Снижение вредных выбросов в атмосферу. Чистый воздух

Принципиально существует несколько подходов к решению проблемы ограничения вредных выбросов в атмосферу с дымовыми газами ТЭС:

Рассеивание вредных выбросов с помощью высотных дымовых труб на большой площади;

Непосредственное воздействие на механизм образований вредных примесей при горении топлив;

Очистка продуктов сгорания топлив от вредных примесей;

Удаление вредных компонентов из топлива до его сжигания. Специалисты в области теплоэнергетики должны уметь правильно выбирать оборудование и оптимальные режимы эксплуатации котлов, обеспечивающие снижение до минимума вредных выбросов в окружающую среду, в зависимости от вида сжигаемого топлива, рельефа местности и других факторов.

1.1. Высотные дымовые трубы

Хотя тепловые электростанции являются одним из наиболее крупных источников вредных выбросов в атмосферу, их участие в формировании общего фона загазованности в приземном слое воздуха отнюдь не находится в прямой зависимости от массы этих выбросов. Связано это с тем, что в отличие от других источников вредных выбросов (автотранспорта, промышленных предприятий) на ТЭС дымовые газы рассеиваются в атмосфере на высоте несколько сотен метров, благодаря чему достигают поверхности земли, разбавленные воздухом в сотни и тысячи раз. Основной задачей рассевания вредных веществ в атмосфере являются снижение их концентраций до такого уровня, когда они становятся безопасными для живой природы. Для этого на ТЭС используются дымовые трубы, высота которых (по мере укрупнения электростанций и ухудшения качества топлив) постоянно увеличивалась. В настоящее время используются трубы высотой 180, 250, 320 – 360 и 420 м.

Современные высотные дымовые трубы выполняются в виде моно­литных железобетонных стволов, выдерживающих высокие ветровые и весовые нагрузки. С целью предохранения железобетона от воздействия сернистых соединений, влаги и повышенной температуры дымовых газов в трубах выполняется защитная внутренняя оболочка из кислотоупорного кирпича. Высотные дымовые трубы являются дорогостоящим элементом ТЭС.

Концентрация токсичных веществ при увеличении высоты дымовых труб значительно падает в непосредственной близости от электростанции, с увеличением же расстояния относительное снижение концентрации уменьшатся. Для упрощенного определения распределения концентраций вредных примесей на уровне земли при их рассеивании с помощью дымовых труб используется следующая формула :

где М – количество выбросов; и – скорость ветра; Н – эффектив­ная высота трубы; k – коэффициент турбулентной диффузии; х – расстояние от трубы. Наибольшая величина приземной концентрации токсичных веществ С м устанавливается на расстоянии

(1.2)

и составляет

(1.3)

Однако в реальных условиях задача расчета концентрации токсичных примесей существенно осложняется в связи с необходимостью учиты­вать реальные гидрометеоусловия, неоднородность турбулентной структуры атмосферы, разность температур выбрасываемых газов и окружающего воздуха, условия выходя газов из устья трубы и их оседания на поверхности земли.

Высота дымовых труб ТЭС должна рассчитываться с учетом рас­сеяния токсичных примесей до норм ПДК. В табл.1.1 приведены рас­четные значения максимальной концентрации NО Х в приземном слое вблизи газомазутных ТЭС мощностью 3600 и 4800 МВт с дымовыми трубами 250 и 320 м при различных скоростях ветра. Данные расче­та показывают, что даже для трубы высотой 320 м в штиль содержа­ние NO Х в приземном слое может превышать ПДК. Еще большее пре­вышение ПДК будет наблюдаться при содержании в уходящих газах ТЭС, кроме NO Х, других вредных веществ, обладающих эффектом суммации.

Таблица 1.1

Расчетные концентрации NO X в приземном слое.

