Снижение выбросов оксида азота (стр. 2 из 3)
Режим с умеренным недожогом или режим с контролируемым умеренным затягиванием процесса горения (рис. 106, в) характеризуется достаточно большим (до 100 - 400 ррm или 125-500 мг/м3) содержанием СО в газовом тракте в режимном сечении (рис. 12). Далее по тракту концентрация оксида углерода монотонно убывает до значений 0 - 50 ррm (0-62,5 мг/м3) в сечении за дымососом. При этом вдоль всего газового тракта происходит догорание БП, а конечный выход NOx на 15 - 40% меньше, чем при обычных режимах сжигания.
Режимы с большим недожогом или режимы с большим затягиванием процесса горения (рис. 10г) характеризуются повышенными концентрациями БП и относительно невысоким содержанием СО (от 10 до 100 ррm или 12,5-125 мг/м3) в режимном сечении (рис. 13). Далее по тракту в результате интенсивного выгорания углеводородов происходит резкое увеличение выхода СО, содержание которого может достигать значений несколько сотен мг/м3. Затягивание процесса горения из-за недостатка воздуха в топочной камере настолько велико, что на оставшемся участке газового тракта котельной установки, несмотря на присосы воздуха, СО не успевает полностью окислится до СО2. В результате концентрации СО в сечении за дымососом могут достигать значений 150 - 400 ррm (187,5-500 мг/м3) и выше. Естественно, что режимы с большим недожогом, даже не смотря на существенное (40 - 50%) снижение выхода оксидов азота (рис. 5), не могут быть рекомендованы в качестве эксплуатационных из-за пониженной эффективности сжигания топлива, заноса поверхностей нагрева сажистыми частицами и проч.
Для сравнения экологической безопасности рассмотренных выше режимов сжигания (рис. 7) для каждого из них рассчитывался показатель суммарной вредности продуктов сгорания SП, являющийся суммой частных показателей вредности Пi для СО, NOX и БП. В свою очередь частные показатели вредности Пi характеризуют удельное количество вредного вещества и его относительную токсичность и представляют собой количество граммов вредной примеси mj, образовавшейся при сжигании одного грамма топлива, отнесенное к относительной теплоте сгорания топлива и к относительной токсичности вредной примеси:
Как видно из зависимостей, приведенных на рис. 6-9, содержание вредных примесей СО и БП в продуктах сгорания по длине газового тракта котельной установки меняется. Соответственно по длине тракта меняется и суммарная токсичность газов, характеризуемая величиной SП.
Проведенные по результатам испытаний (рис. 14) расчеты Пi и SП показали, что подавляющий вклад в суммарную вредность выброса продуктов сгорания в атмосферу вносят оксиды азота NOx, прежде всего за счет NO2. Их доля в суммарной вредности выброса для различных режимов составляет от 90 до 98%. Вклад продуктов химического недожога (СО и БП) при обычных режимах сжигания ничтожно мал (< 1 - 2%). Поэтому для увеличения экологической безопасности сжигания природного газа в первую очередь необходимо снижать эмиссию NOX. При реализации режимов с недожогом вклад выброса СО и БП в суммарную вредность уходящих газов увеличивается всего до 7 - 8%, не смотря на то, что как показали эксперименты, выход БП при режимах с недожогом увеличивается в 1,5-2 раза по сравнению с обычным сжиганием (см. рис. 14).
При сжигании топлива без недожога (рис. 10а, и кривая 1 на рис. 14), когда монооксид углерода практически отсутствует в продуктах сгорания по всей длине газового тракта, значение SП вдоль газового тракта остается практически неизменным, хотя и имеет незначительную тенденцию к уменьшению за счет догорания БП в газовом тракте (зависимость 1 на рис. 15).
Наиболее экологически чистыми из рассмотренных выше режимов являются режимы с умеренным недожогом при 1,05 < аРВЭ<1,07 (кривые 4 и 5 на рис. 14 и 15). При их реализации происходит небольшое затягивание процесса горения, в результате чего догорание монооксида углерода почти полностью завершается в пределах газового тракта котельной установки и его концентрация за дымососом не превышает 30 - 60 ррm (37,5-75 мг/м3) (см. рис. 10в, 12 и 14).
Режимы с малым недожогом при 1,07 < аРВЭ < 1,1 (кривые 2 и 3 на рис. 14) характеризуются незначительными концентрациями СО в дымовых газах в контрольном сечении (менее 50 ррm или 62,5 мг/м3) и за дымососом (0 - 20 ррm или 0-25 мг/м3)), что приводит к снижению эмиссии NOx на 25 - 30% по сравнению с обычным сжиганием природного газа. Тем не менее, они имеют более высокие значения SП чем режимы с умеренным недожогом топлива (за счет большего содержания оксидов азота) и потому являются менее экологически чистыми (рис. 15).
