Снижение выбросов оксидов азота путем рециркуляции и увлажнения части дымовых газов

Исследованием путей подавления образования оксидов азота в топках котлов установлено, что для решения этой проблемы следует

а) тем или иным способом снизить температурный уровень в ядре факела,

б) уменьшить количество окислителя, т.е. кислорода.

Эти соображения и привели к принятию на вооружение в котельной технике ряда новых, более сложных, чем ступенчатое сжигание газа и жидкого топлива, схем.

Среди них рециркуляция части дымовых газов из хвостовой части котла, где температура газов не превышает 300–400 градусов, а избыток воздуха превышает  α_т (коэффициент избытка воздуха в топке) не более чем на 0,03–0,05. В противном случае эффективность рециркуляции может оказаться весьма призрачной.

При условии поддержания указанных параметров рециркуляция позволяет заметно улучшить эксплуатационные показатели котлов. Так, при подаче рециркулируемых газов черех воздушные каналы горелок и коэффициенте рециркуляции r = 0,2 выбросы оксидов азота снижаются на 30–50%. Для приближенной оценки эффективности рециркуляции в [1] приводятся такие средние данные в расчете на 1% рециркулирующих газов: снижение NOx на 1,5% при работе на природном газе и на 2% – на мазуте. Следует отметить, что при этом КПД котла снижается примерно на 0,5%, увеличивается расход электроэнергии на собственные нужды, усложняется установка и ее обслуживание, увеличиваются капитальные затраты.

И тем не менее все методы подавления образования оксидов азота в топках котлов – и ступенчатое сжигание, и рециркуляция охлажденных дымовых газов, увлажнение топлива, дутьевого воздуха, описываемое ниже увлажнение газов рециркуляции, впрыск воды непосредственно в факел – все эти методы, каждый в отдельности или их комбинация, намного экономичнее и целесообразнее, чем очистка дымовых газов от вредных компонентов на выходе из котла. Впрочем, давно известно, что профилактика заболевания целесообразнее лечения состоявшейся болезни.

Водогрейные котлы теплопроизводительностью 100 и 180 Гкал/ч, а также некоторые паровые котлы поставляются котельными заводами в комплекте с системой рециркуляции газов. Поэтому целесообразно, по возможности, повысить экологическую эффективность этого метода таким образом, чтобы, во-первых, более радикально снизить выбросы оксидов азота, во-вторых, избежать увеличения концентрации продуктов неполного сгорания, предотвратив их образование. Эти задачи можно решить предлагаемым здесь методом увлажнения и охлаждения рециркулирующих газов до поступления их в топку.

Как известно, снижение температуры горячего воздуха, подаваемого в топку, приводит к уменьшению образования в ней оксидов азота. Очевидно, что снижение температуры газов рециркуляции обеспечит тот же результат. Ввод в топку котла дополнительной влаги не менее эффективно влияет на уменьшение образования оксидов азота, чем рециркуляция газов. Известен также положительный эффект ввода влаги с точки зрения предотвращения образования бенз(а)пирена, формальдегида, тяжелых углеводородов, оксида углерода и других вредных веществ [2].

Поэтому представляется целесообразным совместить оба метода уменьшения вредных выбросов – рециркуляцию охлажденных газов и ввод в топку дополнительной влаги – в комплексной схеме, в которой они дополняли бы друг друга, совместно воздействуя на на предотвращение образования оксидов азота и других вредных выбросов и повышая экологическую эффективность поставляемой с котлом системы рециркуляции. Разумеется, трудно рассчитывать на возможность суммирования эффектов, достигаемых при раздельном использовании рециркуляции газов и впрыска влаги, однако вероятность дальнейшего снижения выбросов оксидов азота в этом случае представляется весьма значительной.

Для эффективного подавления образования оксидов азота и других вредных веществ при вводе дополнительной влаги требуется поддерживать  водотопливное отношение β_т = W/B (здесь W и B – расходы воды и топлива, т/ч) в пределах 0,05–0,12 при впрыске воды непосредственно в зону горения и 0,5–1,5 при подаче в топку увлажненного воздуха [2].  Расчетным путем была определена возможность ввода необходимого количества влаги в рециркулирующие газы. Расчет выполнен на примере котла теплопроизводительностью 100 Гкал/ч, работающего на природном газе. Коэффициент рециркуляции r  принят равным 0,2 (20%), температура рециркулирующих газов – 140, 250 и 400 град. (учтено, что в некоторых случаях могут использоваться и уходящие газы).

