Рециркуляция дымовых газов

Одним из наиболее распространенных методов снижения количества образующихся оксидов азота является рециркуляция продуктов сгорания в зону горения. До внедрения технологических методов снижения дымовых газов рассматривались в основном лишь как средство регулирования температуры перегретого пара. При этом котел рассчитывался так, чтобы при номинальной нагрузке он эксплуатировался с минимальной нагрузкой дымососов рециркуляции, а при снижении нагрузки количество рециркулирующих дымовых газов увеличилось бы для поддержания постоянной температурой перегретого пара. При этом более эффективной является не внутренняя рециркуляция горячих топочных газов из хвостовой части котла в дутьевой воздух. Так, например, при подаче газов рециркуляции с температурой 300 ºС в ядро факела в количестве, равном 20 % от объема воздуха, поступающего на горение, максимальная температура факела снижается обычно на 120 – 130 ºС.

Рециркуляции газов в топочную камеру в настоящее время широко применяется в котельной технике. Обычно дымовые газы с температурой 300– 400 ºС отбираются перед воздухоподогревателям и специальным рециркуляционным дымососом подаются в топочную камеру. При этом условия ввода могут быть различными. В некоторых случаях газы подаются через каналы в поду топки, через кольцевой канал вокруг горелки или же в воздуховод. Применение рециркуляции позволяет регулировать теплоотдачу к топочным экранам и температуру перегретого пара, сближать характеристики работы котлов при сжигании различных топлив, например, жидких и газообразных.

Ввод рециркулирующих газов в топочную камеру приводит к сравнительно малому снижению КПД котла (0,01 – 0,03 % на 1 % рециркулирующих газов), однако открывает большие возможности унификации котлов по топливу.

В топочных камерах с q т ≤ 174 МВт/м³ температура в выходном сечении топки при вводе рециркулирующих газов в зону горения повышается на 1 ºС, а изменение температуры перегретого пара при сжигании мазута в котле ПК-10-2 составляет около 1,3 ºС на 1 % рециркуляции.

Наряду с явными преимуществами, к которым следует отнести защиту топочных экранов от перегрева, регулирование перегретого пара, возможность унификации котлов по топливу, а также возможность снижения образования оксидов азота, применение рециркуляции связано с определенными трудностями, которые должны быть учтены. К таким трудностям (наряду с некоторым снижением КПД) следует отнести необходимость в специальном рециркуляционном дымососе и в газоходах. Кроме того, это вызывает повышение сопротивления воздушного тракта и возможность нарушения стабилизации пламени или появление сажи оксида углерода при чрезмерной степени рециркуляции. В настоящее время рециркуляция газов применяется в мощных котлах энергоблоков, работающих на угольной пыли, мазуте и природном газе. Очень широко применяется рециркуляция и в зарубежных котлах.

Ввод рециркулирующих газов в зону горения позволяет уменьшить образование оксидов азота в топочной камере.

Рециркуляция дымовых газов в топочную камеру влияет на результирующую концентрацию оксидов азота, а также на изменение как температуры, так и концентрации окислителя в зоне горения.

При r = 20 % подача рециркулирующих газов в дутьевой воздух позволяет снизить выход оксидов азота примерно на 50 %, подача через кольцевой канал вокруг горелок – на 25 %, через шлицы под горелками
на 15 %. Подача рециркулирующих газов через шлицы в поду топки сказывается на выходе оксидов азота незначительно.

Роудон и Р. Садовски на опытах с малыми топочными камерами показали, что при значительной степени рециркуляции дальнейшее ее увеличение (r > 25 %) слабо сказывается на выходе оксидов азота. Эти результаты совпадают с данными исследований С. А. Тагера, а также К. Зигмунда и Д. Тэрнета. Проведенные исследования позволили авторам рекомендовать выбор коэффициента рециркуляции в пределах от 20 до 30 %. По мнению К. Зигмунда и Д. Тернера, при сжигании жидкого топлива 30 %-рециркуляция газов обеспечивает уменьшение или полное предотвращение» выбросов воздушных оксидов азота, но совершенно не оказывает влияние на топливные оксиды.

Применение рециркуляции является одним из самых доступных средств снижения образования оксида азота в топочных камерах. В ряде случаев снижения выброса оксидов азота в эксплутационных условиях на 30 – 35 % можно осуществить без какой-либо реконструкции. Так, в исследованиях ВТИ, проведенных при сжигании мазута в парогенераторе ТГМП-114 с прямоточными горелками, такое снижение достигалось даже при подаче рециркулирующих газов с r =23 % при Т = 350 ºС через шлицы, расположенные под каждой горелкой при номинальной и 58 %-й нагрузках.

