Возможные мероприятия по снижению выбросов

Организационно-технические мероприятия направлены в основном на экономию энергоресурсов (топлива), повышение культуры обслуживания и надежности объекта, не затрагивают тракт котлов. В табл. приведены ориентировочные значения снижения выбросов при реализации этих мероприятий.

Мероприятия	Ориентировочное снижение выбросов, %	Примечания
NOx / SO2	ТПС/сажа	CO/бензпирен
Внедрение теплосберегающих технологий и оборудования у потребителей теплоты.	Порядка относительного снижения расхода топлива котельной.
Снижение потерь теплоносителя и теплоты в сетях	Порядка относительного снижения расхода топлива котельной.	Эффективна бесканальная прокладка труб с пенополиуретановой (ППУ), армопенобетонной улучшенной (АПБУ) и фенольнопоропластовой (ФЛ с гидроизоляцией) теплоизоляцией
Внедрение приборов теплового контроля и учета теплоты	4,7	4,7/ нд*	Более 7	Ручное поддержание параметров и контроль количества отпускаемой теплоты
Оптимизация режимов работы котла	10-15/ -	10/ в 1,5-2 раза	10/ в 1,5-2 раза	Работа котла в соответствии с режимной картой
Автоматизация котлов и котельной	11-14/4-7	11-14/ нд	Более 14	Тоже плюс более эффективная отработка переходных процессов
Оптимизация нагрузочных режимов котлов	Порядка относительного снижения расхода топлива котельной	Снижение суммарного расхода топлива за счет перераспределения нагрузки
Своевременный ремонт и наладка; обмывка поверхностей нагрева	10-15/- 8-15	10-20/ нд 8-15	Более 20/ - 8-15	увеличение КПД на 8-15% при сжигании твердого топлива
Внедрение безнакипного водно-химического режима	1,4/1,4 на 1% повышения КПД	1,4/ нд на 1% повышения КПД	Более 1,5 на 1% повышения КПД	Фосфонаты (композиция ККФ, ОЭДФК и др.) на 95% ингибируют процесс накипеобразования. Отмечено повышение КПД котлов на 2-5% и более
Сжигание искусственных топлив: из угля и отходов; обогащенного и гранулированного; очищенного от азота и серы	10-15/в 3-5 раз 5-15/5-15 20-60/в 3-5 раз	Нд/ в2-7 раз 50-60/30-40 -	В 2-7 раз/ в 2-7 раз - / нд- -	рост себестоимости теплоты: 70-110% - 25-50%
Сжигание мазута: с присадками; в смеси с печным бытовым топливом	20/ - 15-20/20-25	- / в 1,5-2 раза в 5-7 раз	В 1,5-2 раза/ тоже - / нд	рост себестоимости теплоты: 10-15% -
Сжигание топлива требуемого качества	- / -	50-60/20-30	Нд / нд	Топливо обойдется дороже; рост КПД котла До10- 15%
Ликвидация источников загрязнений	100 - по ликвидируемому объекту	Ликвидация котлов устаревших типов или при централизации теплоснабжения
Перевод котлов: с твердого топлива на жидкое; с твердого топлива на газ; с жидкого на газ	10-15/10-15 35-40/100 25-30/100	В 70 раз/в 1,5-2 раза 100/в 10-12 раз 100/в 5-6 раз	В 2-5 раз/ в100 раз В 5-7 раз/в 100 раз До 2,5 раз/-	Изменение себестоимости теплоты во многом зависит от соотношения цен на топливо

нд* - нет данных.

Технологические мероприятия направлены на уменьшение образования или подавление загрязняющих веществ в процессе сжигания топлива. Реализуются по тракту от топочного устройства до точки окончания горения. Требуют затрат на реконструкцию элементов котла и на дополнительное оборудование.

Из механизма образования окси­дов азота следует, что снижения выхода NOx можно достичь уменьшением температурного уровня и концентрации кислорода, а так же времени пребывания газов в высокотемпературной зоне горения. Однако при этом возрастает содержание продуктов неполного горения (сажи, CO, бензпирена), что сказывается на энергоэффективности котлоагрегатов. Очевидно, что практические мероприятия должны быть направлены на снижение суммарной токсичности выбросов оксидов азота и продуктов неполного горения.

