Способ трехступенчатого сжигания угля с применением плазменной термохимической подготовки

Изобретение относится к энергетике, может быть использовано при сжигании пылеугольного топлива в котлах ТЭС и позволяет снизить выбросы оксидов азота без применения природного газа. Указанный технический результат достигается в способе снижения выбросов оксидов азота на основе трехступенчатого сжигания угольной пыли, включающем подачу большей части топлива в основные горелки - в первую зону - с коэффициентом избытка воздуха α=1,02-1,08, подачу во вторую зону, расположенную выше основных горелок, топлива - восстановителя с коэффициентом избытка воздуха α=0,9-0,95, подачу в третью зону, расположенную выше второй зоны, остального воздуха, теоретически необходимого на данный котел, причем в восстановительную зону вводят продукты плазменно-угольной термохимической подготовки угля с максимальным содержанием в их газовой фазе газов-восстановителей, для чего концентрацию угля в аэросмеси, вводимой в эту камеру, задают в пределах 0,25<µ<0,5 кг угля на кг воздуха. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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., с.268-280). К их числу относятся способы трехступенчатого сжигания пылеугольного топлива.

Известен способ трехступенчатого сжигания пылеугольного топлива [Серант Ф.А., Воронова Л.С., Остапенко В.Е. и др. Опыт разработки и внедрения систем двух- и трехступенчатого сжигания для снижения выбросов NO_x на пылеугольных котлах / Горение твердого топлива: Сб. докладов VI Всерос. конф., Новосибирск, 8-10 ноября 2006 г. - Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2006. - Ч.3. - С.263-271], в соответствии с которым в основные горелки - в первую зону -подают уголь в количестве 75-80% от общего его расхода на котел с коэффициентом избытка воздуха около 1. Выше по топке во вторую зону подают остальную угольную пыль - 20-25% - с коэффициентом избытка воздуха α=0,9-0,95. Из-за дефицита окислителя во второй зоне создается восстановительная среда, что способствует восстановлению оксидов азота NO_x, образовавшихся в первой зоне, до молекулярного азота N₂. Выше второй зоны в третью зону подают оставшуюся часть воздуха 20-25% с целью дожигания продуктов первой и второй зон, что в результате обеспечивает расчетный коэффициент избытка воздуха за пароперегревателем.

Недостатком такого способа является то, что вместе с углем, вводимым во вторую восстановительную зону, вводится дополнительное количество азота топлива, что способствует увеличению эмиссии NO_x, и ввод холодной угольной пыли выше зоны основных горелок способствует увеличению мехнедожога угля. Наиболее эффективным восстановителем для подачи во вторую зону признается природный газ [Л.И.Пугач. Энергетика и экология: Учебник. - Издательство НГТУ, 2003. - 504 с., с.280].

В качестве прототипа выбран способ трехступенчатого сжигания угольной пыли [Серант Ф.А., Воронова Л.С., Остапенко В.Е. и др. Опыт разработки и внедрения систем двух- и трехступенчатого сжигания для снижения выбросов NO_x на пылеугольных котлах / Горение твердого топлива: Сб. докладов VI Всерос. конф., Новосибирск, 8-10 ноября 2006 г. - Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2006. - Ч.3. - С.263-271], включающий подачу всей угольной пыли в первую зону - в основные горелки - с коэффициентом избытка воздуха α=1,02-1,08, подачу во вторую зону, расположенную выше основных горелок, природного газа в количестве 10% по теплу от общего расхода топлива на котел с коэффициентом избытка воздуха α=0,9-0,95, подачу в третью зону, расположенную выше второй зоны, остального воздуха, теоретически необходимого на данный котел.

Недостатком этого способа является потребность во втором виде топлива - природном газе, что влечет необходимость наличия газопровода на ТЭС. К тому же природный газ дороже угля, что делает его применение экономически менее выгодным.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа снижения выбросов оксидов азота без применения природного газа при сохранении результата, близкого или равного результату, получаемому с его применением за счет того, что в восстановительную зону при трехступенчатом сжигании угольной пыли вводят продукты плазменно-угольной термохимической подготовки угля с максимальным содержанием в их газовой фазе газов-восстановителей (СО, Н₂ и др) и при этом с минимальным для этих условий содержанием углерода в коксовом остатке и снижения вследствие этого количества топливного азота, поступающего в топку вместе с коксовым остатком, для чего концентрацию угля в аэросмеси, вводимой в камеру ТХП, задают в пределах 0,25<μ<0,5 кг угля на кг воздуха.

