СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА НА ОСНОВЕ ПЛАЗМЕННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ГОРЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF REDUCING NITROGEN OXIDE EMISSIONS BASED ON PLASMA FLAME STABILISATION OF PULVERISED COAL FLOW AND DEVICE INTENDED FOR REALISATION THEREOF

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при сжигании пылеугольного топлива в котлах ТЭС.
Известны способы снижения выбросов оксидов азота, в основе которых лежит понижение коэффициента избытка воздуха в зоне горелок [Л.И.Пугач. Энергетика и экология: Учебник. - Издательство НГТУ, 2003. - 504 с.].
x
Известен способ снижения выбросов оксидов азота (NO), согласно которому в горелки подают угольную пыль высокой концентрации (концентрация µ выше 20 кг угля на 1 кг воздуха) [Пугач Л.И., Скерко Н.Н., Волобуев А.Н., Казанский А.Н. Концентрированная подача пыли в горелки котлов как средство снижения содержания оксидов азота. - Электрические станции, 1989, №6, с.17-20].
x
Как известно [Л.И.Пугач. Энергетика и экология: Учебник. - Издательство НГТУ, 2003. - 504 с.], при факельном сжигании угольной пыли в энергетических котлах до 95% оксидов азота образуется из азота, содержащегося в угле и который выделяется вместе с другими летучими на первой стадии нагрева частиц угля. Количество образующихся оксидов азота находится в квадратичной зависимости от концентрации кислорода в зоне выхода летучих топлива с азотсодержащими компонентами и их воспламенения. Поэтому внутритопочное подавление NO путем понижения коэффициента избытка воздуха (в итоге - концентрации кислорода) в этой зоне весьма эффективно.
Недостатком этого способа является понижение полноты сгорания топлива.
г
г
В качестве прототипа выбран способ двухступенчатого сжигания угольной пыли [Л.И.Пугач. Энергетика и экология: Учебник. - Издательство НГТУ, 2003. - 504 с.], включающий подачу топлива в основные горелки с коэффициентом избытка воздуха α<1 (α=0,8-0,9), воспламенение и горение угля в топке (первая ступень) и подачу остального воздуха с α>1, необходимого для полного горения, в топку выше основных горелок (вторая ступень).
г
г
4
г
г
2
0,5
Недостатками этого способа (как и большинства других, основанных на понижении α в зоне выхода летучих угля с азотсодержащими компонентами и их горения) являются понижение полноты сгорания топлива, повышение температуры газов на выходе из топки (или высоты топки) и, как следствие, снижение КПД-брутто котла и возможность шлакования поверхностей нагрева ([Л.И.Пугач. Энергетика и экология: Учебник. - Издательство НГТУ, 2003. - 504 с.], с.279-280). Эти негативные изменения достаточно сильно зависят от коэффициента избытка воздуха α: по результатам измерений дополнительные потери с мехнедожогом Δq~(1,1-α); увеличение температуры газов на выходе из топки ΔТ''~(1,1-α) [Котлер В.Р. Ступенчатое сжигание - основной метод подавления оксидов азота на пылеугольных котлах. - Теплоэнергетика, 1989, №8, с.41-44]. Все это служит препятствием для дальнейшего снижения выбросов таким способом.
Известна плазменная пылеугольная горелка, которая содержит пылепровод подачи угольной аэросмеси в горелку, канал подачи аэросмеси в топку, плазмотрон, расположенный вдоль продольной оси этого канала так, что плазменная струя вытекает из него вблизи выходного торца канала подачи аэросмеси ([Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с.], рис.1.5, с.20).
Недостатком такой горелки являются повышенные затраты электроэнергии на плазмотрон, необходимой для воспламенения угля ([Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с.], с.21).
