Опыт МЭИ по подавлению оксидов азота впрыском воды в зону горения

Для достижения более низких концентраций оксидов азота в дымовых газах паровых котлов без проведения крупной реконструкции оборудования при ужесточении норм по предельно допустимым концентрациям (ПДК) и выбросам (ПДВ), зависящим не только от работы станции, но и наличия фоновых загряз нений, а также при условии предстоящей платы за выбросы вредных веществ необходима разработка высокоэффективного, технологичного, малозатратного метода, специально предназначенного для подавления оксидов азота и особенно для кратковременных периодов неблагоприятных метеорологических условий.

Экспериментальные и теоретические исследования Московского энергетического института (МЭИ) последних лет показывают, что таким методом может стать метод локального дозированного впрыска воды в зону горения [28-29]. Физической основой этого метода является то, что формирование конечного уровня концентраций токсичных оксидов азота в продуктах сгорания происходит в локальных высокотемпературных зонах факела. Область с максимальной скоростью образования NO_х мигрирует по длине факела в зависимости от режимных и конструктивных факторов.

Следовательно, пути управления процессом подавления образования оксида азота должны быть направлены непосредственно на обнаружение локальных высокотемпературных зон и состоять в эффективном воздействии на них.

Метод локального дозированного впрыска воды направлен на осуществление теплосъёма в локальных зонах максимальных температур факела, а не по всему объекту топливной смеси, поэтому он приводит к меньшему расходу впрыскиваемой воды и к эффективному подавлению оксидов азота.

Результаты промышленных экспериментов свидетельствуют о том, что при сжигании мазута в паровом котле ТГМП-314 с локальным дозированным впрыском воды в сочетании с пониженными избытками воздуха в топке получено более чем двукратное подавление оксидов азота при водотопливном отношении q_в ≤ 8% и при сохранении высокой надёжности и экономичности работы котла. Отмечено также активное вовлечение продуктов диссоциации воды и водяного пара в процессе сжигания топлива, более эффективное перемешивание горючего с окислителем и, следовательно, более устойчивое и экономичное сжигание топлива в целом.

Опытно-промышленные испытания на котлах типа ТГМ-84Б являются одним из этапов комплексной программы по разработке и внедрению метода локального дозированного впрыска воды в зону горения. Задачами этого этапа было получение данных об эффективности метода и стабильности получаемых результатов по подавлению образования оксидов азота, исследование влияния ввода воды в зону горения на технико-экономические показатели и надёжность работы парового котла.

Паровой котёл типа ТГМ-84Б – барабанный, с естественной циркуляцией, работает под разрежением и рассчитан на докритические параметры пара. В топочной камере расположен двусветный экран, разделяющий её на две полутопки. На фронтовой стенке топки котла в два яруса установлены 6 газомазутных горелок типа ТКЗ-ВТИ производительностью 5 т/ч мазута каждая, причём две горелки расположены на верхнем ярусе и четыре на нижнем. Циркуляция продуктов сгорания в топочную камеру не производится.

На стадии подготовки к экспериментальным исследованиям паровой котёл был оснащён схемой подачи воды в зону горения, которая не требует специальных переделок горелочных устройств и реализуется на стандартном оборудовании с паромеханическими форсунками типа ТИТАН или ПМУ. В схеме, которая позволяет подавать воду на оба яруса горения, для впрыска использовалась вода непрерывной продувке котлов. В зависимости от конкретных условий станции может быть также применена техническая вода, основной конденсат или сетевая вода с температурой 50 – 120°С и давлением 0,3 – 1,0 МПа. В схеме предусмотрена запорная и регулирующая арматура и приборы контроля параметров и расхода подаваемой воды. Для сохранения высоких технико-экономических показателей работы котлов при практической реализации данного метода устанавливается сравнительно невысокий расход добавочной влаги (менее 10 % расхода горючего). Вопрос об оптимальном количестве впрыскиваемой воды решается на основании результатов подробного технико-экономического расчёта.

Результаты натуральных опытов на паровом котле ТГМ-84Б при сжигании мазута показали, что принятая схема подачи воды в зону горения достаточно удобна в эксплуатации и позволяет регулировать расход воды в широком диапазоне. На паровом котле ТГМ-84Б были проведены три серии экспериментов с впрыском воды в зоны горения, при этом режим работы котла был устойчив, без заметных колебаний значений режимных параметров.

