Министерство энергетики и электрификации СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО СНИЖЕНИЮ
ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ
НА ТЭС В АТМОСФЕРУ

СОЮЗТЕХЭНЕРГО

Москва 1990

Рекомендации составлены по материалам технического совещания "Проблемы снижения вредных выбросов на ТЭС в атмосферу", проводившегося 1-2 марта 1990 г. в г. Куйбышеве при ТЭО "Волгаэнерго"

В работе совещания по проблемам снижения вредных выбросов на ТЭС в атмосферу приняли участие представители Минэнерго СССР, ВТИ им Дзержинского, Киевского НПО ВНИИАП Уралтехэнерго, Комитета охраны природа, МЭИ, ПО "Энергогазоочистка", СредАзНИИпромгаз, УО ВНИПИэнергопром, Барнаульского котельного завода, ПОЭЭ и электростанций региона ТЭО "Волгаэнерго"

На совещании были заслушаны сообщения по вопросам состояния и перспективы охраны окружающей среда в отрасли и регионе ТЭО "Волгаэнерго", о применяемых перспективных технологиях очистки дымовых газов котлов от вредных веществ, о разработке и освоении многокомпонентных газоанализаторов, об опыте проектирования установок по очистке дымовых газов от оксидов серы и азота Ульяновской ТЭЦ-3 и др.

Увеличение в перспективе расхода органического топлива на выработку энергии с учетом его структуры при современном экологическом уровне оборудования и современных объемах и эффективности мероприятий привело бы к увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу. Определены основные пути решения проблем снижения выбросов вредных веществ в окружающую среду, уменьшения негативного воздействия энергетического производства и строительства тепловых и гидравлических электростанций на природу и человека, экономии земель и водных ресурсов, увеличения использования золошлаковых отходов в условиях постоянного роста выработки электроэнергии и тепла и соответствующем увеличении потребления органического топлива.

Мероприятия по охране окружающей среды должны быть представлены в технико-экономических расчетах и обоснованиях и в перспективных схемах теплоснабжения городов.

Проектные материалы должны проходить ведомственную экологическую экспертизу, а при решении органов Госкомприроды СССР - государственную экологическую экспертизу или представляются на обсуждение общественности.

1. О СОСТОЯНИИ И МЕРАХ, ПРИНИМАЕМЫХ НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ ТЭО "ВОЛГАЭНЕРГО" ПО СНИЖЕНИЮ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В АТМОСФЕРУ

В.М. ПИНЧУК, А.В. СИМАНОВСКИЙ,

В.А.ТИХОМИРОВ (ТЭО "Волгаэнерго")

В ТЭО "Волгаэнерго" в восьми энергосистемах Куйбышевэнерго, Мариэнерго, Мордовэнерго, Пензэнерго, Саратовэнерго, Татэнерго, Ульяновскэнерго, Чувашэнерго сосредоточено 36 тепловых электростанций общей мощностью 13139,2 тыс. кВт, на которых установлены 307 энергетических и 137 водогрейных котлов. Основными типами энергетических котлов являются ТМ-84, ТГМ-84, ТГМЕ, водогрейных котлов - КВГМ-100 и КВГМ-180, ПТВМ-100 и ПТВМ-180.

Все котлы, изготовленные для сжигания газомазутного топлива, были поставлены котлостроительными заводами без технологии подавления вредных веществ в уходящих дымовых газах.

Структура и количественный состав сжигаемого топлива по годам на тепловых электростанциях представлены в таблице.

В указанный период наблюдается тенденция снижения доли сжигания твердого топлива и увеличения доли использования природного газа. Доля мазута остается примерно на одном уровне, однако его качество ухудшается. Содержание серы в мазуте возросло с 2,2% в 1988 г. до 2,55% в 1989 г.

В качестве твердого топлива поставляется кузнецкий уголь, который сжигается на Тольяттинской ТЭЦ и Казанской ТЭЦ-2. Количество твердого топлива в общем балансе сжигаемого топлива невелико и составило в 1989 г. 1,3%.

При примерно сохраняющемся количестве сжигаемого топлива на электростанциях ТЭО "Волгаэнерго" и некотором ухудшении качества мазута наблюдается тенденция снижения валовых выбросов вредных веществ в атмосферу. Снижение вредных выбросов достигнуто по всем ингредиентам.

Все энергосистемы региона, за исключением Татэнерго, Ульяновскэнерго и Чувашэнерго, имеют фактическое снижение валовых выбросов вредных веществ. Уменьшение валовых выбросов вредных веществ достигнуто и в крупных городах региона (Куйбышеве, Новокуйбышевске, Тольятти, Казани, Саратове, Балаково), за исключением г. Казани, где произошло общее увеличение за счет повышения выбросов оксидов азота.

Снижение вредных выбросов в атмосферу достигнуто в основном за счет изменения структуры сжигаемого топлива и внедрения на электростанциях технологических методов и режимных мероприятий.

Однако в соответствии с требованиями Госкомприроды СССР и концепцией ТЭО "Волгаэнерго" по охране природа выбросы вредных веществ в атмосферу к 2005 г. должны быть сокращены в 2 раза, в том числе твердых веществ в 2,4 раза, оксидов серы в 2,4 раза, оксидов азота - в 1,5 раза.

К 1995 г. выбросы загрязняющих веществ должны достигнуть предельно допустимых норм по крупным городам. Решение важнейших экологических задач не может быть достигнуто без комплексного подхода к этой государственной проблеме с привлечением научных, проектных, наладочных и эксплуатирующих организаций, а также заводов машиностроительной промышленности.

Вводы новых мощностей на тепловых электростанциях с котельными установками, поставляемыми по техническим условиям, не предусматривающим комплексную поставку пылегазоочистного оборудования и гарантии по обеспечению нормативных показателей выбросов вредных веществ, с 1991 г. запрещены.

Согласно указанию Минэнерго СССР от 26.01.88 № Д-48-14 в целях повышения технического уровня действующих котлов и сокращения выбросов оксидов азота тепловыми электростанциями в тринадцатой пятилетке должно быть обеспечено выполнение работ по реконструкции котельных установок для подавления оксидов азота.