По данным К. Блейксли и Х. Бурбаха при работе на природном газе котлов паропроизводительностью 480 т/ч энергоблоков мощьностью 160 МВт с концентрацией оксида азота 0,5 – 0,6 г/м³ применение рециркуляции позволяет снизить выход оксидов на 47 – 70 %. При подаче рециркулирующих газов в дутьевой воздух котла паропроизводительностью 900 т/ч на станции «Аламитос», США, работающего на газе, достигнуто снижение выброса оксидов азота с 0,66 до 0,30 г/м³ (55 %). Подача газов рециркуляции в дутьевой воздух применяется и в отечественном котлостроении.

При поддержки режима с α > 1,04 (в районе экономайзера) токсичность продуктов сгорания определяется только выходом оксида азота и серы. С уменьшением α в.э от 1,09 до 1,01 СNO х снижается в 2 раза, но возрастает содержание сажи и 3,4 – бензпирена.

Для усиления влияния рециркулирующих газов на зону горения была произведена реконструкция горелок, которая заключалась в том, что кольцевая коническая насадка, отделяющая поток рециркуляционных газов от топливовоздушной смеси, была укорочена. При этом рециркуляционные дымовые газы смешиваются с дутьевым воздухом и попадают непосредственно в зону горения, более интенсивно охлаждая её. При работе котла на реконструированных горелках было отмечено более эффективное снижение выходов оксидов азота при увеличении степени рециркуляции дымовых газов. Повышение степени рециркуляции от 5 до 24 % снижает содержание оксидов азота в дымовых газах парогенератора на 57 %, т.е. каждый процент повышения степени рециркуляции снижает выход оксидов азота на 3 %. Увеличение выхода сажи при повышении степени рециркуляции не существенно. Из анализа результатов промышленной проверки влияния рециркуляции на выход оксидов азота следует сделать ряд выводов.

Рециркуляция газов в тракт дутьевого воздуха или в горелку является эффективным способ снижения образования оксидов азота в топочной камере. Подача рециркулирующих газов более эффективна при высоких нагрузках и r < 20 %.

Применение рециркуляции газов общий канал или в канал первичного воздуха на котельных агрегатах, уже оснащенных рециркуляционными дымососами и каналами, требует незначительной реконструкции и может найти самое широкое применение.

Эффективность рециркуляции тем больше, чем выше температура в зоне горения. Она снижается при:

– уменьшении нагрузки котла;

– уменьшении температуры горения топлива;

– увеличении коэффициента избытка воздуха;

– повышении содержания азотосодержащих соединений в топливе.

Максимальная эффективность рециркуляции имеет место при сжигании природного газа при номинальной нагрузке топочной камеры и малых коэффициентах избытка воздуха.

Новожилов Ю. Н., инж. 000 "Ново-Рязанская ТЭЦ", Рязань

В условиях роста цен на энергоносители возникает необходимость поиска путей снижения энергопотребления на промышленных предприятиях. С этой целью следует проводить анализ эффективности ряда технологических схем, давно считающихся типовыми, классическими.

На электростанциях к таким схемам относятся, например, схемы подогрева воздуха перед его поступлением в воздухоподогреватели котлов. Вопреки принятым типовым схемам целесообразнее поступающий воздух подогревать сначала в калориферах низкотемпературным теплоносителем, а уже потом - рециркуляцией нагретого, горячего воздуха. Представляют также интерес схемы отбора воздуха на рециркуляцию в котлах с вращающимися регенеративными воздухоподогревателями (РВП). Здесь есть определенная особенность. Заключается она в том, что по ширине патрубка горячего воздуха после РВП образуется градиент температуры в несколько десятков градусов. Эту особенность технологического процесса можно использовать целесообразно, если отбирать воздух для рециркуляции не из общего короба, где воздух уже перемешан и температура его усреднилась, а из выделенной в патрубке зоны с высокой температурой потока воздуха. Такого, более горячего воздуха на рециркуляцию потребуется меньше, следовательно, будут меньше и затраты электроэнергии на ее осуществление. 1

В ряде случаев в котельных агрегатах применяется и рециркуляция дымовых газов для регулирования температуры перегретого пара и уменьшения количества образующихся в топке котла окислов азота. Возможны два варианта отбора дымовых газов на рециркуляцию: до и после РВП. Во втором варианте наблюдается технологическая особенность, аналогичная рассмотренной выше для воздуха.

