Экологические проблемы промышленных котлов на газе
Опубликовано: 28 июня 2019 г.
725
Владлен Котлер
При сооружении в городах промышленных и отопительных котельных владельцы практически во всех случаях предпочитают использование природного газа. Так поступают даже в тех случаях, когда города расположены вблизи мест добычи угля и цена природного газа существенно превышает стоимость твердого топлива.
Главным достоинством природного газа для энергетиков является отсутствие в дымовых газах, выбрасываемых в атмосферу, золовых частиц и оксидов серы. Снижение концентраций этих загрязнителей в продуктах сгорания до уровня, разрешенного законодательством всех развитых стран, требует не только увеличения эксплуатационных расходов, но и дорогостоящего оборудования, сопоставимого со стоимостью самих котлов.
При использовании в качестве топлива природного газа практически единственным загрязнителем атмосферы являются оксиды азота NO и NO2, сумму которых обозначают как NOx.
Такие же токсичные загрязнители (NO и NO2) содержатся в выхлопных газах автомобилей. И если учесть, что количество автомашин в городах год от года увеличивается с огромной быстротой, то становится понятным решение органов экологического надзора периодически ужесточать требования по допустимости концентрации NOx в продуктах сгорания городских котельных и ТЭЦ. На котлах (в отличии от автомобилей) все же удается реализовать методы подавления оксидов азота.
Известно, что оксиды азота, образующиеся при горении органического топлива, состоят из термических, топливных и быстрых NOx. Топливные оксиды азота при сжигании природного газа отсутствуют, так как газ, в отличие от угля и мазута, не содержит связанного азота. Термические оксиды азота образуются только при определенной, достаточно высокой температуре в ядре горения. Сократить их можно практически до нуля за счет рециркуляции через горелки сравнительно холодных дымовых газов, а также путем внедрения недорогих технологических методов: двухступенчатого сжигания, нестехиометрического сжигания, ребенинга (трехступенчатого сжигания) и т.д. Но вот избавиться от быстрых оксидов азота, образующихся из азота воздуха в узкой зоне фронта пламени, оказалось гораздо труднее. Только в 90-х гг. в США удалось добиться сокращения количества быстрых NOx за счет определенной организации процесса воспламенения факела в горелках новой конструкции. Разработкой таких горелок активно занимаются американские компании Zeeco Inc., John Zink, Coen Inc. и др.
На некоторых котлах, оборудованных горелками этих компаний, удалось сжигать природный газ с концентрацией NOx в продуктах сгорания на уровне 18-20 мг/м3 (при О2 = 3%). Примененная в этих горелках технология состояла в быстром смешении топливного газа с воздухом еще в горелочном устройстве, что и обеспечивало значительное снижение быстрых NOx. При этом, как и на действующих котлах, для избавления от термических оксидов азота, также использовалась рециркуляция низкотемпературных уходящих дымовых газов.
Примером успешного внедрения горелок быстрого смешения типа RMB (Repid Mix Burner) является ТЭЦ на нефтеперерабатывающем заводе Шеврон (штат Калифорния, США). При сжигании нефтезаводского газа на котлах этой ТЭЦ при старых горелках концентрация NOx в дымовых газах за котлами достигла 510-920 мг/м3 (в пересчете на NO2 при О2 = 3%).
Из-за обилия автомобильного транспорта в штате Калифорния концентрация токсичных загрязнителей в приземном слое атмосферы значительно превышала допустимый уровень, что потребовало сокращения вредных выбросов промышленными предприятиями. В частности, в дымовых газах за котлами ТЭЦ Шеврон требовалось снизить концентрацию оксидов азота как минимум до 60 мг/м3.
Реконструкция котлов, включая установку новых горелок, а также рециркуляцию дымовых газов и усовершенствованную систему непрерывного мониторинга (CEMS) позволила снизить концентрацию NOx при номинальной нагрузке котлов примерно до 50 мг/м3.
Дальнейшие расчетные и экспериментальные исследования привели к разработке малотоксичных горелок нового поколения (рис. 1).
Установка таких горелок еще больше снизила образование быстрых оксидов азота. В результате при сжигании природного газа удалось получить концентрацию NOx не выше 20 мг/м3. При этом топочный процесс оставался стабильным и содержание продуктов неполного сгорания не превышало допустимого уровня.
Статья из журнала "Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ" №1/2019