В качестве прототипа выбрана плазменная пылеугольная горелка, которая включает камеру термохимической подготовки (ТХП) топлива, внутренняя поверхность которой имеет цилиндрическую форму, пылепровод подачи угольной аэросмеси в камеру ТХП, плазмотрон, установленный на боковой поверхности камеры ТХП у ее входной части, патрубок (преимущественно цилиндрической формы), в который установлен плазмотрон, и канал вторичного воздуха ([Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с.], рис.1, с.21).
Недостатком этого устройства является опасность зашлаковывания патрубка камеры ТХП, в который устанавливается плазмотрон ([Перегудов B.C. Плазменное воспламенение низкореакционных топлив и вопросы шлакования горелки / Горение твердого топлива: Сб. докладов IV Всерос. конф., 8-10 ноября 2006 г. - Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2006. - Ч. 2, с.161-168], с.165-166).
Задачей заявляемого изобретения является создание способа снижения выбросов оксидов азота, обеспечивающего более глубокое их подавление за счет того, что в части горелок осуществляют воспламенение угольной аэросмеси плазмой до выхода аэросмеси в топку, и устройства для его реализации, повышающего надежность и безаварийность работы плазменной пылеугольной горелки за счет того, что часть внутренней стенки камеры термохимической подготовки, граничащую с патрубком, выполняют в виде плоской поверхности и выходной торец плазмотрона располагают в одной плоскости с этой плоской поверхностью внутренней стенки камеры.
г
г
Поставленная задача решается тем, что в способе снижения выбросов оксидов азота, включающем подачу угольной аэросмеси в основные горелки с коэффициентом избытка воздуха α<1 (в иных вариантах может быть α≈1), воспламенение и горение угля в топке и подачу остального воздуха с α>1, необходимого для полного горения угля, в топку выше основных горелок, согласно изобретению в части горелок (преимущественно не более 10% от общего количества основных горелок) осуществляют воспламенение угольной аэросмеси плазмой до выхода аэросмеси в топку. Преимущественно плазмотронами оснащают горелки нижнего яруса.
Кроме того, воспламенение угля плазмой осуществляют в дополнительно установленных плазменных пылеугольных горелках и расположенных в плоскости нижнего яруса основных горелок.
Кроме того, воспламенение угля плазмой осуществляют в дополнительно установленных плазменных пылеугольных горелках и размещенных ниже плоскости размещения основных горелок нижнего яруса.
Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для реализации способа снижения выбросов оксидов азота на основе воспламенения в части горелок угольной аэросмеси плазмой до ее выхода в топку, включающем камеру термохимической подготовки топлива, внутренняя поверхность которой имеет цилиндрическую форму, пылепровод подачи угольной аэросмеси в эту камеру, плазмотрон, установленный на боковой поверхности камеры термохимической подготовки топлива у ее входной части, патрубок камеры термохимической подготовки топлива, в который установлен этот плазмотрон, и канал вторичного воздуха, согласно изобретению часть внутренней стенки камеры термохимической подготовки, граничащую с патрубком, выполняют в виде плоской поверхности и выходной торец плазмотрона располагают в одной плоскости с этой плоской поверхностью внутренней стенки камеры.