Однако до сих пор отсутствуют руководящие указания и методики по расчету топочных устройств с учетом применения технологических методов подавления оксидов азота, составленные на основе промышленных исследований различных схем технологии сжигания топлива с учетом анализа теплообменных процессов по ходу выгорания факела.

Определенный опыт внедрения различных первичных технологических методов, технических проработок накоплен на электростанциях ТЭО "Волгаэнерго".

Схема рециркуляции дымовых газов внедрена на 36 энергетических котлах, из них на 24 котлах ТГМЕ-464 и на 12 котлах БКЗ-420, ТП-84, ТП-170, ТП-15, а также на четырех водогрейных котлах. Ввод рециркулирующих дымовых газов с температурой 350-400°С осуществлен при работе на газе в воздушный тракт горелок, при работе на мазуте - в под топки.

Проведенные исследования работы котлов с использованием схем рециркуляции подтвердили снижение содержания оксидов азота в выбрасываемых дымовых газах на 30-35% на котлах Саранской ТЭЦ-2, на 15-20% на котлах Нижнекамской ТЭЦ-2, Тольяттинской ТЭЦ, ТЭЦ Волжского автозавода, на 25% на водогрейных котлах КВГМ-100, КВГМ-180.

Опробована установка впрыска воды в ядро горения по проекту САФВНИИпромгаз на котлах ТГМ-84 Новокуйбышевской ТЭЦ-2. При увеличении подачи воды в ядро факела до 10% расхода топлива достигнуто снижение выхода NO_х в дымовых газах на 15-20%.

На котлах № 8, 9 Ф-5-75/34 Саратовской ГРЭС смонтирована схема впрыска продувочной воды в воздушный тракт горелочных устройств.

В настоящее время ведутся работы по определению эффективности данной схемы, однако предварительный опыт эксплуатации показывает наблюдающееся при этом снижение КПД котельной установки на 0,9% при впрыске воды до 10% расхода топлива.

Проведена исследовательская работа на котлах ТГМЕ-464 ТЭЦ Волжского автозавода по внедрению двухступенчатого сжигания природного газа за счет перераспределения топлива и воздуха между верхними и нижними ярусами горелок.

Котлы паропроизводительностью 500 т/ч оборудованы восемью вихревыми двухпоточными горелками, расположенными в два яруса на задней стене топки. Ступенчатость сжигания топлива обеспечивается перераспределением воздуха между горелками верхнего яруса с α = 0,95 и горелками нижнего яруса с α = 1,18.

При отключенной системе рециркуляции дымовых газов в режиме с коэффициентом избытка воздуха за топкой 1,02-1,03 достигнуто снижение концентрации оксидов азота в уходящих газах на 30%.

Выполнение указанного мероприятия не требует значительных затрат и может быть организовано путем проведения ограниченных по объему реконструктивных работ на котлах ТГМЕ-464.

На ТЭЦ ВАЗ на котлах ТГМ-84, имеющих шесть горелочных устройств по схеме треугольника вершиной вверх, по предложению Донтехэнерго двухступенчатость сжигания газа получена путем реконструкции газовых насадков горелок с изменением количества и расположения отверстий. При коэффициенте избытка воздуха на выходе из топки 1,06-1,08 за счет перераспределения между верхними двумя горелками и нижними четырьмя горелками воздуха и топлива достигнуто устойчивое снижение оксидов азота в уходящих газах на 50-60% во всем диапазоне регулирования нагрузок. Концентрация оксидов азота в уходящих газах не превышает установленной нормы 125 мг/м³.

При этом наблюдается снижение КПД котла на 0,1% за счет увеличения температуры уходящих газов на 2-3°С.

На ряде котлов Балаковской ТЭЦ-4, Казанской ТЭЦ-2 смонтированы специальные горелочные устройства двухступенчатого сжигания топлива, а на Казанской ТЭЦ-1 ведутся пусконаладочные работы на котле со схемой трехступенчатого сжигания газа и мазута.

На Балаковской ТЭЦ-4 при работе котла с двухступенчатым сжиганием газа достигнуто снижение оксидов азота 40%, при сжигании мазута снижение оксидов азота не обнаружено.

Проект схемы трехступенчатого сжигания топлива выполнен САФВНИИпромгаз. Ожидаемое снижение оксидов азота в дымовых газах составляет до 35%.

На Тольяттинской ТЭЦ по приказу Минэнерго СССР от 10.12.87 № 776 ВТИ проведена научно-исследовательская работа по опробованию метода подавления оксидов азота в дымовых газах с помощью ввода аммиака в высокотемпературную зону топки. Схема ввода аммиака выполнена в 1989 г, по проекту СКБ ВТИ. Аммиак подается через распределительное устройство в смеси с паром, который используется для охлаждения устройства и равномерного распределения аммиака по сечению топки. Указанная схема потребовала дополнительных площадей для размещения аммиачного хозяйства, насосов и другого оборудования. Первый опыт эксплуатации схемы показал, что при сжигании угля с коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,2 степень очистки дымовых газов от оксидов азота достигает 60-70%.

Однако существующая схема требует дополнительной доработки для повышения работоспособности, автоматизации работы схемы в зависимости от заданных режимов котла.

Все внедренные мероприятия по подавлению оксидов азота снижают свою практическую эффективность из-за отсутствия в настоящее время надежных газоанализаторов контроля выбросов вредных веществ с ТЭС.

Минэнерго СССР следует проработать с научно-производственными объединениями вопросы ускорения научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ и выпуска серийных приборов контроля учитывая большую потребность прежде всего переносных и стационарных приборах для внедрения технологических методов подавления оксидов азота в дымовых газах на котлах. В связи с тем, что с 1991 г. будет производиться плата за вредные выбросы в атмосферу местным органам Госкомприроды СССР, и учитывая несовершенство их методики определения платы, Минэнерго СССР необходимо разработать согласованную с Госкомприродой СССР отраслевую методику определения платы за выбросы вредных веществ.

При разработке отраслевой методики следует исходить из расчета удельных значений установленных отчетных ингредиентов в отрасли.