Первая серия испытаний была посвящена отработке методики проведения натуральных экспериментов и проверке работоспособности схемы подачи воды. В экспериментах второй серии, проводим при нагрузках котла D_пе ≈380 ¸ 400 т/ч, был установлен исходный уровень значений концентраций оксидов азота CNO_x ≈ 450 мг/м³, соответствующий режиму без впрыска воды. При этом максимальное значение исходного уровня CNO_x составляли около 600 мг/м³, а минимальные – 350 мг/м³. Такой разброс вызван различием коэффициентов избытка окислителя в экспериментах, которые менялись в диапазоне α˝кпп = 1,07 ÷ 1,20. В целом исходный уровень концентрации NO_x в дымовых газах парового котла ТГМ-84Б оказался ниже, чем у газомазутных котлов блоков 300 и 800 МВт. Это объясняется наличием двухсветного экрана в топке котла ТГМ-84Б, а также относительно невысоким теплонапряжением топочного объема (205 кВт/м³).

Впрыск воды (пароводяной смеси) в зону горения во всех экспериментах второй серии приводил к снижению концентрации NO_x в продуктах сгорания. Среднее значение подавления оксидов азота NO_x составило
130 – 150 мг/м³, или 30 % исходного уровня. Среди причин, приводящих к различному подавлению оксидов азота, отмеченному в опытах, в первую очередь следует назвать вскипание воды непрерывной продувки в линиях подачи перед горелками и как следствие неравномерную раздачи пароводяной смеси по горелкам. Этот недостаток был устранен в экспериментах третей серии. Разбросу результатов снижения CNO_x по ширине газохода способствовал также двусветный экран, препятствующий перемешиванию газов в топочной камере.

В третьем, заключительной серии экспериментов, проведенных на другом паровом котле того же типа, большинство опытов проведено на номинальной нагрузке. Изучалась также зависимость содержания NO_x в дымовых газах от нагрузки котла и от коэффициента избытка воздуха α˝кпп. В результате измерений установлено, что исходный уровень концентрации NO_x на данном котле при D ≈ D ном в среднем несколько выше, чем было получено в предыдущих сериях на других однотипных котлах, но максимальное значение NO_x также составляли около 600 мг/м³.

В экспериментах третьей серии впрыск воды в зону горения производился с расходом 2,0 – 2,7 т/ч, т.е. не превышал 10 % расхода мазута, и устойчиво приводил к снижению концентрации оксидов азота вы продуктах сгорания. При нагрузках котла, близких к номинальной, это снижение составило 150 – 170 мг/м³, или около 30 % исходного уровня. По сравнению с экспериментами второй серии наблюдается меньший разброс данных по подавлению NO_x .

Эксперименты третий серии показали, что более значительное снижение концентрации NOx может быть получено в режимах, сочетающих локальный дозированный впрыск воды в зону горения и работу на пониженных коэффициентах избытка воздуха. В исследуемом диапазоне α˝кпп = 1,05 ÷ 1,20, снижение концентрации NO_x в продуктах сгорания с уменьшением α˝кпп достигало 15 – 20 % в режимах с впрыском и без впрыска воды. Однако сочетание впрыска воды и пониженных избытков воздуха (и даже предельно низких α˝кпп = 1,02 ÷ 1,04) особенно благоприятно, так как в этом случае достигается снижение уровня концентрации CNO_x на 200 – 220 мг/м³ в дымовых газах при сохранении высокой экономичности работы котла. В результате экспериментов установлено, что локальный дозированный впрыск воды наиболее эффективен при максимальных (номинальной и выше) нагрузках котла. При частичной паропроизводительности котла эффективность метода снижается. Концентрация NO_х в продуктах сгорания мазута снижается с уменьшением нагрузки котла. Так, при D = 220 т/ч концентрация NO_x составляет около 300 мг/м³, что значительно ниже, чем при номинальной нагрузке. Этот факт известен по результатам испытаний других котлов и легко объясним с позиций термического механизма образования оксидов азота.