Дымовые газы отбираются на рециркуляцию после РВП 7 (рис. 1) и специальным дымососом 3 по коробу 4 нагнетаются в топку котла 5. Остальные уходящие газы удаляются основным дымососом 6. В выходном патрубке РВП по ширине потока дымовых газов образуется температурный градиент, достигающий нескольких десятков градусов. Однако отбор части дымовых газов на рециркуляцию осуществляется из расположенного дальше короба 2, где дымовые газы уже перемешались и температура их усреднилась.

Анализ схем рециркуляции дымовых газов показывает, что, рационально используя образующийся температурный градиент потока дымовых газов в выходном патрубке РВП, можно повысить экономическую эффективность котла или иной технологической установки. Для этого предлагается схема, приведенная на рис. 2. Через корпус РВП 1, заполненный набивкой 2, и примыкающие к нему патрубки 3 и 4 движутся горячие дымовые газы 5, а через патрубки б и 7, тоже примыкающие к корпусу РВП с набивкой, перемещается нагреваемый воздух 8. Образование градиента температур в потоке дымовых газов в выходном патрубке 4 за РВП объясняется следующим, Нагреваемый поток воздуха 8, проходя через РВП, отбирает тепло у его набивки 2 и охлаждает ее. При вращении РВП охлаждаемая воздухом набивка перемещается в зону потока горячих газов и за счет теплоотдачи нагревается ими, а дымовые газы при этом охлаждаются.

Рис.2

Особенность процесса заключается в том, что охлаждение потока дымовых газов по его сечению происходит неравномерно. До наиболее низкой температуры охлаждается часть потока газов, движущихся в зоне А (см. рис. 2, в). Здесь набивка 2, охлажденная потоком нагреваемого воздуха до минимальной температуры, только входит в поток дымовых газов. В этой зоне набивка еще не нагрета горячими газами, поэтому она отбирает от них максимальное количество тепла, интенсивно снижая их температуру и при этом нагреваясь. При вращении РВП набивка перемещается поперек потока дымовых газов. При этом в последующих зонах газы охлаждаются все меньше и меньше, так как набивка входит в поток все более и более нагретой, т. е. их температура по сечению потока возрастает.

На рис. 2, г приведен график распределения температур в потоке греющих дымовых газов на выходе из РВП в сечении В-В. Как видно, самая низкая температура в потоке охлаждаемых дымовых газов за РВП наблюдается в зоне А, где набивка, имея минимальную температуру, входит в поток дымовых газов. Самая же высокая температура дымовых газов за РВП отмечается в зоне Б, где набивка, уже нагретая до максимальной температуры, выходит из потока газов. Разность температур в этих зонах составляет, как отмечалось выше, несколько десятков градусов. Зависит она от нагрузки котельного агрегата и ряда других факторов.

Таким образом, экономическую эффективность котельного агрегата можно повысить, если дымовые газы на рециркуляцию отбирать из зоны Б, исключив возможность их перемешивания с низкотемпературной частью газов в общем коробе. Конструктивно это выполняется очень просто. В патрубке 4 на выходе дымовых газов из РВП устанавливается разделяющая перегородка 9, которая располагается по всей ширине потока дымовых газов и достигает набивки 2. Перегородку 9 изготовляют из листовой стали толщиной 4-5 мм. Высота ее зависит от конструкции патрубка и примыкающего к нему короба и составляет около 2 м. Перегородка отделяет высокотемпературную зону 10 для части потока дымовых газов 11, прошедших через набивку РВП в зоне А, и исключает возможность смешивания высокотемпературной части потока 11 с основным потоком дымовых газов на расстоянии, определяемом высотой этой перегородки. Поскольку перегородка устанавливается вдоль потока дымовых газов, она не оказывает ему существенного аэродинамического сопротивления. Из отгороженной перегородкой 9 зоны 10, где дымовые газы имеют наибольшую температуру, и осуществляется их отбор на рециркуляцию.