x
Воспламенение угольной аэросмеси плазмой в части горелок сопровождается снижением начальной зоны активного горения угля в топке котла, поступающего из остальных горелок, снижением температуры газов на выходе из топки ([Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с.], с.69 - 70). Снижение зоны активного горения в топке ведет к увеличению времени пребывания частиц угля в высокотемпературной зоне и способствует повышению полноты их сгорания - снижению мехнедожога q4 ([Мессерле В.Е., Перегудов B.C., Полячек М.М., Кашмин Г.И. Плазменная подсветка факела с использованием автономных подсветочных горелок // В сб.: Плазменно-энергетические процессы и технологии. Материалы III Международной научно-технической конференции. - Улан-Удэ. - 2000. - С.126-129], с.128). Снижение температуры газов на выходе из топки повышает КПД «брутто» котла. Эти эффекты наблюдаются при традиционном (не двухступенчатом) факельном сжигании угольной пыли. Тем более существенным будет снижение недожога угля и температуры на выходе из топки при двухступенчатом сжигании, при котором активное горение частиц угля начинается позже (факел «затягивается»), чем при традиционном способе. В силу этого воспламенение угольной аэросмеси плазмой в части горелок открывает возможность дальнейшего снижения коэффициента избытка воздуха в зоне выхода летучих топлива с азотсодержащими компонентами и их горения и снижения в результате этого эмиссии NO при сохранении полноты сгорания и КПД котла на исходном для двухступенчатого сжигания уровне. (В некоторых случаях при снижении коэффициента избытка воздуха потребуется усиление мер по предупреждению высокотемпературной коррозии поверхностей нагрева, которые достаточно разработаны.) (В рассматриваемом процессе дополнительными достоинствами применения угольного факела, воспламенение которого осуществляют плазмой, перед мазутным факелом (помимо экономического фактора) является снижение выбросов оксидов серы (в случае использования высокосернистого мазута), пятиокиси ванадия и твердых выбросов (благодаря снижению мехнедожога)) [Жуков М.Ф., Карпенко Е.И., Перегудов B.C. и др. Плазменная безмазутная растопка котлов и стабилизация горения пылеугольного факела. - Новосибирск: Наука. - 1995. - 304 с.].
Использование горелок нижнего яруса для их оснащения плазмотронами позволяет на более ранней стадии (ниже по высоте топки) обеспечить активное горение частиц угля, повысить время их пребывания в высокотемпературной зоне и тем самым усилить положительный эффект.
Возможно использование дополнительно установленных плазменных пылеугольных горелок и расположенных в плоскости нижнего яруса основных горелок в случае, если это будет предпочтительно с учетом конструктивных и технологических условий применения плазменного воспламенения угля на данном котле.
Способ с использованием дополнительно установленных (специально созданных) плазменных пылеугольных горелок и расположенных ниже плоскости нижнего яруса основных горелок усиливает положительный эффект (в сравнении с предыдущим способом) из-за увеличения времени пребывания частиц угля в высокотемпературной зоне.
Как правило, на котлах используют горелки круглого сечения (исключая отдельные типы котлов). Выполнение части внутренней стенки камеры ТХП, которая граничит с патрубком, в виде плоской поверхности позволяет исключить две полости, возникающие в результате пересечения цилиндрической внутренней поверхности камеры ТХП с патрубком (преимущественно цилиндрическим) при размещении в нем плазмотрона с плоским выходным торцом. На стенки этих полостей, оппозитно расположенные к направлению потока угольных частиц, могут осаждаться расплавленные в плазменной струе частицы минеральной части угля. Как показывает практика [Перегудов B.C. Плазменное воспламенение низкореакционных топлив и вопросы шлакования горелки / Горение твердого топлива: Сб. докладов IV Всерос. конф., 8-10 ноября 2006 г. - Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2006. - Ч.2, с.161-168], нередко возникающая таким путем шлаковая пробка перекрывает выходное сечение патрубка и ведет к аварийному отключению плазмотрона.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена известная плазменная пылеугольная горелка в продольном разрезе. На фиг.2 - вид А-А фиг.1. На фиг.3 - вид I фиг.1. На фиг.4 изображена плазменная пылеугольная горелка согласно изобретению в продольном разрезе. На фиг.5 - вид А-А фиг.4.
Устройство плазменная пылеугольная горелка содержит пылепровод 1 подачи угольной аэросмеси в камеру термохимической подготовки (ТХП) топлива, камеру термохимической подготовки топлива 2, плазмотрон 3, установленный на боковой поверхности камеры ТХП у ее входной части, патрубок 4, в который установлен плазмотрон, и канал вторичного воздуха 5. В результате пересечения цилиндрической внутренней поверхности камеры ТХП 2 с патрубком 4 при размещении в нем плазмотрона с плоским выходным торцом 6 образуются четыре полости 7, две из них - оппозитно направлению потока аэросмеси (на фиг.2 - заштрихованы). С целью исключить их, а вместе с этим - и причину зашлаковывания патрубка, внутреннюю стенку 8 камеры ТХП, примыкающую к патрубку, делают плоской, как показано на фиг.4, 5. Поверхности 6 и 8 согласно изобретению находятся в одной плоскости (на фиг.4 и 5 они, для наглядности, несколько разнесены).
