Диссертация (Исследование сжигания эстонских сланцев с непроектными топливами), страница 14

Это позволит существенно снизить выбросыоксидов азота, однако обеспечить требуемый уровень 200 мг/м3 оказалосьвозможным только для незагрязненных экранов, т.е. «чистого» котла (см. табл.5.2, варианты 2, 11).Учитывая, что после перехода котла со сжигания сланца на сжиганиеполукоксового газа очистка экранов может занять значительное время, наиболеевероятна работа котла с частично загрязненными экранами (вариант 2, экр =0,49). Однако в этом случае получить требуемый уровень только за счетрециркуляциинепредставляетсявозможным.Увеличениеобъемагазоврециркуляции выше 20% нецелесообразно, так как при этом снижаетсяэффективность подавления оксидов азота, а также снижается КПД котла ивозрастает аэродинамическое сопротивление газового тракта котла.

Такимобразом, для удовлетворения требований по выбросам оксидов азота требуется95совокупность нескольких мероприятий. В этом случае эффективным будеторганизация ступенчатого сжигания, за счет подачи части воздуха в сопла вышеосновных горелок.В табл. 5.2 приведены оценочные расчеты концентраций оксидов азота приподаче 25% воздуха в сопла над горелками для частично загрязненных экранов(экр = 0,49) и различном объеме рециркуляции продуктов сгорания. Как видно изтабл. 5.2 требуемый уровень обеспечивается при рециркуляции 20% и подачевторичного воздуха в объеме 25% (варианты 3, 6, 12, 15).

Необходимо отметить,что реализация двухступенчатого сжигания вызовет повышение температурыпродуктов сгорания на выходе из топки на 30÷50С и температуру уходящихдымовых газов на 5÷10С. Это, в свою очередь, приведет к снижению надежностиработы поверхностей нагрева и снижению КПД котла.В связи с изложенным выше при переводе котла на сжигание полукоксовогогаза могут быть рекомендованы следующие мероприятия: рециркуляцияпродуктов сгорания в горячий воздух и установка малоэмиссионных горелокстадийногосжигания.Данныемероприятияпотребуютопределенныхкапитальных затрат: установка двух ДРГ, установка малотоксичных горелокстадийногосжигания,прокладкадополнительныхгазоходов,возможнаяреконструкция топки для установки малотоксичных горелок.

Кроме тоговырастут затраты электроэнергии на привод тягодутьевого оборудования.При сжигании полукоксового газа практически вся содержащаяся в немсера (в виде сероводорода) перейдет в SO2. Таким образом, при содержании H2Sна уровне 3,2% (см. табл. 4.5) концентрация диоксида серы в продуктах сгорания(см. табл. 5.2) будет составлять 5650 мг/м3 (при О2 = 3%) или, если приводить кодной концентрации кислорода для сланцев и полукоксового газа, 4490 мг/м3 (приО2 = 6%). Объем продуктов сгорания при сжигании полукоксового газа будетприблизительно в 1,4 раза ниже, чем при сжигании сланцев.

Таким образом припереходе со сланца на полукоксовый газ объем валовых выбросов SO2 увеличитсяприблизительно в 1,5 раза.96Длясвязыванияоксидовсеры,образовавшихсяприсжиганииполукоксового газа, можно рекомендовать ввод дополнительного реагента вустановку NID.Проведенные расчетные исследования работы котла ТП-101 при сжиганииполукоксового газа показали принципиальную возможность использованияданного топлива в качестве основного. Для поддержания температуры перегревапо обоим трактам следует увеличивать избытки воздуха вплоть до α = 1,91 наминимальной нагрузке. При этом КПД котла будет выше на 5÷5,5% по сравнениюс работой на сланце.

Также существенно снижаются затраты на собственныенужды за счет снижения нагрузки на тягодутьевые машины и полногоотключения системы пылеприготовления.Однако использование полукоксового газа в качестве единственноготоплива потребует реализации целого ряда мероприятий, направленных наобеспечение надежной и экологически безопасной работы оборудования,основными из которых являются: Полная замена существующих сланцевых горелок на малоэмиссионныегорелки для сжигания полукоксового газа, воздухопроводов и газопроводов кним. Для увеличения надежности работы пароперегревательных поверхностейнагрева следует изменить пакеты ШПП I и II и выполнить их из болеежаропрочных сталей. Внедрение мероприятий по снижению низкотемпературной коррозиихолодной части ТВП: предварительный подогрев воздуха перед ТВП илирециркуляция горячего воздуха на всас дутьевого вентилятора. Организация рециркуляции дымовых газов в короба горячего воздуха вразмере не менее 20-25%. Увеличение подачи реагента в установку сероочистки NID на 50%.975.2.