Естественно, если из потока дымовых газов отобрать на рециркуляцию самую горячую его часть, температура оставшихся газов после их перемешивания будет ниже, чем температура всего потока после перемешивания, но без отбора высокотемпературной части. А понижение температуры уходящих дымовых газов и характеризует рост экономической эффективности котельного агрегата. Подача же в топку котла более горячих дымовых газов рециркуляции означает поступление дополнительного тепла. Значит, для соблюдения теплового баланса в топке котла надо будет сжечь меньшее количество топлива. Это и определяет эффект экономичности от изменения схемы рециркуляции дымовых газов.

Данная схема может быть использована не только в энергетических котлах, но и в других промышленных установках, где применяются РВП.

Выводы

1. Установка разделительной перегородки в выходном патрубке потока дымовых газов РВП позволяет выделить зону с более высокой температурой.

2. Отбор горячих дымовых газов на рециркуляцию из зоны с наиболее высокой температурой повышает экономичность работы котельного агрегата за счет снижения как расхода топлива, так и температуры уходящих газов.

Рециркуляция дымовых газов

Одним из наиболее распространенных методов снижения количества образующихся оксидов азота является рециркуляция продуктов сгорания в зону горения. До внедрения технологических методов снижения дымовых газов рассматривались в основном лишь как средство регулирования температуры перегретого пара. При этом котел рассчитывался так, чтобы при номинальной нагрузке он эксплуатировался с минимальной нагрузкой дымососов рециркуляции, а при снижении нагрузки количество рециркулирующих дымовых газов увеличилось бы для поддержания постоянной температурой перегретого пара.

При с сжигании твердого топлива рециркуляция продуктов сгорания в качестве природоохранного мероприятия применяется довольно редко ввиду малой эффективности. Исключение составляет ряд теплонапряженных топок с ЖШУ. Это связано с тем, что заметное образование термических оксидов азота при сжигании твердых топлив возможно только в топках с ЖШУ. Однако применение рециркуляции для снижения выхода в таких топках возможно лишь в том случае, если снижение температуры в топке не повлияет на устойчивость выхода жидкого шлака.

Эффективность подавления образования оксидов азота при вводе газов рециркуляции определяется следующими факторами: место отбора газов на рециркуляцию; условиями их ввода в топочную камеру; степенью рециркуляции , %; распределением газов рециркуляции по объему топочной камеры; состоянием котла.

Существует несколько способов ввода газов рециркуляции в топку:

– в под (нижней части) топки;

– в шлиц под горелками;

– в воздухопровод горячего воздуха;

– непосредственно в горелочное устройство в один из воздушных потоков или между потоками воздуха;

– в горелку в поток топлива.

Эффективность снижения выбросов оксида азота при реализации этих способов существенно различается (рис. 11.14).

Рис. 1.14. Влияние способа ввода газов рециркуляции на снижение концентрации оксидов азота при сжигании природного газа: 1 – через шлицы в поду топки; 2 – через шлицы под горелками; 3 – во вторичный воздух; 4 – в воздухопровод перед горелками;

5 – в топливо

Иногда внедрение рециркуляции на действующих котлах серьезно затруднено из-за отсутствия свободного пространства для установки ДРГ и прокладки дополнительных газоходов. В этих случаях может быть реализован третий способ рециркуляции газов. Он заключается в устройстве перемычки между газоходом непосредственно за ДС и воздухопроводом перед ДВ (рис. 1.15).

В этом случае дымовые газы с выхлопа дымососа (с избыточным давлением) самотеком поступают на всас ДВ (находящегося под разрежением). Количество рециркулирующих газов регулируется с помощью шибера, установленного на перемычке. Данный способ подачи газов рециркуляции отличается самыми короткими газоходами и отсутствием ДРГ, ввиду чего он намного дешевле остальных способов.

К достоинствам такой упрощенной схемы следует также отнести хорошее перемешивание продуктов сгорания с воздухом в ДВ (известны случаи, когда неудовлетворительные условия ввода и смешения газов рециркуляции в воздушном коробе снижали эффективность подавления оксидов азота). Недостатками упрощенной схемы являются ограничение максимальной степени рециркуляции, которая, как правило, составляет 12–15% (определяется запасом производительности тягодутьевых машин), возможность усиления коррозии и заноса воздухоподогревателя отложениями при сжигании мазута, дополнительная нагрузка ДВ и ДС.

Рис. 1.15. Способы организации рецеркуляции дымовых газов в воздухопроводы

При этом более эффективной является не внутренняя рециркуляция горячих топочных газов из хвостовой части котла в дутьевой воздух. Так, например, при подаче газов рециркуляции с температурой 300 ºС в ядро факела в количестве, равном 20 % от объема воздуха, поступающего на горение, максимальная температура факела снижается обычно на 120–130 o С.

