Рис. 3. Горелка для сжигания побочных продуктов нефтепереработки

Авторы: В.А. Верещетин, А.Н. Тугов, Ю.М. Усман (ОАО «ВТИ»), В.Т Сидоркин (ENTEH Engineering AS).

Опубликовано в журнале Химическая техника №7/2015

Один из перспективных путей снижения выбросов оксидов азота (NOx) при сжигании газа и мазута – создание горелок, конструкция которых позволяет подавлять образование NOx непосредственно в процессе горения.

Горелки для сжигания природного газа и мазута

Для установки на паровых и водогрейных котлах малой и средней мощности разработана газомазутная горелка, обеспечивающая надежную и экономичную работу котлов в диапазоне изменения нагрузок 30–100% номинальной (рис. 1).

Рис. 1. Газомазутная горелка ВТИ-ЗИО
Рис. 1. Газомазутная горелка ВТИ-ЗИО

Горелка выполнена двухканальной по воздуху. В центральном и периферийном каналах размещены аксиальные завихрители с углом установки лопаток относительно оси потока соответственно 45° и 40°. По центральному каналу горелки подается треть общего расхода воздуха на горелку.

В промежутке между каналами равномерно размещены газораздающие трубки. В горелке применена двухколлекторная раздача природного газа (малая газовая камера – центральный коллектор, большая газовая камера – периферийный коллектор). Предусмотрена возможность управления каждым потоком задвижками, установленными на подводящих газопроводах.

Из центрального коллектора в зону горения газ поступает по трубкам, концы которых загнуты к оси горелки в сторону центра; из периферийного коллектора часть газа подается параллельно оси, а другая часть – под углом к оси горелки в поток воздуха периферийного канала.

Горелка рассчитана на пропуск воздуха в смеси с дымовыми газами рециркуляции.

Испытания горелок номинальной производительностью 25 Гкал/ч на котле КВГМ-50 Шатурской ГРЭС-5, где они установлены в один ярус, показали, что концентрация NOx при сжигании газа не превышает 90 мг/м3 в пересчете на коэффициент избытка воздуха α = 1,4 (при норме 125 мг/м3).

Подача дымовых газов рециркуляции в горелки в смеси с общим воздухом (10 –11%) дополнительно снижает концентрацию NOx еще в два раза (до 40 мг/м3).

Наблюдается существенное снижение концентрации NOx и при сжигании мазута: без ввода газов рециркуляции она составляет 230…240 мг/м3, с подачей газов рециркуляции – 180…190 мг/м3 [при нормативном значении 250 мг/м3 (α = 1,4)].

Горелки аналогичной конструкции были установлены на котлах

Е-160-3,9-440 ГМ ГЭС-1 ОАО «Мосэнерго». Топочная камера этого котла оборудована четырьмя газомазутными горелками, расположенными в два яруса на фронтовой стене и направленными вверх под углом 12° к горизонтальной оси, а также соплами вторичного дутья, расположенными соответственно на фронтовой и боковых стенах и предназначенными для организации ступенчатого сжигания.

Результаты испытаний показали, что при работе котла с номинальной нагрузкой приведенная концентрация оксидов азота в уходящих газах при ступенчатом сжигании и доле рециркуляции дымовых газов, равной ~16%, составила на природном газе 64 мг/м3, при сжигании мазута марки М-100 – 240 мг/м3.

Примененные на котле технологические методы подавления выбросов оксидов азота (рециркуляция дымовых газов, ступенчатое сжигание) не привели к заметному повышению содержания бенз(а)пирена, концентрация которого в уходящих газах котла Е-160-3,9-440ГМ при сжигании природного газа находилась в пределах 28…39 нг/м3, при сжигании мазута – 75…105 нг/м3 (при α = 1,4). Сажистые частицы не превышали 2 по шкале Бахараха. Все показатели были ниже требований ГОСТ Р 50831–95.

