Решение проблемы выбросов оксидов азота на тепловыхэлектростанциях Италии
КотлерВ.1. канд. техн. Наук
Приведенырезультаты экспериментального исследования процесса трехступенчатогосжигания ни крупном огневом стенде, которые были успешноиспользованы при реконструкции нескольких газом. Путных иодного пылеугольного энергоблока для достижениянорм по выбросам NOхв атмосферу.
ВИталии, как и в большинстве стран Западной Европы начиная с 1492 г. действуютвесьма жесткие ограничения на выбросы оксидов азота NOx паровыми котлами ТЭС. Данные,приведенные в таблице, показывают, что для мощных энергоблоков независимо отвида топлива и конструкции котла концентрация оксидов азотаи дымовых газах не должна превышать 200 мг/м3 (в пересчете на N02, при нормальных условиях, при от6 % для пылеугольных котлов и 3 ° для газомазутных).
Помнению итальянских энергетиков, столь низкую концентрацию NOх для пылеугольных котловневозможно получить только технологическими методами, т. е. изменением технологиитопочного процесса. Поэтому энергомашиностроительная компания Ansaldo Energin и энергетическая компания ENEL приняли стратегическое решение:обеспечить нормы по выбросам NOх на газомазутных котлахприменением различных вариантов ступенчатого сжигания и малотоксичныхгорелок, а на пылеугольных — установкой аппаратовселективного каталитического восстановления (СКВ) заэкономайзером, причем для удешевления mix аппаратов должны быть вмаксимальной степени использованы технологические методы подавления NO3.
Значительнуюдолю мощностей компании ENTL составляютмазутные энергоблоки, общая мощность которых достигает 8 800 МВт, Поэтому еще вначале 90-х годов специалисты этой компании при активной поддержке американскойкомпании ABB Combustion Engineering решилиреконструироватьодин из мазутных котлов с тангенциальной топкой с помощьюметода трехступенчатого сжигания (ТСС).
Этот метод, какизвестно,предполагаем ввод дополнительного топлива в конечную зону факеладля coздания восстановительной среды. Вобразовавшейся зоне с недостатком кислорода происходитвзаимодействие
Допустимыеконцентрации NO и СО (мг/м ) для тепловыхэлектростанций ИталииВид топлива Новые ТЭС Действующие ТЭС Ожидаемые Европейские стандарты Тепловая мощность котла МВт(D т/ч) 50….300 (60-400)
300….500
(400-670)
>500
(>670)
(
50….500
(65-670)
>500
(>670)
>500
(>670)
Твердое
Жидкое
Газообразное
Допустимые концентрации СО на всех видах топлива
650
450
350
650..200
450..200
350..200
150
200
200
200
650
500
350
650
650
650
250
200
200
200
200
200
200
100
/>
Рис.1 Зависимости степени снижения NO, от его исходной концентрациипри подаче 20% газа в зону восстановления
Углеводородовс радикалами аминов и оксидом азота NO2образовавшимся в факеле основных горелок. Проблемные ранее фундаментальныеисследования показали что NO восстанавливается до N2 в результате реакции с аминами(NH) или взаимодействия суглеводородами (СH2 СH2), при котором образуется цианид водородапереходящий в NH3 а затем в молекулярный азот N3
Всовместной работе итальянских и американских специалистов был использованобширный экспериментальный материал, полученный ранее на огневых стендах и полупромышленныхустановках ABB С-Е. В частности при реконструкциикотла были учтены зависимости эффективности восстановления NОх от основных параметров схемыТСС, полученные на туннельной топке тепловой мощностью 50 кВт. Применение этойтопки, имеющей верхнее расположение горелки позволяло сжигать 4...8 кг/чугля или 3...6 кг/ч мазута. Воздух для горения можно было нагреватьдо 600 °С. В качестве вторичного топлива использовался природный газ.
Результатыопытов, проведенных на этой установке, привели к следующим выводам:
1.При постоянном расходе вторичного топлива (15% по теплу) существенным средствомповышения эффективности ТСС является снижение избытка воздуха в первичной зоне.