Высота труб, м	Скорость ветра, м/с	Концентрация NO X , мг/м 3

Поэтому высотные дымовые трубы не следует противопоставлять другим способам защиты окружающей среды. Пока будут существовать вредные выбросы (как следствие несовершенной технологии сжигания топлива), дымовые газы необходимо выбрасывать в верхние слои атмосферы, где их вредные компоненты будут обезвреживаться в ходе процессов естественного самоочищения воздушного океана. Высоту дымовых труб ТЭС следует выбирать после того, как использованы все возможности, связанные с уменьшением количества вредных выбросов ТЭС в атмосферу. Для этого существует специальная методика, учитывающая суммарное воздействие вредных веществ фоновую загазованность атмосферы городов и т.д. . С учетом этих факторов определяется предельная мощность тепловой электростанции по условиям защиты биосферы от воздействия вредных газообразных выбросов.

Сокращение объемов выбросов вредных веществ – основная задача экологизации производственного процесса. Ответственные предприятия систематически внедряют современные способы снижения выбросов опасных соединений. Для этого предлагаются инновационные решения и технологии.

От чего зависит выбор методов снижения выбросов

Для предприятия комплекс мер подбирается индивидуально. Специфика способов снижения зависит от ряда факторов:

• особенности и вид производственного процесса;
• уровень концентрации опасных веществ в выбросах;
• технические характеристики, используемого оборудования;
• финансовые возможности субъекта хозяйствования.

Способы сокращения выбросов в зависимости от погодных условий

Метеорологические условия влияют на выбор мероприятий по сокращению выбросов на предприятии. При нормальных погодных условиях деятельность по снижению выбросов осуществляется в соответствии с утвержденным на предприятии планом экологизации. Систематически и последовательно реализуются такие меры:

• разработка и внедрение безотходных, малоотходных и ресурсосберегающих технологий;
• внедрение инновационных очистительных систем для более эффективной фильтрации газа и пыли;
• переход на экологически чистое сырье и использование вторичных материалов;
• использование топливных ресурсов с минимальным содержанием загрязняющих веществ;
• обогащение сырьевого материала для производства экологически безопасной продукции;
• реорганизация системы движения транспорта;
• минимизация объемов неорганизованных выбросов и утечек;
• строгий контроль технологической работоспособности производственных фондов и очистных сооружений.

Изменение погоды неблагоприятную сторону (сильный ветер, засуха, дождь) влечет необходимость принятия срочных, внеплановых мер по снижению объемов выбросов. должны быть проведены еще до начала плохих погодных условий (на основании результатов прогнозирования погоды).

Общие меры снижения выбросов для всех субъектов хозяйствования – их сокращение до уровня предельно допустимой нормы. В особо опасных случаях выброс вредных веществ необходимо сократить в несколько раз по сравнению с предельно допустимыми значениями.

На каждом предприятии должен быть утвержден при плохих метеорологических условиях. Такой регламент обеспечивает сокращение выбросов за счет:

• использования топливных ресурсов и чистого сырья;
• запрета на ремонт оборудования и транспорта, который может привести к внеплановым выбросам;
• усиление интенсивности работы очистных сооружений.

Меры по сокращению выбросов вредных веществ при плохих погодных условиях разрабатываются для действующих и проектируемых предприятий с учетом особенностей производства. Уровень сокращения выбросов загрязняющих веществ зависит от их концентрации.

Снижение выбросов должно обеспечивать сокращение концентрации опасных соединений в приземном шаре:

1. Первый режим неблагоприятных погодных условий – до 20%, в основном за счет реализации организационных и технических мероприятий;
2. Второй режим неблагоприятных погодных условий – до 40% за счет проведения организационно-технических мероприятий, внесения изменений в технологические процессы, незначительного сокращения производительности предприятия;
3. Третий режим неблагоприятных погодных условий – до 60% в основном за счет сокращения производительности компании.

При опасных условиях вопрос сокращения объемов выбросов решается радикально. Предприятие временно приостанавливает работу производственных мощностей. Выбросы прекращаются полностью.

