Снижение выбросов оксидов азота путем рециркуляции и увлажнения части дымовых газов | Архив С.О.К. | 2006 | №2

Энергетика является основным движущим фактором развития отраслей промышленности, транспорта, коммунального и сельского хозяйства. Ежедневно в мире на предприятиях теплоэнергетики сжигаются миллионы тонн горючих полезных ископаемых для удовлетворения нужд населения и промышленности. При этом сотни тысяч тонн вредных веществ выбрасывается в атмосферу, загрязняя среду обитания человека. Доминирующим источником получения тепловой и электрической энергии в Казахстане является уголь. Основными загрязняющими веществами, выбрасываемыми в атмосферу при сжигании угля, являются: пыль золы, оксиды серы, оксиды азота и оксид углерода. Наиболее токсичными являются оксиды 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. Следует отметить, что наиболее интенсивное образование оксидов азота в процессе горения происходит в зоне высоких температур (от 1600 до 1900 0 С) в результате окисления азота в воздухе.

Для сокращения выбросов оксидов азота применяются технологии управления горением и 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.

Уменьшение нагрузки котлоагрегата

Хорошо известно, что работа при пониженной нагрузке уменьшает теплоотдачу 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 NOX из связанного в топливе азота. Следует отметить, что подавление NOX путем снижения нагрузки обходится дорогой ценой. Снижение производительности котла на 50%, по существу, вдвое повышает капитальные затраты на производство тепла.

Оптимизация конструкции горелочного устройства

Конструкция горелочного устройства во многом определяет интенсивность воспламенения факела, скорость смешения топлива с воздухом и максимальный уровень температур в ядре горения. Например, на котлах БКЗ-420-140-5 Карагандинской

ТЭЦ-3 применены вихревые горелки 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. Реконструкция горелочных устройств с целью снижения выбросов оксидов азота при сжигании углей казахстанских месторождений на котлоагрегатах БКЗ 320-140 ст. № 11, 12, 13, 14 в ТОО «АЭС Усть Каменогорская ТЭЦ» позволила снизить концентрацию оксидов азота в уходящих газах с 610… 720 мг/ м3 (н.у.) до 497…592 мг /м3 (н.у.).

Ступенчатое сжигание топлива

На первой стадии процесса сжигания топлива объем воздуха поддерживается на уровне меньшем, чем стехиометрический объем. На последующих стадиях процесса добавляется дополнительный воздух. В результате происходит снижение температуры сгорания и образование восстановительной среды, в которой подавляются вредные оксиды. Для полного окисления топлива дополнительный воздух вводится в зону повторного нагрева с помощью добавочных форсунок. Широко применяется двухступенчатая схема сжигания топлива. При двухступенчатом сжигании через все горелки подают топливо с недостатком воздуха так, чтобы кислорода не хватало для образования NOx, а в конечную часть факела вводят недостающий для полного сгорания воздух. При этом выбросы оксидов азота снижаются примерно на 15…30%.

Дожигание топлива

Известно, что образование NOX подавляется введением в зону конца пламени частиц углеводородов. На самом деле имеет место не подавление образования оксидов азота, а их восстановления в присутствии метана. Суть метода дожигания топлива состоит в частичном восстановлении окиси азота (NO) продуктами неполного сгорания в топочной камере. Выше основных пылеугольных горелок 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 NOX в дымовых газах до 120…210 мг/ м3 (н.у.) в зависимости от вида угля. Этот метод активно исследовался энергетиками Японии, Германии и США.

Рециркуляция отходящих газов

Выравнивание распределения температур и исключение высокотемпературных зон в топке также достигается рециркуляцией дымовых газов. 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.

Технологии кипящего слоя и циркулирующего кипящего слоя

При сжигании топлива в кипящем слое температура в топке относительно невысока (800… 1000 0 С), что уменьшает образование термических оксидов азота. Содержание оксидов азота в дымовых газах составляет 100…200 мг/ м3.

Впрыск воды или пара в топку котла

Способ отличается простотой, легкостью регулирования и низкими капитальными затратами. На газомазутных котлах он позволяет снизить выбросы NOx 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 NOx практически не применяется.

Подача к горелкам пыли высокой концентрации

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 осуществляется на ТЭЦ Восточно Казахстанской области (на Усть-Каменогорской ТЭЦ, Согринской ТЭЦ и Риддер ТЭЦ).

ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ» планомерно проводит успешную работу по снижению выбросов оксидов азота в атмосферу. Основным технологическим оборудованием ТЭЦ являются три котлоагрегата типа БКЗ-160-100Ф; один котлоагрегат типа Е-160-14 (законсервирован). В целях снижения выбросов оксидов азота на котлоагрегатах ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ» в настоящее время применяется технология подачи угольной пыли высокой концентрации.