Считаем целесообразным, чтобы плата за сверхлимитные выбросы вредных веществ направлялась на специальные счета по охране природы этих же предприятий для реализации на них природоохранных мероприятий.

Кроме того, считаем необходимым делать распределение платы за выбросы вредных веществ между соответствующими топливными, котлостроительными и другими организациями, которые не обеспечили нормативы качества поставки топлива и оборудования.

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОДАВЛЕНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ГАЗОМАЗУТНЫХ КОТЛАХ

В.В. ЧУПРОВ, Ю.П. ЕНЯКИН

(ВТИ им. Дзержинского),

В.А. КУПЧЕНКО (Союзтехэнерго)

Для снижения выбросов оксидов азота технологическими методами в ближайшие 5-6 лет предусматривается реконструкция 683 котлов 48 типов, в том числе 258 пылеугольных, 72 мазутных и 353 газомазутных.

В 1988 г. годовые выбросы оксидов азота электростанциями Минэнерго СССР составили 2,66·10⁶ т. Сокращение концентрации NО_x в продуктах сгорания газомазутных котлов в 2 раза уменьшит годовые выбросы примерно на (930÷950)·10³ т.

Доля газа в топливном балансе Минэнерго СССР составила в 1989 г. 53,1%. Тенденция роста потребления газа сохранится по крайней мере до 1995 г., поэтому агрегатам, потребляющим газ, следует уделить особое внимание. К тому же при работе на газе технологические мероприятия по подавлению оксидов азота внедряются легче и дают наилучший результат.

Исследованиями установлено, что на мощных газомазутных котлах выбросы NО_x больше при работе на газе, чем на мазуте, на малых котлах - наоборот. Некоторые специалисты придерживаются мнения, что котлы можно классифицировать в зависимости от теплового напряжения поверхности зоны активного горения.

На котлах мощных газомазутных энергоблоков без применения каких-либо мероприятий при работе на газе концентрация NО_x в продуктах сгорания находится в пределах 650-1050 мг/м³ (здесь и далее по тексту NО_x приведены к α = 1,4).

Технологические методы подавления NО_x основаны на снижении температуры и содержания кислорода в зоне активного горения, а также создании в топочной камере зон с восстановительной средой, где продукты неполного горения, вступая во взаимодействие с образующимся оксидом азота, приводят к восстановлению NО_x до молекулярного азота.

На основании экспериментальных данных и имеющегося практического опыта могут быть рекомендованы к внедрению следующие основные технологические методы снижения NО_x в газомазутных котлах:

- внедрение режимов с малыми значениями α, а при ступенчатом сжигании - пониженными α на грани появления химической неполноты сгорания;

- рециркуляция дымовых газов через горелки в смеси с воздухом;

- двухступенчатое сжигание топлива, что может быть реализовано в конструкции горелок или в топке в целом;

- трехступенчатое сжигание топлива (наиболее целесообразно применять для новых котлов);

- применение специальных горелок;

- впрыск воды (снижает NО_x на 20-25%, но приводит к уменьшению КПД котла приблизительно на 0,8%);

- двухсветные экраны (для новых котлов);

- специальные методы сжигания (например, кипящий слой);

- снижение температуры горячего воздуха.

Все эти методы достаточно хорошо известны и практически все опробованы. Задача заключается в том, чтобы реализовать их на котлах с минимальными затратами средств, с минимальным снижением экономичности, не ухудшая показателей надежности как на основном, так и на резервном топливах.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что при одновременном применении нескольких технологических методов удается при сжигании газа снизить выбросы NО_x в 4-5, а иногда и более раз. В качестве положительных примеров можно назвать:

- работу ТКЗ и Уралтехэнерго на котле ТГМП-204 энергоблока 800 МВт Сургутской ГРЭС, где при работе на газе и одновременном применении рециркуляции дымовых газов, ступенчатого сжигания и впрыска воды в топку удалось снизить концентрацию NО_x в продуктах сгорания с 1,05 до 0,18 г/м³ (почти в 6 раз);

- работу ВТИ им Дзержинского и СКБ ВТИ на котлах ТГМ-96 (Б) ТЭЦ-8 Мосэнерго и ТЭЦ "Северная" Ленэнерго, где при одновременном применении ступенчатого сжигания и перераспределения топлива и воздуха по ярусам горелок концентрация NО_x снижена с 0,34 до 0,19 г/м³ (в 1,8 раза) при работе на газе и с 0,29 до 0,15 г/м³ (в 1,9 раза) при работе на мазуте;

- работу Союзтехэнерго и ХФ ЦКБ НПО "Энергоремонт" на котле ТГМ-84 Ереванской ТЭЦ, где при применении рециркуляции дымовых газов в размере 20% концентрация NО_x снижена с 0,3 до 0,15 г/м³ (в 2 раза);

- работу ВТИ им. Дзержинского, СКБ ВТИ и Щекинской ГРЭС на котлах ПК-33, где при одновременном применении ступенчатого сжигания газа и рециркуляции дымовых газов концентрация NО_x снижена с 0,26 до 0,085 г/м³ (в 3 раза).

Приведенные данные и анализ других материалов показывают, что достигнутый результат зависит от типа котла, исходного уровня концентраций NО_x и применяемого технологического способа подавления. Лучшие результаты дает одновременное применение ступенчатого сжигания и рециркуляции дымовых газов.

Внедрение технологических методов снижения выбросов NО_x сопровождается рядом проблем и трудностей, к которым в первую очередь можно отнести:

- увеличение температуры газов на выходе из топки. Причем при организации ступенчатого сжигания ее рост зависит от количества воздуха, подаваемого через сбросные сопла, и места его ввода;

- изменение температуры свежего и вторичного пара; увеличение впрысков, вплоть до ввода в работу аварийных и пусковых впрысков;

- отсутствие или недостаточную мощность дымососов рециркуляции. Как правило, котлы, имеющие дымососы рециркуляции, рассчитаны на минимальный расход газов рециркуляции при номинальной нагрузке, т.е. тогда, когда нужно максимальное снижение NО_x;

- перераспределение тепловосприятия по элементам котла;

- увеличение температуры металла отдельных поверхностей нагрева;

- появление вибрации в топке при больших расходах газов рециркуляции и т.д.;

- отсутствие автоматических приборов контроля за качеством горения и выбросами.

