автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.01, диссертация на тему:Исследование и внедрение способа нестехиометрического сжигания топлива в газомазутных котлах с целью снижения выбросов оксидов азота

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Закиров Ильгизар Алиахматович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ СПОСОБА НЕСТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ГАЗОМАЗУТНЫХ КОТЛАХ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ

ОКСИДОВ АЗОТА

Специальность 05.04.01 - Котлы, парогенераторы и камеры сгорания

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор П.В.Росляков

Москва

1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ 5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ................................................... 7

1.1. Образование оксидов азота при сжигании органических топлив и нормирование их выбросов в атмосферу................ 8

1.2. Воздухоохранные мероприятия....................................... 18

1.3. Способ нестехиометрического сжигания топлива и задачи

его исследования.........................................................24

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПОСОБА НЕСТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И МАЗУТА............31

2.1. Математическое моделирование процессов нестехиометрического сжигания.................:..-..................31

2.2. Расчетные исследования выхода оксидов азота в восстановительной и окислительной зонах горения..............37

2.3. Расчетные исследования образования оксидов азота в зоне догорания при нестехиометрическом сжигании топлив.........54

2.4. Исследование влияния ввода влаги при нестехиометрическом сжигании топлив..........................................................66

2.5. Исследование влияния рециркуляции продуктов сгорания

при нестехиометрическом сжигании топлив........................75

2.6. Исследование образования оксидов серы при нестехиометрическом сжигании мазута..............................81

2.7. Рекомендации по реализации нестехиометрического сжигания природного газа и мазута, полученные по результатам расчетно-теоретических исследований ..............................90

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

НЕСТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО СЖИГАНИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ............. 93

3.1. Методика проведения испытаний........................................ 94

3.2. Влияние вида сжигаемого топлива..................................... 97

3.2.1. Воздушный разбаланс................................................ 98

3.2.2. Топливный разбаланс................................................ 102

3.2.3. Комбинированный способ разбаланса топливовоздушного соотношения........................................................... 106

3.3. Влияние конструктивных условий..................................... 112

3.4. Влияние режимных условий............................................. 137

3.5. Исследование влияния нестехиометрического сжигания топлива на технико-экономические характеристики

и надежность работы котла............................................. 152

3.5.1. Оценка изменения эффективности работы котла.............. 152

3.5.2. Оценка изменения параметров надежности..................... 157

3.6. Практические рекомендации по организации нестехиометрического сжигания природного газа и мазута

в паровых и водогрейных котлах...................................... 165

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОГО СОСТАВА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ТОПЛИВ В СТАЦИОНАРНЫХ ПАРОВЫХ И ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛАХ....................................... 169

4.1. Виды контроля газового состава продуктов сгорания и основные требования к их реализации............................... 170

4.2. Основные требования к отбору, транспортировке и подготовке пробы........................................................ 176

4.2.1. Обеспечение представительности газовой пробы............ 176

4.2.2. Обеспечение сохранности пробы газов ......................... 185

4.3. Подготовка и выполнение измерений газового состава продуктов сгорания...................................................... 190

4.4. Перечень данных, регистрируемых в процессе проведения газового анализа.......................................................... 195

4.5. Единицы измерения содержания газообразных компонентов

и формулы для их пересчета........................................... 198

4.6. Оценка погрешности результатов измерений.......................203

ВЫВОДЫ...........................................................................206

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................208

ПРИЛОЖЕНИЕ. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ГАЗОВОГО СОСТАВА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПАРОВЫХ И ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ...................218

ВВЕДЕНИЕ

Защита атмосферного воздуха является одной из наиболее актуальных современных проблем. Наибольшая опасность загрязнения воздуха связана с процессами сжигания топлива на тепловых электрических станциях и в котельных. Это привело к тому, что дальнейшее развитие теплоэнергетики как в России, так и за рубежом в значительной степени определяется экологическими требованиями.