2.Исходная концентрация NOх мало влияет на эффективностьТСС, что свидетельствует о целесообразности сочетания, например, малотоксичныхгорелок и метода ТСС. Правда, эти опыты были проведенытолько при доле вторичного топлива 20 % и концентрации NO3за первичнойзоной в диапазоне 850..1 700 мг/м3 ( рис 1 )
3.Температура в восстановительной зоне играет важную роль только при глубокомнедостатке кислорода, т.е. при избытке радикалов, участвующих в восстановлении NO3, что подтверждается зависимостьюна рис. 2. Видно, что по мере снижения доли топлива, подаваемого во вторичнуюзону, уменьшается не только эффективность ТСС, но и ее зависимость оттемпературы в восстановительной зоне.
/>
Рис2 Зависимость степени снижения NO3от температурыпри разной доле природного газа, подаваемого в восстановительную зону.
Одновременнос проведением физического моделирования процесса ТСС разрабатывались прикладныепрограммы для расчета аэродинамики и процессов смешения в топочной камере, дляоценки воздействия трехступенчатого сжигания на теплообмен в толке, а также длярасчета степени снижения выбросов NOх, для обеспечения надежности математическогомоделирования сопоставлялись результаты расчетов и экспериментов, полученных намодели топки, установленной в исследовательском центре ABB С-Е. Конфигурации этой топки и топки энергоблока №2 на DC Santa Giila (Италия) совпадали
Помнению авторов, расчетные значения скоростей, температур и тепловых потоковудовлетворительно согласуются с измеренными при базовом режиме, однако припереходе к системе ТСС появляются существенные различия. Работа посовершенствованию пакета прикладных программ продолжается.
Наследующем этапе исследований была проведена серия опытов по сжиганию мазута наполупромышленной топке тепловой мощностью 15 ...30 МВт. Установленной в ужеупоминавшемся исследовательском центре ABB С-Е. Топочная камера этой установки была переделанатаким образом, чтобы можно было моделировать топочный процесс в котлеэнергоблока №2 электрической мощностью 35 МВт на ТЭС Santa Gil la (Италия), а также в типовоммазутном энергоблоке энергокомпании ENELмощностью 660 МВт (э). Основные и дополнительные горелки, а также соплатретичного воздуха на полупромышленном котле были установлены в углах топки, анаправление их осей в плане можно было регулировать.
Частьопытов при сжигании мазута была проведена без подачи в дополнительные горелкиприродного газа и рециркулирующих дымовых газов, но при подаче третичноговоздуха через верхние сопла. Это позволило в дальнейшем не только оценитьэффективность трехступенчатого сжигания при изменении основных параметровтопочного процесса, но и сравнивать его с двухступенчатым сжиганием, когда восновные горелки подается все топливо и только часть воздуха, необходимого для егополного сгорания.
/>
Рис3 Зависимость концентрации N02 от а2 при сжигании мазута наполупромышленной топке мощностью 26,4 МВт в режиме двухступенчатого (о) итрехступенчатого горения (•)
Результатыопытов показали (рис. 3), что при всех рассмотренных нагрузках уменьшениекоэффициента избытка воздуха в восстановительной зоне а от 1,05...1,10 до0,85...0,95 приводит к снижению концентрации NОх примерно от 340...380 до130...170 мг/м3 (6 % 02). Дальнейшее уменьшение а2 способствует еще большемуснижению концентрации NOx, но и одновременному увеличениюсодержания СО и механического недожога (растет число Бахараха).
Сравнениеметодов трехступенчатого и двухступенчатого сжигания показало, что при одном итом же избытке воздуха в топке до ввода третичного воздуха первый методобеспечивает меньшую концентрацию NOх,меньшее содержание СО и более полное выгорание углерода (меньшее числоБахараха).