Выбор метода снижения выхода NOx в каждом конкретном случае должен определяться не только технико-экономическими соображениями, но и конструктивными особенностями котельных агрегатов, характеристиками сжигаемого топлива.

Ниже приведены методы, проверенные в эксплуатации и дающие существенный экологический эффект:

- Снижение коэффициента избытка воздуха в топке α_т до значений, не вызывающих еще чрезмерного повышения недожога топлива. Это простое режимное мероприятие позволяет снизить выбросы оксидов азота при сжигании газа и мазута на 30-35%, для слоевого сжигания угля эффективность на 10% ниже. При отсутствии контроля за α_т есть опасность загрязнения атмосферы сажей, CO, углеводородами.

- Впрыск пара или воды в ядро горения газомазутных и пылеугольных котлов снижает температуру горения, и как следствие, выбросы оксидов азота на 10-30%. Отмечено некоторое снижение образования сажистых частиц, CO, углеводородов. Расход влаги от 3 до 10% от расхода топлива. При удачном выборе места ввода влаги эффективность может быть выше. Метод прост, но не экономичен, т.к. увеличиваются потери теплоты с уходящими газами. Подобным образом действует и снижение температуры дутьевого воздуха.

- Повышение температуры подогрева мазута до 150-250^оC снижает выход NO_x на 40%, что связано с уменьшением вязкости мазута и размера мазутных капель, времени их горения, а следовательно времени пребывания реагирующих веществ в высокотемпературной зоне. При сжигании угольной пыли 40%-ое снижение выхода NOx наблюдается при подогреве пылевзвеси до 350-400 ^оC.

- Интенсификация охлаждения факела горения достигается при расположении в топочной камере дополнительных поверхностей нагрева или при рассредоточении фронта горения. Быстрое охлаждение газов при интенсивном теплообмене в топке сокращает время окисления (время пребывания) азота в области высоких температур. Секционирование топок малых котлов двухсветными экранами снижает образование NO_x на 20-30%. Возможен перевод чугунных секционных котлов (типа «Универсал», «Энергия», «Тула», «Минск» и др.) с твердого топлива на газ с целью продления их эксплуатации. При этом их оборудуют полностью автоматизированными горизонтально-щелевыми (подовыми) горелками с принудительной подачей воздуха.

- Частичная рециркуляция дымовых газов в топочную камеру. В этом случае дымовые газы в количестве Vотб = r·Vг/100 отбираются на выходе из котла и подаются в топку либо через шлицы под горелками, либо через кольцевой канал вокруг горелок, либо подмешиваются в воздух перед горелками (до колосниковой решетки). Последний способ ввода газов рециркуляции обеспечивает на­ибольшее снижение температуры и концентрации кислорода, что растягивает зону горения при эффективном охлаждении ее топочными экранами. В некоторых случаях на малых котлах линию рециркуляции можно выполнить в виде перемычки между напорной линией дымососа и всасывающей линией вентилятора, чаще же устанавливают специальный дымосос рециркуляции.

Рекомендуемая степень рециркуляции r =15-30%. При минимальных коэффициентах избытка воздуха в топке α_т относительное снижение выхода оксидов азота , (к =0,16 для газа, 0,17- для мазута и 0,075- для твердого топлива). При завышенных коэффициентах избытка воздуха в топке относительное снижение не превышает 1/3. Метод практически непригоден для котлов с малым объемом топочной камеры (типа чугунных водогрейных) из-за недопустимого выхода продуктов неполного сгорания.

- Организация двухступенчатого сжигания топлива. В простейшем случае ступенчатого сжигания часть воздуха (α₁=0,85-0,95) подают в горелку со всем топливом. При недостатке кислорода и пониженной температуре оксиды азота образуются в меньшем количестве, часть их восстанавливается до N_2. Оставшийся воздух (до α_т) подают через сопла, расположенные выше горелки, что обеспечивает полное сгорание топлива. В котлах с ярусным расположением горелок воздух распределяют между ярусами так, чтобы в горелках нижнего яруса α₁=0,8-0,9, а верхнего- α₂=1,25-1,35, чем также достигается ступенчатость «по вертикали». Относительное уменьшение образования NOx , где n ≈ 3.

