Разнообразные схемы двухстадийного сгорания

Наименее чувствительное снижение КПД и появление недожога происходит при сжигании природного газа. Более сложная ситуация обстоит при сжигании твердого топлива.

α<1

α >1

В+Т

В+Т

Рис. 7. В – воздух, Т – топливо.

Рис. 8. В – воздух, Т – топливо. Steinmuller 1968-1969 гг., в 70-е года поставили крест на данной схеме.

Рис. 9. В – воздух, Т – топливо.

Рис. 10. а) В – воздух, Т – топливо. Существует n-вариантов; б) мозаичная разбивка в зоне горения факела (Устюгов).

Устюгову удалось сократить концентрацию NO_x с 700-800 мг/м³ до 100-200 мг/м³.

Рис. 11. Т – топливо

Ведущие зарубежные фирмы пришли к выводу, что снижение концентрации оксидов азота недостаточно, т.к. при этом увеличивается недожог. Предложили создать восстановительную атмосферу (CO + H₂) в зоне горения факела при двухстадийном сжигании.

(!) NO + NO₂ + CO + H₂ = N₂ + CO₂ + H₂О

Реализовать этот процесс оказалось сложно, т.к.:

- во-первых, скорость восстановления NO_x в N₂ при t=1000 ^oС на два порядка ниже, чем скорость образования NO_x при горении. Причем, чем выше температура, тем разница скоростей выше, а при равновесной температуре t=900 ^oС эта разница минимальна.

- во-вторых, необходимо, чтобы концентрация восстановительной атмосферы превышала стехиометрию восстановительной атмосферы и NO_x.

- в третьих, после восстановления оксидов азота, избыточный CO и H₂ необходимо дожечь, причем, температура при дожигании увеличивается и снова образуются оксиды азота.

- в четвертых, перемешивание газов с восстановительной атмосферой с воздухом, необходимым для их дожигания, при t=1000 ^oС очень сложно выполнить, т.к. газы при этой температуре имеют вязкость в 3 раза выше, чем вязкость воздуха, а плотность в 3 раза меньше (при этом резко гаснет турбулентность потока). При t=800-900 ^oС резко снижается скорость окисления СО в CO₂. А при t=500-600 ^oС уменьшается скорость окисления H₂ в H₂О. поэтому необходимы десятки секунд, хорошее перемешивание, в современных топках таких зон для обеспечения восстановления N₂ нет. Снижение температуры с 1200 до 800^oС в поверхностях нагрева проходит через несколько метров, это расстояние газы преодолевают за десятые доли секунд. Ширина топки составляет от 5-7 до 30 м и продуть ее струйками воздуха практически невозможно.

Попытка организовать частичное восстановление NO_x в факеле была предпринята в конце 70-х, начале 80-х годов в зарубежных странах (трехступенчатое или трехстадийное сжигание). Эту технологию хорошо реализовывать на высоких узких топках.

Рис. 12. В₃ – третичный воздух из решетки воздушных струй.

В самом лучшем исполнении эта схема выполнена на английских котлах (в том числе в Италии, Турции, Греции, США, Индия). Концентрация NO_x снижается на 50-60% без сильного роста недожога (!). Потери от механического недожога составляют 6-7% (на котлах в США).

Для эффективного подавления оксидов азота необходимо предельно увеличить II зону, кроме того, полностью дожечь CO + H₂ в III зоне без сильного повышения температуры уходящих газов.

Рекомендации по выполнению данной схеме были выпущены в 1985 г. В Евросоюзе.

К середине 80-х годов европейские специалисты поняли, что эта технология – тупик, нужны радикальные решения.

Три направления выхода из тупика:

1) Установка катализаторов для восстановления NO_x (распространен был в 80-е годы).

2) Низкотемпературное сжигание (данный метод проигрывает по экономическим и теплотехническим показателям).

Сжигается топливо при t=850-900 ^oС, когда скорость образования оксидов азота равна или чуть меньше скорости восстановления NO_x в N₂.

Имеет следующие недостатки:

- большой недожог при сжигании твердых топлив;

- топливо надо постоянно перемешивать с воздухом, для этого используется кипящий слой (псевдоожижение), циркулирующий кипящий слой (увеличение зоны восстановительной атмосферы и обеспечение дополнительной циркуляции топлива и золы для углубленного выгорания углерода C) и вихревые технологии (циклоны прежде всего);

КИПЯЩИЙ СЛОЙ:

- всегда сложнее и дороже кипящий слой;

- трудно поддерживать процессы на оптимальном уровне;

- проблемы недожога решаются недостаточно;

- повышаются затраты электроэнергии на собственные нужды в 2-3 раза как минимум;

- NO_x тоже образуются, причем больше, чем хотелось бы (вместо 100 образуется 300-400 мг/м³;

- образование топливных NO_x с небольшим содержанием быстрых NO_x.

ЦИКЛОНЫ:

- не удается обеспечить низкотемпературный процесс сжигания, т.к. они работают при высоких температурах;

- сильный износ;

- шлакование;

- увеличение NO_x.

3) Создание новой технологии сжигания с позонным управлением механизма образования топливных, термических и быстрых оксидов азота (самое эффективное, дешевое и главное с 90-х годов по настоящее время направление).

40 лет в нашей стране пытаются организовать низкотемпературное сжигание в горящем вихре в нижней части топки (ВИР-технологии). Эти топки себя не оправдали, т.к. не обеспечивается экологическая безопасность и они экономически невыгодны. Кроме того, они являются неконкурентоспособными. Последние 2-3 года возникли вихревые низкотемпературные технологии (создание специальных топок с использованием O₂) при температуре 500-800 ^oС (сжигание газа).