Обычно дымовые газы с температурой 300–400ºС отбираются перед воздухоподогревателям и специальным рециркуляционным дымососом подаются в топочную камеру. При этом условия ввода могут быть различными. В некоторых случаях газы подаются через каналы в поду топки, через кольцевой канал вокруг горелки или же в воздуховод. Применение рециркуляции позволяет регулировать теплоотдачу к топочным экранам и температуру перегретого пара, сближать характеристики работы котлов при сжигании различных топлив, например, жидких и газообразных.

Ввод рециркулирующих газов в топочную камеру приводит к сравнительно малому снижению КПД котла (0,01–0,03 % на 1 % рециркулирующих газов), однако открывает большие возможности унификации котлов по топливу. В топочных камерах с qт ≤174 МВт/м³ температура в выходном сечении топки при вводе рециркулирующих газов в зону горения повышается на 1 ºС, а изменение температуры перегретого пара при сжигании мазут в котле ПК-10-2 составляет около 1,3 ºС на 1 % рециркуляции.

Наряду с явными преимуществами, к которым следует отнести защиту топочных экранов от перегрева, регулирование перегретого пара, возможность унификации котлов по топливу, а также возможность снижения образования оксидов азота, применение рециркуляции связано с определенными трудностями, которые должны быть учтены. К таким трудностям (наряду с некоторым снижением КПД) следует отнести необходимость в специальном рециркуляционном дымососе и в газоходах. Кроме того, это вызывает повышение сопротивления воздушного тракта и возможность нарушения стабилизации пламени или появление сажи оксида углерода при чрезмерной степени рециркуляции. В настоящее время рециркуляция газов применяется в мощных котлах энергоблоков, работающих на угольной пыли, мазуте и природном газе. Очень широко применяется рециркуляция и в зарубежных котлах.

Ввод рециркулирующих газов в зону горения позволяет уменьшить образование оксидов азота в топочной камере.

Рециркуляция дымовых газов в топочную камеру влияет на результирующую концентрацию оксидов азота, а также на изменение, как температуры, так и концентрации окислителя в зоне горения.

При r=20 % подача рециркулирующих газов в дутьевой воздух позволяет снизить выход оксидов азота примерно на 50 %, подача через кольцевой канал вокруг горелок – на 25 %, через шлицы под горелками – на 15 %. Подача рециркулирующих газов через шлицы в поду топки сказывается на выходе оксидов азота незначительно.

Эти выводы подтверждаются результатами исследований, проведенных группой сотрудников ЭНИН, ОРГРЭС и Костромской ГРЭС под руководством С. А. Тагера. Одна серия опытов была проведена при сжигании мазута (S р =2,5 %) в топочной камере котла ТГМП-314 рециркулирующие газы с температурой 335 o С подавалась через шлицы в поду горелки: повышение r на 20 % (от 9 до 29 %) сравнительно слабо сказывалось на выходе оксидов азота и приводило к снижению выходов всего на 5–8 % во второй серии опытов при сжигании мазута в топочной камере котла ТГМП-324 блока 300 МВт [Д=1000 т/ч, q т =1050 МДж/(м³·ч)], оборудованной 16 вихревыми подтопочными горелками ХФ ЦКБ-ВТИ-ТКЗ, газы рециркуляции с температурой Т=320–370 ºС поступали в периферийный воздушный канал каждой горелки. При этом, например, изменение r на 14 % (при Д=0,7 Дн) приводило к снижению выхода оксидов азота на 25–30 %.

Роудон и Р. Садовски на опытах с малыми топочными камерами показали, что при значительной степени рециркуляции дальнейшее ее увеличение (r >25 %) слабо сказывается на выходе оксидов азота. Эти результаты совпадают с данными исследований С. А. Тагера, а также К. Зигмунда и Д. Тэрнета. Проведенные исследования позволили авторам рекомендовать выбор коэффициента рециркуляции в пределах от 20 до 30 %. По мнению К. Зигмунда и Д. Тернера, при сжигании жидкого топлива 30 %–рециркуляция газов обеспечивает уменьшение или «полное предотвращение» выбросов воздушных оксидов азота, но совершенно не оказывает влияние на топливные оксиды.