- Применение горелок с пониженным образованием оксидов азота. Ясно, что конструкцией горелок можно изменять максимальную температуру горения, интенсивность смесеобразования (горелки с растянутым смесеобразованием), выделять в объеме факела зоны с различным содержанием кислорода (горелки с регулируемой долей первичного воздуха), т.е. обеспечивать ступенчатость сжигания «по горизонтали». В настоящее время горелки с улучшенными экологическими показателями разработаны для газомазутных водогрейных и паровых котлов. Снижение образования NOx до 50%.

- Сжигание мазута в виде водомазутной эмульсии. Для создания однородной эмульсии воды в мазуте наиболее эффективны виброкавитационные диспергаторы (измельчение до 5 мкм), наиболее распространены электромеханические (роторные и шестеренчатые), так называемые ультразвуковые свистки осуществляют грубое перемешивание мазута с водой. Способ достаточно широко распространен при сжигании высоковязких мазутов марок М100 и М100В, т.к. позволяет сжигать грубодисперсные фракции донных отложений мазутохранилищ, обводненные (до 30%) мазуты без предварительного обезвоживания, использовать в качестве водной добавки загрязненные нефтепродуктами сточные воды и добиться снижения суммарной токсичности выбросов загрязняющих веществ. Кроме этого, при микровзрывах капель эмульсии существенно улучшается смесеобразование, что позволяет работать при более низких (по сравнению с сжиганием безводного топлива) критических избытках воздуха (до 1,10-1,15 вместо 1,22-1,30). При влажности мазута до 10-12% снижение α не только компенсирует потери теплоты на испарение воды и увеличение удельного (на 1кг мазута) объема продуктов сгорания, но и дает увеличение КПД котлоагрегата.

Изменение уровня выбросов загрязняющих веществ зависит от размеров дисперсной фазы водотопливной эмульсии. В частности, при влажности мазута 10-12% и медианном размере капель топлива 320-460 мкм суммарная токсичность выбросов минимальна при размерах дисперсной фазы (воды) 32-35 мкм (выход сажи и бензапирена снижается до 10 раз, а NO_x на 35%).

- Применение технологий кипящего слоя для сжигания низкосортного твердого топлива. В этих технологиях реализуется низкотемпературное (800-1200^оC) сжигание топлива во взвешенном слое над узкой воздухораспределительной решеткой. По сравнению с топками слоевого сжигания топлива КС требует повышенных затрат на дутьё. Напор дутьевых вентиляторов повышается в 3-4 раза. Различают топки со стационарным кипящим слоем и топки с циркулирующим кипящим слоем.

В настоящее время эффективной технологией для сжигания низкосортных твердых топлив признана технология их сжигания в высокотемпературном циркулирующем кипящем слое (ВЦКС). Применение способа сжигания твердого топлива в ВЦКС позволяет увеличить производительность котлов малой и средней мощности до 30%. Результаты эксплуатации котлов ВЦКС свидетельствуют о том, что применение возврата уноса, т.е. циркуляции материала кипящего слоя по контуру топка - сепаратор уноса - топка позволяет уменьшать потери с механическим недожогом на 10 % и КПД котла 85-87 % достижимы на практике (вместо 72-80% при традиционном сжигании в неподвижном фильтрующем слое).

В топках ВЦКС можно сжигать практически любые твердые топлива с теплотой сгорания от 3500 до 6000 ккал/кг, зольностью и влажностью до 50 %, крупностью куска от 6 до 50 мм, различные отходы биологического происхождения в смеси с твердым топливом. В топках с ВЦКС даже при очень высокой зольности угля (до 50%) содержание углерода в удаляемом шлаке не превышает 10%.

Стабильность процесса горения топлива в котлах с ВЦКС сохраняется в диапазоне регулирования нагрузок от 20 до 100%. При этом обеспечивается селективное удаление золы непосредственно из слоя в процессе сжигания твердого топлива, а концентрация твердых выбросов в атмосферу в 5-6 раз ниже по сравнению с типовым слоевым сжиганием (до 200 мг/м³).

