Галкин С.В., Запасный В.В.

Восточно-Казахстанский государственный технический университет

имени Д. Серикбаева, Казахстан

ПОИСК ПУТИ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА

НА ТОО «АЭС СОГРИНСКАЯ ТЭЦ»

Энергетика является основным движущим фактором развития отраслей промышленности, транспорта, коммунального и сельского хозяйства. Доминирующим источником получения тепловой и электрической энергии является уголь. Сжигание угля обуславливает выбросы в атмосферу в огромных количествах золы оксидов серы, азота и углерода. Наиболее токсичными являются выбросы оксидов азота [1], что обусловливает первоочередную необходимость уменьшения их выбросов в атмосферу.

В отличие от выбросов твердых частиц и оксидов серы, которые зависят от химического состава угля, оксиды азота образуются в процессе сжигания и напрямую не связаны с составом сжигаемого топлива. Содержание оксидов азота в отходящих от котлов газов зависит от конструкции топки, длины, температуры и интенсивности факела, качества топлива (содержания в нем азота, теплотворной способности), избыточной подачи воздуха на процесс горения, времени нахождения газообразных продуктов сгорания в зоне высоких температур и местных температурных пиков. Следует отметить, что наиболее интенсивное образование оксидов азота в процессе горения происходит в зоне высоких температур (от 1600 до 1900 ⁰С) в результате окисления азота в воздухе.

Для сокращения выбросов оксидов азота применяются технологии управления горением и технологии химической очистки дымовых газов. Методы химической очистки дымовых газов от оксидов азота разделяются на следующие группы: окислительные, восстановительные и сорбционные [2]. На предприятиях теплоэнергетики имеется опыт использования методов селективного каталитического и некаталитического восстановления оксидов азота аммиаком. Эти методы являются высокоэффективными (степень очистки от оксидов азота 50…90 %). Однако очистка газов от оксидов азота химическими методами требует значительных капитальных затрат, ведет к увеличению эксплуатационных расходов предприятий теплоэнергетики на 15...25 %, поэтому они не получили широкого распространения в мировой практике.

Наиболее целесообразным является внедрение технологий подавления оксидов азота на стадии сжигания топлива. В мировой практике нашли применение следующие методы при сжигании топлива [3, 4]: уменьшение нагрузки котлоагрегата, оптимизация конструкции горелочного устройства, ступенчатое сжигание топлива, дожигание топлива, рециркуляция отходящих газов, технология кипящего слоя, впрыск воды или пара в топку котла, подача к горелкам пыли высокой концентрации.

Уменьшение нагрузки котлоагрегата

Хорошо известно, что работа при пониженной нагрузке уменьшает теплоотдачу на единицу объема или площади, в результате чего снижается температура пламени и количество образующихся термических оксидов. Уменьшаются также скорости смешения топлива и воздуха, и это может привести к понижению выделения NO_X из связанного в топливе азота. Следует отметить, что подавление NO_X путем снижения нагрузки обходится дорогой ценой. Снижение производительности котла на 50 %, по существу, вдвое повышает капитальные затраты на производство тепла.

Оптимизация конструкции горелочного устройства

Конструкция горелочного устройства во многом определяет интенсивность воспламенения факела, скорость смешения топлива с воздухом и максимальный уровень температур в ядре горения. Например, на котлах БКЗ-420-140-5 Карагандинской ТЭЦ-3 применены вихревые горелки с двумя каналами по вторичному воздуху. За счет замедленного подмешивания вторичного воздуха к аэросмеси при сжигании экибастузского угля концентрация оксидов азота снижена с 800 до 600 мг/м³. Реконструкция горелочных устройств с целью снижения выбросов оксидов азота при сжигании углей казахстанских месторождений на котлоагрегатах БКЗ 320-140 ст. № 11, 12, 13, 14 в ТОО «АЭС Усть-Каменогорская ТЭЦ» позволила снизить концентрацию оксидов азота в уходящих газах с 610…720 мг/м³ (н.у.) до 497…592 мг/м³ (н.у.).

