Концентрическое сжигание

Этот способ сжигания основан на создании обогащенной топливом зоны в центре топки и обедненной топливом зоны по периферии вблизи экранов. Принципиальная схема концентрического сжигания приведена на рисунке 1.7.

Концентрический метод сжигания углей был впервые реализован в США в г. Денвери (штат Колорадо) [26].

Первыми модернизированными установками стали блок № 5 мощностью 165 МВт на ТЭС Валмонт и блок № 4 мощностью 350 МВт на ТЭС Черокки. Реконструкция котла Валмонт - 5 была выполнена в мае 1990 г., а котла Черокки - 4 – в ноябре того же года. На обоих котлах была смонтирована концентрическая система сжигания топлива (КССТ). Эта система включала в себя новые горелки с отклонением части вторичного воздуха и отдельные сопла третичного воздуха. Расположенные в верхней части топки сопла третичного воздуха позволяют подавать до 30 % воздуха над основной зоной горения. Это даёт возможность начинать горение при более низких стехиометрических соотношениях в основной зоне горения и таким образом уменьшить образование термических и топливных Новые горелки со смещёнными в плане соплами позволяют отклонить часть вторичного воздуха примерно на 22° от диагонали топки. Это даёт некоторое снижение NO_х. и экранирует стены топки потоком воздуха с высоким содержанием кислорода. Благодаря этому снижается вероятность коррозии экранных труб. Выходные участки угольных сопл модифицированы для перемещения фронта пламени ближе к устью горелки, что также приводит к некоторому снижению образования NO_х.. Энергоблоки Валмонт-5 и Черокки-4, оборудованные котлами с тангенциальными топками, смонтированы соответственно в 1964 и 1968 гг. Ранее в обоих котлах сжигался западный битуминозный уголь с низким содержанием серы. Кроме того, в котлах может сжигаться природный газ с углем в любом сочетании. Применение концентрической системы сжигания топлива, внедрённой на котлах энергоблоков Валмонт-5 и Черокки-4, позволяет существенно снизить выбросы оксидов азота при сжигании угля. Наибольшее снижение выбросов NO_х достигается при работе котлов на полной нагрузке, когда наиболее эффективна подача третичного воздухаВ России концентрическая схема сжигания впервые была внедрена в 90-х годах специалистами ВТИ на котле ПК-24 (Иркутская ТЭЦ-10, энергоблок № 4 мощностью 50 Мвт) (рис. 1.8). Одна из последних работ такого типа выполнена на Иркутской ТЭЦ № 9 [27]. Котёл ТП–85 изготовленный ПО «Красный котельщик», имеет номинальную производительность 420 т/ч при параметрах пара 14 Мпа, 650°С. Фактическая нагрузка котла составляла не более 380 т/ч. Котёл барабанного типа с П-образной компоновкой. Топочное устройство – с твёрдым шлакоудалением и с двусветным экраном, разделяющим топку пополам. Размеры полутопок в плане 7552 x 7040 мм. Каждая полутопка имеет по восемь прямоточных горелок, расположенных на фронтовом и заднем экранах, вблизи углов, в два яруса по высоте. Оси горелок направлены в центр топки. Система пылеприготовления с промежуточным бункером, пыль подаётся к горелкам сушильным агентом. На котле был реализован метод концентрического сжигания в сочетании с упрощённой схемой трёхступенчатого сжигания. Концентрическое сжигание – это создание обогащенной топливом среды в центре топки и обеднённой топливом зоны по периферии, вблизи экранов

Такая схема была обеспечена путём установки новых горелок, в которых струи аэросмеси были направлены тангенциально, т.е. по касательной к окружности малого диаметра, а большую (верхнюю) часть вторичного воздуха можно было направить по касательной к окружности большего диаметра. Кроме того, был снижен избыток воздуха в горелках верхнего яруса а_г = 0,9. Недостающий воздух поступал в топку через сопла третичного воздуха, расположенные на отметке 16800. После реконструкции котла были проведены две серии испытаний, результаты которых показывают, что при максимальных нагрузках, с которыми работает котёл, концентрация NO_X снизилась примерно от 1100 до 7000 мг/м³ (в пересчёте на О₂ = 6%), т.е. на 36 %.

При сниженных нагрузках концентрация NO_x до реконструкции составляла 1320 – 1460 мг/м³. Примерно такой же уровень был получен в феврале 1993 г. на соседних котлах, работающих по заводской схеме; котёл № 1 при D=220 т/ч – 1397 мг/м³ (в пересчёте на а=1,4т.е. О₂=6 %).

Таким образом, в диапазоне нагрузок от 230 до 340 т/ч, когда котёл работает с повышенными избытками воздуха (О = 7+9 %), выбросы NO_х в результате реконструкции снизился в среднем на 43 %.

При работе котла на сниженных нагрузках была обнаружена возможность дополнительного снижения выбросов NO_х: если при D=270 – 290 т/ч работать не на 13 – 14 горелках (как это часто практикуется), а только на восьми (т.е. отключить 50 % горелок), то на реконструированном котле концентрация NO_х снижается до 450 мг/м³ (а = 1,4) без заметного увеличения потерь с химическим и механическим недожогом.