Поставленная задача решается тем, что в способе снижения выбросов оксидов азота на основе трехступенчатого сжигания угольной пыли, включающем подачу большей части топлива (до 90% по теплу) в основные горелки - в первую зону - с коэффициентом избытка воздуха α=1,02-1,08, подачу во вторую, восстановительную зону, расположенную выше основных горелок, остального топлива (топлива - восстановителя) с коэффициентом избытка воздуха α=0,9-0,95, подачу в третью зону, расположенную выше второй зоны, остального воздуха, необходимого на данный котел, согласно изобретению в восстановительную зону вводят продукты плазменно-угольной термохимической подготовки угля с максимальным содержанием в их газовой фазе газов-восстановителей и при этом с минимальным содержанием углерода в коксовом остатке, для чего концентрацию угля в аэросмеси, вводимой в камеру термохимической подготовки, задают в пределах 0,25<μ<0,5 кг угля на кг воздуха.

Известен способ термохимической подготовки угля к сжиганию, включающий подачу в пылепровод транспортирующего (первичного) воздуха, подачу угольной пыли из промежуточного бункера пыли через пылепитатель в этот пылепровод, задание расхода угольной пыли посредством этого пылепитателя, подачу полученной угольной аэросмеси с коэффициентом избытка воздуха менее 1 в камеру термохимической подготовки (ТХП) топлива плазменно-угольной горелки, генерирование низкотемпературной плазмы в плазмотроне, подачу струи плазмы на входе в камеру термохимической подготовки топлива и воспламенение аэросмеси, получение в камере ТХП топливной смеси (в результате горения части угля и нагрева остальной аэросмеси до выхода летучих компонентов и частичной газификации коксового остатка), содержащей газы-восстановители, продукты частичного горения угля и коксовый остаток при температуре выше (как правило) 1100 К, подачу полученной топливной смеси из горелки в топку котлоагрегата и ее воспламенение в топке [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.67]. (Под плазменно-угольной горелкой понимается камера ТХП с пылепроводом для ввода в нее угольной аэросмеси, расположенный на камере ТХП плазмотрон и канал подачи вторичного воздуха в топку котла у устья данной горелки.) Так как процесс ТХП протекает при дефиците окислителя, то его продукты содержат газы-восстановители, благодаря чему при плазменно-угольной ТХП количество образующихся оксидов азота снижается в сравнении с традиционным факельным сжиганием угольной пыли [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.57]. Температура продуктов ТХП выше 1100 К (однако она существенно ниже 1800 К, выше которой нарастающую роль играют термические NO_x), вследствие чего они более химически активны (чем холодное восстановительное топливо, подаваемое во вторую зону согласно аналогу или прототипу), поэтому требуется меньший расход топлива-восстановителя, а вместе с ним - и меньшее количество азота топлива поступает в топку. Более высокая температура способствует ускорению химических реакций и повышению количества восстановленных NO_x.

Наибольший эффект от ввода продуктов ТХП в восстановительную зону при трехступенчатом сжигании угля будет получен при условиях: максимального содержания в них газов-восстановителей (СО, H₂, CH₄ и др), что обеспечит более полное восстановление оксидов азота, образовавшихся в первой зоне; температура газов должна быть выше их температуры воспламенения, что важно для догорания коксового остатка и снижения мехнедожога угля, а также для ускорения химических реакций; минимальное (для названных условий) содержание углерода в коксовом остатке, что способствует снижению мехнедожога, а также снижению остатка топливного азота, содержащегося в твердой фазе, и снижению образующихся из него оксидов азота.

Наиболее важным, часто легко управляемым в процессе ТХП является такой параметр, как концентрация угля в аэросмеси, поступающей в камеру ТХП.

На чертеже приведены результаты кинетического расчета характеристик топливной смеси на выходе камеры ТХП в зависимости от концентрации угля в аэросмеси µ при расходе угля 1 т/ч. (О методике расчета и других его результатах см., например, [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., Г.Ю.Даутов, А.Н.Тимошевский, B.C.Перегудов и др. Генерация низкотемпературной плазмы и плазменные технологии: Проблемы и перспективы (Низкотемпературная плазма. Т.20) - Новосибирск: Наука, 2004. - 464 с.].) Видно, что наибольший расход газов-восстановителей G_g наблюдается при изменении концентрации угля в аэросмеси в пределах 0,25<µ<0,5 кг угля на кг воздуха (кг/кг). Вне этого диапазона происходит более интенсивное снижение их расхода. В тоже время в этом диапазоне µ реализуются более высокая температура T_g газовой фазы (T_g>1100 К; на чертеже - температура средняя по сечению камеры) и более низкое содержание углерода в коксовом остатке (С_Скокс<27%), а значит и его азотсодержащих соединений - по сравнению с их значениями для больших величин μ. Следовательно, предпочтительным диапазоном по концентрации угля в аэросмеси для проведения термохимической подготовки угольной пыли перед ее подачей в восстановительную зону при трехступенчатом сжигании угля является диапазон 0,25<µ<0,5 кг/кг. При µ<0,25 кг/кг расход газов-восстановителей быстро стремится к нулю (чертеж), а вместе с ним стремится к нулю эффект восстановления NO_x. К тому же происходит рост энергозатрат на воспламенение [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.70]. С увеличением µ от µ=0,5 кг/кг снижается количество газов-восстановителей G_g, поэтому возрастает дополнительный расход угля-восстановителя, что влечет за собой увеличение азота топлива, поступающего в топку, и, как следствие, увеличение эмиссии оксидов азота; снижается температура газов-восстановителей T_g и количество тепла Q (чертеж), выделяющегося при их сгорании, что вместе с наблюдающимся увеличением содержания углерода в коксовом остатке С_Cкокс ведет к увеличению недожога угля - снижению экономических показателей работы котла. Вместе с ростом содержания углерода в коксовом остатке С_Cкокс растет и содержание в нем топливного азота, поступающего в топку, а значит - и эмиссия NO_x.

