45, ХТЗ Регистров. кольцевая Газ Газотур- бинное. 4,015,

- объем сухих дымовых газов за турбиной, нм 3 /кг топлива (нм 3 /нм 3 топлива), вычисляемый по формуле где - теоретический объем газов, нм 3 /кг топлива (нм 3 /нм 3 топлива); - теоретический объем воздуха, нм 3 /кг топлива (нм 3 /нм 3 топлива); - коэффициент избытка воздуха в отработавших газах за турбиной; - теоретический объем водяных паров, нм 3 /кг; - расход топлива в камере сгорания, кг/с (тыс. нм 3 /ч) 104

При сжигании газообразного топлива в камерах сгорания ГТУ образуются окислы азота в пересчете на в количестве Здесь - объем, м 3 /м 3, дымовых газов при сжигании 1 м 3 топлива с избытком воздуха – плотность кг/м 3 сухого газообразного топлива; – количество сжигаемого топлива, кг/с. 105

106