Способы сокращения выбросов на примере газообразных веществ

Газообразные выбросы загрязняют атмосферу. Минимизировать объемы газообразных выбросов в воздух можно за счет инновационных разработок. Для сокращения газообразных выбросов предприятия могут использоваться такие способы:

• Оптимизация работы теплогенерирующей установки – использование присадок, внедрение инновационных технологий сжигания топлива, выбор оптимального режима работы;
• Переход на экологически чистое топливо – например, мазут можно заменить на природный газ. Также популярностью пользуется инновационное синтетическое топливо. Эти мероприятия обходятся дорого, но позволяют сократить выбросы вредных продуктов сгорания;
• Фильтрация дымовых газов – позволяет минимизировать концентрацию вредных соединений в газообразных выбросах. Для удаления вредных частиц используют технологии десульфатации, абсорбции, адсорбции, каталитического окисления;
• Рассеивание вредных соединений в атмосфере за счет определенной высоты трубы выброса – этот метод не влияет на объем выбрасываемых веществ, а обеспечивает их рассеивание на большей площади. В результате концентрация загрязняющих соединений в приземном шаре снижается.

Реализация таких мероприятий позволяет снизить объемы выбросов и концентрацию вредных веществ в воздухе.

Как разработать меры по снижению выбросов

Специалисты разработают комплекс методов по снижению выбросов. Наши экологи качественно и быстро проанализируют ситуацию на предприятии и предложат оптимальные пути сокращения выброса вредных веществ и экологизации производства. Мы гарантируем положительный экологический имидж нашим клиентам и ответственно относимся к выполнению заказов.

Содержание раздела

8.1.1. С целью снижения образования NО x в приосевой зоне горелочных устройств в котлах ТГМП-204, отапливаемых жидким топливом, предлагается модернизировать горелки . Более эффективным по мнению авторов при сжигании жидкого топлива в силу стадийности его подготовки, является ввод газов рециркуляции через отдельный канал . При этом подбирается такое соотношение скоростей воздуха и газов, при котором газы не балластируют прикорневую область горения, а достигают активной зоны горения и тормозят образование NО x в этой зоне.

На рис. 8.1 приведена схема модернизированной горелки котла ТГМП-204. Горелка состояла из двух каналов подачи воздуха (центрального и периферийного), снабженных тангенциальными регистрами.

Рис. 8.1. Схема модернизированной горелки для сжигания жидкого топлива в топке котла ТГМП-204

Скорость истечения воздуха на выходе из каналов соответственно 60 и 70 м/с. По периферии горелки расположен канал ввода газов рециркуляции со скоростью 26 м/с. В центре горелки установлена мазутная форсунка с углом раскрытия топливного факела 85°. Выход канала газов рециркуляции перекрыт кольцом, в котором просверлены отверстия диаметром 60 мм, обеспечивающие истечение газов рециркуляции со скоростью ∼50 м/с (вместо 26 м/с). На рисунке видно, ось струи газов рециркуляции проходит через фронт пламени, и их дальнобойность позволяет достигнуть предполагаемой зоны основного образования оксидов азота. При этом основная часть газов рециркуляции не попадает в корень факела, что положительно сказывается на снижении образования механического недожога q 4 . Модернизация горелок котлов ТГМП-204 позволила сократить содержание NО x в отходящих дымовых газах на 30%.

8.1.2. На котле ТГМ-84Б с целью подавления оксидов азота внедрен дозированный впрыск воды в зону горения . При водотопливном отношении q < 10% это снижение достигает 150÷170мг/м 3 , а при водотопливном отношении q ∼ 8% с работой на пониженных избытках воздуха (α = 1,04÷1,06) концентрация NО x снижается на 200–220 мг/м 3 .

В зависимости от конкретных условий для подавления оксидов может использоваться техническая вода, основной конденсат или сетевая вода.

