Впрыск воды и введение пара в реакционную зону факела

 

Влияние добавки воды в зону горения изучалось в связи с проблемой сжигания водотопливных суспензий - обводненного мазута и водоугольных суспензий (ВУС), а также в связи с проблемой снижения выброса оксидов азота [225]. На состоявшемся в октябре 1982 г. в Токио совещании в ряде докладов приведены данные о влиянии замены топлив суспензиями на образование @Од. При использовании жидкого топлива в виде водотопливных эмульсий содержание Мод в дымовых газах обычно снижается на 20-30%, значительно также снижается содержание сажи. Однако при добавке к мазуту 10% воды КПД котла снижается на 0,7 0/0.

Выводы о влиянии ввода воды или водяного пара, полученные в нескольких проведенных исследованиях, можно разделить на две группы. Часть исследователей [201, 203] утверждает, что даже значительное количество водяных паров не оказывает существенного влияния на выход оксидов азота, другие [225, 224], наоборот, указывают на эффективность этого метода. Так, согласно некоторым данным [201], при впрыске воды в топочные устройства котлов при сжигании угля, мазута и газа снижение выхода оксидов азота не превышает 10 "/о. При впрыске воды в количестве 110% от расхода топлива (или около 14% от расхода воздуха) в периферийную часть факела в топку, оснащенную мазутной форсункой производительностью. 29 Гкал/ч, содержание оксидов азота в продуктах сгорания снизилось всего на 220/0.

Очевидно, что когда водяной пар или вода вводятся за зоной образования оксидов азота, они вообще не должны оказывать влияния на образование МО. Если же они вводятся в топливовоз- душную смесь, они должны влиять на процесс горения и образование 1@0 не в меньшей степени, чем аналогичное по объему и теплосодержанию количество рециркулирующих газов.

Известно, что водяные пары влияют на скорость распространения пламени в углеводородных пламенах, следовательно, они могут оказывать влияние на кинетику образования оксида азота и даже при подаче в ядро зоны горения в малом количестве заметно влиять на выход оксидов.

Исследования Л. Сингха [228], выполненные на опытной камере сгорания газовой турбины, показали, что впрыск воды в ядро зоны горения жидкого топлива позволяет снизить образование оксида азота и сажи, а добавление пара к дутьевому воздуху снижает образование оксида азота, но увеличивает выброс оксида углерода и углеводородов. При впрыске воды в количестве 50% от массы жидкого топлива (@6,5% от расхода воздуха) удается снизить выход оксидов азота в 2 раза, при впрыске 160% воды-примерно в 6 раз. Некоторые итоги этих исследований показаны на рис. 5-19 и 5-20. Близкие результаты получены на котлах в работах, выполненных Л. М. Цирульниковым и сотрудниками в САФ ВНИИПромгазе [17], а также в опытах Н. Ди- белиуса и сотрудников [224], проведенных на камерах сгорания ГТУ. Здесь отмечалось снижение образования оксидов азота в 2 раза на каждые 2 о/о вводимого пара в пределах от 2 до 8 "/о от массы подаваемого воздуха (рис. 5-21). Эти данные, по нашему мнению, требуют проверки. Несколько более низкие цифры получены при исследовании котельного агрегата.

Впрыск в топку 80 кг воды на 1 Гкал (9 @/о от массы воздуха) сжигаемого природного газа снижает выброс оксидов азота с 0,66 до 0,22 г/м@, т. е. в 3 раза [222]. Таким образом, введение водяного пара и воды с точки зрения снижения выхода оксида азота является перспективным. Однако следует иметь в виду, что ввод воды или пара в количестве более 5-6 "/о от массы подаваемого в горелки воздуха может оказать отрицательное влияние на полноту сгорания топлива и показатели работы котла. Например, при вводе 12 "/о пара (по отношению к воздуху) в камеру сгорания ГТУ выход оксида углерода возрастал с 0,015 до 0,030%, а углеводородов - с 0,001 до 0,0022% [208]. Следует отметить, что подача 9-10 "/о пара в котел приводит к снижению его КПД на 4-50/0 [224].

Ввод водяного пара интенсифицирует реакции горения и, прежде всего, дожигание СО за счет добавочного количества гид- роксильного радикала (ОН):

Н20@ОН+Н; (1) СО+ОН@СО2+Н. (11) 212

НО, а,,@.,

Смо@г/М' 0,16

0 0,2 0,6 1,0 1,4 Водотопли-вное отношение

Рис. 5-19. Влияние впрыска воды на снижение Мод.

0,081-

427 538 650 760 870 9в01090Т,°С

Рис. 5-20. Влияние подачи пара в дутьевой воздух на выход Кои при сжигании жидкого топлива.

