Проблема радикального снижения оксидов азота.

Существует два направления:

1) Сжигание в восстановительной атмосфере;

2) Сжигание с частичной газификацией.

Как уже отмечалось, самая экологически и экономически эффективная технология сжигания твердого топлива – это факельное сжигание твердого топлива в камерных топках в восстановительной атмосфере в нескольких стадиях или нестехеометрическое сжигание, двухфазное сжигание, ступенчатый ввод воздуха. Коммерческое использование наблюдалось в конце 90-х годов в США и Японии. В России этой технологии нет.

Эти технологии разные фирмы описывают по-разному: Deulche Babcoke свел все к сжиганию в трех стадиях при дефиците воздуха и четвертая стадия – это дожигание в восстановительной атмосфере в верхней части топки. Выдержка газов в восстановительной атмосфере с постепенным небольшим охлаждением. Если этой зоны выдержки нет или она слишком мала, то эту технологию нельзя строго относить к обсуждаемому классу. Если в зоне горелок избыток воздуха равен единице и более либо менее единицы, но нет стадийного управления процессов, то это двухстадийное сжигание, а не нестехеометрическое сжигание.

У технологии нестехеометрического сжигания есть две проблемы, без решения которых эта технология невозможна:

1) Организация горящего факела пыли с относительно строгим разделением на зоны или стадии при α < 1 с относительной выдержкой, дефицитом кислорода и определенной температурой горения. Эта проблема решается применением горелок низкотоксичного сжигания либо организацией в топке вихря с постадийным управлением атмосферы и температуры;

2) Организация эффективного и полного дожигания восстановительной атмосферы в верхней части топки. Суть проблемы дожигания состоит в том, что на выходе из топки температура газов чаще всего поддерживается на уровне 900 ⁰С, максимально - 1100 ⁰С, а температура сжигания угольной пыли в ядре факела, т. е. на уровне верхнего яруса горелок, на лучших немецких и японских котлах поддерживается на уровне 1200 ⁰С. При этом газы охлаждаются быстро между этими областями процесса, а тот процесс необходимо продлить, т. к. здесь происходит превращение оксидов азота в молекулярный азот в восстановительной атмосфере, причем этот процесс идет достаточно медленно.

Независимо от решения обеих проблем можно выделить три основных вида топки для низкотоксичного сжигания твердого топлива с одновременным глубоким подавлением оксидов азота, СО и концерагенов (сжигание без сажи), а так же и диоксинов там где это требуется.

Следует четко себе представлять, что при температуре 900 ⁰С и ниже скорость окисления СО до СО₂ уменьшается на 1 – 2 порядка. Если на верху топки не удается дожечь СО пока температура выше 900 ⁰С, то дальше СО сжечь невозможно, и он идет в дымовую трубу – это потеря КПД и повышение токсичности газов. Поэтому все такие топки имеют очень большую высоту, а так же квадратное или слабо прямоугольное сечение.

Кроме нескольких топок для сжигания бурых углей, горелки должны располагаться на двух или четырех стенах топки (рекомендации Евросоюза 1985 г.). Обычно их располагают в 4 – 5 ярусов. Это обеспечивает предельно равномерное и вытянутое по высоте расположение факела в топке, что снижает температуру горения и позволяет делать более точное позонное регулирование. В верхней или средней части топки располагаются специальные регулируемые сопла ввода воздуха для дожигания в восстановительной атмосфере и превращения дефицита воздуха в небольшие избытки. Главная сложность организации – температура воздуха для дожигания обычно в 2 – 3 раза ниже, чем температура газов, а объем топочных газов на 2 – 3 порядка больше объема воздуха дожигания. К тому же из-за высокой температуры топочные газы имеют вязкость в 2 – 3 раза выше вязкости воздуха, а турбулентность в них снижена практически до нуля. В них практически нет перемешивания. Струи воздуха будут плохо перемешиваться с топочными газами, что не позволит сжечь восстановительную атмосферу СО и Н₂ при небольших избытках воздуха либо придется подавать большие объемы избыточного воздуха, что приведет к увеличению потерь с уходящей теплотой, и как следствие, произойдет снижение КПД.

Большой избыточный воздух может повысить температуру в области пароперегревателя и сжечь трубы. На лучших котлах эта проблема решается следующим образом: сопла для воздуха дожигания размещают в верхней части топки на четырех ее стенах как минимум в два яруса. На лучших котлах эти сопла делают много струйными с регулированием расхода воздуха, что трудно сделать одновременно с требованиями по снижению напора воздуха. Некоторые специалисты говорят о возможности установки дополнительного дутьевого вентилятора, который дает воздух на сопла дожигания: 10 % - обычные схемы, 20 % - радиальные. Топка должна быть оснащена приборами контроля температуры газов в топке и на выходе из топки. Все это должно работать и быть подключено к автоматике.