Основными задачами в области научных исследований являются:

- одновременная отработка методов снижения вредных выбросов, включая оксида азота и разработка мероприятий по улучшению экономических характеристик и надежности котлов;

- разработка научно обоснованных методов расчета топочных камер при ступенчатом сжигании топлива, включая расчет общего и локального теплообмена. Для этого нужны широкие промышленные и стендовые исследования, организация которых в современных условиях невозможна без финансирования со стороны Главтехуправления и производственных объединений энергетики и электрификации.

За последнее время различными организациями разработаны и частично внедрены проекты реконструкции котлов в целях снижения выбросов оксидов азота технологическими методами. Минэнерго СССР поручило ВТИ им. Дзержинского обобщить накопленный положительный опыт в этой области и подготовить аннотированный сборник имеющихся разработок для передачи его электростанциям.

3. оптимизация внутрипоточных мероприятий ПО СНИЖЕНИЮ ЭМИССИЙ ОКСидОВ АЗОТА ПРИ СЖИГАНИИ ГАЗОмазутНЫХ ТОплиВ

П.В. РОСЛяКоВ, А.в. буркоВА,

А.З. ЗЕлинскиЙ, С.Д. ТИМОФЕЕВА,

Л.е. КОЛесникова (Московский

энергетический институт)

В настоящее время на электростанциях страны находится в эксплуатации более 30 типов газомазутных котлов различной паропроизводительности. Реальные выбросы оксидов азота этими котлами без выполнения мероприятий по подавлению эмиссии NО_x составляют от 250 мг/м³ (ПТВМ-100) до 1500 мг/м³ (ТГМП-1202). Обобщая данные по выходу оксидов азота в зависимости от мощности котлов, можно констатировать, что существует примерно следующая корреляция (табл. 1)

Таблица 1

Выбросы оксидов азота с уходящими газами

В СССР нормы выбросов оксидов азота по существу регламентируются двумя документами:

ГОСТ 26943-86 "Котлы паровые стационарные большой мощности. Общие технические требования", устанавливающий удельные выбросы оксидов азота для действующих газомазутных котлов на уровне ≤0,12÷0,13 кг/ГДж, для проектируемых и вводимых в эксплуатацию с 01.01.91 г. - 0,12÷0,13 кг/ГДж, а при установке каталитических реакторов ≤ 0,08 кг/ГДж;

Исходными техническими требованиями к комплектной установке, включающей пылегазоочистное оборудование (типовыми), введенными в (апреле 1989 г., включающими нормативы удельных выбросов вредных веществ для котельных установок различной паропроизводительности при сжигании разных видов органического топлива, а также общие технические требования к соответствующему природоохранному оборудованию, которым комплектуются котельные установки (табл.2).

Таблица 2

Нормативы удельных выбросов вредных веществ для котельных установок

Сравнивая данные табл. 1 и 2, можно отметить, что для обеспечения нормативных требований при сжигании газомазутных топлив содержание оксидов азота в уходящих газах должно быть снижено в 2-6 раз. Практика показывает, что этого можно добиться в результате реализации комплекса мероприятий по уменьшению выхода оксидов, азота.

Снижение токсичных выбросов NО_x с уходящими газами ТЭС принципиально возможно реализовать на разных стадиях: в процессе топливозаготовки, сжигания топлива и очистки продуктов сгорания. На рис. 1 представлена упрощенная схема, которая охватывает основные мероприятия по снижению выбросов оксидов азота и серы при сжигании органических топлив на электростанциях.

Рис. 1. Метода снижения выбросов оксидов азота и серы

Так, предварительный подогрев мазута до 200÷250°С (по сравнению с нормальным режимом подогрева до 130°С) позволяет снизить выход NО_x в 2-3 раза. Хотя экспериментальные проверки показали достаточно высокую эффективность предварительного высокотемпературного подогрева мазута, в настоящее время данный метод не нашел широкого применения в теплоэнергетике.

Различные методы очистки продуктов сгорания, такие, как каталитическое и некаталитическое восстановление аммиаком, озонно-аммиачный метод и другие, еще недостаточно опробованы и требуют значительных капитальных затрат.

Снижение выбросов оксидов азота без дорогостоящих мероприятий по очистке дымовых газов возможно путем изменения внутритопочного процесса в нужном направлении. Внутритопочные мероприятия по подавлению эмиссии оксидов азота имеют высокую эффективность при относительно невысокой стоимости.

Поскольку при сжигании газомазутного топлива образовавшиеся NО_x - это в основном термические оксиды азота, то, как правило, внутритопочные мероприятия направлены на снижение локальных температур и избытков воздуха.

Снижение избытков воздуха, подаваемого для горения топлива, уменьшает образование как термических, так и топливных NО_x.

Достоинством этого метода является отсутствие дополнительных капитальных затрат, однако низкие избытки воздуха приводят к увеличению химической неполноты сгорания, а в ряде случаев - к образованию канцерогенных веществ. Поэтому реализация данного метода подавления оксидов азота на практике требует определенной культуры эксплуатации.

Эффективным способом воздействия на подавление образования термических оксидов азота является ввод газов рециркуляции с температурой 350-400°С в зону горения, что обеспечивает снижение максимальной температуры факела и разбавление действующих концентраций окислителя.

Максимальный эффект снижения выхода NО_x наблюдается при вводе дымовых газов вместе с воздухом или по отдельным каналам горелок. В последнем случае скорость газов рециркуляции должна быть равна или несколько больше среднерасходной скорости воздуха на выходе из горелок. При сжигании газового топлива еще больший эффект снижения наблюдается при вводе газов рециркуляции непосредственно в газообразное топливо, однако конструкция такого ввода еще недостаточно отработана.

Процесс снижения NО_x эффективен при доле газов рециркуляции 20-22%. Дальнейшее увеличение приводит к незначительному снижению выхода оксидов азота при одновременном ухудшении экономичности установки.