Для увлажнения горячих газов может быть использована как горячая, так и холодная вода. Расчеты выполнены для варианта с температурой воды 50 град.; при этом учтено, что при подаче ее в малом количестве по сравнению с  количеством газов процесс охлаждения проходит с увеличением влагосодержания по сложной кривой, приближающейся к линии постоянной энтальпии газов. В этих условиях характер изменения параметров газов при их противотоке и прямотоке и малых количествах горячей воды почти совпадает. Это обстоятельство в сочетании с отсутствием требования глубокого охлаждения дымовых газов позволяет ориентироваться на применение контактных теплообменников-испарителей (КИ) прямоточного типа, отличающихся меньшими площадью сечения и аэродинамическим сопротивлением [3].

Расчеты выполнены для 100%-ной нагрузки котла при расходе природного газа 12 520 куб.м/ч (9600 кг/ч). При определении максимально возможного влагосодержания дымовых газов d_max, г/кг сухих газов, в случае их увлажнения посредством контакта с горячей водой использована I-d диаграмма. Значение d_max определено по точке пересечения соответствующей линии I = const и граничной кривой φ = 100%. Возможное количество испаренной влаги в газы рециркуляции определено из выражения

W = G_p(d_max – d_p)/1000,

где d_p – влагосодержание рециркулирующих газов на входе в контактный теплообменник-испаритель, г/кг сухих газов; G_p – количество газов рециркуляции, кг/ч.

В результате расчетов (см. таблицу) определены значения водотопливного отношения β_т, соответствующие максимальному количеству испаренной влаги. Установлено, что при коэффициенте рециркуляции r = 0,2 и температуре газов рециркуляции 350–400 градусов могут быть достигнуты значения β_т = 0,5…0,57. обеспечивающие при правильном выборе места ввода рециркулирующих газов весьма хороший экологический эффект: содержание оксидов азота снижается в 2–2,5 раза, бенз(а)пирена – в 5–6 раз [3].

Таблица

С помощью I–d-диаграммы определены также температуры газов на выходе из контактного испарителя для узловых значений водотопливного отношения β_т = 0,1 (при вводе влаги непосредственно в зону горения) и β_т = 0,5 (при увлажнении дутьевого воздуха). Расчеты показали, что испарение таких количеств воды в потоке газов рециркуляции с температурой 350–400 градусов вполне возможно; при этом газы охлаждются на 50–60 град. при β_т = 0,1 и на 80 град. при β_т = 0,5 при температуре газов рециркуляции 140 град. и на 170–300 град. при температуре газов 250–400 град.

Однако при вводе в топку количества влаги, соответствующего β_т = 0,5, потеря теплоты с уходящими газами увеличивается на 3%, что лишь частично компенсируется или может компенсироваться уменьшением потери теплоты от химического недожога, свойственного методу рециркуляции газов без ввода дополнительной влаги. Следовательно, увлажнение газов при β_т > 0,1 (как такое же увлажнение топлива или дутьевого воздуха) целесообразно совмещать с установкой в тракте уходящих газов конденсационных теплоутилизаторов, рассчитанных на осушение и охлаждение дымовых газов и компенсирующих снижение КПД котла [3].

Проведенное аналитическое исследование увлажнения газов рециркуляции показывает:

• количество дополнительной влаги, вносимой газами рециркуляции при их увлажнении, достаточно для снижения выбросов оксидов азота более чем в два раза;
• 
  
  
• совместное воздействие методов рециркуляции газов и ввода дополнительной влаги в топку котла может обеспечить снижение всех вредных выбросов в атмосферу.

Литература

1. Рациональное использование газа в энергетических установках. Справочное руководство. – Л., Недра, 1990 / Р.Б.Ахмедов, О.Н.Брюханов, А.С.Иссерлин и др.

2. Тачтон Г.Л. Полуэмпирический метод расчета содержания оксидов азота в продуктах сгорания при наличии впрыска пара. – Труды ASME (Энергетические машины и установки), 1984, №4.

3. Аронов И.З. Контактный нагрев продуктами сгорания природного газа. – Л., Недра, 1990.

В соответствии с законом РФ «Об авторском праве и смежных правах» какое-либо воспроизведение третьими лицами без согласия автора данного материала не разрешено.
© Имя правообладателя исключительных авторских прав – ООО РАЦИОНАЛ, год первого опубликования – 2005