Численные исследования малоэмиссионных горелочных устройств длясжигания полукоксового газа в котлеКак показали исследования, приведенные в главах 4 и 5 настоящей работы,на котле ТП-101 возможно использование полукоксового газа, как в качестведополнительного топлива, так и в качестве основного. При этом надежностьработы оборудования останется на прежнем уровне, а эффективность иэкономичность возрастут. В этой связи следующей задачей являлась разработкаматематической модели и численные исследования горелочных устройств длясжигания полукоксового газа (как совместно со сланцем, так и в качествеосновноготоплива)втопкедействующегокотлаТП-101Эстонскойэлектростанции при выполнении требований по надежности и экологическойбезопасности.Ввиду большей теплоты сгорания полукоксового газа при его совместномсжигании со сланцем в котле ТП-101 по сравнению с расчетными режимамиповышаются температуры газов в топочной камере, что усиливает шлакованиеповерхностей нагрева размягченной золой сланцев и увеличивает эмиссиюоксидов азота по сравнению с работой на сланцах.

Кроме того это приводит кизменению тепловосприятия радиационных и конвективных поверхностейнагрева котла, что в свою очередь может вызвать проблемы с обеспечениемноминальной температуры перегрева пара первичного и вторичного трактов [49,50]. Также горелочное устройство должно соответствовать нормативам навыбросы вредных веществ в атмосферу, вводимым с 2016 г. в Эстонии [59].Для решения указанных проблем было предложено использование газоврециркуляции. Проведенные ранее расчетные исследования [49, 50] показаливозможность использования газов рециркуляции в количестве 10-30% присовместном и раздельном сжигании полукоксового газа и сланца с точки зренияобеспечения нормальной работы котельной установки в целом во всем рабочемдиапазоне нагрузок от 130 до 320 т/ч.98Известно, что при сжигании газообразного топлива образование NOX можетпроисходить только за счет быстрых и термических оксидов азота.

В работе [83]было показано, что для минимизации эмиссии оксидов азота при сжиганиигазообразного топлива процесс сжигания должен быть разбит на три характерныестадии (Рисунок 5.3).Рисунок 5.3. Динамика выхода оксидов азота при стадийном сжиганиигазообразного топливаОсновнойпринципстадийногосжиганиятопливазаключаетсявзатягивании подмешивания воздуха в зону горения. При этом на первой стадииосуществляется сжигание богатой топливовоздушной смеси с избытками воздуха1 < 0,55 для обеспечения процесса подавления и частичного восстановленияоксидов азота (Рисунок 5.4а), образующихся по «быстрому» механизму. Наданной стадии образование оксидов азота происходит за счет реагированияазотсодержащих (HCN, NH, N) и кислородсодержащих (O, OH) радикалов притемпературах от 1100÷1200 K.99Максимальная эмиссия быстрых оксидов азота при max = 0,65÷0,8 [84, 85].Это объясняется тем, что образование NO по быстрому механизму требует вдостаточномколичествекакуглеводородныхсоединений(CHi),такикислородосодержащих радикалов (RO).

При  < max наблюдается большоеколичество непрореагировавших CHi и недостаток RO, что обеспечивает нетолько подавление образования оксидов азота, но и их восстановление. Последнеепроисходит за счет реагирования NOX с присутствующими в большом количестверадикалами типа CHi и RH.На второй стадии в зону горения подмешивается воздух до величин избыткавоздуха 2  0,850,9, которому соответствует минимальный суммарный выходбыстрых и термических оксидов азота (Рисунок 5.4б).а)б)Рисунок 5.4. Влияние избытка воздуха на выход быстрых и термическихоксидов азота [79, 83]Наличие области с минимальной суммарной эмиссией NOX объясняетсятем, что значение избытков воздуха 0,850,9 является оптимальным дляподавления оксидов азота.

С одной стороны для образования термическихоксидов азота недостаточно свободного кислорода. С другой стороны из-зазначительного количества кислородосодержащих радикалов, образующихся вцепных реакциях горения, углеводородные радикалы CHi реагируют в основном с100ними с образованием CO и CO2 и в значительно меньшей степени реагируют сазотом воздуха.Натретьейзаключительнойстадииподводитсяостальнойвоздух,необходимый для полного завершения процесса сжигания топлива. На этойстадии дожигания, из-за высоких температур (обычно более 1800 К), характерныхдлясжиганиягазообразныхтоплив,иизбытковвоздухабольшестехиометрических ( > 1,0), будет наблюдаться выход термических оксидовазота (Рисунок 5.3). Однако он тормозится из-за малых суммарных локальныхизбытков воздуха   1,031,05, при которых в настоящее время сжигается газ втопках котлов.

Для дополнительного подавления образования оксидов азота присжигании газообразных топлив обычно используется подача газов рециркуляциив зону горения.Данные принципы стадийного сжигания, обеспечивающие минимальныйвыход оксидов азота, были реализованы в настоящей работе при разработке иисследовании конструкций малоэмиссионных горелочных устройств мощностью19 МВт для стадийного сжигания полукоксового газа с подачей газоврециркуляции, удовлетворяющих следующим условиям: эмиссия оксидов азота в горелках полукоксового газа не должнапревышать 200 мг/м3 (при O2 = 3%); интенсивность шлакования топочных экранов золой сланцев не должнаувеличиваться, т.е.