На основании обзора современных технологий подавления образования оксидов азота было предложено произвести модернизацию горелочных устройств котлоагрегата № 2 в ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ». Модернизация горелочных устройств направлена на повышение паровой производительности до 140 т/ч при работе на углях месторождения Каражыра и до 130 т/ч при работе на углях месторождения Майкубень, при отсутствии шлакования поверхностей нагрева и снижении концентрации оксидов азота в дымовых газах. Для этой цели в рамках данного проекта произведена следующая работа:

• замена основных горелок на малотоксичные горелки со специальным пылевыдающим патрубком;
• выполнение яруса подачи третичного воздуха выше основных горелок;
• модернизация системы подачи угольной пыли высокой концентрации, направленная на повышение надежности ее функционирования.

Пуско-наладочные работы после модернизация горелок котлоагрегата ст. № 2 были завершены в первом квартале 2022 года. При этом производился контроль концентрации оксидов азота в дымовых газах. Полученные результаты представлены в графическом виде на рис. 1.

Рис. 1

Для наглядного отображения коэффициента избытка воздуха после дымососа (α) на графике его значения были увеличены в 500 раз. Из представленных графиков видно, что имеется выраженная корреляция значений концентрации оксидов азота (NOx) и коэффициента избытка (α). За счет снижения величины коэффициента избытка воздуха (α) удается соблюдать величину концентрации оксидов азота при увеличении паропроизводительности котлоагрегата

(Q) в пределах 450÷570 мг/нм3. До модернизации данный показатель доходил до 740 мг/м3 (н.у.).

Рассмотрим экологическую эффективность данной модернизации.

Количество выбрасываемых оксидов азота определяется по формуле:

МNOх= CNOх* Vcг* Bр* k,

где МNOх – массовые выбросы оксидов азота, г/с;

CNOх массовая концентрация оксидов азота в сухих дымовых газах (при а= 1,4), мг/м3 (н.у.);

Vcг объем сухих дымовых газов, образующихся при полном сгорании 1 кг топлива, м3/кг (н.у.);

Bр расчетный расход топлива, т/час;

k коэффициент пересчета. При определении выбросов в г/с k= 0,000278.

Пересчет оксидов азота (NOх) в диоксид азота и оксид азота производится при помощи коэффициентов: 0,8 для диоксида азота (NO2) и 0,13 для оксида азота (NO). Данные по расчетам выбросов оксидов азота из проекта нормативов ПДВ [5] представлены в таблицах 1 и 2.

Для оценки экологического эффекта модернизации горелок необходимо произвести пересчет выбросов с учетом снижения концентрации оксидов азота в дымовых газах котлоагрегата ст. № 2. При расчетах максимально разовых выбросах концентрация принимается 570 мг/м3 (н. у.), а при расчете валовых 570*0,874=498 мг/м3 (н.у.) (0,874 – коэффициент неравномерности выбросов по проекту нормативов ПДВ). Результаты расчетов представлены в таблицах 3 и 4.

Для сравнительного анализа данные по выбросам оксидов азота от котлоагрегатов ТЭЦ без учета и с учетом модернизации на котлоагрегате ст. № 2 представлены в таблице 5. Как видно из таблицы, благодаря планируемой модернизации, максимально разовые выбросы оксидов азота в целом по ТЭЦ снижаются на 8,2 %, а валовые на 7,8%.

Таблица 1 – Максимально разовые выбросы оксидов азота при сжигании угля по проекту нормативов ПДВ (до модернизации)

Таблица 2 – Валовые выбросы оксидов азота от котлоагрегатов по проекту нормативов ПДВ (до модернизации)

Таблица 3 Максимально разовые выбросы оксидов азота при сжигании угля с учетом модернизации горелок

Таблица 4 Валовые выбросы оксидов азота от котлоагрегатов с учетом модернизации горелок

Таблица 5 – Сравнительный анализ по выбросам оксидов азота

Расчет концентрации оксидов азота в приземном слое атмосферы проводился с использованием программного комплекса

«Эра» на ПЭВМ. В программном комплексе «Эра» для расчёта приземных концентраций используется расчётный блок ЛБЭД-РК, согласованный с Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова и рекомендованный к применению в Республике Казахстан. Программный комплекс реализует методику РНД 211.01.01.97.