Конструкцияполупромышленного котла позволяла вводить третичный воздух на двух уровнях.Благодаря этому удалось провести несколько пар опытов, в каждом из которыхизменялась только длительность пребывания продуктов сгорания в восстановительнойзоне τІІ. Результаты этих опытов показали,что увеличение τІІ во всех случаях повышаетэффективность ТСС, но зависимость достаточно пологая: при использованииприродного газа для создания восстановительной зоны увеличение τІІ от 280 до 520 мс повысило степеньснижения NО2 всего на 7 % (с 55 до 59 %). В другой паре опытов при меньшемзначении аІІ рост τІІ от 300 до 560 мс повысил степеньснижения NOx на 9,8 % (с 61 до 67 %).
Первыйопыт промышленного внедрения схемы ТСС в Италии был осуществлен в 1990 г. наТЭС Cassanо. Энергоблок № 1 мощностью 75МВт на этой электростанции был оборудован газомазутным котлом с фронтальнымрасположением шести горелок в два яруса по высоте. При работе котла на природномгазе с обычными вихревыми горелками концентрация NOx в дымовых газах за экономайзеромменялась от 550 мг/м3 при O2 = 3 % до 470 мг/м3 при O2 = 2 % (здесь и далее концентрацииоксидов азота приведены к нормальным условиям: 273 К, 101,3 кПаи 6 % O2). После установкималотоксичных горелок типа TEA в том же диапазоне избытковвоздуха концентрация NOxснизилась до210...180 мг/м3.
сжигание топочный котел
/>
Рис.4. Котел № 1 на ТЭС Cassano после внедрения схемытрехступенчатого сжигания.
1—малотоксичные горелки фирмы Ansaldo типа ТКА.
2—дополнительные горелки-инжекторы,
3—сопла третичного воздуха
Присжигании мазута на котле с малотоксичными горелкамиприходилось работать с коэффициентом избытка воздуха в топкеат = 1,1. При этом концентрация оксидов азота составляла420 мг/м3, а СО — около 30 мг/м3. Снижениеизбытка воздуха резко увеличивало содержание СО.
Реконструкциятопочной камеры, выполненная в 1990 г., состояла вустановке на фронтовой стене трех газовыхгорелок-инжекторов и трех сопл для ввода третичноговоздуха (рис. 4). Испытания, проведенные после еереконструкции, показали, что при сжигании мазута восновных горелках и газа в дополнительных концентрацияNOX снижалась до 250 мг/м3,если коэффициент избытка воздуха ввосстановительной зоне уменьшался до аи = 0,9. После оптимизациирежима аІІ удалось снизить до 0,8 (придопустимом содержании СО = 100… 150 мг/м3). При этомконцентрация NOX уменьшилась до 210 мг/м3,т.е. примерно на 50 % по сравнению с уровнем, полученнымтолько на малотоксичных горелках.
Успешныйопыт внедрения схемы ТСС на небольшом котле ТЭС Cassano способствовал переходук реконструкции более мощных газомазутныхэнергоблоков: в 1995 г. котла № 3 ТЭС Monfalcone, в следующем году — котла №4 наТЭС Cassella, а в 1997 г. — котла № 3 на этойже ТЭС. Все три энергоблока имели номинальную мощность по 320 МВт, их котлыбыли оборудованы вихревыми горелками, расположенными в два яруса по высоте нафронтовой стене (в каждом ярусе— по три горелки). Окончательный вариантреконструкции котлов заключался в установке на фронтовой стене шести горелокдля ввода дополнительного топлива и десяти сопл третичного воздуха, размещенныхна боковых экранах (по пять с каждой стороны).
Результатыиспытаний, проведенных при сжигании мазута на всех котлах после внедрения схемыТСС, показали, что при коэффициенте избытка воздуха в восстановительной зоне,равном 0,7, обеспечивается нормальный топочный режим с умеренным содержанием твердыхчастиц за котлом (менее 25 мг/м3) и допустимой концентрацией оксида углерода(СО
Наследующем этапе схема трехступенчатого сжигания была внедрена на энергоблоках №5 и 6 ТЭС Tavazzano. Котлы этой ТЭС имеют такую жеконструкцию, как и котел № 3 ТЭС Casella,но в отличие от последнего могут работать и на мазуте, и на природном газе.Поэтому при внедрении схемы ТСС пришлось изменить конструкцию дополнительныхгорелок. Опыты, проведенные при сжигании природного газа в основных идополнительных горелках, показали, что при aІІ= 0,8...0,85 концентрация NOx в дымовых газах составляет125… 150 мг/м3 при 02 = 6 %.