Интенсифицировать процесс снижения выхода оксидов азота без существенного увеличения доли рециркуляции целесообразно путем неравномерной подачи продуктов сгорания в горелочные устройства. При этом в центральные горелки необходимо подавать большую долю газов, чем в крайние (в крайние 20÷40% от подачи в центральные горелки), тем самым выравнивая температурную неравномерность, снижая максимальную температуру в зоне горения, уменьшая выход оксидов азота и одновременно улучшая работу экранов. Ввод газов рециркуляции приводит к незначительному снижению КПД котла (на 1% рециркуляции 0,02% КПД) и требует значительных затрат на установку дымососа, рециркуляции.

Наиболее универсальным методом подавления NО_x для газомазутных котлов является метод ступенчатого сжигания. Под ступенчатым (или стадийным) сжиганием подразумевается такая организация процесса горения, когда через горелки с топливом подается воздух в количестве, меньшем стехиометричеокого, а остальное необходимое по балансу количество воздуха вводится в топочную камеру далее по длине факела. Таким образом, на первом этапе горения осуществляется сжигание топлива при недостатке окислителя, а на втором - дожигание продуктов газификации при пониженных температурах. Благодаря этому в начале факела из-за пониженной концентрации кислорода уменьшается образование топливных оксидов азота, а снижение температурного уровня на второй стадии уменьшает образование термических NО_x. При оптимальной организации двухступенчатого сжигания (сжигание газа c α₁ ≥ 0,7÷0,75 при общем коэффициенте избытка воздуха α"_кпп = 1,03, мазута с α₁ ≥ 0,85÷0,9 при общем коэффициенте избытка воздуха α"_кпп = 1,08÷1,1) возможно снизить выход оксидов азота на 30-50%.

К недостаткам двухступенчатого сжигания топлива можно отнести увеличение потерь с химической неполнотой сгорания q₃ при режимах с малыми значениями общего коэффициента избытка воздуха, а также возможность возникновения сероводородной коррозии экранных труб НРЧ при сжигании сернистых топлив в котлах СВД. Для организации трехступенчатого сжигания на некотором расстоянии от основных горелок организуется подача вторичного топлива (до 30%) с недостатком воздуха и далее третичного воздуха. В этом случае выше основного ядра горения создается зона с восстановительной газовой средой, в которой происходит разложение (восстановление) ужа образовавшихся в первой зоне NО_x до молекулярного азота. Реализация трёхступенчатого сжигания позволяет снизить выброс NО_x на 40-60% не только за счет подавления образования оксидов азота, но и за счет их частичного разложения в восстановительной зоне.

При многоярусном расположении горелок эффективным средством снижения выбросов оксидов азота является нестехиометрическое сжигание топлива, которое реализуется за счет организации двух зон горения, отличающихся коэффициентом избытка окислителя и температурой. В первой зоне снижение образования NО_x происходит за счет снижения действующей концентрации кислорода в зоне горения с α < 1 (α = 0,9÷0,95), а во второй зоне - за счет снижения температуры в ядре факела при сжигании топлива с α > 1,0 (α = 1,25÷1,35) при поддержании общего избытка воздуха на уровне α"_т =1,05. Данный метод может быть реализован почти на любых типах котлов за счет разбаланса подачи топлива и воздуха по ярусам горелок или в соседних горелках. Исследования возможности реализации нестехиометрического сжигания были выполнены на котлах ПТВМ-100 и БКЗ-75-39ГМ.

В результате для котла БКЗ-75-39ГМ получены следующие результаты: при организации нестехиометрического сжигания по схеме рис. 2,а или 2,б получено уменьшение выхода NО_x на 42-49%, а выброс NО_x снижен до 160-170 мг/м³. Схемы рис. 2,в и 2,г позволяют снизить выход NО_x на 52-53%, или до 160-165 мг/м³. Организация сжигания по схеме рис. 2,д обеспечивает максимальное снижение образования оксидов азота на 56%, что составляет 150 мг/м³. Сжигание по схеме рис. 2,е дает снижение выхода NО_x на 37% и итоговый выброс - 210 мг/м³.

Рис.2. Схема подачи топливовоздушной смеси через горелки котла БКЗ-75-39ГМ:

Схема организации нестехиометрического сжигания для котла ПТВМ-100 представлена на рис. 3. При использовании варианта, показанного на рис. 3,а возможно добиться 16-20%-ного снижения выброса оксидов азота и обеспечить выброс на уровне 190 мг/м³, а при организации сжигания по схеме рис. 3,б снижение оксидов азота составляет 20-25%, т.е. достигает 180 мг/м³.

Рис.3. Схема подачи топливовоздушной смеси через горелки котла ПТВМ-100:

Преимуществом нестехиометрического метода сжигания топлива является возможность снижения выхода NО_x на 30-50% при низких затратах на реализацию метода. Наиболее экономичным способом предотвращения выброса NО_x является применение усовершенствованных горелочных устройств. Горелочные устройства с пониженным выбросом токсичных продуктов сгорания можно разделить на следующие типы: с затянутым смесеобразованием, с рециркуляцией продуктов сгорания, со ступенчатым сжиганием топлива и др. Применение специальных конструкций горелок, позволяет снизить содержание NО_x на 30÷60%.

Основной принцип реализации ступенчатого сжигания топлива в горелках заключается в разделении воздуха на два потока. Первый смешивается с топливом, образуя топливовоздушную смесь. Второй поток воздуха подмешивается на более поздней стадии за зоной активного горения.

По способам разделения потоков воздуха конструкции горелок с пониженным выходом оксидов азота условно можно разделить на: прямоточно-вихревые; вихревые с разделением потоков; с экранным вводом газов рециркуляции; горелки нестехиометрического сжигания.

На рис. 4 представлена вихревая двухпоточная по воздуху горелка с разной круткой потоков (которая возрастает от центра к периферии) и вводом рециркуляции в природный газ. Горелка предложена для котла БКЗ-420-140-НГМ, выброс оксидов азота на котором бее применения каких-либо мероприятий по подавлению NО_x составляет 390-400 мг/м³. Расчетные оценки проводились для коэффициента избытка воздуха α_г = 1,03 с долей первичного воздуха α₁ = 0,73, скоростью W₁ = 18 м/с и круткой п₁ = 4,8; с долей вторичного воздуха α₂ = 0,3; скоростью W₂ = 30 м/с и круткой п₂ = 6,4, доля газов рециркуляции r = 20%. Оценки показали возможность снижения выброса NО_x при использовании данного типа горелки до 190-200 мг/м³, что составляет 50-53%.

