Сокращение выбросов вредных веществ при сжигании пылеугольного топлива с использованием технологии двухступенчатого сжигания топлива

В настоящее время теплоэнергетика, начиная с крупных действующих теплоэлектростанций до мелких котельных, активно внедряет «чистую» технологию. В атмосфере, где происходит сжигание топлива на тепловых электростанциях, наиболее опасными загрязняющими веществами являются окиси азота NOx. На современных угольных ТЭС применяются различные приемы для снижения вредных выбросов, такие как изменение технологии горения и фильтрация газов перед сжиганием [1–3].

К изменениям в технологии горения относятся: применение модифицированных горелок, дожигание топлива, рециркуляция отходящих газов, ступенчатое сжигание топлива, подготовка низкосортных углей к сжиганию, радиационные технологии, внесение влаги в зону активного горения и другие. Таблица 1 показывает сравнительные показатели эффективности использования различных технологических методов снижения выброса азота в атмосферу NO по данным [4–5].

Двухступенчатое сжигание топлива — это технология, которая называется OFA. Это один из самых эффективных способов снижения концентрации выбросов вредных веществ, в том числе, оксида азота. Эта технология включает в себя двухступенчатое сгорание топлива, а также подачу вторичного воздуха в котлоагрегационную топку для снижения выбросов NO _x . Система позволяет улучшить процесс смешивания топлива и окислителя, создать оптимальные условия для эффективной работы котла и уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу [6–14].

Система дополнительного воздушного потока является общей чертой для многих современных энергостанций в мире, которые работают на твердых топливах. Эти системы направлены на достижение нового уровня снижения выбросов углекислого газа в атмосферу (NO _x ), Этого результата невозможно было достичь только путем модификации горелок, используя модифицированные горелки. В США данная технология успешно применялась в качестве самостоятельной или в комбинации с модифицированной горелкой с низкими выбросами NOx на углевидных углях. Для обеспечения чистоты воздуха необходимо соблюдать требования закона о чистоте воздуха [15]. Двухступенчатое сжигание топлива — это процесс, при котором воздух подается в течение двух этапов: первичное и вторичное. На первом этапе происходит сжигание основной массы топлива. (примерно 70–90 % воздуха подается в горелки) при небольшом избытке воздуха. В результате смешивания топлива с помощью контролируемого потока воздуха в топочном устройстве создается относительно низкая температура горения, которая характеризуется низкими температурами и обогащенной топливом зоной горения NO _x из азота топлива (топливные NO _x ).

Второй этап заключается в подаче оставшейся части воздуха (10–30 %) в топочную зону над горелкой через OFA-инжекторы, чтобы обеспечить догорание горючего. Низкая температура в зоне обогащения кислородом приводит к уменьшению его образования NO _x из воздуха (термические NO _x ) [16–18].

Таблица 1

Технологические методы снижения образования оксидов азота NO _x в топочных камерах при сжигании различных видов топлива [5, c. 2; 5, c. 227]

Ступенчатое сжигание является универсальной технологией, которая позволяет применять ее даже для сжиганий низкосернистого топлива и значительно снизить выбросы азота NO _x в атмосферу. В целом при правильной организации ступенчатого сжигания обеспечивается снижение содержания оксидов азота на 30–40 %.

Оксиды азота в топке уменьшаются из-за образования зон, характеризующихся избыточным воздухом и низкими температурами [19–21].

Различные компоновки дополнительных топливных OFA-инжекторов для двухступенчатого сжигания топлива представлены на рисунке 1 [27, р. 1236].

Рис. 1. Различные варианты компоновки OFA-инжекторов [27, р. 1236]

Главная трудность в двухступенчатом сжигании заключается в том, что необходимо правильно определить место подвода инжекторов второй ступени и его количество, которое для различных конструкций котельной агрегатов может не быть одинаковым. Воздух должен вводиться с таким расчетом, чтобы полностью смешаться с продуктами первой ступени и завершить догорание. В любом случае, эта область должна быть удалена достаточно далеко от устья горелки для того, чтобы начать процесс выгорания первой ступени в достаточной степени.