Ступенчатое сжигание топлива

На первой стадии процесса сжигания топлива объем воздуха поддерживается на уровне меньшем, чем стехиометрический объем. На последующих стадиях процесса добавляется дополнительный воздух. В результате происходит снижение температуры сгорания и образование восстановительной среды, в которой подавляются вредные оксиды. Для полного окисления топлива дополнительный воздух вводится в зону повторного нагрева с помощью добавочных форсунок. Широко применяется двухступенчатая схема сжигания топлива. При двухступенчатом сжигании через все горелки подают топливо с недостатком воздуха так, чтобы кислорода не хватало для образования NO_x, а в конечную часть факела вводят недостающий для полного сгорания воздух. При этом выбросы оксидов азота снижаются примерно на 15…30 %.

Дожигание топлива

Известно, что образование NO_X подавляется введением в зону конца пламени частиц углеводородов. На самом деле имеет место не подавление образования оксидов азота, а их восстановления в присутствии метана. Суть метода дожигания топлива состоит в частичном восстановлении окиси азота (NO) продуктами неполного сгорания в топочной камере. Выше основных пылеугольных горелок в топке котла устанавливаются дополнительные горелки, в которые подается часть топлива с недостатком воздуха и создается зона с восстановительной средой. Еще выше располагают сопла для ввода третичного воздуха, необходимого для завершения сгорания. Опыт показывает, что в промышленных установках за счет ввода дожигающего топлива возможно снизить концентрацию NO_X в дымовых газах до 120…210 мг/м³ (н.у.) в зависимости от вида угля. Этот метод активно исследовался энергетиками Японии, Германии и США.

Рециркуляция отходящих газов

Выравнивание распределения температур и исключение высокотемпературных зон в топке также достигается рециркуляцией дымовых газов. Так как в горелки подается частично разреженный воздух, концентрация кислорода у основания пламени понижена, поэтому понижена и температура всего пламени. Это оказывает существенное влияние на образование термических оксидов, но мало воздействует на топливные. Поэтому рециркуляция дымовых газов дает лучшие результаты применительно к топливу с низким содержанием азота, чем с высоким.

Технологии кипящего слоя и циркулирующего кипящего слоя

При сжигании топлива в кипящем слое температура в топке относительно невысока (800…1000 ^оС), что уменьшает образование термических оксидов азота. Содержание оксидов азота в дымовых газах составляет 100…200 мг/м³.

Впрыск воды или пара в топку котла

Способ отличается простотой, легкостью регулирования и низкими капитальными затратами. На газомазутных котлах он позволяет снизить выбросы NO_x на 20…30 %, но требует дополнительных затрат теплоты на парообразование и вызывает увеличение потерь с уходящими газами. При сжигании угля достигнутые в настоящее время результаты не столь значительны. За рубежом впрыск пара или воды для снижения образования NO_x практически не применяется.

Подача к горелкам пыли высокой концентрации

Подача к горелкам пыли высокой концентрации (10…30 кг пыли на один килограмм воздуха) по трубопроводам малого диаметра снижает выбросы оксидов азота на 20…30 % при одновременном упрощении схемы и конструкции пылепроводов. Использование пыли высокой концентрации успешно осуществлено на Усть-Каменогорской ТЭЦ, Согринской ТЭЦ и Риддер ТЭЦ.

ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ» работает по тепловому графику. Максимальная нагрузка приходится на зимний период. Основным технологическим оборудованием являются три котлоагрегата типа БКЗ-160-100Ф; один котлоагрегат типа Е-160-14 (законсервирован). В целях снижения выбросов оксидов азота на котлоагрегатах ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ» в настоящее время применяется технология подачи угольной пыли высокой концентрации.

На основании изученных материалов для сокращения выбросов оксидов азота с дымовыми газами на ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ» предлагается реконструкции горелочных устройств, как наименее затратного и достаточно эффективного способа. Реконструкция горелочных устройств направлена на снижение температуры в ядре факела путем более равномерное распределение температуры в топке котлоагрегата. Это позволит снизить образование термических оксидов азота. На основе обзора технологий снижения оксидов азота и имеющегося опыта реконструкции горелок на ТОО «АЭС Усть-Каменогорская ТЭЦ» прогнозируется снижение среднегодовой концентрации диоксидов азота в дымовых газах с 681,19 мг/м³ (н.у.) до 544,95 мг/м³ (н.у.) т.е. на 20 %.

