Внедрение метода трехступенчатого сжигания 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 1986 г. 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 [20].

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.

а б в

Рисунок 1.6 – Организация трехступенчатого сжигания по упрощенной (а и в) 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 (АО «Мосэнерго»)

Этот метод предполагает наличие в объеме топки трех зон:

– основной зоны с коэффициентом избытка воздуха a₁ ³ 1,0;

– восстановительной зоны, где 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 «rebunrning» в двух вариантах: классическом - с установкой газовых горелок для создания восстановительной зоны (энергоблоки: 300 МВт Ладыжинской ГРЭС и 200 МВт Новосибирской ТЭЦ-5) 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») [21]. 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 1989 г.

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) [22].

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 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 NО_x за котлом составляла в среднем 500 - 570 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 1993 г. 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 NО_x 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 NО_x 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 NО_x 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 NO_x 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 % 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 высокое выгорание 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