8.1.3. В топках с фронтальной компоновкой пылеугольных горелок для снижения концентраций NО x в уходящих газах при сжигании нешлакующегося топлива без содержания S считают целесообразным организовать ступенчатый ввод вторичных (третичных) потоков воздуха , направляя их в центральную область топки между концентрированными потоками реагентов.

8.1.4. Для одновременного улавливания оксидов N и S с эффективностью до 90% в предлагают электронно-лучевую обработку дымовых газов .

Этот сухой метод очистки позволяет решить проблемы образования отходов, удаления шламов, повторного нагрева газов. Кроме того, при такой обработке получается порошкообразная смесь побочных продуктов – удобрений (NH 4) 2 SO 2 и NH 4 NO 3 .

Утверждается , что метод электронно-лучевой обработки дымовых газов дешевле мокрых известняковых (скрубберного и каталитического) методов.

8.1.5. В для снижения выхода NО x не менее, чем на 60–70%, предлагается ступенчатое сжигание топлива с вводом азотосодержащих веществ в восстановительную зону горения . Утверждается, что присутствие значительного количества азотосодержащих радикалов RNi в продуктах сгорания в области высоких температур при α < 1обеспечивает эффективное восстановление NО x , образовавшихся на начальной стадии факела, до молекулярного азота. В качестве восстановителя применяются: аммиак – NH 3 , аммиачная вода – NH 4 OH, мочевина – (NH 2) 2 CO, циануровая кислота – (HOCN) 3 .

8.1.6. Модернизация котла, отапливаемого природным газом, БКЗ-420-140 НГМ-4 путем оснащения его дутьем воздуха над горелками верхнего яруса привело к резкому снижению содержания NО x в дымовых газах .

8.1.7. На котлах с жидким шлакоудалением ТПП-312 (паропроизводительность 950 т/ч, параметры пара: 25 МПа, 545 °С) с целью снижения NО x внедрено трехступенчатое сжигание топлива . Внедрение осуществлялось путем установки дополнительных прямоточных газовых горелок и установки сопл третичного дутья (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Схема трехступенчатого сжигания на котле ТПП-312: 1 – основные грелки; 2 – дополнительные горелки и газы рециркуляции; 3 – сопла третичного воздуха; 4 – верхние сопла рециркуляции

Дополнительные горелки были установлены встречно на фронтовом и заднем экранах, а сопла третичного дутья были размещены выше дополнительных горелок. Для обеспечения требуемой по условию шлакования ширм температуры газов в верхней части топки был выполнен аэродинамический выступ.

В результате модернизации выбросы NО x сократились в два раза. Надежность и экономичность работы котла при этом не снизились.

8.1.8. При сжигании углей различных видов в основной горелке и подаче природного газа или жидкого топлива во вторую ступень , позволили получить качественные характеристики процесса:

• - ввод вторичного топлива следует осуществлять за зоной активного горения по потоку газов;
• - количество топлива, подаваемого во вторую ступень, должно составлять около 20–25% по теплу;
• - коэффициент избытка воздуха – á в агенте, транспортирующем топливо-восстановитель, не должен превышать 0,35;
• - в качестве топлива-восстановителя предпочтительней природный газ.

Соблюдение при модернизациях указанных качественных характеристик обеспечивает снижение концентрации оксидов азота в 3 и более раз .

Там же утверждается, что высокотемпературный (до 600–800 °С) подогрев топливной пыли позволяет снизить в 3–5 раз образование «топливных» оксидов азота в пылеугольном факеле.

8.1.9. Результат от внедрения комплекса различных методов подавления NО x применительно к котлу ТГМП-114 (а) и котлу ТГМ-96Б, отапливаемых мазутом, приведен на рис. 8.3 .