Результаты исследований и их анализ позволили дать ответ еще на два основных вопроса: о влиянии впрыска воды в зону горения на экономические показатели и на надежность работы парового котла ТГМ–84Б. Оценка экономических показателей предполагает сопоставление суммы затрат на осуществление метода и дополнительных затрат на топливо из-за возможного снижения к.п.д. котла при впрыске воды с экономическим эффектом в народном хозяйстве от снижения выбросов оксидов азота. Задача сравнения к.п.д. котла в различных режимах работы сводится к определению на основании экспериментальных данных потерь тепла с уходящими газами q₂ и топочных потерь q₃ и q_4. В номинальном методе теплового расчета котлов нет конкретных указаний для определения q₂ в режимах с впрыском воды. Поэтому величина q₂ определялась по формуле

(1.8)

где h_YX – энтальпия уходящих газов; – низшая теплота сгорания;
Q_ТЛ – физическая теплота топлива; Q_В.ВН – теплота внешнего подогрева воздуха; h_Ф – энтальпия пара парового распыла; h_В – энтальпия воды, подаваемой в газоходы (топку); q_Ф и q_В – паро- и водотопливные отношения.

Формула (1.8) получена на основании строгого решения уравнения теплового баланса парового котла и позволяет, методически более правильно рассчитать значение q₂, в том числе и при впрыске воды в зону горения. Выполненные по принятой методике расчеты q₂ для условий экспериментов на котлах ТГМ-84Б показали, что при впрыске воды при q_в = 8 % значение q₂ увеличивается на 0,25 % экспериментальные исследования показали, что при впрыске воды в зону горения на ряду с ростом q₂ происходит снижение химического недожога топлива. Это позволяет при сочетании локального дозированного впрыска воды в зону горения и предельно низких избытков воздуха сохранить на нормируемом уровне потери q₃ . В то же время при снижении коэффициента избытка воздуха снижается q₂ и тем самым частично компенсируется ее увеличение из-за впрыска воды. Так, уменьшение значения α˝кпп с 1,1 примерно до 1,04 (что наблюдалось в экспериментах) дает уменьшение потери q₂ на 0,15 %. В итоге в рекомендуемом режиме работы q₂ возрастает примерно на 0,1 %, что приводит к увеличению расхода мазута на 0,03 т/ч при номинальной нагрузке. Однако более половины перерасхода мазута (0,016 т/ч) компенсируется благодаря экономии при принятой схеме впрыска воды, когда на впрыск подается вода непрерывной продувки котлов, т.е. путем распыла мазута водой непрерывной продувки вместо перегретого пара.

При впрыске воды в зону горения можно ожидать ухудшения надежности работы радиационных и низкотемпературных конвективных поверхностей нагрева из-за увеличения плотности теплового потока на экраны топки и интенсификации коррозийных процессов.

Впрыск воды в зону горения приводит к повышению температуры конденсации водяных паров. Однако при водотопливном отношении q ≤ 10 % это увеличение составляет не менее 2 % и не может привести к интенсификации коррозии РВП. Переход на понижение избытка воздуха по рекомендуемому варианту работы благоприятно скажется на коррозионной обстановке низкотемпературных поверхностях нагрева

Экспериментальное исследование на котлах ТГМ-84Б показало, что локальный дозированный впрыск в зону горения является эффективным методом снижения концентраций оксидов азота в продуктах сгорания мазута. При водотопливном отношении q ≤ 10 % это снижение достигает 150 – 170 мг/м³, т.е. 30 % исходного уровня.

Результаты экспериментов показали, что наибольший эффект подавления образования NO_х достигается при сочетании локального дозированного впрыска воды (q ≈ 8 %) с работой на понижение избытка воздуха (α˝кпп = 1,04 ¸ 1,06). При таком рекомендуемом режиме снижение концентрации оксидов азота составило 200 – 300 мг/м³.

Для повышения экономических показателей котла целесообразно использовать впрыск в локальные зоны горения факела воды непрерывной продувки котлов с температурой 50 – 120 °С и давлением 0,3 – 0,1 МПа.

В зависимости от конкретных условий станции может быть применена техническая вода, основной конденсат или сетевая вода как непосредственно, так и со специальной обработкой. Проведенные эксперименты показали, что при локальном дозированном впрыске воды сохраняется высокая экономичность и надежность работы парового котла ТГМ-84Б.