8. А л е к с а н д р о в, А. А. Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок / А. А. Александров. – М.: Изд-во МЭИ, 2004. 9. Х р у с т а л е в, Б. М. Техническая термодинамика: учеб.: в 2 ч. / Б. М. Хрусталев, А. П. Несенчук, В. Н. Романюк. – Минск: Технопринт, 2004. – Ч. 2. 10. Р а в и ч, М. Б. Эффективность использования топлива / М. Б. Равич. – М.: Наука, 1977. Представлена кафедрой ПТЭ и Т БНТУ Поступила 28.12.2012 УДК 621 АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ NOх ПРИ СЖИГАНИИ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ Канд. техн. наук КАБИШОВ С. М., докт. техн. наук, проф. ТРУСОВА И. А., канд. техн. наук, доц. РАТНИКОВ П. Э., канд. техн. наук МЕНДЕЛЕВ Д. В. Белорусский национальный технический университет В последние годы необходимость существенного снижения выбросов вредных веществ в атмосферу теплоэнергетическими установками, по крайней мере, до уровня, регламентированного ГОСТ 30735–2001, привела к использованию как конструктивных, так и технологических методов по- давления образования оксидов азота. Почти все технологические методы подавления NOx проверены в промышленных условиях и опубликованы в отечественной и зарубежной технической литературе, например в [1–7]. В частности, по данным Агентства по защите окружающей среды США (EPA US) [1, 5], в некоторых штатах требуется в обязательном порядке внедрять на действующих котлах наилучшие из известных технологий – ВАТ (Best Available Technologies), которые включают: • снижение избытка воздуха (LEA); • ступенчатый ввод воздуха, который предполагает не только ступенча- тое сжигание (OFA), но также и нестехиометрическое сжигание (BBF) и отключение одной или нескольких верхних горелок (BBOS); • рециркуляцию дымовых газов FRG (обычно подача газов рециркуля- ции требует незначительных изменений горелочных устройств); • ступенчатый ввод топлива, т. е. организацию трехступенчатого сжи- гания (reburning-process); • использование малотоксичных горелочных устройств (LNB), которые включают в себя горелки: со ступенчатой подачей воздуха, с рециркуля- цией и со ступенчатым вводом топлива (т. е. организация reburning-process в факеле отдельно взятой горелки); • ввод в рабочее пространство котла водяного пара или аммиачного раствора с целью восстановления оксидов азота. 48 В табл. 1 приведены сравнительные данные по эффективности приме- нения различных технологических способов снижения выбросов NOx по данным [5]. Таблица 1 Технологические способы снижения выбросов NOx Метод Степень снижения NOx, % Топливо Ограничение применения Примечание Сжигание с из- бытком воздуха меньше едини- цы 10–44 Все ви- ды топ- лива Неполное сго- рание, повы- шенный рас- ход топлива, повышенное содержание СО и горючих Снижение NOx во многом зависит от величины выбросов до внедре- ния метода. В этом случае, воз- можно, достаточно уплотнить топку, чтобы снизить избыток воздуха Ступенчатый ввод воздуха в топку: 1) отключение горелки 10–65 Газ и мазут Возможны проблемы с подачей топлива, так как то же количество топлива должно быть подано в топку через меньшее число го- релок 2) нестехиомет- рическое сжига- ние Все ви- ды топ- лива 3) двухступен- чатое сжигание Требуется развести экранные тру- бы для установки воздушных сопл Введение в фа- кел котла водя- ного пара и аммиака 20–30 Газ и мазут Рециркуляция дымовых газов 20–50 (50 % для газа в со- четании с OFA) Все ви- ды топ- лива Нестабиль- ность факела Этот метод может сочетаться со ступенчатым вводом воздуха. Требуется дополнительный рас- ход электроэнергии на дымосос рециркуляции Ступенчатый ввод топлива 50–60 (может быть вос- становлено 70–80 % NOx, образо- вавшихся в первичной зоне) Все ви- ды топ- лива Reburning-process совместим с другими первичными методами снижения NOx; простота установ- ки технологии, потребление не- значительного количества допол- нительной энергии Малотоксичные горелки и: 1) ступенчатый