Рис. 8.3. Применение комплекса технологических методов для подавления NО x на газомазутных котлах при О 2 = 6%: I – исходный вариант; II – малотоксичные горелки; III – горелки + рециркуляция; IV – горелки + ступенчатое сжигание + рециркуляция; V – ступенчатое сжигание; VI – ступенчатое сжигание + рециркуляция

8.1.10. Замена инжекционных горелок (ИГК) на вихревые газомазутные горелки дутьевого (напорного) типа у котлов паропроизводительностью до 10 т/ч («ДКВ», «ДКВР», «ДЕ», «Универсал» и др.) снижает содержание NО x в дымовых газах ∼ в 1,5–1,6 раза .

8.1.11. Модернизация горелок на котле ТГМ-84, отапливаемого природным газом, позволила снизить содержание NО x в уходящих дымовых газах н 30% и довести концентрацию NО x до 110 мг/м 3 при á = 1,4 .

Рис. 8.4. Газомазутная горелка котла ТГМ-84: а – проектная, б – модернизированная

До модернизации эксплуатировались горелки конструкции ЦКТИ (рис. 8.4, а ): газы рециркуляции в горелки подавались по периферии улиточного короба. В модернизированных горелках (рис. 8.4, б ) газы рециркуляции подаются по всему радиусу улитки.

8.1.12. Предварительная (вне топки) термическая подготовка угля – нагрев угля в бескислородной среде до температуры 650–850 °С способствует развитию процесса пиролиза угольных частиц с разрушением термически неустойчивых азотосодержащих соединений и переходом выделяющегося атомарного азота в молекулярный инертный азот.

Разработанная «Уралтехэнерго» встроенная система подогрева пыли (ВСП) полностью обеспечивает предварительную термическую подготовку угля . ВСП может быть использована в пылеугольных грелках различного типа – вихревых, прямоточных, плоскофакельных – при подаче в систему высококонцентрированной аэросмеси. Конструктивно ВСП состоит из двух основных разъемных блоков – камеры сжигания вспомогательного топлива и рабочего канала (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Конструктивная схема вихревой пылегазовой горелки со встроенной системой подогрева угольной пыли (ВСП): 1 – основная горелка; 2 – камера сжигания вспомогательного топлива; 3 – рабочий канал; 4 – вспомогательная газовая горелка; 5 – патрубок подачи высококонцентрированной аэросмеси; 6 – запальник

Камера сжигания служит для воспламенения топливовоздушной смеси и формирования факела в ограниченном объеме.

В рабочем канале происходит: догорание вспомогательного топлива; смешение угольной пыли с высокотемпературными продуктами сгорания вспомогательного топлива; подогрев угля и выделение летучих.

Опыт промышленной эксплуатации ВСП позволил существенно улучшить выгорание топлива – содержание горючих в уносе составляет 5–6%. Концентрация оксидов азота в дымовых газах снижается до 60–70% от исходного уровня.

8.1.13. Низкоэмиссионная вихревая технология – НВТ или образование вихревого низкотемпературного процесса (НВТ) происходит в результате взаимодействия встречно-смешенных струй, вытекающих из наклоненной вниз под углом á горелки, и воздушного сопла нижнего дутья, установленного внизу топки по всей ее ширине и направленного вдоль ската холодной воронки под горелки (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Аэродинамическая схема низкотемпературного вихревого процесса

Наклон горелок позволяет направить значительную массу топлива в нижнюю часть топки, где наиболее крупные фракции при развороте струи под действием инерции и собственной массы сепарируются из потока, вовлекаются нижним дутьем в многократную циркуляцию и сгорают в низкотемпературном вихре, а мелкие сгорают в прямоточной части факела .

Подача практически всего вторичного воздуха только через верхние сопла обеспечивает на начальном участке нижних ярусов избытки воздуха, равные 0,3–0,5. Поэтому горение в верхней части топки ведется в режиме дожигания, а в нижней – в полувосстановительной атмосфере. Снижение максимальной температуры в топке и на выходе из нее исключает шлакование экранов и пароперегревателя.