Применение рециркуляции является одним из самых доступных средств снижения образования оксида азота в топочных камерах. В ряде случаев снижения выброса оксидов азота в эксплутационных условиях на 30–35 % можно осуществить без какой-либо реконструкции. Так, в исследованиях ВТИ, проведенных при сжигании мазута в парогенераторе ТГМП-114 с прямоточными горелками, такое снижение достигалось даже при подаче рециркулирующих газов с r =23 % при Т= 350 ºС через шлицы, расположенные под каждой горелкой при номинальной и 58 %-й нагрузках.

По данным К. Блейксли и Х. Бурбаха при работе на природном газе котлов паропроизводительностью 480 т/ч энергоблоков мощьностью 160 МВт с концентрацией оксида азота 0,5–0,6 г/м³ применение рециркуляции позволяет снизить выход оксидов на 47–70 %. При подаче рециркулирующих газов в дутьевой воздух котла паропроизводительностью 900 т/ч на станции «Аламитос», США, работающего на газе, достигнуто снижение выброса оксидов азота с 0,66 до 0,30 г/м³ (55 %). Подача газов рециркуляции в дутьевой воздух применяется и в отечественном котлостроении.

При поддержки режима с α>1,04 (в районе экономайзера) токсичность продуктов сгорания определяется только выходом оксида азота и серы.

С уменьшением α в.э от 1,09 до 1,01 концентрация NO x снижается в 2 раза, но возрастает содержание сажи и 3,4-бенз(а)пирена.

Для усиления влияния рециркулирующих газов на зону горения была произведена реконструкция горелок, которая заключалась в том, что кольцевая коническая насадка, отделяющая поток рециркуляционных газов от топливовоздушной смеси, была укорочена. При этом рециркуляционные дымовые газы смешиваются с дутьевым воздухом и попадают непосредственно в зону горения, более интенсивно охлаждая её. При работе котла на реконструированных горелках было отмечено более эффективное снижение выходов оксидов азота при увеличении степени рециркуляции дымовых газов. Повышение степени рециркуляции от 5 до 24 % снижает содержание оксидов азота в дымовых газах парогенератора на 57 %, т.е. каждый процент повышения степени рециркуляции снижает выход оксидов азота на 3 %. Увеличение выхода сажи при повышении степени рециркуляции не существенно. Из анализа результатов промышленной проверки влияния рециркуляции на выход оксидов азота следует сделать ряд выводов.

Рециркуляция газов в тракт дутьевого воздуха или в горелку является эффективным способ снижения образования оксидов азота в топочной камере. Подача рециркулирующих газов более эффективна при высоких нагрузках и r< 20 %.

Применение рециркуляции газов общий канал или в канал первичного воздуха на котельных агрегатах, уже оснащенных рециркуляционными дымососами и каналами, требует незначительной реконструкции и может найти самое широкое применение.

Эффективность рециркуляции тем больше, чем выше температура в зоне горения. Она снижается при:

– уменьшении нагрузки котла;

– уменьшении температуры горения топлива;

– увеличении коэффициента избытка воздуха;

– повышении содержания азотосодержащих соединений в топливе;

Максимальная эффективность рециркуляции имеет место при сжигании природного газа при номинальной нагрузке топочной камеры и малых α..

При подаче 1 % газов рециркуляции КПД котла электростанций для средних условий снижается на 0,02 %.

В. М. Парчевский Московский энергетический институт (технический университет)

АННОТАЦИЯ

Технические и программные средства современных АСУ ТП на ТЭС позволяют ставить и решать задачи, связанные, в частности, с экологией на более высоком уровне, чем это было возможно раньше. В докладе рассматривается комплекс вопросов, связанных с экономически обоснованным использованием рециркуляции дымовых газов в качестве технологического атмосфероохранного воздействия при снижении выбросов оксидов азота в газомазутных котлах. Приводится анализ затрат на рециркуляцию, процедура построения эколого-экономической характеристики (ЭЭХ) котла, связывающей затраты на рециркуляцию с нагрузкой котла и выбросом оксидов азота, приводятся примеры использования ЭЭХ для оптимизации атмосфероохранной деятельности на ТЭС. Предлагаются способы непрерывного измерения степени рециркуляции дымовых газов, необходимые для ее автоматического регулирования.