ввод воздуха 25–30 Все ви- ды топ- лива Нестабиль- ность факела, неполное горе- ние Малотоксичные горелки могут использоваться в комбинации с другими первичными методами, такими как ОFA, FGR и reburning- process 2) рециркуляция дымовых газов До 20 Нестабиль- ность факела Малотоксичные горелки в сочета- нии с ОFA могут дать до 70 % снижения NOx 3) ступенчатый ввод топлива 50–60 Нестабиль- ность факела, неполное горе- ние Недостатком малотоксичных го- релок является потребность в про- странстве для разделения факела 49 Далее в статье приведены результаты внедрения различных технологи- ческих (режимных) способов снижения выбросов NOx на действующих теплоэнергетических установках Республики Беларусь и Российской Феде- рации. Наиболее опробованным из всех известных способов подавления образования оксидов азота является рециркуляция дымовых газов. Ее на котлах более полувека назад стали использовать в качестве средства борь- бы со шлакообразованием и для повышения температуры перегрева пара. Тогда же выяснилось, что рециркуляция – одно из эффективных средств подавления генерации оксидов азота. Так, в эксплуатируемых в настоя- щее время в Республике Беларусь котлах сверхвысокого давления (СВД) и сверхкритического давления (СКД) рециркуляция должна была обеспе- чить проектный перегрев пара при сжигании мазута. При этом возникал мощный азотоподавляющий эффект [8]. Например, на котлах ТГМП-314 энергоблоков мощностью 300 МВт рециркуляция позволяет снизить гене- рацию оксидов азота с 240 до 60 ppm. Авторами [2] проведен комплекс сравнительных исследований работы газомазутного котла ТГМП-344А при обычном и ступенчатом сжигании газа и мазута. Применение ступенчатого сжигания топлива, согласно этим исследованиям, приводит к уменьшению выбросов NOx до 100 мг/м3 при работе на газе и до 250 мг/м3 – на мазуте. При этом доля рециркуляции газов в горелки составляет 20–22 %, а третичного воздуха – 25–28 %. Было проведено 32 опыта по изучению влияния ступенчатого сжигания на теп- лообменные процессы в топке и установлено, что при ступенчатом сжига- нии влияние коэффициента избытка воздуха на выходную температуру в топке более существенно, чем при обычном сжигании. Рециркуляция газов на тепловую работу топки оказывает гораздо меньшее влияние. Глубокое снижение выбросов оксидов азота было получено по данным исследований сотрудников Московского энергетического института [4], в работе которых представлены результаты внедрения ступенчатого режи- ма сжигания топлива и рециркуляции продуктов сгорания на кот- ле БКЗ-420-140НГМ Нижегородской ГРЭС компании «Нижновэнерго». На этом котле по разработке МЭИ были смонтированы восемь плоских сопл вторичного воздуха, размещенных на фронтальном экране с большим наклоном вниз. Благодаря сочетанию указанной технологии ступенчатого сжигания природного газа и вводу продуктов рециркуляции в общий короб горячего воздуха удалось снизить выбросы NOx с 260 до 35 мг/м3 при уве- личении доли рециркуляции от 0 до 33 %. Однако следует отметить, что при этом снизилась нагрузка котла с 390 до 30 т/ч. Близкие результаты при использовании ступенчатого сжигания и рециркуляции газов были получе- ны на котле БКЗ-420-140НГМ Дзержинской ТЭЦ: в этом случае образова- ние оксидов азота снизилось до 80 мг/м3. В [9] приведены результаты исследования способа сжигания природно- го газа в рабочем пространстве печи при добавлении в корень факела водя- ных паров. Было установлено, что добавление водяного пара в количестве 0,06–0,12 кг на 1 м3 природного газа позволяет повысить производитель- ность печи, снизить удельный расход топлива и содержание оксидов азота в отходящих газах с 700 до 470 ppm (уменьшение содержания оксидов азо- та происходит вследствие падения скорости реакции их образования при подаче водяного пара). 