Внедрение НВТ путем модернизации котлов ПК-10, отапливаемых твердым топливом, позволило снизить в отходящих газах содержание:

• - NО x (при О 2 = 6% и при нормальных условиях) с 900–860 мг/м 3 до 330–415 мг/м 3 ;
• - SO 2 на 25–35%.

В объем модернизации (рис. 8.7) входят:

• реконструкция горелок, связанная с установкой дополнительных насадок на сопла аэросмеси и вторичного воздуха;
• устройство ввода нижнего дутья;
• размещение воздуховодов с регулирующими органами (шиберами);
• ввод дробленки CaCO 3 (фракция 0,035 м) посредством дозатора на угольную ленту существующей топливоподготовки.

Рис. 8.7. Схема модернизации котлов ПК-10

8.1.14. При реализации схемы двухступенчатого сжигания пылеугольного топлива на котлах с фронтальным расположением горелок или открытыми амбразурами (например, на котлах БКЗ-75-39 ФБ) в предлагают определять по следующим формулам.

Оптимальную область ввода третичного воздуха в соответствии с :

H = 0,5(D г + h 3) + 1,5(V daf /10) 0,5 , м,

где Н – расстояние между осями горелок и воздушных сопл, м; D г – диаметр горелки, м; h 3 – высота выходного сечения сопла, м; V daf – выход летучих на горючую массу, %.

Долю третичного воздуха по формуле:

∆α 3 = α″ т – (α г + ∆α т),

где α т – коэффициент избытка воздуха на выходе из топки, ∆α т – присосы воздуха в топочную камеру, α г – коэффициент избытка воздуха в горелках.

Эффективность ступенчатого сжигания в соответствии с :

η Nox = 340 (H 0,5 – 3∆α3) × , %;

Увеличение температуры газов на выходе из топки – ∆Θ″ т в соответствии с :

∆Θ″ т = 35Н(1,1 – α г) 0,5 , °С;

Потери тепла с механическим недожогом – ∆q 4 в соответствии с :

∆q 4 = 30*H /V daf *(1,1 – α г) 2 , %.

8.1.15. Количество «термических NO x », образующихся при горении топлива, зависит от уровня максимальной температуры в ядре горения, а при горении природного газа образуются еще и «быстрые NO x », количество которых практически не зависит от температуры факела. Считают , что единственным средством для снижения «быстрых» – это полное предварительное смешение топлива с воздухом .

Фирмой Radiom Corporation (США) разработана горелка R-RMB TM . Эта горелка по данным подавляет образование как «термических» так и «быстрых» NO x . Принципиальная схема горелки приведена на рис. 8.8. Особенностью горелки является способность чрезвычайно быстрого смешения топлива с газовоздушной смесью. Достигается это в результате вода мельчайших струй природного газа в поток газовоздушной смеси в межлопаточном пространстве, обеспечивая тем самым высокую турбулентность потока.

Рис. 8.8. Схема работы горелки R-RMB TM: 1 – центральная форсунка для мазута; 2 – природный газ; 3 – воздух и газы рециркуляции; 4 – закручивающие лопатки (в промежутки лопаток подается природный газ); 5 – распыленный (дисперсный) мазут; 6 – смесь природного газа, воздуха и газов рециркуляции; 7 – стенка топочной камеры; 8 – наружная зона рециркуляции; 9 – внутренняя зона рециркуляции; 10 – участок интенсивного перемешивания топлива с газовоздушной смесью

Ориентировочно: длина факела ∼1,8 м; сопротивление по воздуху ∼1650 Па; сопротивление по природному газу ∼34–35 Па – соответствуют оптимальному режиму работы горелки.

Горелка R-RMB TM по данным обеспечивает снижение концентраций NO x в отходящих дымовых газах до уровня, который возможен при использовании метода селективного каталитического восстановления с использованием аммиака, т.е. до 9 ÷ 5 ppm (1 ppm = 1 см 3 /м 3). Отсутствие ступенчатой подачи топлива или воздуха при использовании горелок R-RMB TM позволяет избегать побочных отрицательных явлений. В частности в продуктах сгорания практически отсутствуют CO и углеводороды.