Общийитог проведенных природоохранных мероприятий на ТЭС Tavazzano можно считать успешным: дореконструкции концентрация NOx в дымовых газах составляла более540 мг/м (6 % O2), после использованиямалотоксичных горелок типа TEA № 2 выбросы оксидов азота присжигании природного газа были снижены на 60 %, а внедрение метода ТСС уменьшилоисходную концентрацию NOx на 77 %. В настоящее времяпродолжаются работы по усовершенствованию ввода третичного воздуха, чтопозволит, по мнению авторов [2], еще больше снизить выбросы NOx без увеличения содержания СО вдымовых газах.
Кзаметным достижениям специалистов фирмы Ansaldo Energia следует отнести внедрение методаТСС на котле энергоблока № 8 мощностью 160 МВт ТЭС Keratsini, расположенной в г. Афины(Греция). По решению местных властей необходимо было обеспечить достаточножесткие нормы по допустимым выбросам оксидов азота: примерно 135 мг/м3 (6 % 02)при сжигании газа и 210 мг/м3 при сжигании мазута.
Реконструкциякотла была вызвана необходимостью обеспечения 100 %-ной нагрузки котла наприродном газе (ранее основным топливом на ТЭС был мазут), а также сниженияконцентрации NOx до указанных выше предельныхзначений без увеличения механического недожога.
Дореконструкции в топочной камере было установлено 20 вихревых горелок. Новая системасжигания включала в себя восемь вихревых малотоксичных горелок типа YEA, расположенных в два яруса повысоте на фронтовой стене топки. Выше этих горелок (на задней стене) былиустановлены шесть газомазутных горелок-инжекторов для создания восстановительнойзоны. Еще выше (на боковых стенах топки) размещались поворотные соплатретичного воздуха (по три на каждом боковом экране). В объем реконструкциивходили также новые воздушные короба, дополнительные приборы, вспомогательныемеханизмы и др.
Испытаниякотла после проведения указанных мероприятий показали, что при сжиганииприродного газа (на другом виде топлива работа котла запрещена местнымивластями) внедренная схема обеспечивает стабильную работу котла с концентрациейNOx, не превышающей допустимыйуровень. При номинальной нагрузке блока (160 МВт) подача 15… 17 % природногогаза в дополнительные горелки-инжекторы приводит к снижению коэффициентаизбытка воздуха в восстановительной зоне аІІ до 0,82...0,85. При этомсодержание СО в дымовых газах сохраняется на уровне, не превышающем 100 мг/м3,а концентрация NOx составляет 115...130 мг/м3(6%02).
Наэтом же котле были проведены опыты по оценке двухступенчатой схемы сжигания. Вэтих опытах все топливо поступало через основные горелки, а часть воздуха — через сопла третичного дутья. Оказалось, что при таком режиме, даже с учетоминтенсивного перемешивания третичного воздуха с продуктами сгорания,концентрация NOx все же выше, чем прииспользовании схемы трехступенчатого сжигания: в диапазоне нагрузок от 130 до160 МВт содержание N0x составляло 136… 188 мг/м3 (6 %02) и только при нагрузках менее 130 МВт оно оказывалась меньше допустимого(135 мг/м при 02 = 6%).
Последнимобъектом, на котором была внедрена схема трехступенчатого сжигания в Италии,является энергоблок № 4 мощностью 320 МВт на ТЭС Vado Ligure. В отличие от описанных вышеобъектов этот энергоблок работает на угле и на нем еще в начале 90-х годов былавыполнена реконструкция горелок для снижения выбросов оксидов азота. Взаводском исполнении котел этого энергоблока был оборудован 30 горелками,размещенными в 15 ячейках. При работе энергоблока с номинальной нагрузкой (320МВт) при пяти включенных мельницах концентрация оксидов азота составляла 1 200мг/м3, а содержание горючих в уносе — 6 %.