Способ осуществляется следующим образом.
При работе пылеугольного котла с применением схемы двухступенчатого сжигания задают определенный в процессе наладки расход пылеугольной аэросмеси в горелки, оснащенные плазмотронами, и включают в работу плазмотрон на каждой из этих горелок. При взаимодействии с плазмой аэросмесь воспламеняется и в результате горения угля на выходе из горелки в топку получают факел с температурой до 1500 К, посредством которого осуществляют воспламенение угля, поступающего из остальных основных горелок котла. Благодаря наличию факела-запальника воспламенение угля в топке, поступающего из остальных основных горелок, происходит на более ранней стадии (ниже по высоте топки), вследствие чего возрастает время пребывания частиц угля в высокотемпературной зоне, повышается полнота его сгорания и снижается температура газов на выходе из топки. Это дает возможность дополнительно снизить коэффициент избытка воздуха в зоне воспламенения и горения летучих угля и снизить эмиссию оксидов азота при сохранении на исходном (до включения плазмотрона) уровне полноты сгорания угля и КПД котла.
г
г
4
3
3
Пример 1. Котел работает на угле со следующими характеристиками: низшая теплота сгорания на рабочую массу - 19200-20500 МДж/кг; влажность на рабочую массу - 11,2-13,6%, зольность на рабочую массу - 19,7-25,3%, выход летучих на горючую массу - 37,3-41,5%. На котле имеется восемь пылеугольных горелок. Сжигание осуществляется по двухступенчатой схеме с коэффициентом избытка воздуха в зоне горелок α=0,8. Остальной воздух подается через сопла, расположенные выше основных горелок. Одна из горелок нижнего яруса была оснащена плазмотроном мощностью 100 кВт. В процессе испытаний при включенном плазмотроне, подаче в плазменно-угольную горелку пыли и получении на выходе из нее горящего факела оказалось возможным снизить коэффициент избытка воздуха в зоне горелок до значения α=0,65. При этом КПД котла 91,2% (при двухступенчатом сжигании в базовом варианте и выключенном плазмотроне КПД=91,1%. Далее в скобках - значения параметра в базовом варианте); мехнедожог q составил 0,85% (в базовом варианте - 0,87%); содержание оксидов азота в уходящих газах 540 мг/м (в базовом варианте - 710 мг/м).
3
Пример 2. Использовалась плазменно-угольная горелка по схеме фиг.1, 2, 3 - внутренняя стенка камеры термохимической подготовки, в том числе - граничащая с патрубком, имеет цилиндрическую форму. Зола использовавшегося угля по характеристикам плавкости относится к разряду легкоплавких: температура начала жидкоплавкостного состояния t<1620 К. Через 10 часов работы плазменно-угольной горелки выходная часть патрубка камеры термохимической подготовки оказалась заполненной шлаковыми отложениями.
Пример 3. Использовалась плазменно-угольная горелка по схеме фиг.4, 5 - внутренняя стенка камеры термохимической подготовки, граничащая с патрубком, выполнена в виде плоской поверхности и выходной торец плазмотрона располагался в одной плоскости с этой плоской поверхностью внутренней стенки камеры. Использовался тот же уголь, что и в примере 2. После 150 часов непрерывной работы горелки шлаковых отложений в патрубке камеры термохимической подготовки не обнаружено. Это близко к характерной величине ресурса работы электрода плазмотрона, по исчерпании которого плазмотрон снимают с горелки для профилактики.
Использование заявляемого изобретения позволяет снизить выбросы оксидов азота, повысить надежность и безаварийность работы плазменной пылеугольной горелки.