Сжигание топлива при температуре 1000-1200^оC позволяет уменьшить количество оксидов азота в уходящих газах до 200-250 мг/м3 и менее, что на 40% ниже, чем при обычном способе сжигания твердого топлива.

Использование технологии кипящего слоя позволяет в значительной степени решить проблему снижения выбросов оксидов серы в атмосферу. Для этого в кипящий слой вводят щелочные присадки (известняк, известь - пушонку или доломит), связывающие серу в сульфат по реакциям:

CaCO₃ → CaO + CO₂

CaO + SO₂ + 0,5O₂ = СaSO₄

Расход извести, кг/ч можно вычислить по формуле:

,

где - S^р и A^р – содержание серы и золы в рабочем топливе, %; CaO и MgO- содержание оксидов кальция и магния в золе, %; -степень связывания серы щелочными компонентами золы(≈0,8-0,9); -расчетный расход рабочего топлива, кг/ч; K- коэффициент запаса (мольное отношение), для топок с циркулирующим кипящим слоем при К=2 подавление SO₂ достигает 90%. Выбросы SO₂ не превышают 350 мг/м³.

Важно отметить также, что при эксплуатации котлов с ВЦКС практически сохраняются традиционные (привычные для обслуживающего персонала) методы эксплуатации котельных.

Метод подходит для реконструкции действующих котельных с котлами мощностью более 4 МВт (типа КВТС, КЕ, ДКВр). Опыт показывает, что реконструкция котельных с установкой топочного и соответствующего вспомогательного оборудования для сжигания твердого топлива в ВЦКС окупается за 1.5 – 2 года.

- Неплохие результаты можно получить на котлах малой тепловой производительности с ручным обслуживанием при сжигании низкосортных топлив по технологии «полукипящего» слоя, при отсутствии какой-либо системы топливоприготовления. Технология может быть реализована на водоохлаждаемых непровальных воздухораспределительных решетках, устанавливаемых вместо колосников. Заметим, что топочными устройствами с “полукипящим” слоем для сжигания недробленого твердого топлива могут быть оборудованы не только водогрейные котлы небольшой теплопроизводительности, но и действующие котлы типа ДКВр (КЕ) паропроизводительностью до 6,5 т/ч и Е-1,0-9Р.

При горении топлива в ПКС «кипит» только мелочь. Крупные куски топлива, образуя своды, препятствуют уносу мелочи из слоя горящего топлива. С другой стороны, мелочь, интенсивно двигаясь в промежутках между крупными частицами, счищает с них шлаковую корку, интенсифицируя не только горение крупных частиц, но и теплоотдачу к ним со стороны газов. Все это создает благоприятные условия для выжигания на 95-98 % полифракционного топлива. Кроме того, оказывается, что из-за разной скорости горения мелочи и крупных частиц, окислы азота, образующиеся при горении топлива, восстанавливаются до молекулярного азота углеродом несгоревшего топлива, что снижает содержание окислов азота в уходящих газах.

Сжигание в “полукипящем” слое в такой топке исключает потери топлива с провалом, снижает потери топлива с уносом, снижает концентрацию окислов азота в уходящих газах, снижает выход золы и шлака (из-за более полного выгорания топлива).

Процесс сжигания в “полукипящем” слое протекает устойчиво, диапазон регулирования нагрузки котла составляет 20-100 % от номинальной нагрузки без снижения экономичности его работы.

Испытания водогрейных котлов мощностью 0,75-1 МВт на различных углях (печорский ДКОМ, АШ Восточного Донбасса, смесь Кузнецких рядовых) показали, что потери тепла от механической неполноты сгорания составили 1,9- 2,35 %, с физическим теплом шлака - 1,36 %, от химической неполноты сгорания 0,16- 0,36 %, а КПД находится на уровне 77,5-85%, что соответствует котлам 1-2 класса по ГОСТ 30735. Содержание окиси углерода в уходящих газах колебалось в пределах 180–1343 ppm, окиси и двуокиси азота – 129-215 ppm, двуокиси серы – 13-711 ppm.