В результате недостаточно интенсивного смешения в второй ступени, возможно, произойдет значительное увеличение выбросов вредных веществ. В топке могут образовываться восстановительные атмосферы, которые могут быть вызваны химическим и механическим недожогом, который возникает из-за неравенства между углекислым газом и воздухом, а также из-за неэффективного перемешивания между ними [27, р. 1237; 21–27].

Литература:

1. Мунц В. А. Образование оксидов азота при сжигании твердых топлив // Теплоэнергетика. — 1997. — T. 12. — С. 26–30.
2. Stanmore B. R., Visona S. P. Prediction of NO emissions from a number of coal-fired power station boilers // Fuel Processing Technology. — 2000. — Vol. 64, № 1. — Р. 25–46.
3. Askarova A. S., Bolegenova S. A., Nugymanova A. O., Tagaibek A. S. Influence of thermochemical activation of fuel on the combustion process in furnace chambers of thermal power plants // Proceeding of Alternative Energy Sources, Materials & Technologies (AESMT’21), Alternative technologies, Low-Carbon Technologies. Ruse, Bulgaria, 2021. — Vol. 3. — P. 105–106.
4. Котлер В. Р. Реализация и эффективность технологических методов подавления оксидов азота на ТЭС // Теплоэнергетика. — 1994. — Т. 6. — С. 2–9.
5. Росляков П. В., Ионкин И. Л., Егорова Л. Е., Плешанов К. А. Реализация мало затратных технологий снижения вредных выбросов при сжигании органических топлив в котлах ТЭС // Повышение надежности иэффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем: ЭНЕРГО-2010: всероссийская научно-практическая конференция. — Москва, 2010. — С. 227–238.
6. Bukovsky I., Kolovratnik M. A Neural Network Model for Predicting NOx at the Melnik 1 // Acta Polytechnica. — 2012. –Vol. 52, № 2. — Р. 17–22.
7. Hyunbin J., Kiseop K., Jongkeun P., Changkook R., Hyunsoo A., Younggun G. Optimization of air distribution to reduce NOx emission and unburned carbon for the retrofit of a 500 MWe tangential-firing coal boiler // Energies. — 2019. — Vol. 12, № 17. — Р. 3281.
8. Fan W., Lin Zh, Li Y. Experimental flow field characteristics of OFA for large-angle counter flow of fuel-rich jet combustion technology// Applied Energy. — 2010. — Vol. 87. — P. 2737–2745.
9. Zhou J., Zhao Ch., Xu J. Application of Air-staged and Low NOx Emission Combustion Technology in Plant Boiler // Proceedings of the CSEE. — 2010. — Vol. 30, № 23. — Р. 19–23.
10. Серант Ф. А., Гордеев В. В., Саломасов Ю. М., Коняшкин В. Ф., Квривишвили А. Р., Барташук Е. Г., Шихотинов А. В. Двухступенчатое сжигание высокозольного экибастузского угля на модернизированном котле ПК-39–2М энергоблока 325 МВТ (Ст. № 2) электростанции АО «ЕЭК» Г. Аксу (Казахстан) // VIII Всероссийская конференция с международным участием «Горение твердого топлива» Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СОРАН. — Новосибирск, Россия, 2012. — С. 92.1–92.9.
11. Kuang M., Li Zh., Jing X., Zeng X. Characterization of combustion and NOx emissions with respect to over fire air damper opening in a down-fired pulverized- coal furnace // Energy Fuels. — 2013. — Vol. 27, № 9. — P. 5518–5526.
12. Askarova A. S., Bolegenova S. A., Maksimov V.Yu., Bolegenova S. A., Ergalieva A. B. Reduction of noxious substance emissions at the pulverized fuel combustion in the combustor of the BKZ-160 boiler of the Almaty heat electropower station using the “Overfire Air” technology // Thermophysics and Aeromechanics. — 2016. — Vol. 23, № 1. — P. 125–134.