8.1.16. Эффективным методом снижения выбросов NO x является применение трехступенчатой схемы сжигания топлива (схема с восстановлением NO x или «Ребенинг») . Сущность схемы заключается в сжигании основной части топлива с избытком воздуха выше стехиометрического, например, α = 1,05 и организации после практически полного завершения выгорания топлива зоны восстановления. Зона восстановления образуется за счет подачи в нее топлива – восстановителя при α = 0,9–1,0. Третья ступень – зона дожигания организуется путем подачи в конец зоны восстановления избыточного третичного воздуха.

Сжигание высокореакционных углей с применением такой схемы позволяет снизить выбросы NO x на 40–60%.

К числу факторов, интенсифицирующих процесс горения, относятся:
1) повышение концентрации реагирующего газа путем обогащения воздуха кислородом;
2) увеличение реакционной поверхности топлива (путем его измельчения или использования внутренней поверхности);
3) применение повышенного давления;
4) увеличение скорости потока реагирующего газа;
5) организация непрерывного процесса горения.

С увеличением концентрации кислорода в реагирующем газе уменьшается содержание азота, увеличивается температура и растет скорость реакции. Исходя из этого, необходимо подбирать сочетание вышеуказанных параметров для того, чтобы уменьшать концентрацию NOx в газе. Кроме того, в этом случае можно уменьшить степень подогрева воздуха, что также будет способствовать уменьшению содержания окислов азота в дымовых газах.
Увлажнение воздуха в слоевых процессах способствует более интенсивному горению, особенно углей с легкоплавкой золой. При «подпаривании» воздуха, обогащенного кислородом, колосники не заливаются шлаком, доступ кислорода не тормозится, чем и обеспечивается хорошая работа топки.

Большое влияние на характер протекания процесса горения оказывает размер и количество пылевидных частиц, их однородность в смеси. Количество и размер частиц определяют долю радиационной составляющей в общем тепловом потоке горючей смеси, а однородность частиц способствует увеличению скорости их выгорания в топочном объеме. От степени измельчения топлива зависит не только скорость его горения, но и газопроницаемость слоя. Уменьшение размеров кусков в слое топлива приводит к увеличению реакционной поверхности в единице объема, которая, как известно, находится в обратной зависимости от их размера. Уменьшение размера частиц пылевидного топлива сказывается непосредственно на уменьшении времени их сгорания. C другой стороны с увеличением содержания мелочи резко возрастает сопротивление движению газов, возникают застойные зоны горения, ухудшается скорость выгорания топлива. При использовании топлива, содержащего большое количество мелочи, резко возрастает унос, снижающий к.п.д. процесса.

Немаловажным средством для интенсификации топочных процессов служит повышение давления в реакционной зоне. Оно позволяет увеличить плотность реагирующего газа в единице объема (и количество топлива при сжигании), снизить скорость движения газового потока и тем самым увеличить время контакта между реагирующим топливом и воздухом. Кроме того, появляется возможность уменьшить подсосы воздуха в топочный объем, избежать неравномерности нагрева металла и охлаждения факела. Давление оказывает влияние на скорость протекания химических реакций, но регулировать эту величину следует в пределах, которые обеспечат оптимальное время пребывания газов в реакционной зоне, допустимо высокую температуру факела для получения высокого к.п.д. агрегата и минимальное образование окислов азота.

При температурах ниже 650С начинается переход окиси азота в двуокись. Согласно нормам ПДК, двуокись азота относится ко второй группе опасности. Поэтому искусственное понижение температуры дымовых газов в результате подсоса воздуха при отрицательном давлении в печи может создать благоприятные условия для образования двуокиси азота.