В режимах с большим недожогом с аРВЭ < 1,05 (рис. 10 и зависимость 6 на рис. 14) суммарная вредность выброса SП возрастает из-за большей эмиссии монооксида углерода, содержание которого в продуктах сгорания за дымососом превышает 100 ррт (125 мг/м3) (см. рис. 14). Кроме того, эти режимы характеризуются большим расходом топлива, что приводит к снижению экономичности работы котла.
Следовательно, режимы с умеренным недожогом являются наиболее оправданными как с точки зрения экологической безопасности, так и с точки зрения эффективного сжигания природного газа.
Следует отметить, что работа на пониженных избытках воздуха с умеренным контролируемым недожогом предъявляет более высокие требования к состоянию котельного агрегата, работе контрольно-измерительных приборов, а также к квалификации эксплуатационного персонала и технологической дисциплине.
Известно, что большинство действующих в настоящее время на ТЭС котлов были введены в эксплуатацию более 20 лет назад и, как правило, их эксплуатационные характеристики уже не в полной мере соответствуют проектным величинам. Это в первую очередь относится к присосам холодного воздуха в топочную камеру и газоходы котла, которые превышают нормируемые значения, и равномерности раздачи топлива и воздуха по горелочным устройствам.
Поэтому перед внедрением режимов сжигания топлива с контролируемым умеренным недожогом следует провести уплотнение топки, поверку штатных приборов и устранение перекосов в топливовоздушных трактах. Последнее позволяет оптимизировать процесс сжигания топлива и уменьшить выход СО и БП. При этом максимальные значения концентрации NOX остаются без изменения, но вся кривая зависимости NOx(a) сдвигается в область меньших избытков воздуха (рис. 16).
Далее проводятся режимно-наладочные испытания, в ходе которых определяются величины критических акр и допустимых рабочих адоп избытков воздуха на различных нагрузках и разрабатываются режимные карты котлов. Как отмечалось выше, снижать рабочие избытки воздуха можно до уровня, не вызывающего повышение концентрации СО в дымовых газах сверх 50 - 100 ррт (62,5-125 мг/м3). Конкретное значение адоп, соответствующее этому уровню СО, зависит от состояния уплотнений топочной камеры, совершенства горелочного устройства и равномерности распределения топлива и воздуха между горелками.
При реализации на действующих котлах режимов с контролируемым умеренным недожогом особое внимание следует уделять инструментальному контролю процесса горения топлива. Это связано с тем, что режим с контролируемым умеренным недожогом находится в довольно узком диапазоне избытков воздуха. Эксплуатировать котлы в таких режимах, основываясь только на показаниях штатных кислородомеров (которые к тому же часто имеют низкую точность) в режимном сечении, чрезвычайно трудно. Например, на переходных режимах концентрация СО в дымовых газах может достигать нескольких тысяч мг/м . Кроме того, в случае режимов с недожогом имеет место конверсия СО и БП в газовом тракте котельной установки вплоть до дымососа. Все это предъявляет дополнительные требования к инструментальному контролю состава дымовых газов и квалификации эксплуатационного персонала.
Учитывая результаты экспериментальных исследований, для эффективного внедрения режимов с контролируемым умеренным недожогом необходима организации непрерывного контроля состава дымовых газов одновременно в следующих сечениях газового тракта котельной установки: в режимном сечении - контроль концентраций О2 и СО, в сечении за дымососом - контроль концентрации СО. Известно, что образование оксидов азота полностью завершается в топочной камере и далее по газовому тракту их концентрация (в пересчете на сухие газы и а = 1,4) и массовый расход практически не меняются (рис. 11, 12, 14). Поэтому контроль содержания NOX принципиально может быть организован в любом из указанных сечений газового тракта, где обеспечивается наибольшая представительность результатов. При проведении наладочных испытаний для составления режимных карт рекомендуется также проводить инструментальные измерения содержания бенз(а)пирена в режимном сечении газового тракта и в сечении за дымососом.
Измерения концентраций СО и NOx в сечении за дымососом можно также использовать для инструментального непрерывного контроля массовых выбросов вредных веществ в окружающую среду и отчетности по форме №2тп-воздух.
Заключение
Сжигание природного газа с контролируемым умеренным недожогом позволяет снизить выбросы NOX на 30-40% при одновременном повышении КПД котла.