Технологии и концепции горелок: сокращение выбросов

1 сентября 2022 г. | Джонатан Стогер

Для достижения амбициозных целей в области устойчивого развития разрабатываются новые технологии горелок и конфигурации управления, которые помогут значительно сократить выбросы NOx.

Многие ведущие предприятия отрасли поставили перед собой смелые цели в области устойчивого развития по сокращению выбросов и повышению энергоэффективности, обусловленные такими факторами, как изменение климата, Парижское соглашение и различные национальные, государственные и местные нормативные акты.

В США Калифорния всегда лидировала в сокращении выбросов. Это был первый штат, который установил стандарт выбросов 30 частей на миллион (ppm) для оксидов азота (NOx), который впоследствии снизился до 15 частей на миллион NOx, а затем всего до 9 частей на миллион NOx. Теперь некоторые округа Калифорнии вводят требование о концентрации NOx в 2 ppm для более крупных промышленных водотрубных котлов (ВВТ). Другие штаты последуют этому примеру и введут требования по выбросам NOx на уровне 30 ppm или даже ниже.

Котельная промышленность продолжает внедрять передовые технологии и решения, которые сокращают выбросы NOx и CO (рис. 1). Сегодня существуют различные технологии сжигания и стили сжигания, в зависимости от применения, топлива и мощности сжигания, которые доступны для традиционных и возобновляемых видов топлива. Эти новые предложения в сочетании с усовершенствованными системами управления обеспечивают высокий диапазон регулирования, постоянное соотношение топлива и воздуха и повторяемость процесса сгорания.

РИСУНОК 1. Предстоят требования по снижению выбросов NOx и CO, а технологии горелок развиваются, чтобы помочь в достижении этих целей.

Turndown — это концепция, которую важно понимать. Что касается котельных систем, то это соотношение, которое определяет настройки сильного и слабого пламени в системе. Например, горелка мощностью 100 миллионов БТЕ/ч с диапазоном регулирования 10:1 достигнет высокой мощности пламени при 100 миллионах БТЕ/ч и низкой мощности пламени при 10 миллионах БТЕ/ч. Основным преимуществом высокого диапазона регулирования для котельной системы является сокращение циклов работы, что снижает потребление энергии и тепловую нагрузку на котел.

За счет сокращения циклов езды требуется меньше топлива и меньше выбросов попадает в атмосферу. Диапазон регулирования во многом зависит от конструкции горелки. Многие системы горелок с высоким динамическим диапазоном требуют усовершенствованной системы управления — обычно они включают либо параллельное расположение, либо системы с полным дозированием.

Тип NOx, выбросы которого в наибольшей степени сокращаются при использовании технологии горелок, — это термические NOx. Этого можно добиться за счет снижения температуры пламени или устранения мгновенных выбросов NOx, часть которых можно уменьшить за счет оптимизации топливно-воздушной смеси в горелке. Сегодня можно реализовать различные типы технологий сжигания и систем сжигания, и каждая из них имеет свои собственные характеристики для снижения выбросов NOx и повышения эффективности. Эти методы включают в себя следующее:

Ступенчатая подача топлива впрыскивает часть основного топлива для смешивания с дымовыми газами в печи перед воспламенением (рис. 2). Таким образом, он разбавляет топливо газами, в первую очередь N2 и H2O. Подобная постановка топлива приводит к его воспламенению от основного пламени, а объем уменьшает количество лучистой теплопередачи печи. Эта лучистая теплопередача помогает охладить пламя. Сгорание этих двух эффектов снижает температуру пламени, тем самым снижая образование NOx.

РИСУНОК 2. Ступенчатая подача топлива с индукторами дымовых газов включает впрыскивание части основного топлива в топку перед воспламенением, что служит для разбавления топлива газами, эффективного снижения температуры пламени и подавления образования NOx.

За процессом некоторые газовые форсунки на внешней стороне головки сгорания (или перфорированной части головки) имеют одну большую решетку, называемую ступенчатыми форсунками. Эти форсунки направляют топливные струи за пределы основного пламени сгорания.

Инжекционные отверстия большего размера производят более крупные струи, которые направляются дальше в саму печь. Более медленное перемешивание перед воспламенением основного пламени приводит к увеличению охвата пламени, что помогает увеличить лучистую теплопередачу. Большая передача тепла от котла к печи и к самому пламени дает больше тепла и увеличивает выбросы NOx.