Современные технологии снижения выбросов оксидов азота на ТЭЦ

Энергетика является основным движущим фактором развития отраслей промышленности, транспорта, коммунального и сельского хозяйства. Ежедневно в мире на предприятиях теплоэнергетики сжигаются миллионы тонн горючих полезных ископаемых для удовлетворения нужд населения и промышленности. При этом сотни тысяч тонн вредных веществ выбрасывается в атмосферу, загрязняя среду обитания человека. Доминирующим источником получения тепловой и электрической энергии в Казахстане является уголь. Основными загрязняющими веществами, выбрасываемыми в атмосферу при сжигании угля, являются: пыль золы, оксиды серы, оксиды азота и оксид углерода. Наиболее токсичными являются оксиды азота [1], что обусловливает первоочередную необходимость уменьшения их выбросов в атмосферу.

В отличие от выбросов твердых частиц и оксидов серы, которые зависят от химического состава угля, оксиды азота образуются в процессе сжигания и напрямую не связаны с составом сжигаемого топлива. Содержание оксидов азота в отходящих от котлов газов зависит от конструкции топки, длины, температуры и интенсивности факела, качества топлива (содержания в нем азота, теплотворной способности), избыточной подачи воздуха на процесс горения, времени нахождения газообразных продуктов сгорания в зоне высоких температур и местных температурных пиков. Следует отметить, что наиболее интенсивное образование оксидов азота в процессе горения происходит в зоне высоких температур (от 1600 до 1900 0 С) в результате окисления азота в воздухе.

Для сокращения выбросов оксидов азота применяются технологии управления горением и технологии химической очистки дымовых газов. Методы химической очистки дымовых газов от оксидов азота разделяются на следующие группы: окислительные, восстановительные и сорбционные [2]. На предприятиях теплоэнергетики имеется опыт использования методов селективного каталитического и некаталитического восстановления оксидов азота аммиаком. Эти методы являются высокоэффективными (степень очистки от оксидов азота 50… 90%). Однако очистка газов от оксидов азота химическими методами требует значительных капитальных затрат, ведет к увеличению эксплуатационных расходов предприятий теплоэнергетики на 15... 25%, поэтому они не получили широкого распространения в мировой практике.

Наиболее целесообразным является внедрение технологий подавления оксидов азота на стадии сжигания топлива. В мировой практике нашли применение следующие методы при сжигании топлива [3, 4]: уменьшение нагрузки котлоагрегата, оптимизация конструкции горелочного устройства, ступенчатое сжигание топлива, дожигание топлива, рециркуляция отходящих газов, технология кипящего слоя, впрыск воды или пара в топку котла, подача к горелкам пыли высокой концентрации.

Уменьшение нагрузки котлоагрегата

Хорошо известно, что работа при пониженной нагрузке уменьшает теплоотдачу на единицу объема или площади, в результате чего снижается температура пламени и количество образующихся термических оксидов. Уменьшаются также скорости смешения топлива и воздуха, и это может привести к понижению выделения NOX из связанного в топливе азота. Следует отметить, что подавление NOX путем снижения нагрузки обходится дорогой ценой. Снижение производительности котла на 50%, по существу, вдвое повышает капитальные затраты на производство тепла.

Оптимизация конструкции горелочного устройства

Конструкция горелочного устройства во многом определяет интенсивность воспламенения факела, скорость смешения топлива с воздухом и максимальный уровень температур в ядре горения. Например, на котлах БКЗ-420-140-5 Карагандинской

ТЭЦ-3 применены вихревые горелки с двумя каналами по вторичному воздуху. За счет замедленного подмешивания вторичного воздуха к аэросмеси при сжигании экибастузского угля концентрация оксидов азота снижена с 800 до 600 мг/м3. Реконструкция горелочных устройств с целью снижения выбросов оксидов азота при сжигании углей казахстанских месторождений на котлоагрегатах БКЗ 320-140 ст. № 11, 12, 13, 14 в ТОО «АЭС Усть Каменогорская ТЭЦ» позволила снизить концентрацию оксидов азота в уходящих газах с 610… 720 мг/ м3 (н.у.) до 497…592 мг /м3 (н.у.).