Рис. 4. Вихревая двухпоточная горелка

Другим вариантом горелки ступенчатого сжигания является горелка с экранным вводом газов рециркуляции (рис. 5).

Рис. 5. Вихревая двухпоточная горелка с "экранным" вводом газов рециркуляции

Здесь разделение воздуха в горелке осуществляется подачей газов рециркуляции в рассечку воздушного потока. Помимо разделения потоков снижение выхода NО_x дополнительно на 10-15% обеспечивается за счет воздействия газов рециркуляции на температуру горения и действующую концентрацию кислорода в факеле. Расчетные оценки проводились при параметрах, аналогичных для вихревой двухпоточной горелки. При использовании данного типа горелок снижение выбросов оксидов азота достигает 65-68%, что составляет 130-140 мг/м³.

В общем случае применение специальных конструкций горелок позволяет снизить содержание NО_x на 30-70%. Как правило, с их помощью удается улучшить процессы выгорания топлива, повысить КПД и надежность работы котла. Существенным преимуществом является то, что применение горелок с пониженным выходом NО_x мало зависит от квалификации обслуживающего персонала и режимных условий.

На наш взгляд, все современные котлы среди прочих мероприятий должны в обязательном порядке оснащаться горелками с пониженной эмиссией NО_x, как это делается сейчас за рубежом (Япония, ФРГ, Австрия), Без этого часто невозможно гарантированно обеспечить действующие нормативы ПДВ.

Снижение NО_x в газомазутных котлах происходит в основном за счет снижения температуры горения и создания локальных зон с α < 1, как, например, при ступенчатом сжигании. При этом происходит снижение NО_x топливных, существенное снижение NО_x термических, а быстрые NО_x при этом могут резко возрастать (рис. 6)

Рис. 6. Эмиссия термических (NO_терм) и быстрых (NО_Б)оксидов азота

Причем чем меньше α, тем больше образуется NО_x быстрых, видимо, в этих условиях минимальный выход NО_x будет определяться эмиссией быстрых NО_x. По расчетным оценкам, при коэффициенте избытка воздуха α = 0,7÷0,9 общее количество оксидов азота NО_Σ = 80÷120 мг/м³. Это, видимо, и является в настоящее время минимальным уровнем образования NО_x при применении внутритопочных мероприятий по снижению оксидов азота.

Однако этот уровень может быть еще снижен, если применять методы сжигания, которые не только подавляют образование NО_x, но и разлагают уже образовавшиеся NО_x, например, трехступенчатое сжигание.

В этом случае, по предварительным оценкам, при сжигании природного газа возможно достигнуть NО_x = 40÷80 мг/м³, а для мазута 80÷120 мг/м³.

4. ПРОБЛЕМЫ СОздания ВоЛОКоннО-ОПТИЧЕСКОГО ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ВРедныХ ВЫБРОСОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Б.И. бурЯК, А.Д. ГАЛинСКИЙ,

Ю.Н. макСИМЕНКО, В.П. ПРОХОРЕНКО

(Киевское НПО ВНИИАП)

Волоконно-оптический газоанализатор содержит датчик, волоконно-оптический кабель, приемо-передающий модуль и аппаратуру обработки сигналов. В процессе создания газоанализатора необходимо: обеспечить селективную газовую чувствительность датчика; повысить надежность работы и стабильность параметров во времени при измерении больших концентраций вредных выбросов электростанций; согласовать датчик и приемо-передающий модуль с волоконным трактом; усовершенствовать оптическую схему прибора путем использования различных волоконно-оптических элементов; разработать оптимальный алгоритм обработки сигналов газоанализатора.

Наиболее сложные вопросы связаны с оптической схемой прибора. Согласование спектра поглощения анализируемого газа с областью прозрачности оптических компонентов, а также спектров излучения источника и чувствительности приемника представляет серьезные трудности.

Спектры поглощения газов расположены, как правило, в ультрафиолетовой и инфракрасной областях, за пределами полосы прозрачности широко распространенных кварцевых волоконных световодов. Это несоответствие спектров является одной из главных причин, из-за которой использование в волоконно-оптическом газоанализаторе прямых методов измерений затруднено.

Селективную газовую чувствительность можно обеспечить путем использования вторичных эффектов, которые состоят в изменении температуры и давления газа при поглощении им электромагнитного излучения. В этом случае волоконно-оптический газоанализатор отличается от оптического и акустооптического лишь введением в газовую кювету волоконно-оптического микрофона или термометра. Однако такое решение не всегда является достаточно обоснованным.

Оптимальным решением, на наш взгляд, является использование датчиков, основанных на химическом взаимодействии специального реагента с газом.

Конструктивно рефрактометрический датчик был выполнен из треугольной призмы из плавленого кварца с нанесенным на ее боковые грани покрытием из газочувствительного реагента. В результате обратимой химической реакции аммиака с реагентом происходило изменение спектра поглощения, выражающееся в появлении дополнительной полосы с максимумом на длине волны 0,63 мкм, а следовательно, и аномальной дисперсии в этом диапазоне. Таким образом, луч, падающий на границу раздела подложки и реагента, претерпевал сложные преобразования, что приводило к уменьшению интенсивности отраженного луча пропорционально концентрации аммиака в газовой смеси.

Материал реагента обладал плохой адгезией к гладкой поверхности призмы. Для устранения этого недостатка первоначально на боковые грани призмы наносился слой 10-50% водной эмульсии желатина, который после высыхания пропитывался реагентом.

В качестве фотоприемника применялись или фотодиод ФД256, или фотоэлектронный умножитель ФЭУ-62. Контролировалась переменная составляющая сигнала фотоприемника с помощью осциллографа СI-70 и вольтметра переменного тока ВЗ-38.