13. Bowman C. T. Control of combustion–generated nitrogen oxide emissions: Technology driven by regulation // Symposium (International) on Combustion. — 1992. — Vol. 24, № 1. — Р. 859–878.
14. Xiang J., Li M., Sun L. S. Comparison of nitrogen oxide emissions from boiler for a wide range of coal qualities // International Journal Thermal Science. — 2003. — Vol. 39, № 8. — Р. 833–841.
15. Pershing D. W., Wendt J. O. L. Pulverized coal combustion: The influence of flame temperature and coal composition on thermal and fuel NOx // Symposium (International) on Combustion. — 1977. — Vol. 16, № 1. — Р. 389–399.
16. Lyman J. Boiler control systems engineering. — USA: Np., 2005. — 175 p.
17. Alfonso R., Dusatko G. C., Pohl J. H. Measurements of NOx emissions from coal boilers // Combustion Science and Technology. — 1993. — Vol. 93, № 1. — Р. 41–51.
18. Stefanica J., Hrdlicka J. NOx prediction for FBC boilers using empirical models // Acta Polytechnica. — 2014. — Vol. 54, № 1. — Р. 68–73.
19. Man C. K., Gibbins J. R., Witkamp J. G., Zhang J. Coal characterization for NOx prediction in air–staged combustion of pulverized coals // Fuel. — 2005. — Vol. 84, № 17. — Р. 2190–2195.
20. Li Z., Fan S., Liu G., Yang X., Chen Z., Su, W., Wang L. Influence of staged-air on combustion characteristics and NOx emissions of a 300 MWe down–fired boiler with swirl burners // Energy Fuels. — 2010. — Vol. 24, № 1. — Р. 38–45.
21. Yang W., Wang B., Combustion optimization and NOx reduction of a 600 MWe down-fired boiler by rearrangement of swirl burner and introduction of separated over-fire air // Journal of Cleaner Production. — 2017. — Vol. 210. — P. 1120–1130.
22. Bartłomiej H., Wiesław Z.I, Olgierd Z., Grzegorz L. Numerical research on the impact of changes in the configuration and the location of the over fire air nozzles on the combustion process in the ultra-supercritical BP 680 boiler // Process Safety and Environmental Protection. — 2019. — Vol.125. — P. 129–142.
23. Аскарова А. С., Локтионова И. В. Моделирование образования оксидов азота при сжигании твердого топлива в топочных камерах // Теплоэнергетика. — 2003. — № 8. — С. 22–26.
24. Askarova A., Safarik P., Bolegenova S., Maximov V., Nugymanova A. Minimization of toxic emissions during burning low-grade fuel at Kazakhstan thermal power plant // Acta Polytechnica. — 2020. — Vol. 60, № 3. — Р. 206–213.
25. Askarova A. S., Safarik P., Bolegenova S. A., Maximov V.Yu., Nugymanova A. O. Use of two-stage fuel combustion technology to minimize hazardous emissions at Kazakhstan TPP // News of the national academy of sciences of the Republic of Kazakhstan physico-mathematical series. — 2021. — Vol. 1, № 335. — Р. 74–80.
26. Askarova A. S., Messerle V. E., Bolegenova S. A., Maximov V.Yu., Nugymanova А. О. 3D simulation of heat and mass transfer for testing of “clean energy” production technologies // Thermophysics and Aeromechanics. — 2021. — Vol. 28, № 2. — P. 291–301.
27. Askarova A., Bolegenova S., Maximov V., Bolegenova S., Askarov N., Nugymanova A. Computer technologies of 3D modeling by combustion processes to create effective methods of burning solid fuel and reduce harmful create effective methods of burning solid fuel and reduce harmful dust and gas emissions into the atmosphere dust and gas emissions into the atmosphere // Energies. — 2021. — Vol. 14, № 5. — P. 1236–1258.