Снижение выбросов оксидов азота путем рециркуляции и увлажнения части дымовых газов

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°С, а избыток воздуха превышает φ_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 через 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 NO_X 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 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°С (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°С, 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%-й нагрузки котла при расходе природного газа 12 520 м³/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_maxопределено 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. табл. 1) 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°C 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]. 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°C вполне возможно; при этом газы охлаждаются на 50–60°С при β_т= 0,1 и на 80°С, при β_т= 0,5 при температуре газов рециркуляции 140°С и на 170–300°С при температуре газов 250–400°С. 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.

1. Ахмедов Р.Б., Брюханов О.Н., Иссерлин А.С. и др. Рациональное использование газа в энергетических установках. Справочное руководство.— Л.: «Недра», 1990. 2. Тачтон Г.Л. Полуэмпирический метод расчета содержания оксидов азота в продуктах сгорания при наличии впрыска пара.— Труды ASME (Энергетические машины и установки), №4/1984. 3. Аронов И.З. Контактный нагрев продуктами сгорания природного газа.— Л.: «Недра», 1990.