Следует отметить, что выбор комплекта источник излучения, световод, фотоприемник неоднозначен и требует учета спектральных характеристик компонентов, мощности источника, чувствительности приемника и эффективности согласования элементов со световодами. Необходимо также учитывать электробезопасность прибора, а также его массо-габаритные показатели.

Также был исследован макет газоанализатора с использованием световодного неволоконного датчика, согласованного непосредственно с источником и приемником излучения. Преобразователь, включающий в себя датчик, а также источник и приемник излучения, конструктивно представлял собой цилиндр длиной 25 мм и диаметром 15 мм. Габаритные размеры макета газоанализатора вместе с источником питания составляли 200×85×40 мм. Чувствительность датчика, определенная экспериментально, составляла 20 мг/м³ в газовой смеси. Они должны удовлетворять требованиям обратимости, селективности и спектральной совместимости с другими оптическими элементами газоанализатора. В этом случае контролируется изменение под действием газа физических параметров реагента: температуры, массы, спектра поглощения, отражения, пропускания и т.д. Причем, волоконный световод, кроме обеспечения дистанционности измерений, может в ряде случаев быть использован и непосредственно в виде датчика: термометра, рефрактометра, акселерометра и др. Датчик может быть размещен непосредственно в зоне анализа, что существенно упрощает систему пробоподготовки.

Был изготовлен и исследован макет волоконно-оптического газоанализатора на аммиак в воздухе. Структурная схема макета состояла из источника излучения, передающего и приемного световодов с коллимирующей оптикой, газочувствительного датчика, фотоприемника и устройства регистрации.

Эксперименты проводились с двумя типами источников излучения: Не - Nе лазером ЛГ-79 (λ = 0,63 мкм) и светодиодами АЛ307Б, Г (λ = 0,66 мкм; 0,55 мкм). В качестве источника питания лазера был использован бестрансформаторный высоковольтный преобразователь, а светодиодов - генератор импульсов Г5-54.

В макете применялись как кварц/кварцевые (КК 50/125, КК 80/100), так и кварц/полимерные (КП 200, КП 400) волоконные световоды. Причем, использование того или иного типа световодов определялось энергетической эффективностью согласования и уровнем шумов.

Исследовались газочувствительные датчики абсорбционного и рефрактометрического типа. Сравнительный анализ показал преимущества последнего, что объясняется совместным влиянием эффектов поглощения, отражения и преломления на границе раздела подложки и реагента. Эксперименты по разделению, влияния на полезный сигнал датчика каждого из эффектов показали, что при использовании в качестве источника лазера вклад поглощения и отражения составляет 2%, а светодиода - 10% суммарного сигнала. А остальной вклад получался за счет эффекта преломления на границе раздела подложки и реагента. Чувствительность газоанализатора при этом определяется не толщиной слоя реагента, а траекторией распространения лучей в датчике и оптическими свойствами составляющих его компонентов. Проведенная работа позволяет сделать вывод о возможности создания портативного газоанализатора на аммиак в воздухе рабочей зоны промышленных предприятий.

Подбором газочувствительного обратимого химического реагента можно реализовать датчики и на другие газы (СО, CО₂, СН₄, NО, NО₂, H₂S), при этом структурная схема газоанализатора практически остается неизменной.

5. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗРАБОТКИ МНОГОКОМПОНЕНТЫХ ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ

Ю.Н. МАКСИМЕНКО

(Киевское НПО ВНИИАП)

В последние годы возрос интерес к многокомпонентным газоанализаторам. Это вызвано, в первую очередь, необходимостью одновременного получения информации о многих газах, содержащихся в выбросах промышленных предприятиях, а также необходимостью автоматического управления сложными технологическими процессами химических производств. Как известно, отходящие газы химических, металлургических, теплоэнергетических и других промышленных предприятий, (промышленные выбросы) представляют собой сложные по составу многокомпонентные парогазовые смеси. Систематизация и анализ выбросов типовых производств позволили определить вредные и агрессивные газы, которые наиболее часто встречаются в выбросах и подлежат одновременному измерению. Это оксид углерода СО, оксид азота NО, диоксид азота NО₂, диоксид .серы SO₂, аммиак NН₃. В промышленных выбросах имеются и другие газы, концентрацию которых необходимо контролировать для правильного ведения технологического процесса данного производства - это, например, диоксид углерода CO₂, пары воды H₂O и др. Многокомпонентный газоанализатор, построенный на одном физическом принципе, позволяет одновременно измерять 4-8, а может и более, компонентов газовой смеси. Большинство требований к такому газоанализатору противоречивы. Основные из них: необходимость измерения одновременно нескольких компонентов газовой пробы за время всего лишь несколько десятков секунд и менее; малые габаритные размере, высокая и равная точность измерения по всем измеряемым компонентам; минимальные влияния параметров окружающей среда и неизмеряемых компонентов газовой пробы на показания газоанализатора; сравнительно низкая стоимость прибора (цена, отнесенная к числу каналов измерения).

Анализ разработок отечественных и зарубежных многокомпонентных газоанализаторов, предназначенных для контроля промышленных выбросов в реальном масштабе времени и удовлетворяющих приведенным требованиям, показал, что перспективы методом газового анализа для создания многокомпонентных газоанализаторов является инфракрасный абсорбционный, а реализация требований многокомпонентноcти прибора и высокой точности измерений возможна только с применением микропроцессорных устройств в газоанализаторах/

В Киевском НПО ВНИИАП разработана базовая модель многокомпонентного газоанализатора промышленных выбросов удачно сочетающая в себе приведенные выше требования.

В основу работы базовой модели многокомпонентного газоанализатора положен универсальный метод газового анализа - оптический, в частности, инфракрасный, абсорбционный. Он основан на использовании закона Ламберта-Бера, который устанавливает связь между значениями оптических сигналов определенной длины волны, прошедших через газовую кювету при наличии и отсутствии анализируемого газа в ней. Аналитическая длина волны оптического сигнала выбирается в области максимума оптического поглощения анализируемого газа в инфракрасной области спектра.

