Снижение выбросов оксида азота (стр. 1 из 3)
Снижение выбросов оксидов азота.
Снижение загрязнения окружающей среды токсичными продуктами сгорания органических топлив является одной из важных проблем развития российской теплоэнергетики. В настоящее время действуют довольно жесткие нормативы, регламентирующие выбросы в атмосферу. Подавляющее большинство действующих котлов, имеют значительно более высокие уровни выбросов NOX, чем это регламентируется ГОСТ Р50831-95 (рис. 1). К настоящему времени разработано большое количество методов снижения выбросов оксидов азота как на стадии сжигания топлива (так называемые технологические или внутритопочные мероприятия) так и очистки газов на стадии охлаждения продуктов сгорания (например DENOx). Последние являются высокоэффективными методами, позволяющими обеспечить заданные уровни выбросов оксидов азота, и широко применяются в технологически развитых странах. Однако очень высокие капитальные и эксплуатационные затраты, необходимость размещения крупногабаритных установок и длительное время, необходимое для их реализации, делает внедрение данных технологий для действующих российских котлов в обозримом будущем крайне маловероятным.
Тем не менее, рост промышленного производства и ускоренный ввод в строй электрогенерирующих мощностей, который планируется в ближайшие годы, потребует сократить объемы выбросов от уже установленного оборудования. Особенно актуальной эта проблема станет, если все-таки начнет происходить замена природного газа твердым топливом и мазутом.
Следует отметить, что при внедрении данных технологий может наблюдаться не только снижение КПД котельной установки, но и сложности с регулированием технологических процессов. Последнее часто обусловлено не только усложнением схемы регулирования, но и плохим состоянием контрольно-измерительных приборов, установленных на котле.
Одним из наиболее легко реализуемых режимных мероприятий является снижение избытка воздуха в топке. В результате уменьшения содержания кислорода в зоне горения происходит подавление образования как термических, так и топливных NOx. Поэтому данное мероприятие может быть применено при сжигании любых видов органического топлива. Оно позволяет не только снизить выбросы NOx, но и несколько повысить КПД котла за счет снижения потерь теплоты с уходящими газами и затрат энергии на собственные нужды.
Влияние избытков воздуха на образование оксидов азота описывается экстремальной зависимостью с максимумом при аmaх= 1,15-1,25 для газомазутных котлов и аmах= 1,4-1,5 для пылеугольных котлов в зависимости от конструкции горелочных устройств и состояния топочной камеры (рис. 2). Причем максимум содержания NOx в дымовых газах соответствует такому значению коэффициента избытка воздуха, при котором в данных условиях достигается наиболее полное сгорание топлива (рис.3).
Следует особо подчеркнуть, что в образовании оксидов азота участвует только тот воздух, который подается в зону активного горения вместе с топливом. Изменение количества присосов холодного воздуха в топочную камеру, который не участвует в процессе воспламенения и горения топлива, практически не влияет на образование оксидов азота. Поэтому при одинаковых значениях коэффициента избытка воздуха на выходе из топки ат из-за разных присосов избытки воздуха в ЗАГ могут существенно отличаться. Это, в свою очередь, приводит к разному выходу NOX. Кроме того, чрезмерное снижение избытков воздуха в зоне горения сопровождается не только повышенным недожогом топлива, но и увеличением выхода NOX за счет появления быстрых оксидов азота (левая ветвь зависимости NOX на рис. 2а).
Очень часто, как показывает практика, котлы работают с достаточно высокими коэффициентами избытка воздуха близкими к значениям аmах (см. рис. 4). Для таких агрегатов снижение избытков воздуха показывает хорошие результаты. В результате снижения избытков воздуха до значений араб = акр + 0,02-0,04 (рис. 4) обычно наблюдается уменьшение выбросов оксидов азота на 10-30%. При этом не требуется каких-либо дополнительных капитальных и эксплуатационных затрат, а все расходы на его внедрение сводятся к стоимости режимно-наладочных испытаний котла.
Еще больший эффект снижения выбросов оксидов азота, как показали результаты экспериментов, наблюдается при дальнейшем снижении а ниже значений араб вплоть до появления химического недожога (см. табл. 2). Причем основное снижение эмиссии NOX происходит уже при появлении умеренного недожога топлива (рис. 5). Так, повышение химического недожога, сопровождавшееся ростом концентрации СО в продуктах сгорания (в контрольном сечении, в данном случае сечение РВЭ) от 0 до 50 ррm (62,5 мг/м3), приводило к снижению содержания оксидов азота на 25 - 30%. При дальнейшем увеличении недожога, когда содержание СО увеличивалось с 50 ррm до нормативных значений (300 мг/м3 или 240 ррm), происходило дополнительное линейное снижение выхода NOX на 10 - 12% от первоначального значения.