Ступенчатое сжигание топлива

На первой стадии процесса сжигания топлива объем воздуха поддерживается на уровне меньшем, чем стехиометрический объем. На последующих стадиях процесса добавляется дополнительный воздух. В результате происходит снижение температуры сгорания и образование восстановительной среды, в которой подавляются вредные оксиды. Для полного окисления топлива дополнительный воздух вводится в зону повторного нагрева с помощью добавочных форсунок. Широко применяется двухступенчатая схема сжигания топлива. При двухступенчатом сжигании через все горелки подают топливо с недостатком воздуха так, чтобы кислорода не хватало для образования NOx, а в конечную часть факела вводят недостающий для полного сгорания воздух. При этом выбросы оксидов азота снижаются примерно на 15…30%.

Дожигание топлива

Известно, что образование NOX подавляется введением в зону конца пламени частиц углеводородов. На самом деле имеет место не подавление образования оксидов азота, а их восстановления в присутствии метана. Суть метода дожигания топлива состоит в частичном восстановлении окиси азота (NO) продуктами неполного сгорания в топочной камере. Выше основных пылеугольных горелок в топке котла устанавливаются дополнительные горелки, в которые подается часть топлива с недостатком воздуха и создается зона с восстановительной средой. Еще выше располагают сопла для ввода третичного воздуха, необходимого для завершения сгорания. Опыт показывает, что в промышленных установках за счет ввода дожигающего топлива возможно снизить концентрацию NOX в дымовых газах до 120…210 мг/ м3 (н.у.) в зависимости от вида угля. Этот метод активно исследовался энергетиками Японии, Германии и США.

Рециркуляция отходящих газов

Выравнивание распределения температур и исключение высокотемпературных зон в топке также достигается рециркуляцией дымовых газов. Так как в горелки подается частично разреженный воздух, концентрация кислорода у основания пламени понижена, поэтому понижена и температура всего пламени. Это оказывает существенное влияние на образование термических оксидов, но мало воздействует на топливные. Поэтому рециркуляция дымовых газов дает лучшие результаты применительно к топливу с низким содержанием азота, чем с высоким.

Технологии кипящего слоя и циркулирующего кипящего слоя

При сжигании топлива в кипящем слое температура в топке относительно невысока (800… 1000 0 С), что уменьшает образование термических оксидов азота. Содержание оксидов азота в дымовых газах составляет 100…200 мг/ м3.

Впрыск воды или пара в топку котла

Способ отличается простотой, легкостью регулирования и низкими капитальными затратами. На газомазутных котлах он позволяет снизить выбросы NOx на 20…30 %, но требует дополнительных затрат теплоты на парообразование и вызывает увеличение потерь с уходящими газами. При сжигании угля достигнутые в настоящее время результаты не столь значительны. За рубежом впрыск пара или воды для снижения образования NOx практически не применяется.

Подача к горелкам пыли высокой концентрации

Подача к горелкам пыли высокой концентрации (10… 30 кг пыли на один килограмм воздуха) по трубопроводам малого диаметра снижает выбросы оксидов азота на 20… 30% при одновременном упрощении схемы и конструкции пылепроводов. Использование пыли высокой концентрации успешно осуществляется на ТЭЦ Восточно Казахстанской области (на Усть-Каменогорской ТЭЦ, Согринской ТЭЦ и Риддер ТЭЦ).

ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ» планомерно проводит успешную работу по снижению выбросов оксидов азота в атмосферу. Основным технологическим оборудованием ТЭЦ являются три котлоагрегата типа БКЗ-160-100Ф; один котлоагрегат типа Е-160-14 (законсервирован). В целях снижения выбросов оксидов азота на котлоагрегатах ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ» в настоящее время применяется технология подачи угольной пыли высокой концентрации.