При реконструкции существующие горелочные устройства заменяются на новые, сохраняется подача пыли высокой концентрации под давлением и тангенциальное расположение горелок. Сбросные горелки выносятся выше основных по тангенциальной схеме, что должно увеличить высоту зоны горения, уменьшить выбросы оксидов азота и снизить вероятность шлакования топочной камеры. На топке устанавливаются четыре новые разводки под пылеугольные горелки и четыре разводки под сбросные горелки. Блочная пылеугольная горелка выполнена в виде блока из двух горелок с индивидуальным подводом воздуха и пыли к каждой из них. Пылеугольная горелка состоит из воздушного короба, разделенного на три воздушных канала для равномерного распределения воздуха по выходному сечению горелки. В одном из каналов воздуха устанавливается сопло подачи пыли. Индивидуальный подвод воздуха и пыли в каждую горелку позволяет сохранить оптимальный режим работы горелок при изменении нагрузки путем отключения горелок.

Экологическая целесообразность реконструкции горелочных устройств подтверждается расчетом концентрации оксидов азота в приземном слое атмосферы, обусловленной выбросами от котлоагрегата БКЗ-160-100Ф ст. № 1. Расчет проводился с использованием программного комплекса «Эра», согласованного с Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова. Анализ расчета рассеивания показал, что за счет реконструкции достигается уменьшение уровня загрязнения атмосферы оксидами азота на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ) равной 500 м с 0,051 ПДК до 0,039 ПДК, (без учета фоновой концентрации). С учетом фоновой концентрации в районе размещения ТЭЦ вклад рассматриваемого источника выбросов в загрязнение атмосферного воздуха на границе СЗЗ в связи с реконструкцией снизится с 2,5 до 1,9 %. В жилой зоне прогнозируется снижение с 4,2 до 3,1 %. Более высокое содержание оксидов азота в жилой зоне обусловлено характером рассеивания загрязняющих веществ при их выбросе через высокую дымовую трубу (150 м).

В таблицах 1 и 2 приведены данные по выбросам оксидов азота (в пересчете на диоксид азота) до и после реконструкции. Данные по выбросам до реконструкции были приняты из действующего проекта предельно допустимых выбросов ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ». На основе снижения этих показателей на 20 % получены данные по выбросам после реконструкции.

После реконструкции ожидается снижение выбросов оксидов азота в атмосферу при сжигании угля в одном котлоагрегате с 369,76 до 295,81 т/год. При этом уменьшение платы за выбросы в атмосферу составит 937 тыс. тенге в год. При выполнении реконструкции горелочных устройств на трех котлоагрегатах ТЭЦ данные показатели увеличиваются втрое.

Таким образом, на основании технико-экономических данных и оценке воздействия основного производства предприятия на окружающую среду реконструкция горелочных устройств рекомендована к внедрению на всех трех котлоагрегатах ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ».

Таблица 1 - Данные по максимальным выбросам оксидов азота

Наименование показателя	До реконструкции	После реконструкции
Максимальная концентрация NOx при а=1,4 , мг/м^3 (н.у.)	803,8	643,0
Выбросы NOx, г/c	29,49	23,59

Таблица 2 - Данные по годовым выбросам оксидов азота

Наименование показателя	Максимальные выбросы
	До реконструкции	После реконструкции
Средняя концентрация NOx при а=1,4 , мг/м^3 (н.у.)	681,19	544,95
Выбросы NOx, т/год	369,76	295,81
Снижение выбросов NOx, т/год	73,95

Литература:

1. Санитарно-эпидемиологические требования к атмосферному воздуху. Приказ и.о. Министра здравоохранения Республики Казахстан №629 от 18.08.2004 г.

2. Котлер В.Р. Снижение выбросов оксидов азота на электростанциях Японии // Теплоэнергетика. Выпуск № 6 - 1998.

3. Проект по реконструкции котла ТПЕ-430А ст.№ 15 ОАО «АЕС УКТЭЦ» с применением схемы двухступенчатого сжигания казахстанского каменного угля.–Таганрог: ОАО ТКЗ «Красный котельщик», 2003.

4. Беликов С.Е., Котлер В.Р. Снижение вредных выбросов в атмосферу от пылеугольных котлов //Теплоэнергетика. - Выпуск № 4 – 2006.