Рис. 2. Комбинированная газомазутная горелка ВТИ-ТКЗ
Рис. 2. Комбинированная газомазутная горелка ВТИ-ТКЗ

Для котлов большой мощности были созданы так называемые комбинированные горелки (рис. 2). В них одновременно используются эффект, создаваемый газами рециркуляции, и эффект ступенчатости горения, так как кольцевой поток инертных газов отделяет на начальном участке факела наружный поток воздуха от внутреннего, который интенсивно смешивается с топливом и газами рециркуляции.

Горелка выполнена с индивидуальными подводами воздуха и газов рециркуляции. Природный газ в горелку подводится по двойной схеме: в центральную часть – по кольцевому каналу через конический насадок с отверстиями и в среднюю часть – через входной коллектор в газораздающие трубки, концы которых загнуты под разным углом к оси горелки. Газовые трубки находятся в канале, расположенном между внутренним воздушным каналом и каналом газов рециркуляции. В центральную часть поступает 30% газа, в среднюю часть – 70%. В горелке предусмотрена возможность управления каждым потоком с помощью задвижек, установленных на подводящих газопроводах.

Газы рециркуляции поступают прямотоком через канал, расположенный между каналами газораздающих трубок и периферийного воздуха. Воздух в горелку подается по трем каналам: центральному, среднему и периферийному. По центральному каналу воздух поступает прямотоком. Во внутреннем и периферийном каналах потоки закручиваются аксиальными лопаточными аппаратами, лопатки в которых установлены под углом к оси потока соответственно 45 и 40°.

Комбинированные горелки испытаны на котлах ТГМП-314 ТЭЦ-23 ОАО «Мосэнерго» номинальной паропроизводительностью 980 т/ч.

В топке котла на фронтовой и задней стенах встречно в два яруса установлены 16 горелок. Дополнительно на котле для снижения выбросов NOx организовано ступенчатое сжигание топлива за счет подачи 30–35% воздуха через 16 сопл вторичного дутья, расположенных встречно на фронтовой и задней стенах топки.

За счет использования разработанных горелок, а также дополнительных средств подавления образования оксидов азота (рециркуляция дымовых газов в количестве 6-8% и двухступенчатое сжигание с долей воздуха 32%,) удалось добиться приведенной концентрации оксидов азота в уходящих газах котла менее 100 мг/м3 (в пересчете на α = 1,4).

Также проведены испытания по проверке работы горелки на мазуте, которые показали, что, как и при сжигании природного газа, горелочные устройства при сжигании мазута без применения средств подавления генерируют в 2,5…3 раза меньше оксидов азота, чем горелки других конструкций, установленные на аналогичных котлах.

При подаче в сопла вторичного дутья 7-8% воздуха, необходимого для горения, приведенная концентрация оксидов азота на нагрузке, близкой к номинальной, составляет примерно 410 мг/м3. При вводе газов рециркуляции (~14%) приведенная концентрация NOx снижается до 216 мг/м3.

В эксплуатационных режимах содержание бенз(а)пирена в уходящих газах котла не превышало при сжигании газа 63 нг/м3, при сжигании мазута и смеси топлив – 80 нг/м3. Сажевое число Бахараха было также ниже нормативных требований.

Горелки для нестандартных газообразных топлив

Для котлов ГМ-50-1 ТЭЦ Туапсинского нефтеперерабатывающего завода были разработаны специальные горелки для сжигания газообразных отходов нефтепереработки.

Существующие горелки этих котлов были ориентированы на сжигание в основном мазута и к тому же не отвечали современным экологическим требованиям по снижению образования вредных выбросов, в первую очередь, оксидов азота.

Замена их стандартными горелками, используемыми на энергетических газомазутных котлах, невозможна, поскольку эти горелки не рассчитаны на сжигание легких водородосодержащих газов нефтепереработки (до 85% водорода в газе). Основные трудности применения такого топлива, как газообразные отходы нефтепереработки, связаны с проблемами раздачи и распределения топлива и окислителя в начальном сечении факела.