Одним из наиболее вредных компонентов продуктов сгорания органических топлив, учитывая их токсичность и массовый выброс, являются оксиды азота. Уровень их эмиссии в настоящее время является одним из основных технико-экономических показателей паровых и водогрейных котлов.

Для решения проблемы ограничения выбросов оксидов азота в рамках Государственной научно-технической программы России "Экологически чистая энергетика" ВТИ, ЦКТИ, ЭНИН, МЭИ, ИВТ РАН, ВНИПИЭнергопромом и другими организациями были разработаны новые малотоксичные способы сжигания органических топлив на ТЭС и в котельных. Предложенные технологические мероприятия позволяют снижать выбросы оксидов азота до 50-70%. В то же время для широкого внедрения в российской теплоэнергетике воздухоохранных мероприятий важно, чтобы оно не сопровождалось значительными капитальными и эксплуатационными затратами, снижением эффективности работы котлов, не требовало дополнительных площадей, не вызывало побочных негативных явлений экологического характера и, по возможности, могло быть проведено силами собственного персонала.

Настоящая работа посвящена исследованию и внедрению на газомазутных котлах малозатратного нетрадиционного способа нестехиометрического сжигания топлива, позволяющего значительно

снизить выбросы оксидов азота с уходящими газами при условии выполнения вышеперечисленных требований.

В диссертации с помощью разработанного в МЭИ пакета прикладных программ "РОСА" выполнены расчетно-теоретические исследования процессов образования оксидов азота в топках котлов при нестехиометрическом сжигании природного газа и мазута. Выявлено влияние на эти процессы избытков воздуха в восстановительной и окислительной зонах, ввода в ядро горения газов рециркуляции и влаги. Теоретически обоснована возможность эффективного подавления образования оксидов азота при нестехиометрическом сжигании топлива.

Проведено внедрение и экспериментальное исследование способа нестехиометрического сжигания природного газа и мазута на ряде паровых и водогрейных котлов. На базе обобщения результатов экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации по эффективному внедрению способа нестехиометрического сжигания на действующих газомазутных котлах без ухудшения их технико-экономических характеристик и показателей надежности.

Разработаны методические указания по определению газового состава продуктов сгорания паровых и водогрейных котлов с целью повышения достоверности инструментального анализа.

Автор защищает результаты теоретических и экспериментальных исследований, их обобщение и рекомендации по внедрению; разработанную методику определения состава дымовых газов.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Крупнейшими загрязнителями атмосферы являются продукты сгорания тепловых электрических станций и котельных [1,2]. При сжигании органических топлив в атмосферу с дымовыми газами котлов попадает большое количество токсичных веществ, таких как оксиды азота и серы, зола и т.д. В настоящее время в теплоэнергетике России доля природного газа и мазута составляет более 73% от всего сжигаемого органического топлива [3], причем в крупных промышленных городах европейской части России доля природного газа и мазута в топливном балансе приближается к 100%. Так, например, в Казани, в черте города, расположено три ТЭЦ, сжигающих только природный газ и мазут. Причем, мазут в основном используется как резервное топливо, и сжигается в незначительных количествах, как правило, в зимний период.

Основным токсичным компонентом, образующимся при сжигании природного газа и мазута в топках паровых и водогрейных котлов, являются оксиды азота Ж)х. Оксиды азота оказывают негативное воздействие на здоровье людей, в частности на органы дыхания. И хотя количество оксидов азота образующихся естественным путем намного превышает выбросы от результатов человеческой деятельности, необходимо учитывать, что антропогенные выбросы оксидов азота сосредоточены в местах хозяйственной деятельности человека, и поэтому концентрации Ж)х в городских районах на 1^2 порядка выше естественной фоновой концентрации [4]. Поэтому в данной работе, учитывая специфику региона (большая концентрация в промышленных центрах Республики Татарстан предприятий отраслей, активно загрязняющих атмосферу, таких как теплоэнергетика и нефтехимия), основное внимание уделено решению проблемы снижения выбросов оксидов азота газомазутными ТЭЦ.

