7.7. Сокращение вредных выбросов в окружающую среду режимными методами

Принципиально существует несколько разных подходов к решению задачи уменьшения выбросов вредных веществ с дымовыми газами в атмосферу. Их можно разделить на следующие три группы:

• удаление вредных компонентов из топлива путем комплексной его переработки перед сжиганием в котле;

• непосредственное воздействие на механизм образования вредных, веществ в процессе сжигания исходного натурального топлива в топочной камере;

• очистка продуктов сгорания топлива (уходящих дымовых газов) от присутствующих в них вредных соединений.

Наибольший эффект, конечно, может дать комплексное применение разных методов, но при этом надо учитывать, что все они требуют значительных дополнительных затрат и тем больших, чем глубже очистка с применением сочетания разных методов.

К числу вредных выбросов электростанций, которые возможно уменьшить правильной организацией режима сжигания топлива, относятся главным образом оксиды азота, полициклические углеводороды (в том числе бензапирены) и триоксид серы SO₃.

Рис. 7.26. Зоны образования оксидов азота при сжигании топлив:

1 — термические оксиды; 2 — топливные оксиды; 3 — быстрые оксиды.

Наибольшую зону загрязнения воздушного бассейна от выбросов ТЭС составляют оксиды азота, которые по характеру образования: разделяются на топливные, быстрые и термические (рис. 7.26).

Образование топливных NO^ТЛ и быстрых NO^Б оксидов азота происходит на начальной стадии горения. Топливные NO^ТЛ образуются за счет азота топлива, NP, в результате его преобразований при нагреве в активные радикалы NH₃, HCN в процессе выхода летучих веществ в области температур 600-1120°С и при локальных избытках воздуха _лок > 1 происходят реакции:

NH₃ + О₂  N0 + Н₂О

HCN + O₂  OH+CO+NO.

Быстрые NO^б образуются за счет разложения углеводородных соединений топлива, в результате чего в корневой части факела накапливаются радикалы CN, HCN и при наличии некоторого количества кислорода также происходит образование N0. Максимальное значение N0 имеет место при _лок = 0,7-0,8 и в области температур 930-1250°С.

Наиболее массовый выход NO_х имеет место в области ядра факела при температурах Т_ф > 1800°К (~ 1530С) за счет прямого окисления азота воздуха атомарным кислородом:

N₂ + О"  N0 - 316,9 кДж/моль. (7.30)

Этот путь образования NO_X называют термическим.

Основными способами подавления образования оксидов азота в топках котлов являются следующие:

1. Уменьшение избытка воздуха в зоне горения до минимального по условиям полного сгорания топлива.

2. Применение ступенчатого сжигания топлива, при котором в одну группу горелок (в нижний ярус или в горелки одной стены топки) подается основная масса топлива при избытке воздуха меньше единицы, а в другую группу (верхний ярус горелок или противоположную группу горелок) поступает остаток топлива и воздуха со значением  > 1.

3. Рециркуляция дымовых газов с температурой 350-400°С в топку, что обеспечивает снижение температурного уровня в зоне горения и концентрации горючих веществ и окислителя за счет разведения горючей смеси инертными газами.

4. Ввод в зоны активного образования оксидов азота струи пара или воды для локального снижения уровня температуры и создания химических реакций, препятствующих образованию вредных соединений.

5. Создание горелок двухступенчатого сжигания с созданием временного недостатка воздуха в зоне образования быстрых и топливных оксидов азота.

Характерная зависимость образования оксидов азота от избытка воздуха в зоне горения при сжигании природного газа показана на рис 7.27. Приближение избытка воздуха к единице и менее обеспечивает низкий уровень выхода NO_X, но при этом в разных зонах топки возникает недожог топлива и, что особенно опасно, резко растет концентрация бенз(а)пирена. Переход на значительный избыток воздуха также ведет к, снижению выхода NO_X за счет снижения температурного уровня реакций, но эксплуатация котлов с такими высокими избытками воздуха не экономична.

Более эффективным способом снижения выхода NO_X является ступенчатое сжигание. На рис. 7.28 показан пример снижения выхода NO_X при сжигании природного газа и переходе с одноступенчатого на двухступенчатое сжигание, используя двухъярусное расположение горелок. В первой ступени сжигания обеспечивают избыток воздуха  = 0,75-0,85, при этом не происходит полного сгорания топлива.

Рис. 7.27. Зависимость образования оксидов азота от избытка воздуха

в зоне горения при сжигании природного газа.

Кроме снижения уровня температуры в зоне горения, здесь создаются условия для восстановления оксидов азота при их контакте с раскаленным углеродом или промежуточными продуктами при нехватке кислорода:

2NO + C  2CO + N₂,

2NO + 2CO  2CO₂ + N₂,

2NO + СН2  СО + Н₂О + N₂.

В результате выход NO_X в первой зоне резко сокращается. Во второй зоне при избытке воздуха больше единицы температура газов уже не достигает уровня активного образования термических оксидов.

Организация рециркуляции газов в топку показана на рис. 7.29. Влияние рециркуляции наиболее значительно при вводе продуктов сгорания воздуховоды перед горелками, когда они в смеси с горячим воздухом поступают в топку (рис. 7.29, б).

Надо отметить, что наибольший эффект снижения концентрации NО_x в продуктах сгорания достигается при доле рециркуляции r_рц = 0,2-0,3 (20-30%). Дальнейшее увеличение r_рц при сжигании газа и мазута ведет к затягиванию горения и появлению недожога топлива. К тому же максимальное подавление образования NO_X требуется при номинальной или близкой к ней нагрузке, когда ввод заметного количества газов рециркуляции сильно увеличивает скорость газов и аэродинамическое сопротивление газового тракта.

Частичный эффект снижения образования NO_X создают горелки двухступенчатого сжигания (ГДС). Принцип их работы основан на том (рис. 7.30), что вторичный поток воздуха участвует в дожигании топлива на более поздней стадии. Таким образом, прогрев топлива, выход летучих и разложение сложных углеводородных соединений топлива происходит в зоне с  < 1. Это обеспечивает снижение образования топливных и быстрых NO_X в начальной части факела и понижение максимальной температуры горения.

Рис. 7.28. Изменение концентрации оксидов азота на выходе из зоны активного горения при одно- и двухступенчатом сжигании природного газа:

1 – одноступенчатое сжигание при _гор = ₁ = 1,05; 2 — двухступенчатое сжигание с разным избытком воздуха в подзонах горения.

Рис. 7.29. Влияние степени рециркуляции газов на выход оксидов азота

а — общая схема рециркуляции газов: б — относительное изменение концентрации N0_х от доли рециркуляции газов; 1 — без рециркуляции; 2 — ввод рециркуляции через сопла боковых стен; 3 — то же под работающие горелки;

4 — то же непосредственно в горелки (внутренний канал для газов рециркуляции).

Наиболее глубокое подавление образования оксидов азота возможно при сочетании разных способов. Так, например, организация ступенчатого сжигания в топке может сопровождаться частичной рециркуляцией газов. При сжигании газа и мазута удачным является сочетание впрыска воды с рециркуляцией газов, причем при высокой нагрузке котла целесообразно использование впрыска воды в зону горения (0,5-0,6% от расхода перегре­того пара), а при более низкой нагрузке – усиление рециркуляции газов. Конструктивно обеспечение впрыска воды значительно дешевле, чем ре­циркуляция газов, но при этом способе ниже КПД котла за счет увеличения потерь с уходящими газами (рост объема водяных паров в газах).