Газоанализатор 305ФА01 работает следующим образом. От источника инфракрасного излучения, снабженного стабилизатором излучаемой мощности, излучение через модулятор и уpкополосный интерференционный фильтр попадает в многоходовую кювету. Через многоходовую кювету прокачивается анализируемый газ с постоянным расходом и давлением внутри кюветы. Инфракрасное модулированное излучение поглощается на длинах волн, характерных для имеющегося в анализируемой газовой пробе набора компонентов и выделяемых узкополосных интерференционных фильтров, пропорционально концентрациям компонентов газовой пробы (с учетом температуры и давления газовой пробы). Напряжение с приемника, в качестве которого применен пироэлектрический модуль, после предварительного усиления и фильтрации сигнала подается на вход многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) На входа АЦП подаются также аналоговые нормированные сигналы, необходимые для корректировки результатов измерения (температура и давление в помещении в момент измерения, температура приемника излучения, давление в кювете) от соответствующих датчиков и нормированные сигналы контроля работоспособности газоанализатора, к которым относятся все напряжения питания (220В, +15B, -15B, 24В, 9В) Имеется дополнительный аналоговый вход, предназначенный для подключения любого внешнего источника унифицированного сигнала 0-10B.

Информационный сигнал, поступающий на вход АЦП, представляет собой последовательность электрических импульсов, период следования которых определяется частотой вращения кассеты с интерференционными фильтрами. На цифровые входа микроЭВМ подается синхронно с информационным сигналом двоичный код импульсов. Микропроцессорное устройство, встроенное в газоанализатор, обрабатывает информацию и одновременно выдает цифровую и унифицированную аналоговую, преобразованную с помощью цифро-аналоговых преобразователей, информацию о значении концентрации пяти измеряемых компонентов газовой пробы. Информация визуализируется на двух 16-разрядных низковольтных катодолюминесцентных индикаторах и, используя 5-канальный цифpo-аналоговый преобразователь ЦАЛ, на пяти самописцах. Для общения с микропроцессорным устройством (МПУ) газоанализатор снабжен встроенной буквенно-цифровой клавиатурой, позволяющей изменять режим работа прибора, контролировать его параметры, выводить на служебную часть индикаторов информацию о состоянии газоанализатора и локализовать при необходимости отказавший участок прибора.

Алгоритм работы газоанализатора 305ФА01 следующий. В рабочем режиме на каждой длине волны, выделяемой соответствующим интерференционным фильтром, проводится измерение интенсивности инфракрасного сигнала и его значение (И_j) записывается в память МПУ. Предварительно при калибровке в память МПУ записываются значения интенсивности инфракрасного сигнала, соответствующие "нулевому" газу на каждом фильтре (И_j). Далее, используя имеющиеся в памяти МПУ данные, решают систему линейных уравнений

Ax = d,

где х = (x₁, х₂,...x₈) - вектор псевдоконцентраций;

 - матрица коэффициентов;

 - вектор результатов измерений.

Искомые концентрации равны:

где r = (r₁, r₂,…r₈) - вектор масштабирования.

Технические характеристики многокомпонентного газоанализатора 305ФА01 приведены ниже:

Диапазон измерения пяти

основных и трех дополнительных

компонентов газовой пробы, г/м³:

СО                                                                                       0-15

О                                                                                          0-2

SО₂                                                                                      0-10

NH₃                                                                                      0-5

NО₂                                                                                      0-0,5

со₂                                                                                     0-300

СН₄                                                                                      0-0,25

Пары воды                                                                         0-5

Основная допустимая приведенная погрешность, %    ±10

Предел допустимого среднего квадратичного

отклонения случайной составляющей основной

приведенной погрешности, %                                         ±1

Быстродействие, с                                                             90

Потребляемая мощность при питании от сети

переменного тока частотой 50 Гц и

напряжением 220 В, В·А                                                              170

Расход газовой пробы на выходе

газоанализатора, л/мин                                                     4

Давление на входе газоанализатора, кПа .............................................      30

Габаритные размеры, мм:

оптического блока                                                        300×212×535

электронного блока                                                      330×230×350

Масса, кг                                                                             38

Условия эксплуатации:

температура окружающей среда, °С                           +10 ÷ + 35

атмосферное давление, кПа                                         84-106,7

относительная влажность при 35°С, %                      30-80

Газоанализатор 305ФА01 предназначен дж непрерывного автоматического одновременного измерения массовой концентраций СО, NO, SO₂, NH₃, NO₂ в выбросах промышленных предприятий и используется в составе передвижной лаборатории контроля промышленных выбросов при инспекционном контроле промышленных предприятий. Возможна работа в стационарных условиях дня контроля промышленных выбросов либо в технологических линиях для регулирования технологических процессов. Прибор обладает повышенной метрологической надежностью, которая гарантирует проведение измерений с постойной точностью в период между автоматически включаемыми по необходимости калибровками.

Разработанная базовая модель многокомпонентного газоанализатора позволяет оперативно создавать модификации многокомпонентных газоанализаторов, изменяя измеряемые компоненты и их диапазоны в широких пределах, не изменяя конструкции прибора. Для этого используются потенциальные возможности по чувствительности прибора, перестройка оптического пути инфракрасного излучения в газовой кювете, изменение управляющей программы газоанализатора, записанной на легко заменяемых микросхемах перепрограммируемого запоминающего устройства. Уже сегодня заложенные в приборе возможности позволяют изменять измеряемые компоненты и их диапазоны программным путем, причем диапазоны измерения могут быть изменены в 2-5 раз в сторону как увеличения, так и уменьшения. Другие имеющиеся потенциальные возможности - изменение электронного тракта, увеличение оптического пути инфракрасного излучения в газовой кювете либо путем перестройки кюветы, либо изменением ее габаритов, определение оптимальной комбинации измеряемых компонентов и их диапазонов измерения - позволяют повысить чувствительность прибора в ближайшем будущем в 10-100 раз.

Возможна разработка и однокомпонентного газоанализатора (на базе уже разработанного многокомпонентного). Наличие обмена информацией между двумя многокомпонентными газоанализаторами, а также с внешней ЭВМ превращает газоанализаторы в автоматический газоаналитический комплекс, собирающий, анализирующий и представляющий пользователю полный объем информации о значении и составе газовых выбросов комплекса промышленных производств.

Содержание