Размер расчётного прямоугольника выбран 2400 х 1800 м из условия получения полной картины влияния рассматриваемого предприятия. Для анализа рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы на промплощадке и в зоне влияния предприятия шаг расчётных точек по осям координат Х и Y выбран 100 м. Число рассматриваемых вредных веществ – 2 (оксид азота и диоксид азота).

Расчёт приземных концентраций проводился для максимальной нагрузки источника. В расчётах рассеивания критериями качества атмосферного воздуха являются максимально-разовые предельно допустимые концентрации (ПДКм.р.). Климатические данные учтены в соответствии с данными Казгидромета.

Расчёт рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере заключается в определении приземных концентраций и основных вкладчиков в узлах расчётного прямоугольника при направлении ветра с перебором через 10 градусов и скорости ветра перебором 0,5…7 м/с. Неблагоприятные направления ветра (град.) и скорости (м/с) определены в каждом узле поиска. Приземная концентрация каждого источника определена при опасной для него скорости ветра по формулам, приведённым в РНД211.01.01.-97.

По результатам расчёта были определены приземные концентрации оксидов азота на границе СЗЗ и жилой зоны с учетом и без учета фона. При анализе результатов расчета рассеивания загрязняющих веществ оксид азота не рассматриваем, так как его концентрация на границе СЗЗ и в жилой зоне составляет менее 0,01 ПДК.

Анализ расчета рассеивания показал, что за счет модернизации достигается уменьшение уровня загрязнения атмосферы диоксидом азота:

в жилой зоне с 0,011596 до 0,011546 мг/м3 (с 0,05798 до 0,05773 ПДК без учета фоновой концентрации);

на границе СЗЗ с 0,015384 до

0,015304 мг/м3 (с 0,07692 до 0,07652 ПДК

без учета фоновой концентрации).

Рассматриваемая модернизация горелочных устройств имеет не только экологический, но и экономический эффект. Плата за выброс загрязняющего вещества в атмосферу рассчитывается в соответствии с Кодексом Республики Казахстан «О налогах и других обязательных платежах в бюджет» по формуле:

Мi = K х МРП x m х 0,3 ,

где Мi плата за выброс загрязняющего вещества в атмосферу тенге;

МРП – месячный расчетный показатель, тенге;

К – условная ставка платы за выбросы данного загрязняющего вещества в долях МРП за 1 т;

m – масса загрязняющего вещества, выбрасываемого в атмосферу от стационарных источников;

0,3 – понижающий коэффициент применяемый на данной ТЭЦ.

Условная ставка платы за выбросы оксидов азота составляет 15 МРП за 1 т. По результатам расчётов снижение валовых выбросов диоксида азота составляет 55,37 т, а оксида азота 9 т. При этом уменьшение платы за выбросы в атмосферу составляет:

15* 1731 * (55,37 9) * 0,3 = 501 тыс. тенге за год

Таким образом, в результате модернизации котлоагрегата БКЗ-160-100Ф ст. № 2 ТОО “АЭС Согринская ТЭЦ” снижаются затраты ТЭЦ по платежам за выбросы загрязняющих веществ.

На основании приведенных в данной работе материалов установлено: негативное воздействие на атмосферный воздух снизится, т.к. концентрация оксидов азота (в пересчете на диоксид азота) в дымовых газах котлоагрегата БКЗ160-100Ф ст. № 2 снизится с 740 мг/м3 (н.у.) до 570 мг/м3 (н.у.);

• дополнительного негативного влияния на подземные и поверхностные воды происходить не будет, так как система водоотведения остается прежней;
• дополнительного негативного воздействия на почвы и грунты не произойдет. Учитывая экологическое и санитарно-гигиеническое значение данной модернизации и отсутствие дополнительного загрязнения воды и почвы, можно заключить, что рассматриваемая модернизация горелочных устройств котлоагрегата БКЗ-160100Ф ст. № 2 ТОО “АЭС Согринская ТЭЦ” способствует снижению антропогенной нагрузки на окружающую среду и улучшению экологического состояния региона.

ЛИТЕРАТУРА

1. Санитарные правила № 168 от 25.01.2022. Санитарно –эпидемиологические требования к атмосферному воздуху в городских и сельских населенных пунктах, почвам и их безопасности, содержанию территорий городских и сельских населенных пунктов, условиям работы с источниками физических факторов, оказывающих воздействие на человека.
2. Котлер В.Р. Снижение выбросов оксидов азота на электростанциях Японии // Теплоэнергетика. Выпуск № 6 1998.
3. Проект по реконструкции котла ТПЕ430А 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. Проект нормативов предельно допусти мых выбросов в атмосферу для ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ», ТОО «Экосервис-С», г. Усть-Каменогорск, 2022.