На основании обзора современных технологий подавления образования оксидов азота было предложено произвести модернизацию горелочных устройств котлоагрегата № 2 в ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ». Модернизация горелочных устройств направлена на повышение паровой производительности до 140 т/ч при работе на углях месторождения Каражыра и до 130 т/ч при работе на углях месторождения Майкубень, при отсутствии шлакования поверхностей нагрева и снижении концентрации оксидов азота в дымовых газах. Для этой цели в рамках данного проекта произведена следующая работа:

  • замена основных горелок на малотоксичные горелки со специальным пылевыдающим патрубком;
  • выполнение яруса подачи третичного воздуха выше основных горелок;
  • модернизация системы подачи угольной пыли высокой концентрации, направленная на повышение надежности ее функционирования.

Пуско-наладочные работы после модернизация горелок котлоагрегата ст. № 2 были завершены в первом квартале 2013 года. При этом производился контроль концентрации оксидов азота в дымовых газах. Полученные результаты представлены в графическом виде на рис. 1.

Рис. 1

Для наглядного отображения коэффициента избытка воздуха после дымососа (α) на графике его значения были увеличены в 500 раз. Из представленных графиков видно, что имеется выраженная корреляция значений концентрации оксидов азота (NOx) и коэффициента избытка (α). За счет снижения величины коэффициента избытка воздуха (α) удается соблюдать величину концентрации оксидов азота при увеличении паропроизводительности котлоагрегата

(Q) в пределах 450÷570 мг/нм3. До модернизации данный показатель доходил до 740 мг/м3 (н.у.).

Рассмотрим экологическую эффективность данной модернизации.

Количество выбрасываемых оксидов азота определяется по формуле:

МNOх= CNOх* Vcг* Bр* k,

где МNOх – массовые выбросы оксидов азота, г/с;

CNOх массовая концентрация оксидов азота в сухих дымовых газах (при а= 1,4), мг/м3 (н.у.);

Vcг объем сухих дымовых газов, образующихся при полном сгорании 1 кг топлива, м3/кг (н.у.);

Bр расчетный расход топлива, т/час;

k коэффициент пересчета. При определении выбросов в г/с k= 0,000278.

Пересчет оксидов азота (NOх) в диоксид азота и оксид азота производится при помощи коэффициентов: 0,8 для диоксида азота (NO2) и 0,13 для оксида азота (NO). Данные по расчетам выбросов оксидов азота из проекта нормативов ПДВ [5] представлены в таблицах 1 и 2.

Для оценки экологического эффекта модернизации горелок необходимо произвести пересчет выбросов с учетом снижения концентрации оксидов азота в дымовых газах котлоагрегата ст. № 2. При расчетах максимально разовых выбросах концентрация принимается 570 мг/м3 (н. у.), а при расчете валовых 570*0,874=498 мг/м3 (н.у.) (0,874 – коэффициент неравномерности выбросов по проекту нормативов ПДВ). Результаты расчетов представлены в таблицах 3 и 4.

Для сравнительного анализа данные по выбросам оксидов азота от котлоагрегатов ТЭЦ без учета и с учетом модернизации на котлоагрегате ст. № 2 представлены в таблице 5. Как видно из таблицы, благодаря планируемой модернизации, максимально разовые выбросы оксидов азота в целом по ТЭЦ снижаются на 8,2 %, а валовые на 7,8%.

Таблица 1 – Максимально разовые выбросы оксидов азота при сжигании угля по проекту нормативов ПДВ (до модернизации)

№ котла

Bp, т/час

Vcr,

м3/кг (н.у.)

СNOх max,

мг/м3 (н.у.)