Г - температура газов на выходе из камеры сгорания;. 1-4 - режимы сжигания: 1 - без подачи пара; 2-4-с подачей пара, "/о: 2- 2,5, 3 - 6, 4 - 12.

Сно@,М&/М@ 70

гОМ,МВт

Рис. 5-21. Влияние подачи пара на содержание МОи в продуктах сгорания ГТУ в зависимости от нагрузки Н.

@-З - режимы сжигания: 1- без подачи пара; 2-З-с подачей пара, "/о: @-2, 3-3.

Рис. 5-22. Влияние ввода воды на изменения температуры по длина факела.

1 - исходная кривая; 2 - при вводе воды в факел.

По-видимому, некоторое снижение образования 1ТО при подаче пара и воды в зону горения можно объяснить:

а) снижением максимальной температуры в зоне горения;

б) уменьшением времени пребывания в зоне горения за счет интенсификации горения СО по реакции (11);

в) расходованием гидроксильного радикала в реакции (1). Подача пара или воды в зону горения с целью снижения образования оксидов азота вызывает значительный интерес исследователей главным образом в связи со следующими обстоятель@т

0,02. й,0@ 0,06 0,08 О@ЮСд/Цт

Рис. 5-23. Влияние ввода влаги на концентрацию оксидов азота в топочных камерах различных котлов.

ев/О',.-водотоплнаное отношение; (/Св@о -относительное изменение концентрации по сравнению с исходной.

1) сравнительно малым расходом среды и отсутствием необходимости строительства трубопроводов большого диаметра, что необходимо, например, при подаче газов рециркуляции;

2) положительным воздействием не только на снижение окси- дов азота, но и на догорание в факеле оксида углерода и 3,4-бенз-

 

ТАБЛИЦА 5-7 Характеристика котлов, в которых проверен ввод пара или воды Г225]

пирена; 3) возможностью использования при сжигании твердых топлив.

Среди отечественных работ по снижению образования @Оде при воздействии пара и воды на горение мазута отметим работы Л. М. Цирульникова и сотрудников [17, 100, 2251, а также работы В. С. Авдуевского, Э. Л. Белкова [2261, А. Ф. Гаврилова [227, 228].

Исследования [17, 225, 226] показали, что при вводе воды и пара в факел происходит перестройка поля температур, качественная схема которой видна на рис. 5-22 [2261. При подаче влаги процессы горения в корне факела интенсифицируются, положение Углах перемещается ближе к корню факела, однако уровень максимальной температуры снижается, этим и объясняется, по-видимому, возможность снижения выхода МО. Количественные результаты для разных котлов расходятся весьма значительно (рис.5.23). Данные, приведенные на рис. 5-23, получены Л.М.Ци- рульниковым с сотрудниками в различных котлах (табл. 5-7). Результаты можно представить в виде зависимости:

1ГО; = 1ТО@ (1 -@),

(5-8)

где @в == Св/Овозд - весовое отношение подаваемой воды к воздуху; @в-коэффициент эффективности метода.

Для средних условий (кривая 9, рис. 5-23) @(вя20, что даже превышает результаты, полученные при подаче газов рециркуляции.

 

ТАБЛИЦА 5-8

Влияние ввода пара на выход токсичных веществ в продуктах сгорания котла ТКЗ-120/150 при сжигании смеси из пыли угля АШ с природным газом

В табл. 5-8 приведены характеристики котлов, на которых проверено воздействие пара и воды на выход МОзс в промышленных условиях [2251.

В исследованиях Э. П. Белкова и сотрудников, проведенных на котле ТГМП-314 энергоблока 300 МВт на Каширской ГРЭС, при подаче через мазутную форсунку «Титан» воды в количестве до 10 о/о от расхода мазута достигалось снижение образования 1ТО.@ в 2 раза [2261.

В исследованиях, проведенных автором и С. С. Нижником на котле ТКЗ-120/150 Днепродзержинской ТЭЦ, подача пара в топку котла использована для снижения образования оксидов азота при сжигании в котле угля АШ и природного газа. Пар вводился через растопочные форсунки, расположенные ниже основных горелок таким образом, что струя пара попадала в корень факела на расстоянии 0,4-0,7 м от амбразуры. Некоторые характеристики режима приведены в табл. 5-8.

К настоящему времени практически все работы направлены на использование пара и воды для снижения выхода оксидов азота в газомазутных котлах [2291.

Из материалов таблицы видно, что подача пара является перспективным методом снижения образования и выброса оксидов азота при сжигании каменного угля. Вопрос о целесообразности подачи пара и воды для снижения выхода МОэс в котлах должен решаться в каждом конкретном случае с учетом влияния на КПД котла.