Оси горелок направлены в центр топки. На котле был реализован метод концентрического сжигания в сочетании с упрощенной схемой трехступенчатого сжигания. Такая схема была обеспечена путем установки новых горелок, в которых струи аэросмеси были направлены тангенциально, т. е. по касательной к окружности малого диаметра, а большую (верхнюю) часть вторичного воздуха можно было направить по касательной к окружности большого диаметра.

Рисунок 1.7 – Принципиальная схема концентрического сжигания: 1 – поток первичного воздуха с угольной пылью; 2 – вторичный воздух; 3 – зона, обогащенная топливом

.

Кроме того, был снижен избыток воздуха в горелках верхнего яруса (a_г = 0,9). Недостающий воздух поступал в топку через сопла третичного воздуха.

После реконструкции котла были проведены две серии испытаний, результаты которых показывают, что при максимальных нагрузках, с которыми работает котел, концентрация NО_x снизилась примерно от 1100 до 7000 мг/м³ (в пересчете на О₂ = 6 %), т. е. на 36 %.

В этих опытах шиберы на третичный воздух были открыты на 2/3, содержание горючих в уносе не превышало 1 % (при фактическом избытке воздуха a = 1,49 - 1,57).

Рисунок 1.8 – Схема котла ПК-24 Иркутской ТЭЦ до реконструкции (а) и после внедрения концентрической схемы сжигания со ступенчатым вводом воздуха (б)

При сниженных нагрузках концентрация NО_x до реконструкции составляла 1320 - 1460 мг/м³. Примерно такой же уровень был получен на соседних котлах, работающих по заводской схеме: котел № 1 при D = 200 т/ч – 1397 мг/м³ (в пересчете на a = 1,4, т. е. О₂ = 6 %). Таким образом в диапазоне нагрузок от 230 до 340 т/ч, когда котел работает с повышенными избытками воздуха (О₂ = 7 - 9 %), выбросы NО_x в результате реконструкции снизились в среднем на 43 %.

При работе котла на сниженных нагрузках была обнаружена возможность дополнительного снижения выбросов NO_x: если при D = 270 - 290 т/ч работать не на 13 - 14 горелках (как это часто практикуется), а только на восьми (т. е. отключить 50 % горелок), то на реконструированном котле концентрация NO_x снижается до 450 мг/м³ (a = 1,4) без заметного увеличения потерь с химическом и механическим недожогом.

Сотрудниками ВТИ совместно с конструкторами ЦКБ Энергоремонт разработана малотоксичная прямоточная горелка для сжигания бурых и каменных углей с высоким выходом летучих (марок Г и Д). Эта горелка отличается тем, что часть вторичного воздуха отклоняется от направления струи аэросмеси. Благодаря этому в котлах с тангенциальными топками организуется «концентрическое» сжигание, при котором в центре топочной камеры (в поперечном сечении) образуется среда, обогащенная топливом, а по периферии, ближе к топочным экранам, – обогащенная воздухом. Такая организация топочного процесса снижает шлакование и опасность коррозии экранных труб, но главное – создается ступенчатое сжигание по горизонтали. В центральной части топки азот топлива переходит в молекулярный азот N₂, в результате чего снижаются выбросы оксидов азота [27]. Последним примером организации концентрического сжигания служит котел, станционный № 6, Закамской ТЭЦ–5, на котором по просьбе руководства ТЭЦ была демонтирована схема встречно-смещенного сжигания.

После установки малотоксичных горелок по концентрической схеме сжигания (рис. 1.9) в нижней части топки сформировалось четко выраженное ядро горения, а температура на выходе из топки снизилась настолько, что существующей поверхности пароперегревателя оказалось недостаточно для обеспечения требуемой температуры пара (поверхность пароперегревателя оказалась меньше расчетной на 10 % в результате периодического отглушения дефектных змеевиков).

Несмотря на этот безусловно отрицательный побочный эффект, основная задача реконструкции была выполнена. По измерениям сотрудников Уральского отделения ОРГРЭС (г. Екатеринбург) концентрация оксидов азота в дымовых газах при нагрузке, близкой к номинальной, снизилась до 430 мг/м³ (в пересчете на NO₂ при нормальных условиях и О₂ = 6 %).

Рисунок 1.9 – Установка горелок при реконструкции котла, станционный № 6, Закамской ТЭЦ-5

Из-за необходимости приблизить температуру перегретого пара к расчетному значению (420 °С) котел, станционный № 6, при сжигании угля с подсветкой газом приходилось эксплуатировать с повышенными избытками воздуха, в результате чего концентрация NO_х за котлом составляла
500 – 570 мг/м³. На этом же котле сотрудниками ВТИ были проведены опыты при сжигании природного газа. Оказалось, что и на газе малотоксичные горелки, обеспечивающие концентрическое сжигание, снизили содержание NO_х до 88 мг/м³, что значительно ниже допустимых значений в соответствии с техническими нормативами.