50 Снижения эмиссии оксидов азота за счет внедрения режимных ме- роприятий, не требующих внесений изменений в конструкцию котла БКЗ-160-100, удалось добиться и на Саровской ТЭЦ [6]. Были реализованы такие мероприятия, как нестехиометрическое сжигание топлива (распреде- ление топлива или воздуха по ярусам горелок), упрощенное двухступенча- тое сжигание, состоящее в отключении части горелок верхнего яруса при сохранении в них расхода воздуха. Указанные мероприятия позволили снизить выбросы NOx с 1250 до 800 мг/м3. В [7] приводятся результаты применения некоторых методов снижения выбросов оксидов азота на ПГУ-170 Невинномысской ГРЭС, предложен- ных сотрудниками ОАО «Энергетический институт имени Г. М. Кржижа- новского». Данный парогазовый энергоблок содержит два корпуса высоко- напорного парогенератора ВПГ-450, работающего на природном газе. Концентрации оксидов азота даже в наиболее характерном режиме сжига- ния газа в данной установке составляют около 1100 мг/м3. По предложе- нию ОАО «ЭНИН» на этом агрегате для снижения образования NOx был опробован ряд мероприятий, начиная с менее затратного – ввода водяного пара в воздухопроводы горячего воздуха. В указанных воздухопроводах были смонтированы парораспределительные решетки для равномерного распределения пара по сечению. Было показано, что введение 7,5 т/ч пара позволяет снизить выброс NOx на 20 %. Поскольку полученный эффект снижения концентрации NOx рассмотренным способом оказался недоста- точным, было решено опробовать некаталитическое селективное восста- новление оксидов азота с использованием аммиака в области температур (950–1000) °С. Данный метод требует для своей реализации сравнитель- но небольших инвестиций и может обеспечивать снижение эмиссии NOx до 50 %. Была смонтирована установка, в которой в качестве источника аммиака использовали 25%-й водный раствор аммиака (расход аммиачной воды – от 70 до 290 кг/ч). Благодаря этому удалось снизить образование NOx на 550–640 мг/м3. Следует отметить, что почти все приведенные способы в некоторой степени позволяют снизить негативное влияние таких факторов, как высо- кая температура в зоне горения, избыток радикалов кислорода, понизить температуру в топочной камере. Однако при этом не уделено внимание одной из основных причин образования NOx – концентрации азота в ис- ходной смеси газов. Основным источником азота при сжигании природного газа является воздух. Такие методы, как нестехиометрическое сжигание топлива, сту- пенчатая подача окислителя в зону горения и т. п., отчасти позволяют решить задачу уменьшения концентрации азота в локальных высокотемпе- ратурных участках факела и при этом снизить температуру горения, что также положительно отражается на объемах выбросов NOx. Но данные способы имеют ограничения, определяемые стабильностью процесса горе- ния. Уменьшение количества воздуха в зоне горения приводит к снижению и количества кислорода. В последнее время в энергетике и промышленности с целью повыше- ния тепловой эффективности работы агрегатов и снижения выбросов NOx при сжигании природного газа применяется обогащение дутья кислородом. 51 Этот метод хорошо зарекомендовал себя при работе промышленных нагре- вательных печей, например, по данным [10], использование дутья, обога- щенного кислородом до 35,0 %, позволяет снизить топливопотребление на 3,5 % и уменьшить выбросы NOx на 5,0–10,0 %. Приведем анализ воз- действия повышенной концентрации кислорода в воздухе на процесс обра- зования оксида азота. Согласно теории Я. Б. Зельдовича [11], равновесная концентрация ок- сидов азота, образующихся при горении углеводородных топлив, может быть рассчитана по формуле 2 2NO N O [ ] 4,6 exp[ 21500 /( )],C C C RT= − (1) где 2 2N O ,C C – концентрации азота и кислорода в исходной смеси; R – уни- версальная газовая постоянная; Т – температура в зоне горения, К. Расчеты, выполненные по формуле (1), показывают, что с ростом кон- центрации кислорода в исходной смеси повышается и температура факела. Это приводит к росту концентрации NO