IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

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

В отличие от выбросов твердых частиц и оксидов серы, которые зависят от химического состава угля, оксиды азота образуются в процессе сжигания и напрямую не связаны с составом сжигаемого топлива.

Содержание оксидов азота в отходящих от котлов газов зависит от конструкции топки, длины, температуры и интенсивности факела, качества топлива (содержания в нем азота, теплотворной способности), избыточной подачи воздуха на процесс горения, времени нахождения газообразных продуктов сгорания в зоне высоких температур и местных температурных пиков. Наиболее интенсивное образование оксидов азота в процессе горения происходит в зоне высоких температур от 1600 до 1900 ⁰С в результате окисления азота в воздухе.

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

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

При пониженной нагрузке котлоагрегата уменьшается теплоотдача на единицу объема или площади, в результате чего снижается температура пламени и количество образующихся термических оксидов. Уменьшаются также скорости смешения топлива и воздуха, и это может привести к понижению выделения оксидов азота из связанного в топливе азота. Однако при этом снижается производительность котла на 50 %, по существу, вдвое повышаются капитальные затраты на производство тепла.

Организация ступенчатого сжигания позволяет снизить температуру сгорания и образование восстановительной среды, в которой подавляются вредные оксиды. На первой стадии процесса сжигания топлива объем воздуха поддерживается на уровне меньшем, чем стехиометрический объем. На последующих стадиях процесса добавляется дополнительный воздух. При этом выбросы оксидов азота снижаются примерно на 15…30 %.

Известно, что образование оксида азота подавляется введением в зону конца пламени частиц углеводородов [5]. На самом деле имеет место не подавление образования оксидов азота, а их восстановления в присутствии метана. В топке котла устанавливаются дополнительные горелки, в которые подается часть топлива с недостатком воздуха и создается зона с восстановительной средой. Еще выше располагают сопла для ввода третичного воздуха, необходимого для завершения сгорания. Опыт показывает, что в промышленных установках за счет ввода дожигающего топлива возможно снизить концентрацию оксида азота в дымовых газах до 120…210 мг/м³ (н.у.) в зависимости от вида угля. Этот метод активно исследовался энергетиками Японии, Германии и США.

Выравнивание распределения температур и исключение высокотемпературных зон в топке также достигается рециркуляцией дымовых газов [6]. Так как в горелки подается частично разреженный воздух, концентрация кислорода у основания пламени понижена, поэтому понижена и температура всего пламени. Это оказывает существенное влияние на образование термических оксидов, но мало воздействует на топливные. Поэтому рециркуляция дымовых газов дает лучшие результаты применительно к топливу с низким содержанием азота, чем с высоким.

При сжигании топлива в кипящем слое температура в топке относительно невысока и составляет 800…1000⁰С, что уменьшает образование термических оксидов азота. Содержание оксидов азота в дымовых газах составляет 100…200 мг/м³.

Подача воды в камеру сгорания топлива [7] позволяет значительно снизить выброс оксидов азота. Способ отличается простотой, легкостью регулирования и низкими капитальными затратами. На газомазутных котлах он позволяет снизить выбросы оксидов азота на 20…30 %, но требует дополнительных затрат теплоты на парообразование и вызывает увеличение потерь с уходящими газами. При сжигании угля достигнутые в настоящее время результаты не столь значительны. За рубежом впрыск пара или воды для снижения образования NO_x практически не применяется.

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

Перспективным способом снижения выбросов оксида азота является совершенствование конструкции горелочного устройства, например, применение вихревых горелок с двумя каналами по вторичному воздуху. За счет замедленного подмешивания вторичного воздуха к аэросмеси при сжигании экибастузского угля концентрация оксидов азота снижена с 800 до 600 мг/м³ [4].

Экологическая целесообразность реконструкции горелочных устройств подтверждается расчетом концентрации оксидов азота в приземном слое атмосферы, обусловленной выбросами от котлоагрегата БКЗ-160-100Ф ст. № 1 (таблица 1 и 2). После реконструкции горелок ожидается снижение выбросов оксидов азота в атмосферу при сжигании угля в одном котлоагрегате с 369,76 до 295,81 т/год.

Таблица 1 - Данные по максимальным выбросам оксидов азота

Наименование показателя	До реконструкции	После реконструкции
Максимальная концентрация NOx при а=1,4 , мг/м3 (н.у.)	803,8	643,0
Выбросы NOx, г/c	29,49	23,59

Таблица 2 - Данные по годовым выбросам оксидов азота

Наименование показателя	Максимальные выбросы
	До реконструкции	После реконструкции
Средняя концентрация NOx при а=1,4 , мг/м3 (н.у.)	681,19	544,95
Выбросы NOx, т/год	369,76	295,81
Снижение выбросов NOx, т/год	73,95

Если ранжировать мероприятия, предлагаемые в результате энергообследований энергоустановок по эффективности существующих методов снижения выбросов оксидов азота, то на первом месте будут мероприятия по организации двухступенчатого сжигания топлива с применением рециркуляции уходящих газов.

Список использованных источников

1. Салова Т.Ю., Громова Н.Ю. Техногенные системы и экологический риск //Монография. СПб.: СПбГАУ, 2011. 300 с.

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

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

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

5 Салова Т.Ю. Моделирование и разработка технических средств, обеспечивающих повышение экологической безопасности эксплуатации мобильной техники //Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. № 1, 2004. С. 69-73

6 Салова Т.Ю., Васильев В.В. Методы уменьшения содержания оксидов азота в отработавших газах энергетических установок //Труды 6 межд научно-техн. конф. «Энергообеспечение и энергосбережение в с-х» ч.4 Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология. М. ГНУ ВИЭХ 2008. 405-501С.

7 Салова Т.Ю., Николаенко А.В., Шкрабак В.С., Горбатенко А.И Снижение выбросов оксидов азота тракторных дизелей путем организации рабочего процесса на водотопливной смеси //Двигателестроение. 2000. № 1. С. 35 – 37.

Код для цитирования: Скопировать