Двухступенчатое сжигание

В настоящее время для управления топочным процессом к котлоагрегату, наряду с традиционными требованиями по обеспечению максимальной экономичности работы, предъявляются требования по снижению выбросов оксидов азота без ухудшений основных экономических показателей его работы. В связи с этим на условия горения накладываются дополнительные ограничения. Это требует решения новых задач как по технологии сжигания топлива, так и по разработке соответствующих структур автоматического регулирования.

Практика последних лет показала, что существенным средством подавления оксидов азота, особенно на пылеугольных котлах, является создание локальных зон с восстановительной средой (т. е. с недостатком свободного кислорода). Технически этот способ сжигания легко реализовать, если через горелки вместе с топливом подавать только часть воздуха, а остальной воздух, необходимый для полного сгорания топлива, подавать выше ядра горения с помощью дополнительных воздушных сопл. Организовать восстановительную зону горения можно также путем перераспределения топлива между нижними и верхними ярусами горелок.

Оба мероприятия реализуют при двухступенчатом сжигании топлива. При этом после воспламенения и сгорания летучих (или части газообразного топлива) в факеле резко снижается концентрация кислорода, в результате чего тормозятся окислительные реакции с образованием NО и интенсифицируются реакции, приводящие к переходу азотосодержащих радикалов NH_i и CN в молекулярный N₂. При наличии в определенных зонах факела газов восстановителей CO, H₂, CH происходит восстановление уже образовавшегося оксида азота до N₂. Все это приводит к снижению концентрации NO по ходу факела до того момента, когда в факел вводится струя третичного воздуха с О₂ = 21 %.

Простейшая схема двухступенчатого сжигания применительно к промышленным и энергетическим котлам (рис. 1.1) состоит в работе с коэффициентом избытка воздуха в горелках, меньшим стехиометрического, при наличии специальных воздушных сопел, расположенных выше верхнего яруса горелок. При проектировании новых и реконструкции действующих котлов со схемой ступенчатого сжигания весьма важно правильно выбрать место ввода и количество третичного воздуха, чтобы получить возможно больший эффект по снижению выбросов оксидов азота с минимальными отрицательными последствиями для работы котла.

Известно, что при сжигании высокореакционных углей (каменные угли типов Г, Д, бурые угли) тепла, выделившегося при сгорании летучих на начальном участке факела, оказывается достаточно, чтобы началось горение коксового остатка. При сжигании низкореакционных углей (антрацит, тощие угли) количество летучих невелико и поэтому даже при уменьшенном теплоотводе, который обеспечивается «зажигательными» поясами или использованием топок с жидким шлакоудалением, существует опасность погасания коксовой частицы при недостатке кислорода. Поэтому у котлов, работающих на АШ и тощем угле, сопла третичного дутья должны располагаться ближе к горелкам верхнего яруса, а у котлов, работающих на каменных и бурых углях, путь факела до встречи с третичным воздухом может быть увеличен для повышения эффективности подавления NO_x.

С учетом изложенного, если исходить из предположения, что подъемная скорость газов в различных топках отличается незначительно, рекомендуется следующая зависимость между выходом летучих на горючую массу V^г, %, и расстоянием в свету от горелок верхнего яруса до сопел третичного дутья Н, м:

Н = 1,5(V^г/10)^0,5. (1.1)

Котлостроительные фирмы США и Западной Европы, применяющие в своих котлах тангенциальные топки с угловыми блоками прямоточных горелок, по технологическим причинам размещают сопла третичного воздуха сразу же над верхним соплом аэросмеси или вторичного воздуха.

Однако вследствие сравнительно низкой эффективности ступенчатого сжигания, конструкторы предусмотрели установку направляющих лопаток в сопла третичного воздуха, чтобы направить его вверх, увеличить тем самым путь факела до встречи с третичным воздухом.

Неэффективное смещение удлиняет процесс горения и приводит к увеличению температуры газов на выходе из топк , а также к повышению потерь тепла с механическим недожогом q₄. Существует обратная зависимость между q₄ и значением NO_x (рис. 1.2).

При внедрении схемы ступенчатого сжигания на котле БКЗ-210-140, на кузнецких газовых углях была обнаружена зависимость потерь q₄ от места ввода третичного воздуха. Известно также, что при сжигании АШ снижение коэффициента избытка воздуха в горелках значительно увеличивает механический недожог. В исследованиях схемы ступенчатого сжигания на мощных котлах с тангенциальными и вихревыми горелками также было получено увеличение q₄ по мере перераспределения воздуха между основными горелками и соплами третьего дутья. Все это позволило ввести эмпирическую зависимость для оценки дополнительных потерь тепла ∆q₄, %, от выхода летучих веществ V^г, %, расстояния между осями верхних горелок и воздушных сопл Н, м, а также коэффициент избытка воздуха в горелках a_г:

∆q₄ = 30Н/V^г × (1,1 - a_г)² (1.2)

В 1979 г. сотрудниками ВТИ впервые было проведено двухступенчатое сжигание твердого топлива с подачей части воздуха выше горелок на котлах БКЗ-210-140Ф Западно-Сибирской и Кузнецкой ТЭЦ [17]. Первый из этих котлов был оборудован пылесистемой с ШБМ и промбункером, второй – среднеходовыми мельницами и пылесистемой с прямым вдуванием. При сжигании кузнецких каменных углей марки Г и промежуточного продукта подача 15 - 20 % воздуха через сопла третичного дутья снижала концентрацию NО_x в дымовых газах с 900 до530 мг/м³ на первом котле и с 820 до 430 - 560 мг/м³ - на втором (концентрации приведены в пересчете на NO₂ сухой пробы газа при a = 1,4). Снижение коэффициента избытка воздуха в основных горелках не ухудшило топочный процесс, но температура газов на выходе из топки несколько возросла.

Рисунок 1.2 – Зависимость выбросов NO_х из котла ТП-109 от механического

недожога

Это обстоятельство благоприятно отразилось на эксплуатации котла БКЗ-210-240Ф, так как раньше из-за недостаточной поверхности пароперегревателя не удавалось включить в работу автомат регулирования температуры перегретого пара.

Отсутствие к тому времени методики расчета двухступенчатого сжигания заставило пойти на усложненную схему ввода третичного воздуха. К каждому из сопл, расположенных (как и основные горелки) вблизи углов топочной камеры, было подведено по два короба горячего воздуха (один над другим). Меняя с помощью шибера расход воздуха по каждому из этих коробов, можно было изменить угол наклона струй третичного воздуха в вертикальной плоскости от –24 до +13° к горизонту. Выходные сечения всех горелок по вторичному воздуху были уменьшены на 15 % для сохранения расчетной скорости w₂.

Испытания котла после реконструкции топочной камеры показали, что его надежность не изменилась, показатели экономичности топочного процесса q₃ и q₄ остались примерно на прежнем уровне, а концентрация оксидов азота снизилась с 900 до 490 - 570 мг/м³ при сжигании промпродукта кузнецких углей.

Метод двухступенчатого сжигания твердого топлива был успешно внедрен на котлах БКЗ-220-100Ф Западно-Сибирской и Кузнецкой ТЭЦ при сжигании кузнецких углей и позволил снизить выбросы NО_x на 30 - 45 %.