1.1. Образование оксидов азота при сжигании органических топлив и нормирование их выбросов в атмосферу

При сжигании органических топлив в топках котлов азот, содержащийся в топливе и воздухе, взаимодействуя с кислородом, образует оксиды: Ж)х = N0 + N02 + N20. Основная доля образовавшихся в продуктах сгорания паровых и водогрейных котлов 1ЧОх (95-99%) приходится на монооксид (оксид) азота N0 [2,4,5]. Диоксид N02 и гемиоксид N20 азота образуются в значительно меньших количествах.

Образование монооксида (оксида) азота при сжигании органических топлив происходит как за счет окисления азота воздуха N2, так и за счет окисления азота, содержащегося в топливе. В настоящее время известны три механизма, по которым происходит образование оксидов азота: термический, "быстрый" и топливный. При образовании термических и "быстрых" N0 источником азота является воздух, а в случае образования топливных N0 - азотосодержащие составляющие топлива.

Механизм образования термических оксидов азота был предложен Я.Б. Зельдовичем [6] и включает следующие цепные реакции:

Позднее он был дополнен реакцией атомарного азота с гидроксилом, предложенной в [7]:

Реакции образования термических N0 характеризуются высокой энергией активации, поэтому образование оксидов азота происходит в области высоких температур, превышающих 1800 К [5,8,9]. Концентрация термических N0 интенсивно возрастает от начала зоны горения и

О + О + М0О2 + М - обрыв цепи.

О + М—>0 + 0 + М — инициирование цепи N2 + О <-> N0 + N1

- цепь

(1.1) (1.2)

(1.3)

(1.4)

N + ОН о N0 + Н .

(1.5)

достигает наибольших значений непосредственно за зоной максимальных температур (рис. 1.1). Далее по длине факела концентрация оксидов азота практически не изменяется [10,11].

Образование термических N0 определяется следующими основными факторами: температура в зоне горения, коэффициент избытка воздуха и время пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур.

Температура в зоне горения оказывает наибольшее влияние на выход ^Огерм- Расчетные и экспериментальные исследования на кинетической модели, проведенные в ИВТАН, показали, что с ростом температуры в зоне горения происходит экспоненциальный рост концентраций оксидов азота в продуктах сгорания [10-12].

Время достижения равновесной концентрации оксида азота в диапазоне температур 1800-^1900 К составляет примерно 23-^4 с. В топках котельных агрегатов время пребывания продуктов сгорания значительно меньше [4], и следовательно равновесные концентрации там не достигаются. Поэтому увеличение времени пребывания в зоне горения тпр приводит почти к прямопропорциональному возрастанию количества образовавшихся N0 [11].

Влияние избытков воздуха на образование оксидов азота, исследованное в работах [5,13,14], имеет экстремальный вид с максимумом при сжигании природного газа и мазута в области значений коэффициента избытка воздуха а^ = 1.10-^1.25 (рис. 1.2). Рост концентрации оксидов азота до акр объясняется тем, что при малых избытках воздуха увеличение концентрации свободного кислорода приводит к более активному протеканию реакции окисления азота воздухом, а в области а > акр повышение а вызывает уменьшение выхода N0 за счет снижения температуры в зоне горения, которая в большей степени влияет на образование оксидов азота нежели рост концентрации 02.

2000

1800

Ы

н

«

ь 1600 £Й а.

и %

а

1400

1200 ^

0

-

т N |

I

** * N0

320

240

"Е:

. л

О

2:

160 х я л а. Р

X

О) =

й

0

80

20 40 60

Дляна факела Ьф. мм

Рис. 1.1. Динамика образования оксида азота в газовоздушном факеле

700

600

О

ы

г 500

3 р.