МNOх, г/с

МNO2, г/с

МNO, г/с

1

14,83

5,9863

720

17,770

14,216

2,310

2

14,54

5,9863

740

17,906

14,325

2,328

3

15,27

5,9863

570

14,485

11,588

1,883

ИТОГО

44,64

   

50,161

40,128

6,521

Таблица 2 – Валовые выбросы оксидов азота от котлоагрегатов по проекту нормативов ПДВ (до модернизации)

№ котла

Валовые выбросы

МNOх, т/год

МNO2, т/год

МNO, т/год

1

334,032

267,23

43,42

2

300,570

240,46

39,07

3

251,791

201,43

32,73

ИТОГО

886,394

709,11

115,23

Таблица 3 Максимально разовые выбросы оксидов азота при сжигании угля с учетом модернизации горелок

№ котла

Bp, т/час

Vcr,

м3/кг (н.у.)

СNOх max,

мг/м3 (н.у.)

МNOх, г/с

МNO2, г/с

МNO, г/с

1

14,83

5,9863

720

17,770

14,216

2,310

2

14,54

5,9863

570

13,792

11,034

1,793

3

15,27

5,9863

570

14,485

11,588

1,883

ИТОГО

44,64

   

46,047

36,838

5,986

Таблица 4 Валовые выбросы оксидов азота от котлоагрегатов с учетом модернизации горелок

№ котла

Валовые выбросы

МNOх, т/год

МNO2, т/год

МNO, т/год

1

334,032

267,23

43,42

2

231,351

185,08

30,08

3

251,791

201,43

32,73

ИТОГО

817,174

653,74

106,23

Таблица 5 – Сравнительный анализ по выбросам оксидов азота

Источники образования загрязняющего вещества

Наименование загрязняющего вещества

Выбросы до модернизации горелок

Выбросы с учетом модернизации горелок

г/с

т/год

г/с

т/год

Котло-агрегаты

Азота диоксид

40,128

709,11

36,838

653,74

Азота оксид

6,521

115,23

5,986

106,23

Прочие источники

Азота диоксид

0,07678

3,31575

0,07678

3,31575

Азота оксид

0,01248

0,53883

0,01248

0,53883

Всего по ТЭЦ

Азота диоксид

40,20478

712,42575

36,91478

657,05575

Азота оксид

6,53348

115,76883

5,99848

106,76883

Расчет концентрации оксидов азота в приземном слое атмосферы проводился с использованием программного комплекса

«Эра» на ПЭВМ. В программном комплексе «Эра» для расчёта приземных концентраций используется расчётный блок ЛБЭД-РК, согласованный с Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова и рекомендованный к применению в Республике Казахстан. Программный комплекс реализует методику РНД 211.01.01.97.

Размер расчётного прямоугольника выбран 2400 х 1800 м из условия получения полной картины влияния рассматриваемого предприятия. Для анализа рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы на промплощадке и в зоне влияния предприятия шаг расчётных точек по осям координат Х и Y выбран 100 м. Число рассматриваемых вредных веществ – 2 (оксид азота и диоксид азота).

Расчёт приземных концентраций проводился для максимальной нагрузки источника. В расчётах рассеивания критериями качества атмосферного воздуха являются максимально-разовые предельно допустимые концентрации (ПДКм.р.). Климатические данные учтены в соответствии с данными Казгидромета.

Расчёт рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере заключается в определении приземных концентраций и основных вкладчиков в узлах расчётного прямоугольника при направлении ветра с перебором через 10 градусов и скорости ветра перебором 0,5…7 м/с. Неблагоприятные направления ветра (град.) и скорости (м/с) определены в каждом узле поиска. Приземная концентрация каждого источника определена при опасной для него скорости ветра по формулам, приведённым в РНД211.01.01.-97.

По результатам расчёта были определены приземные концентрации оксидов азота на границе СЗЗ и жилой зоны с учетом и без учета фона. При анализе результатов расчета рассеивания загрязняющих веществ оксид азота не рассматриваем, так как его концентрация на границе СЗЗ и в жилой зоне составляет менее 0,01 ПДК.