Аналогичные результаты были получены и при сжигании мазута в котле БКЗ-75-3.9ГМ ТЭЦ ОАО «ЧМЗ» (см. рис. 6). При работе котла в соответствии с режимной картой выбросы оксидов азота были максимальны и составляли 550-580 мг/м3. При снижении избытков воздуха до достижения концентрации C0=50-150 мг/м3 содержание NOX уменьшилось до 320-340 мг/м3, т.е. приблизительно на 40%. Следует отметить, что потери с уходящими газами q2 в этом случае снизились на 0,65% (см. рис. 7) в то время как потери с химическим недожогом возросли незначительно, приблизительно до 0,15%. Таким образом суммарно потери q2+q3 уменьшились приблизительно на 0,5%. Кроме этого также снизились затраты на собственные нужды — за счет снижения объемов воздуха и продуктов сгорания проходящих через ДС и ДВ. При сжигании природного газа также наблюдается повышение КПД котла при переходе на режимы с контролируемым недожогом (см. рис. 6б и 7б).
Таким образом, при сжигании природного газа и мазута за счет организации контролируемого умеренного химического недожога можно добиться заметного снижения эмиссии NOx. Однако увеличивать химический недожог сверх значений концентрации СО = 50 - 100 ррm (62,5-125 мг/м ), что существенно ниже нормативных значений, нецелесообразно по причине малого последующего эффекта (рис. 5) и увеличения суммарной токсичности дымовых газов за счет роста эмиссии СО и бенз(а)пирена. При этом снижение выбросов оксидов азота достигает 30-40%.
Следует особо отметить, что на многих котлах наблюдается значительные колебания концентрации кислорода в продуктах сгорания. Это может быть связано как с работой автоматики, так и с плохим техническим состоянием котельного агрегата. Так, например, на котле ЦКТИ-75-3,9, установленном на ТЭЦ ОАО "ЧМЗ" наблюдались колебания концентрации О2 в уходящих газах в диапазоне 6,8-7,8% об, при этом при попытке наладить режим с контролируемым недожогом концентрация СО составляла от 0 до 700 мг/м3 (рис. 8). В связи с этим для подобных котлов требуется проведение предварительных работ по уплотнению и настройке АСР.
Одним из аргументов против реализации режимов с умеренным недожогом топлива является увеличение эмиссии бенз(а)пирена C20H12 (рис. 6). Действительно бенз(а)пирен, как вредное вещество, относится к первому классу опасности и потому является более токсичным нежели оксиды азота. Однако объективно количественно оценить экологические показатели различных режимов сжигания топлива можно только с учетом, как токсичности различных вредных примесей (NOX, CO, C20H12), так и их массовых выбросов.
Известно, что концентрации различных примесей в продуктах сгорания самым тесным образом связаны между собой. Изменение режима сжигания топлива приводит к увеличению содержания одних примесей при одновременном снижении эмиссии других (рис. 5, 9). Поэтому экологическая безопасность режима будет тем выше, чем меньше значение суммарного относительного показателя вредности выбрасываемых дымовых газов.
Проведенные экспериментальные исследования процессов конверсии СО и БП в газовом тракте котельных установок показали принципиальную возможность реализации в котле различных режимов сжигания (рис. 10).
Режим сжигания без недожога (рис. 10а) характеризуется повышенным выходом NOX и пониженным содержанием БП по всему газовому тракту (рис. 11). Содержание СО в дымовых газах в режимном сечении и за дымососом не превышает 5-10 ррm (6,25-12,5 мг/м3). Такие режимы, как правило, реализованы в режимной карте котла.
Режимы с недожогом топлива характеризуются меньшими концентрациями О2 в зоне горения и пониженным уровнем температур в топочной камере, в результате чего происходит затягивание процессов догорания продуктов неполного сгорания топлива в газоход котельной установки. При этом в зависимости от степени химического недожога (т.е. от затягивания процесса горения по длине газового тракта) принципиально возможны следующие варианты изменения концентраций БП и СО в газовом тракте котельной установки (рис. 10б, в, г).