в продуктах сгорания. Но, несмот- ря на указанный факт, анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о целесообразности обогащения воздуха кислородом с точки зрения снижения вредных выбросов. Объясняется это тем, что при использовании кислорода уменьшается объем воздуха в исходной смеси газов и, как след- ствие, снижается концентрация азота в исходной смеси и сокращаются общие объемы выбросов NO (рис. 1). Концентрация кислорода в окислителе, % Рис. 1. Зависимость концентрации NO и объема его выбросов при сжигании 1 м3 природного газа от концентрации кислорода в исходной смеси «воздух – кислород»: 1 – масса NO при сжигании 1 м3 газа, мг; 2 – равновесная концентрация NO в продуктах сгорания, мг/м3 Из рис. 1 очевидно, что по мере увеличения содержания кислорода в исходной смеси, при прочих равных условиях, объем NOx в продуктах сго- рания уменьшается. Уже при концентрации кислорода 40 % в подаваемом на горение воздухе объем выбросов NOx сокращается на 12,0 %, а при по- вышении содержания кислорода до 50 % – на 21,5 %. В Ы В О Д Ы 1. Для решения экологических проблем, возникающих при работе дей- ствующего теплоэнергетического оборудования (особенно при отсутствии 1 2 М ас са N O , м г Р ав но ве сн ая к он це нт ра ци я N O в ды м ов ы х га за х, м г/ м 3 52 резерва мощности у предприятия и инвестиций), целесообразно остано- виться на комплексе режимных мероприятий, приводящих к сниже- нию NOx. Эти мероприятия (табл. 1) не требуют больших финансовых затрат, при правильной реализации не ухудшают технико-экономиче- ские показатели котлов и позволяют подавить образование оксидов азота на 30–60 %. 2. С точки зрения экологии целесообразно применение кислорода при сжигании топлива в котлах и промышленных печах, что позволит сущест- венно сократить объемы выбросов NOx в окружающую среду. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. F i r s t Annual Top Plants Survey. – 2002. – Vol. 146, № 5. 2. А б р ю т и н, А. А. Исследование влияния ступенчатого сжигания топлива на тепло- обмен в топках газомазутных котлов / А. А. Абрютин, В. В. Чупров // Теплоэнергетика. – 2007. – № 2. – С. 54–61. 3. Т у м а н о в с к и й, А. Г. Перспективы решения экологических проблем тепловых электростанций / А. Г. Тумановский, В. Р. Котлер // Теплоэнергетика. – 2007. – № 6. – С. 5–11. 4. Р а с ш и р е н и е технологических возможностей схем рециркуляции продуктов сгорания на газомазутных котлах / В. В. Ульянов [и др.] // Электрические станции. – 2005. – № 5. – С. 30–35. 5. К о т л е р, В. Р. Использование газа на тепловых электростанциях США и проблемы экологии / В. Р. Котлер, С. Е. Беликов, В. А. Верещетин // Электрические станции. – 2004. – № 4. – С. 66–68. 6. К у р о ч к и н, А. В. Уменьшение выбросов оксидов азота за счет режимных меро- приятий при сжигании природного газа / А. В. Курочкин, А. Ф. Беляев, С. Е. Беликов // Промышленная энергетика. – 2004. – № 12. – С. 49–52. 7. Р е з у л ь т а т ы исследования некоторых методов снижения выбросов оксидов азота на ПГУ-170 Невинномысской ГРЭС / А. Ф. Гаврилов [и др.] // Электрические станции. – 2005. – № 8. – С. 32–37. 8. В н у к о в, А. К. Цена подавления оксидов азота рециркуляцией газов на котлах / А. К. Внуков, Ф. А. Розанова // Энергетик. – 2008. – № 7. – С. 35–36. 9. Д а в и д с о н, А. М. Исследование и совершенствование процесса сжигания газооб- разного топлива / А. М. Давидсон, А. Л. Рутковский // Известия вузов. Черная металлур- гия. – 2006. – № 4. – С. 67–71. 10. И н т е н с и ф и к а ц и я тепловых процессов в высокотемпературных установках на примере нагревательных печей РУП «БМЗ» путем обогащения воздушной смеси кисло- родом / С. М. Кабишов [и др.] // Литье и металлургия. – 2012. – № 3. 11. М а т е м а т и ч е с к а я теория горения и взрыва / Я. Б. Зельдович [и др.]. – М.: Наука, 1980. – 478 с. Представлена кафедрой металлургических технологий Поступила 12.11.2012 53