Скорость и направление движения газа и воздуха влияет на интенсивность процесса сгорания топлива в потоке. При увеличении скорости потока возрастает количество сжигаемого топлива в единице объема за счет интенсификации процессов массообмена, ликвидируются застойные зоны при слоевом горении топлива, увеличивается скорость отвода дымовых газов, интенсифицируются процессы горения. Возрастание скоростей дымовых газов благоприятно сказывается на теплообмене за счет увеличения конвективной составляющей теплового потока.

Компоновка горелок в топочном объеме определяет общий размер факела, зону горения и степень заполнения дымовыми газами топочного пространства. Встречное, или параллельное движение газов в зависимости от расположения горелок повышает или понижает среднюю температуру газов в факеле и создает определенные условия теплообмена в агрегате. Однако, следует учитывать, что увеличение скорости истечения воздушного потока из горелок интенсифицирует смешение топлива с воздухом, особенно на начальном участке факела, что способствует образованию окислов азота. Поэтому необходимо подбирать такие скорости, которые определяют температуру и длину факела, способствующие равномерному теплообмену и минимальному образованию окислов азота в тепловом агрегате.

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.

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 NOTJI и быстрых NO5 оксидов азота проис­ходит на начальной стадии горения. Топливные NOTJI образуются за счет азота топлива, NP, в результате его преобразования при нагреве в активные Радикалы NH3, HCN в процессе выхода летучих веществ в области темпе­ратур 600-1 120°С и при локальных избытках воздуха алок > 1 происходят Реакции:

NH3 + 02 -> NO + Н20 HCN + 02 ОН + СО + N0.

Быстрые NO6 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 алок = 0,7-0,8 и в области температур 930-1 250°С.

Наиболее массовый выход NOx имеет место в области ядра факела при температурах Тф > 1800°К 1 530°С) за счет прямого окисления азота воздуха атомарным кислородом:

N2 + О" N0 - 316,9 кДж/моль. (7.30)

Этот путь образования NOx 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 а > 1.

3.4 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 NOx, 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 NOx за счет снижения температурного уровня реакций, но эксплуатация котлов с такими высокими избытками воздуха не экономична.

Более эффективным способом снижения выхода NOx является ступен­чатое сжигание. На рис. 7.28 показан пример снижения выхода NOx при сжигании природного газа и переходе с одноступенчатого на двухступен­чатое сжигание, используя двухъярусное расположение горелок. В первой

Рис. 7.27. Зависимость образования оксидов азота от избытка воздуха в зоне горения ври сжигании природного газа.

Ступени сжигания обеспечивают избыток воздуха а = 0, 75-0,85, при этом не происходит полного сгорания топлива. 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 + С 2СО + N2, 2NO + 2СО -> 2С02 + N2, (7.31)

2NO + СН2 СО + Н20 + N2.

В результате выход NOx 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 в воздуховоды перед горелками, когда они в смеси с горячим воздухом поступают в топку (рис. 7.29,5).

Надо отметить, что наибольший эффект снижения концентрации NOx в продуктах сгорания достигается при доле рециркуляции грц - 0, 2-0, 3 (^0-30%). Дальнейшее увеличение грц при сжигании газа и мазута ведет

К затягиванию горения и появлению недожога топлива. К тому же мак­симальное подавление образования NOx 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 NOx 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 а < 1. Это обеспечивает снижение образования топливных и бы­стрых NOx в начальной части факела и понижение максимальной темпера­туры горения.

Наиболее глубокое подавление образования оксидов азота возможно при сочетании разных способов. Так, например, организация ступенчатого

Рис. 7.29. Влияние степени рециркуляции газов на выход оксидов азота а - общая схема рециркуляции газов: б - относительное изменение концентрации NOx 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).

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 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 ре - Циркуляция газов, но при этом способе ниже КПД котла за счет увеличения потерь с уходящими газами (рост объема водяных паров в газах).