Принцип разработанной в ВТИ горелки заключается в формировании вихревой центральной зоны начального участка факела с некоторым переобогащением по топливу (с избытком воздуха α < 1,0), обеспечивающем надежное и устойчивое воспламенение и горение газообразных отходов нефтепереработки и мазута (рис. 3).

Рис. 3. Горелка для сжигания побочных продуктов нефтепереработки
Рис. 3. Горелка для сжигания побочных продуктов нефтепереработки

Сжигание основной части топлива осуществляется за счет последовательного смешения продуктов горения топлива с периферийным прямоточным потоком воздуха. Раздача топливного газа от коллекторов до места ввода в воздушный поток, учитывая высокую скорость распределения пламени водородосодержащего газа, выполнена по отдельным трубкам со специальными выходными наконечниками из жаропрочной стали. Выходные участки газовых труб имеют различную ориентацию по отношению к воздушному потоку для достижения заданного распределения полей концентраций газообразного топлива по сечению факела.

Низкая токсичность горелки, связанная, прежде всего, с уменьшенным образованием оксидов азота, достигается за счет создания условий на начальном участке факела, замедляющих процесс генерации NOх.

Опыты на котле ГМ-50-1 показали, что газообразные отходы нефтепереработки и газойль могут надежно сжигаться в одной горелке практически в любых соотношениях, а при организации двухступенчатого сжигания топлива путем подачи около 20–25% воздуха, необходимого для горения, через специальные сопла, установленные на 2…2,5 м выше осей горелок, удалось обеспечить снижение выбросов токсичных оксидов азота в 1,5–2 раза.

Замещение мазута газообразными отходами нефтепереработки на котлах ГМ-50-1 позволило не только решить проблему с их утилизацией, но и в целом по ТЭЦ сократить выбросы оксидов серы, диоксида углерода («парниковые» газы) и канцерогенных веществ (прежде всего бенз(а)пирен).

Аналогичные горелки установлены и успешно эксплуатируются на котлах

ГМ-50-14/250 №К-30/1 и №К-30/2 котельной ЗАО «Сибур-Химпром».

Для термической утилизации газообразных продуктов сланцепереработки фирмой ENTEH Engineering AS разработано несколько типов горелок, позволяющих сжигать газ с теплотой сгорания 2 720…54 470 кДж/м3.

Следует сказать, что в настоящее время освоены и успешно эксплуатируются две основные технологии переработки сланца: пиролиз крупнокускового сланца в газогенераторах, где теплоносителем является пиролизный газ (процесс KIVITER), и пиролиз мелкого сланца во вращающихся ретортах, где теплоносителем является горячая зола остатков пиролиза (процесс GALOTER).

И в том, и в другом случае кроме основных продуктов пиролиза (сланцевое масло различных фракций) получают побочные газообразные продукты. Для процесса KIVITER это – низкокалорийный генераторный газ с теплотой сгорания 650…800 ккал/м3 (2 720…3 350 кДж/м3) и с содержанием основных компонентов:

Н2 = 5–7%, СО = 5–7%, СН4 = 1–2%,

N2 = 65–68%, СО2 = 16–18%, Н2S = = 0,3–0,5%, остальное составляют предельные и непредельные углеводороды. Важная особенность генераторного газа – наличие большого количества балласта в виде газообразного азота N2. Для процесса

GALOTER это – высококалорийный газ, который называют ретортным или иногда полукоксовым. Низшая теплота сгорания ретортного газа, включая газовую и частично сконденсировавшуюся фазу высокомолекулярных углеводородных компонентов, достаточно высока и составляет 10 500… 13 000 ккал/м3 (43 900… 54 470 кДж/м3). Содержание основных компонентов газовой фазы меняется в пределах: Н2 = 10–16%, СО = = 9–11%, СН4 = 14–16%, N2 = 2– 16%, СО2 = 8–12%, Н2S = 1,0–3,0%, остальное составляют предельные и непредельные углеводороды.