1. ВВЕДЕНИЕ

В составе мероприятий по охране воздушного бассейна на ТЭС важнейшими являются меры по снижению выбросов оксидов азота (ΝΟΧ). Особенностью оксидов азота является возможность их подавления с помощью технологических (режимных, первичных) мероприятий, не требующих больших капитальных вложений. Современные газомазутные котлы, как правило, оснащены устройствами газовой рециркуляции, являющейся самым распространенным технологическим мероприятием, позволяющим при правильной ее организации и работе на газе снижать концентрацию оксидов азота на 70-80 %.Преимуществом рециркуляции дымовых газов перед другими технологическими методами, например ступенчатым сжиганием, является возможность плавного регулирования путем воздействия на направляющие аппараты дымососов рециркуляции (ДРГ).

Первоначально при использовании технологических методов основное внимание обращалось на экологический эффект (снижение концентрации и валовых выбросов оксидов азота). Но переход к рыночной экономике, повышение цен на топливо, введение платежей за выбросы, а также элементарный здравый смысл заставляют обратить серьезное внимание и на экономическую сторону технологических методов. Перераспределяя теплоотдачу между конвективными и радиационными поверхностями нагрева в пользу первых, рециркуляция дымовых газов оказывает заметное влияние на технико-экономические показатели (ТЭП) работы котла. Расчеты показывают, что «цена вопроса» лежит в пределах 0-2,5 % КПД котла нетто, и предприятию, работающему в условиях здоровой рыночной конкуренции, (а на это направлены реформы в энергетике последних лет) должно быть не безразлично, какой ценой снижаются выбросы оксидов азота.

Для минимизации экологических затрат необходимо соответствующим образом управлять выбросами в рамках ограничений, накладываемых природоохранным законодательством. При управлении выбросами оксидов азота в рамках АСУ ТП возникает ряд оптимизационных задач, для решения которых необходимо располагать специальными эко-лого-экономическими характеристиками (ЭЭХ) оборудования (паровых котлов), связывающими затраты на атмосфероохранное мероприятие (Ζ) с нагрузкой котла (D), степенью ввода атмосфероохранного мероприятия (в данном случае это степень рециркуляции г) и массовым выбросом оксидов азота (т). Часть этих задач рассмотрена ниже.

Для поддержания природоохранного воздействия на оптимальном уровне необходимо его автоматическое регулирование. В свою очередь регулирование технологического параметра невозможно без его автоматического непрерывного измерения. Степень рециркуляции дымовых газов (г) есть отношение расхода дымовых газов, отбираемых на рециркуляцию, к расходу дымовых газов за местом отбора, т.е. это коэффициент соотношения расходов. Непрерывное измерение этого параметра с приемлемой точностью является непростой технической задачей. Универсального, пригодного для всех типов котлов метода измерения г нет, и в каждом конкретном случае задача должна решаться индивидуально.

2. ВЛИЯНИЕ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ НА ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ КОТЛА

Анализ результатов испытаний показывает, что наблюдается довольно широкий разброс значений величин, характеризующих влияние газовой рециркуляции на выбросы оксидов азота и КПД котлов, но есть также закономерности, из которых можно отметить следующие:

Снижение КПД котла нетто, вызванное рециркуляцией дымовых газов, складывается из двух составляющих: увеличения потерь с уходящими газами из-за повышения их температуры и возрастания расхода электроэнергии на собственные нужды, вызванные работой дымососов рециркуляции, а также возрастанием нагрузки на основные дымососы и дутьевые вентиляторы;

С уменьшением паровой нагрузки экологическая эффективность газовой рециркуляции (пони-

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЭХ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ АТМОСФЕРООХРАННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ТЭС

4.1. Чистый эффект рециркуляции дымовых газов

Очевидной сферой применения ЭЭХ для управления выбросами оксидов азота в реальном времени было бы прямое сопоставление затрат и результатов, т.е.поддержание «чистого эффекта» рециркуляции на приемлемом уровне. Чистый эффект (Э, руб/ч)определяется по формуле

где Уп - предотвращенный экологический ущерб, руб/ч; Ζπρ - приведенные затраты на рециркуляцию дымовых газов, руб/ч. В конце 80-х годов прошлого века, когда была разработана методика определения экологического ущерба, чистый эффект газовой рециркуляции для котла ТП-87 при D = 420 т/ч и г = = 0,15 составлял 700 руб/ч (в ценах 2008 г.). За прошедшие 20 лет затраты вследствие инфляции возросли почти в сто раз, в то время как ставки удельных ущербов и связанные с ними платежи за выбросы пересматривались редко, и рассчитанный по современной методике чистый эффект для того же варианта составляет 350 руб/ч со знаком «минус». Таким образом, хорошая идея была принесена в жертву политической и экономической конъюнктуре.