Анализ расчета рассеивания показал, что за счет модернизации достигается уменьшение уровня загрязнения атмосферы диоксидом азота:

в жилой зоне с 0,011596 до 0,011546 мг/м3 (с 0,05798 до 0,05773 ПДК без учета фоновой концентрации);

на границе СЗЗ с 0,015384 до

0,015304 мг/м3 (с 0,07692 до 0,07652 ПДК

без учета фоновой концентрации).

Рассматриваемая модернизация горелочных устройств имеет не только экологический, но и экономический эффект. Плата за выброс загрязняющего вещества в атмосферу рассчитывается в соответствии с Кодексом Республики Казахстан «О налогах и других обязательных платежах в бюджет» по формуле:

Мi = K х МРП x m х 0,3 ,

где Мi плата за выброс загрязняющего вещества в атмосферу тенге;

МРП – месячный расчетный показатель, тенге;

К – условная ставка платы за выбросы данного загрязняющего вещества в долях МРП за 1 т;

m – масса загрязняющего вещества, выбрасываемого в атмосферу от стационарных источников;

0,3 – понижающий коэффициент применяемый на данной ТЭЦ.

Условная ставка платы за выбросы оксидов азота составляет 15 МРП за 1 т. По результатам расчётов снижение валовых выбросов диоксида азота составляет 55,37 т, а оксида азота 9 т. При этом уменьшение платы за выбросы в атмосферу составляет:

15* 1731 * (55,37+9) * 0,3 = 501 тыс. тенге за год

Таким образом, в результате модернизации котлоагрегата БКЗ-160-100Ф ст. № 2 ТОО “АЭС Согринская ТЭЦ” снижаются затраты ТЭЦ по платежам за выбросы загрязняющих веществ.

На основании приведенных в данной работе материалов установлено: негативное воздействие на атмосферный воздух снизится, т.к. концентрация оксидов азота (в пересчете на диоксид азота) в дымовых газах котлоагрегата БКЗ160-100Ф ст. № 2 снизится с 740 мг/м3 (н.у.) до 570 мг/м3 (н.у.);

  • дополнительного негативного влияния на подземные и поверхностные воды происходить не будет, так как система водоотведения остается прежней;
  • дополнительного негативного воздействия на почвы и грунты не произойдет. Учитывая экологическое и санитарно-гигиеническое значение данной модернизации и отсутствие дополнительного загрязнения воды и почвы, можно заключить, что рассматриваемая модернизация горелочных устройств котлоагрегата БКЗ-160100Ф ст. № 2 ТОО “АЭС Согринская ТЭЦ” способствует снижению антропогенной нагрузки на окружающую среду и улучшению экологического состояния региона.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Санитарные правила № 168 от 25.01.2012. Санитарно –эпидемиологические требования к атмосферному воздуху в городских и сельских населенных пунктах, почвам и их безопасности, содержанию территорий городских и сельских населенных пунктов, условиям работы с источниками физических факторов, оказывающих воздействие на человека.
  2. Котлер В.Р. Снижение выбросов оксидов азота на электростанциях Японии // Теплоэнергетика. Выпуск № 6 1998.
  3. Проект по реконструкции котла ТПЕ430А ст. № 15 ОАО «АЕС УКТЭЦ» с применением схемы двухступенчатого сжигания казахстанского каменного угля.–Таганрог: ОАО ТКЗ «Красный котельщик», 2003.
  4. Беликов С.Е., Котлер В.Р. Снижение вредных выбросов в атмосферу от пылеугольных котлов // Теплоэнергетика. Выпуск № 4 – 2006.
  5. Проект нормативов предельно допусти мых выбросов в атмосферу для ТОО «АЭС Согринская ТЭЦ», ТОО «Экосервис-С», г. Усть-Каменогорск, 2011.
Год: 2013
Категория: Экология