 

 

7.2.4 Впрыск воды и введение пара в реакционную зону горения

Влияние добавки воды в зону горения изучалось в связи с проблемой сжигания водотопливных суспензий - обводненного мазута и водоугольных суспензий (ВУС), а также в связи с проблемой снижения выброса оксидов азота [225]. На состоявшемся в октябре 1982 г. в Токио совещании в ряде докладов приведены данные о влиянии замены топлив суспензиями на образование @Од. При использовании жидкого топлива в виде водотопливных эмульсий содержание Мод в дымовых газах обычно снижается на 20-30%, значительно также снижается содержание сажи. Однако при добавке к мазуту 10% воды КПД котла снижается на 0,7 0/0.

Выводы о влиянии ввода воды или водяного пара, полученные в нескольких проведенных исследованиях, можно разделить на две группы. Часть исследователей [201, 203] утверждает, что даже значительное количество водяных паров не оказывает существенного влияния на выход оксидов азота, другие [225, 224], наоборот, указывают на эффективность этого метода. Так, согласно некоторым данным [201], при впрыске воды в топочные устройства котлов при сжигании угля, мазута и газа снижение выхода оксидов азота не превышает 10 "/о. При впрыске воды в количестве 110% от расхода топлива (или около 14% от расхода воздуха) в периферийную часть факела в топку, оснащенную мазутной форсункой производительностью. 29 Гкал/ч, содержание оксидов азота в продуктах сгорания снизилось всего на 220/0.

Очевидно, что когда водяной пар или вода вводятся за зоной образования оксидов азота, они вообще не должны оказывать влияния на образование МО. Если же они вводятся в топливовоз- душную смесь, они должны влиять на процесс горения и образование 1@0 не в меньшей степени, чем аналогичное по объему и теплосодержанию количество рециркулирующих газов.

Известно, что водяные пары влияют на скорость распространения пламени в углеводородных пламенах, следовательно, они могут оказывать влияние на кинетику образования оксида азота и даже при подаче в ядро зоны горения в малом количестве заметно влиять на выход оксидов.

Исследования Л. Сингха [228], выполненные на опытной камере сгорания газовой турбины, показали, что впрыск воды в ядро зоны горения жидкого топлива позволяет снизить образование оксида азота и сажи, а добавление пара к дутьевому воздуху снижает образование оксида азота, но увеличивает выброс оксида углерода и углеводородов. При впрыске воды в количестве 50% от массы жидкого топлива (@6,5% от расхода воздуха) удается снизить выход оксидов азота в 2 раза, при впрыске 160% воды-примерно в 6 раз. Некоторые итоги этих исследований показаны на рис. 5-19 и 5-20. Близкие результаты получены на котлах в работах, выполненных Л. М. Цирульниковым и сотрудниками в САФ ВНИИПромгазе [17], а также в опытах Н. Ди- белиуса и сотрудников [224], проведенных на камерах сгорания ГТУ. Здесь отмечалось снижение образования оксидов азота в 2 раза на каждые 2 о/о вводимого пара в пределах от 2 до 8 "/о от массы подаваемого воздуха (рис. 5-21). Эти данные, по нашему мнению, требуют проверки. Несколько более низкие цифры получены при исследовании котельного агрегата.

Впрыск в топку 80 кг воды на 1 Гкал (9 @/о от массы воздуха) сжигаемого природного газа снижает выброс оксидов азота с 0,66 до 0,22 г/м@, т. е. в 3 раза [222]. Таким образом, введение водяного пара и воды с точки зрения снижения выхода оксида азота является перспективным. Однако следует иметь в виду, что ввод воды или пара в количестве более 5-6 "/о от массы подаваемого в горелки воздуха может оказать отрицательное влияние на полноту сгорания топлива и показатели работы котла. Например, при вводе 12 "/о пара (по отношению к воздуху) в камеру сгорания ГТУ выход оксида углерода возрастал с 0,015 до 0,030%, а углеводородов - с 0,001 до 0,0022% [208]. Следует отметить, что подача 9-10 "/о пара в котел приводит к снижению его КПД на 4-50/0 [224].

Ввод водяного пара интенсифицирует реакции горения и, прежде всего, дожигание СО за счет добавочного количества гид- роксильного радикала (ОН):

Н20@ОН+Н; (1) СО+ОН@СО2+Н. (11) 212

НО, а,,@.,

Смо@г/М' 0,16

0 0,2 0,6 1,0 1,4 Водотопли-вное отношение

Рис. 5-19. Влияние впрыска воды на снижение Мод.

0,081-

427 538 650 760 870 9в01090Т,°С

Рис. 5-20. Влияние подачи пара в дутьевой воздух на выход Кои при сжигании жидкого топлива.

Г - температура газов на выходе из камеры сгорания;. 1-4 - режимы сжигания: 1 - без подачи пара; 2-4-с подачей пара, "/о: 2- 2,5, 3 - 6, 4 - 12.