Автор: П.М.Гламаздин, Д.П.Гламаздин, Ю.П.Ярмольчик
Источник: П.М.Гламаздин, Д.П.Гламаздин, Ю.П.Ярмольчик.Экологические аспекты модернизации водогрейных котлов большой мощности/Энергетика.Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. – Том 59,№3. – 2016. – с.249–259.
П.М.Гламаздин, Д.П.Гламаздин, Ю.П.Ярмольчик Экологические аспекты модернизации водогрейных котлов большой мощности.
Авторы провели исследования с целью выяснения эффективности примененных ранее методов подавления выбросов оксидов азота на указанных типах котлов. На всех модернизированных объектах использовался прием выравнивания температурного поля и соответственно интенсификации теплообмена .
В Украине и Беларуси, как и в других странах, образовавшихся после распада СССР и Совета экономической взаимопомощи, большая часть районов в городах снабжается теплотой посредством системы централизованного теплоснабжения (СЦТ). Источником теплоты для СЦТ являются либо теплоэлектроцентраль (ТЭЦ), либо крупные отопительные котельные. И в одном и в другом случае используются мощные водотрубные водогрейные котлы в качестве основных источников теплоты или как пиковые. Котлы применяются в основном двух типов – серий ПТВМ и КВГМ, которые работают на природном газе (резервное топливо – мазут). Во время их проектирования и производства проблемы экологии не стояли так остро, как в настоящее время, поэтому для этих типов котлов характерны высокие значения выбросов NOx и CO в продуктах сгорания, особенно для котлов типа ПТВМ (NOx до 350–400 мг/м3 ).
Несмотря на ускорение развития альтернативной энергетики и увеличение доли возобновляемых источников энергии, «Дорожная карта Европейского союза по энергетике до 2050 г.» сохраняет за природным газом не менее 25 % в тепловом балансе ЕС [1]. Исходя из этого в ряде стран принимаются программы по снижению вредных выбросов, в том числе при сжигании горючих газов. Например, в 2015 г. в Украине принята программа повышения экологических характеристик теплогенерирующего оборудования большой мощности [2], что заставляет теплоэнергетические предприятия обратить более серьезное внимание на эту проблему.
Принципиальное снижение содержания NOx и CO возможно двумя путями: устройством на выходе из котлов конденсационных теплоутилизаторов и совершенствованием процессов тепломассопереноса в топках котлов.
Устройство теплоутилизаторов с конденсацией содержащихся в продуктах сгорания водяных паров разрабатывалось еще в 60–80-е гг. прошлого века [3]. Этот способ принципиально не уменьшает количества вредных соединений, генерируемых в процессе сжигания органических топлив, а только предотвращает их попадание в атмосферный воздух. В результате применение теплоутилизаторов порождает проблемы с загрязнением образующегося конденсата, в котором растворяются оксиды азота, серы и углерода, превращая его в смесь нескольких кислот низкой концентрации [4]. Проблема надежной нейтрализации кислого конденсата при больших его количествах (до 5 т/ч и более) [5] до сих пор не имеет простого и надежного решения.
Cлишком большая крутка приводит к образованию в нижней части топки зоны с повышенной температурой, в которой активно генерируются оксиды азота. Превышение эмиссии оксидов азота по сравнению с прямоточным режимом составляет более 50 %. Реализовать режимы с большей нагрузкой, чем показано на рисунке, без крутки на прямоточном режиме работы горелки не удалось из-за опасения, что факел начнет достигать фестона. Однако и так стало очевидно, что при уменьшении крутки эмиссия оксидов азота снижается. Реконструированный котел находился в эксплуатируемой котельной, и проводить дальнейшие натурные эксперименты не представлялось возможным. Крутка была уменьшена наполовину, и в результате максимальная концентрация NOx на выходе составила 175 мг/м3 , что вполне удовлетворило заказчика. Нужно отметить, что согласно паспортным данным минимальная эмиссия NOx для использованных горелок SG-150 фирмы SAACKE в обычном исполнении гарантируется в пределах 200 мг/м3 . Это свидетельствует о том, что уровень выбросов от котла зависит не только от конструкции горелки, но и от оптимального для данной топки их расположения. В результате реконструкции получены и другие положительные эффекты. Значительно расширен диапазон нагрузок со стороны уменьшения. Поскольку горелки включены в каскаде, минимальная нагрузка котла при работе одной горелки составляет 2,5 МВт, что соответствует ночной нагрузке на горячее водоснабжение в летнее время, когда разбор воды практически отсутствует и система работает в режиме циркуляции. Котел работает полностью в автоматическом режиме либо реализуя погодное регулирование, либо регулирование по температуре теплоносителя на выходе из котла по командам, задаваемым диспетчером. Достигнута экономия электроэнергии на привод тягодутьевых машин в пределах 30 %. КПД котла – 92,5–94 % на всех режимах. Пуск котла осуществляется одним нажатием кнопки. При малых нагрузках летом, когда котел работает один на трубу высотой 100 м, рассчитанную на работу трех котлов, дымосос автоматически отключается и разрежение в топке поддерживается шибером с сервоприводом.
Компьютерное моделирование температурного поля в топке котла, проведенное авторами [1], подтвердило, что при различной нагрузке крутка должна быть разной, чего можно добиться, изменив конструкцию горелок. Изменение крутки в соответствии с изменением нагрузки позволит выровнять тепловое напряжение в топке по площади QF на различной высоте и сгладить за счет этого рост эмиссии NOx с ростом нагрузки. Вертикальное расположение факела снизу-вверх способствует выравниванию QF. Коэффициент заполнения топки факелом при этом приближается к единице. Попытки создания подобных горелок производились и ранее. Предлагалось, например, использовать горелки ВНИИМГ-Д мощностью до 22,5 МВт с регулируемой длиной факела и очень широким диапазоном регулирования [2].
Неизбежное ужесточение требований к экологическим характеристикам водогрейных и паровых котлов в системе централизованного теплоснабжения не обязательно должно вести к их замене. Имеется ряд способов снижения вредных выбросов в атмосферу, основанных на положительных результатах экспериментальных исследований и опробованных в условиях эксплуатации. При выборе набора методов предварительно необходимо произвести численное исследование температурного поля в топке котла, подлежащего реконструкции, с целью определения количества и места расположения горелок. При необходимости замены горелок не обязательно использовать самые дорогие горелки типа LowNOx 3-го эмиссионного класса [2]. Можно обойтись более простыми и дешевыми горелками, а глубокого подавления эмиссии оксидов азота достичь, используя другие, менее затратные способы, включая методы режимной наладки