Модернизациякотла заключалась в следующем: в каждой ячейке все топливо стало поступатьчерез нижнюю горелку (пылепроводы были заменены новыми), а через верхнююгорелку (после замены регистра) стал подаваться только воздух. В результате притой же нагрузке и при работе пяти мельниц была получена концентрация NOx = 876 мг/м3 (при избытке воздухаза котлом аІІ = 1,23), а содержание горючих вуносе возросло до 8 %. Повышение избытка воздуха как до, так и послереконструкции несколько снижало содержание горючих в уносе (до 5,5 % в исходномварианте и до 7,7 % после реконструкции), но концентрации оксидов азота приповышенных избытках воздуха (Ox = 1,31) были другими: 1 440мг/м3 до и 970 после реконструкции.
Достигнутыерезультаты не отвечали требованиям по допустимым выбросам NOx в атмосферу. Учитывая это,руководство ENEL приняло решение о внедрении наэтом энергоблоке схемы трехступенчатого сжигания. Причем для созданиявосстановительной зоны было решено использовать не природный газ, а основноетопливо — уголь. Ранее такое техническое решение было реализовано только в США,но на котле с циклонными предтопками.
Разработкаи внедрение схемы ТСС на ТЭС Vado Ligure осуществлялись на средства фондаЕС (по программе Thermie) и девяти партнеров — участниковпроекта: ENEL и Ansaldo (Италия), Power Gen и Mutsui Ваbcock Energy (Великобритания), IVD (Дания), EdF (Франция), 1ST и EDP (Португалия), ISB (Ирландия).
Посленовой реконструкции топочного устройства на котле были установлены 24малотоксичные вихревые горелки, размещенные встречно на фронтовой и заднейстенах топки. Горелки располагались в три яруса по высоте, по четыре горелки вкаждом. Выше верхнего яруса горелок на фронтовой и задней стенах топки былиустановлены 10 горелок-инжекторов, в которые подавалась пыль более тонкогопомола для создания восстановительной зоны. Еще выше, но на боковых стенах,были расположены сопла третичного воздуха ( попять на каждой стороне). На этойже отметке на фронтовой и задней стенах было размещено три сопла длярегулирования температурына выходе из топки (рис. 5).
/>
Рис.5. Котел № 4 на ТЭС Vado Ligure после внедрения схемытрехступенчатого сжигания
1— малотоксичные горелки с указанием мельницы, oт которой подается угольная пыль (А,В, Си D),2-горелки — инжекторы дляпереизмельченной угольной пыли, 3 — сопла третичного воздуха; 4 — шлицы для регулированиятемпературы
Осенью1998 г. после завершения реконструкции были начаты испытания котла. Их итоги свидетельствуют о том, чтометод трехступенчатого сжигания с использованием угля для создания восстановительной зоны обеспечилзначительное снижение выбросов NOx
Результатыпроведенных в 90-х годах на крупных энергоблоках Италии природоохранныхмероприятий показали, что схема трехступенчатого сжигания является надежной иэффективной при использовании природного газа, мазута и угля. Она обеспечиваетснижение концентрации оксидов азота в дымовых газах ниже м185 мг/м3 нагазомазутных котлах и ниже 330...350 мг/м3 на пылеугольных.
Список литературы
1.Lazzeri L., De Santis R. Further Experience for Environment improvement infossil fuel Combustion // Proceedings of American Power Conf. Chicago,Illinois, 1997
2.Application of Reburning Technologies for NOx Emission Control on Oil andPulverized Coal Tangentially Fired Boilers / R.C LaFlesh e. a. // InternationalPower Conference. San Diego, CA, US October 6 101991
3.Towards an effective reduction of emissions in boilers via combustion control /A. Antifora, R. De Santis; L Lazzeri e a // Proceedings of Power-Gen Europe 98— Milan, Italy, June 9 11, 1998