Концентрация частично сконденсировавшихся паров высокомолекулярных углеводородов составляет в газе до 200 г/м3.

На четырех котлах БКЗ-75-39ФСл ЭС сланцеперерабатывающего комбината в г. Кохтла-Ярве установлены разработанные горелки для сжигания генераторного газа, тепловой мощностью – до 20 МВт (расход генераторного газа на каждую горелку составляет 20 000 м3/ч). Всего было установлено 8 горелок (по две на каждом котле). Горелки в работе с 2005 г.

На низкокалорийном газе проблем с выбросами NOx нет. Концентрации NOx составляют 50–80 мг/м3. На этих же котлах с 2010 г. (после пуска в работу установок. работающих по технологии GALOTER) начали устанавливать специально разработанные горелки для высококалорийного газа.

Мощность горелок – 14 МВт. Конструкция достаточно проста – центральная газораздаточная труба с несколькими рядами разнокалиберных газораздаточных отверстий на конце, небольшим завихрителем первичного воздуха и прямоточным основным потоком вторичного воздуха. К настоящему времени в работе 12 горелок на четырех котлах (по четыре горелки на двух котлах и по две на двух). Нормы по выбросам NOx на этих котлах обеспечиваются комплексом мероприятий, помимо установки горелок организовано двухступенчатое сжигание, а также комбинирование с работой горелок на низкокалорийном газе.

Малотоксичные горелки для высококалорийного газа сланцепереработки (тот же процесс GALOTER) были разработаны специально для котла ТП-101 Эстонской ЭС для совместного сжигания газа и сланца (котел ст. №2А). В этой горелке применена рециркуляция дымовых газов в поток вторичного воздуха. Конструкция горелки выполнена двухпоточной по воздуху и газу. В центральную часть (пилотная горелка) подается чистый воздух, который закручивается аксиальным завихрителем и полукоксовый газ в количестве до 10% для обеспечения стабильности горения. Оставшийся воздух в смеси с газами рециркуляции поступает в топку через периферийный канал горелки.

Там же через отдельные трубки с газораздаточными наконечниками на концах подается полукоксовый газ.

Всего изготовлено 6 горелок мощностью по 19 МВт, которые в работе с лета 2014 г. (рис. 4).

Рис. 4. Установка и внешний вид горелок на реконструированном котле ТП-101
Рис. 4. Установка и внешний вид горелок на реконструированном котле ТП-101

Проведенные испытания разработанных горелок показали, что технико-экономические показатели котлов при замещении сланца горючими газами практически не изменились.

Концентрация оксидов азота в продуктах сгорания в самих горелках ниже предельно допустимых для сланцевых котлов (менее 200 мг/м3).

На основании обобщения опыта длительной эксплуатации горелок для сжигания газообразных продуктов сланцепереработки были разработаны рекомендации, позволившие разработать комбинированную горелку для энергетически эффективного и экологически безопасного сжигания полукоксового и генераторного газа в одной горелке (рис. 5).

Рис. 5. Горелка для сжигания генераторного и полукоксового газов
Рис. 5. Горелка для сжигания генераторного и полукоксового газов

Шесть таких горелок мощностью по 19 МВт заложены в проект котла

Е-135-3,2-420ДГ (ст. №4), поставляемого в настоящее время котельным заводом «Белэнергомаш-БЗЭМ» на ЭС VKG ENERGIA, г. Кохтла-Ярве.

Выполненные расчеты показали, что концентрация оксидов азота при использовании этих горелок для котла Е-135-3,2-420ДГ составит 80… 103 мг/м3 (при 3% О2) в диапазоне его нагрузок (60–100%).

Таким образом, показано, что за счет применения малотоксичных горелок в сочетании с другими методами подавления имеется возможность обеспечить нормативные показатели по концентрации NOx в уходящих газах как при сжигании природного газа и мазута, так и нестандартных газообразных топлив без ухудшения других экологических показателей и без существенного снижения экономичности и надежности работы котла в целом.