Особенно актуальны эти закономерности при работе котла на низкореакционных углях - антраците, тощем угле. Так как газов-восстановителей при ТХП этих углей, полученных в результате выхода летучих, образуется меньше, то для достижения эффекта при восстановлении NO_x требуется увеличение конверсии углерода коксового остатка, а она ниже, чем у высокореакционных углей. К тому же в результате растет мехнедожог угля-восстановителя. При сжигании в основных горелках низкореакционного угля для повышения эффективности рассматриваемого способа снижения выбросов NO_x в качестве угля-восстановителя, подаваемого в камеру ТХП, используют более высокореакционный уголь (например, с выходом летучих на горючую массу V^г≥37%) или уголь более тонкого помола - чем подаваемый в основные горелки.

Способ осуществляется следующим образом

При сжигании угольной пыли по трехступенчатой схеме в камеры ТХП плазменно-угольных горелок, которые размещают выше основных горелок, задают уточненные в процессе наладки расход угольной пыли (в сумме на все камеры ТХП - в пределах 10-20% от общего расхода топлива на котел) и ее концентрацию в аэросмеси в пределах 0,25<µ<0,5 кг/кг, включают в работу плазмотрон на каждой из этих горелок. Подачей воздуха в сопла, которые располагают в плоскости плазменно-угольных горелок, задают коэффициент избытка воздуха в зоне этих горелок около 0,9-0,95, также уточненный в процессе наладки. При взаимодействии с плазмой аэросмесь воспламеняется и в результате горения части угля на выходе из плазменно-угольной горелки в топку получают поток топливной смеси, содержащий до 840 кг/ч на 1 т/ч исходного угля газов-восстановителей при температуре T_g>1100 K.

Пример 1. В котле сжигался уголь с теплотехническими характеристиками: W^p=11%, А^p=12,3%, V^г=45%, Q_н ^р=23 МДж/кг; содержание азота N^г=2,5%. Нагрузка котла - близкая к номинальной. В основные горелки - в первую зону - подавали 84% угольной пыли с коэффициентом избытка воздуха α=1-1,04. Оставшиеся 16% угольной пыли с концентрацией угля в аэросмеси µ≈0,4 кг/кг подавали в две камеры термохимической подготовки. Из камер ТХП во вторую восстановительную зону в топку поступала топливная смесь при температуре газов около 1250 K. Через сопла, расположенные на отметке камер ТХП, подачей горячего воздуха доводили суммарный коэффициент избытка воздуха во второй зоне до α=0,9-0,95. В третью зону подавали остальной воздух, что обеспечивало коэффициент избытка воздуха за пароперегревателем α_пп=1,15-1,22. Концентрация NO_x в дымовых газах составила 370 мг/м³ и мехнедожог q₄=0,7%.

Пример 2. Условия испытаний те же, что и в примере 1, за исключением того, что плазмотроны были выключены, и пылеугольную аэросмесь подавали в топку без ее предварительной термохимической подготовки. Концентрация NO_x в дымовых газах составила 480 мг/м³, мехнедожог q₄=1,5%.

1. Способ снижения выбросов оксидов азота на основе трехступенчатого сжигания угольной пыли, включающий подачу большей части топлива в основные горелки: в первую зону - с коэффициентом избытка воздуха α=1,02-1,08, подачу во вторую зону, расположенную выше основных горелок, топлива-восстановителя с коэффициентом избытка воздуха α=0,9-0,95, подачу в третью зону, расположенную выше второй зоны, остального воздуха, теоретически необходимого на данный котел, отличающийся тем, что в восстановительную зону вводят продукты плазменно-угольной термохимической подготовки угля с максимальным содержанием в их газовой фазе газов-восстановителей, для чего концентрацию угля в аэросмеси, вводимой в эту камеру, задают в пределах 0,25<µ<0,5 кг угля на кг воздуха.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плазменно-угольной термохимической подготовке подвергают более высокореакционный уголь, чем уголь, подаваемый в основные горелки котла.