А между тем адекватная оценка ущерба лежит в основе всей деятельности по охране окружающей среды. Она служит надежным ориентиром, позволяющим отбирать действительно эффективные технические решения по сокращению выбросов, устанавливать оптимальные технологические режимы эксплуатации оборудования, основанные на надежном фундаменте сопоставления затрат и результатов. Без обоснованной оценки экологического ущерба невозможна экономически грамотная природоохранная деятельность, она превращается в блуждание в потемках, в поле для принятия необоснованных и субъективных решений. На разработку и поддержание в «спортивной форме» хорошей методики оценки ущербов не следует жалеть денег. Отсутствие такой методики (а точнее, комплекса, набора методик), по мнению автора, является главной причиной, тормозящей в теоретическом и особенно практическом плане всю природоохранную деятельность в стране.

4.2. Оптимальное распределение экологической нагрузки между котлами ТЭС

Так как предельно допустимый выброс (ПДВ) оксидов азота относится ко всей электростанции в целом, а складывается он из выбросов отдельных котлов, то неизбежно возникает задача оптимального распределения выбросов между котлами ТЭС. Энергетикам давно знакома задача оптимального распределения технологической (паровой, электрической) нагрузки между агрегатами ТЭС, для решения которой используются расходные характеристики (РХ) или характеристики относительного прироста (ХОП) агрегатов ТЭС. При этом используется математический аппарат неопределенных множителей Лагранжа, динамического программирования или разновидности симплекс-метода. Задача оптимального распределения экологической нагрузки математически является более сложной, так как в отличие от РХ, которая является функцией одной переменной (паровой или электрической нагрузки), ЭЭХ есть функция двух переменных (D, т). Учитывая, что затраты на экологию (ЭЭХ) в несколько десятков раз меньше затрат на выпуск полезного продукта (РХ), процедуру совместного распределения технологической и экологической нагрузок следует разбить на два этапа: сначала распределяется технологическая нагрузка, при этом ЭЭХ при известном D превращается в функцию одной переменной Z(m), и далее выполняется тот же алгоритм, только вместо РХ используется ЭЭХ.

Расчеты показывают, что экономический эффект оптимального распределения экологической нагрузки лежит в пределах от 0 до 0,4 % суммарного расхода топлива. При этом за базовый вариант принят способ регулирования выбросов, при котором заданный суммарный выброс обеспечивается поддержанием одинаковой степени газовой рециркуляции на каждом котле. Эффект оптимального распределения тем выше, чем более «жесткой» является норма ПДВ. (Приходится работать при больших значениях степени рециркуляции на крутых участках линий ЭЭХ при D = const (см. рис. 3), где цена ошибки больше.)

4.3. Другие области использования ЭЭХ

Оптимальное сочетание технологических и очистных методов. Располагая ЭЭХ первичного (рециркуляция дымовых газов, ступенчатое сжигание) и вторичного (СКВ, СНКВ) мероприятий по снижению выбросов оксидов азота, можно в режиме реального времени управлять выбросами NOX. При этом критерием оптимальности режима управления служит минимум суммы текущих затрат на оба метода, а регулирующими воздействиями - степень рециркуляции дымовых газов (или степень ступенчатости сжигания) и подача реагента (аммиака).

Оптимальное сочетание двух технологических методов. Наличие ЭЭХ каждого из технологических методов позволяет построить эквивалентную ЭЭХ котла, которая для каждой нагрузки дает оптимальные значения степени рециркуляции и степени ступенчатости сжигания при заданном уровне выбросов.

5. ИЗМЕРЕНИЕ СТЕПЕНИ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

Для практической реализации описанных выше вариантов использования ЭЭХ нужно измерять и регулировать степень рециркуляции дымовых газов (г). Большинство методов измерения г, используемых наладчиками при проведении испытаний, не пригодны для непрерывного автоматического измерения.

Ниже приводится описание метода косвенного измерения степени рециркуляции, основанного на прямом измерении перепадов давления дымовых газов на поверхностях нагрева, расположенных до и после отбора на рециркуляцию (рис. 4).

В данном варианте измерения г перепады давления дымовых газов измеряются на пакетах воздухоподогревателя второй (APj) и первой (ΔΡ2) ступеней.

| скачать бесплатно Рециркуляция дымовых газов: как ее рационально использовать , В. М. Парчевский,