Выбросы оксидов азота

Для снижения выбросов оксидов азота стремятся разрабатывать в первую очередь малозатратные технологии и мероприятия. Примером может служить использование "первичных" топочных методов для уменьшения образования и выбросов NOx. В настоящее время для этого используются специальные горелки, ступенчатая подача воздуха и топлива, рециркуляция дымовых газов, предварительный подогрев угольной пыли, подача пыли высокой концентрации и другие влияющие на топочный процесс мероприятия. С их помощью в России уже достигнуты концентрации NOx = 450—550 мг/м³ в котлах, сжигающих каменные, и NOx = 300-350 мг/м³ в котлах, сжигающих бурые угли. Ближайшей задачей является уменьшение этих выбросов до 300—350 и 200—250 мг/м³ соответственно.

Установка горелок, оснащенных стабилизатором пламени, с пониженной скоростью пылевзвеси обеспечивает быстрое воспламенение топлива. Это способствует снижению образования NOx благодаря высокотемпературной зоне восстановления непосредственно на выходе из сопла.

Для котлов на обоих видах топлива разработаны тангенциальные топки с твердым шлакоудалением. Концепция одного из вариантов топки для каменного угля предполагает размещение горелок в зоне высоких тепловых потоков, близ ядра горения. Их располагают не в углах топки, где тепловые потоки всегда меньше, а в средней части стен под углом к ним. Установка горелок с наклоном вниз дает возможность уменьшить скорость пылевзвеси и соответственно приблизить зону горения к устью горелок. Коэффициент стехиометрии в зоне первичного горения составляет 0.7—0.75.

Остальной воздух подводится в две ступени: через специальные воздушные сопла, размещенные на уровне каждого яруса горелок, и в виде третичного дутья в верхней половине топки. Сопла третичного воздуха устанавливаются в два яруса, что позволяет при высокой эффективности подавления выбросов оксидов азота сохранить выгорание топлива на уровне нормативного.

Другой вариант — это трехступенчатое сжигание кузнецкого угля в обычной тангенциальной топке в сочетании с концентрической схемой организации процесса в зоне активного горения, когда часть вторичного воздуха подается по касательной к воображаемой окружности большего диаметра, чем окружность касания струй аэросмеси. Благодаря такой аэродинамике в центре топки образуется зона, обогащенная топливом, а по периферии — обогащенная кислородом. Это приводит к тому, что выход и горение летучих топлива происходят в обедненной кислородом среде, в результате снижается образование NOx. Помимо этого, обогащение кислородом пристенных областей снижает опасность шлакования и высокотемпературной газовой коррозии топочных экранов. Над зоной активного горения создается зона восстановления образовавшихся оксидов азота. Подача в нее угольной пыли более тонкого помола, отведенной из основных пылесистем, в сочетании с двухъярусным вводом в верх топки третичного воздуха для дожигания должна обеспечить эффективность снижения выбросов NO_X без заметного повышения потери тепла с механической неполнотой сгорания.

С помощью первичных мероприятий можно в большинстве случаев выполнить природоохранные требования к выбросам NOx без специальных систем азотоочистки. Это не означает, однако, что такие системы не нужны.

Для очистки дымовых газов котлов от оксидов азота используются селективные некаталитические (СНКВ) и каталитические (СКВ) системы восстановления NOx. В обеих системах в качестве восстановителя применяют аммиак. Некаталитические системы проще, их сооружение обходится не дороже замены горелок, а эффективность достаточно высока: выбросы оксидов азота снижаются на 40—60%. Аммиак (аммиачная вода, карбамид) вводится в высокотемпературную (900—1100 °С) область газохода котла с газом рециркуляции или с паром. Сочетание технологических методов подавления оксидов азота с методом СНКВ позволяет снизить концентрации оксидов азота в дымовых газах при сжигании угля до 250—300 и менее.

При необходимости с помощью СНКВ можно снизить выбросы NOx по сравнению с первоначальными вдвое, а с помощью селективной каталитической азотоочистки (СКВ) — в 5—10 раз.

В странах Европы и в Японии системы СКВ и СНКВ на крупных угольных энергоблоках применяются достаточно часто. По мере ужесточения стандартов на допустимые выбросы NOx и снижения стоимости подобных систем они могут оказаться конкурентоспособными по сравнению с внедрением малотоксичных горелок или реконструкцией системы горения.

Важнейшей тенденцией применения систем СКВ и СНКВ является объединение этих двух технологий до такой степени, что они становятся частью котельного агрегата. Это может осуществляться по следующей схеме: подача аммиака или мочевины в высокотемпературную зону (система СНКВ) приводит к повышению содержания аммиака в дымовых газах. Путем добавления в газоходы небольшого количества катализатора за счет аммиака удается обеспечить дополнительное восстановление NOx. Катализатор в этом случае размещают на поверхности воздухоподогревателя.

Систему СНКВ, как правило, применяют тогда, когда требования по снижению выбросов NOx достаточно умеренны. Однако объединение этой системы с модернизацией топочного процесса может дать такую же суммарную эффективность по снижению выбросов NOx, которая достигается при установке СКВ.

Эффективность и относительная стоимость различных мероприятий, направленных на снижение выбросов оксидов азота приведены на рис.

а - снижение выбросов;

б - удельная стоимость мероприятий по снижению выбросов на энергоблоках 200—300 МВт; в -стоимость удаления 1 т NOx: (размерные показатели даны в рублях 1991 г. ориентировочно);

1 - малотоксичные горелки; 2 - двухступенчатое сжигание; 3 - рециркуляция дымовых газов; 4 - горелки + двухступенчатое сжигание (1 + 2); 5 - трехступенчатое сжигание (ребернинг) с природным газом в качестве восстанавливающего топлива; 6 - малотоксичные горелки + ребернинг (1 + 5); 7 - некаталитическое восстановление NO_X аммиаком; 8 - каталитическое восстановление NOx аммиаком.