X

Щ

X"

х

£

400

300

о

ыота* 4 ^чР \ п

с / о [ТЧ»

1

1.0 1.05 1.1 1.15 1.2

Коэффициент избытка воздуха. а"кпп

1,25

Рис. 1.2. Выход термических оксидов азота в зависимости

от избытка воздуха

и

Исследования по сжиганию углеводородных топлив, проведенные Фенимором [15] показали, что во фронте пламени за весьма короткий промежуток времени происходит образование оксидов азота по механизму, отличному от предложенного Я.Б.Зельдовичем. Обнаруженный оксид азота был назван "быстрым" из-за достаточно большой скорости его образования в корневой части факела. При этом вблизи зоны горения наблюдались значительные количества цианида водорода НСЫ (рис. 1.3), что объясняется реагированием молекулярного азота с углеводородными радикалами [16,17]:

СН + N2 НСЫ + N (1.6)

СН2 + К2<->НСК + Ш (1.7)

С + К2<->СК + М (1.8)

Цианидные соединения (НС1М, СИ) далее реагируют с образованием аминов (1ЧН, ЫН2, 1ЧНз). Последние, в свою очередь, взаимодействуют с промежуточными радикалами КО, ЯНЬ образуя как оксид азота, так и молекулярный азот:

ИСК (или СН) + II Ш1 (9)

+ 1ШГ * N2

Реакции образования N06 (1.6)-(1.9) протекают достаточно энергично при температурах 1200ч-1600 К, когда образование термических оксидов азота практически не происходит.

Зависимость образования "быстрых" N0 от избытков воздуха имеет экстремальный характер с максимумом при а = 0.6-=-0.9. При этом с ростом температуры в зоне горения их выход увеличивается [18,19] (рис. 1.4).

Тг=2180К Тг=1800К сс=0.77

1 2 3

Время, х; не

50

й 40

Е. о.

с"

2 30

а

га

|20

о а в ,о

* 10

1=22 ООК

2100

20 00 / \ \д

19 00/ \ *

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 Коэффициент избытка воздуха., а

Рис. 1.3. Содержание цианида водорода и оксида азота в факеле этилена

Рис. 1.4. Зависимость концентрации быстрых оксидов азота от избытка воздуха

120

100

80

О

2

3 „ ^ 60

5

| 40

20

1 = 2 000 к

(ЫОгг^+ГЮь) I 1

/ \ /

! по ТЕРМ

ССтах п ОСгшп 1 1 г * ыс МОБ |

0.5 0.6 0.7 0.8 0,9 1.0

Коэффициент избытка воздуха, а

1.1

Рис. 1.5, Влияние избытка воздуха на выход термических и быстрых оксидов азота при сжигании природного газа

В работах [5,19] было показано, что существуют две области избытков воздуха, характеризующиеся заметным выходом N0 (см. рис. 1.5). В первой области, при а < 0.9ч-0.95 выход N0 определяется образованием быстрых оксидов азота, с максимумом при атах = 0.65ч-0.8. Значение атах зависит от состава топлива и условий его сжигания. Во второй зоне, при а > 0.95ч-1.0 и Т> 1800 К образуются преимущественно термические оксиды азота.

Доля "быстрых" оксидов азота в суммарном выбросе 1МОх, образующихся в энергетических котлах, незначительна и, как правило, не превышает 10ч-15%. Однако, в котлах малой мощности с суммарным выбросом ИОх до 150-г200 ррт доля "быстрых" оксидов азота может возрасти до 30ч-50% [20].

Азотсодержащие компоненты жидких и твердых топлив, являются источником образования топливных оксидов азота. Ввиду того, что энергия диссоциации связей И-К в 2ч-4 раза превосходит энергию диссоциации связей С-№ и N-11, азотсодержащие компоненты топлива легче переходят в N0, чем молекулярный азот воздуха. Образование топливных оксидов азота происходит при наличии в зоне реакции достаточного количества кислорода уже при температурах 850ч-1100 К [4,21].

Механизм образования топливных N0 до конца не изучен. Согласно опытным данным [22-24], основное образование топливных N0 происходит на участке выгорания летучих. Это связано с тем, что азотсодержащие компоненты топлив перед попаданием в зону горения подвергаются термическому разложению. Образование топливных оксидов азота происходит в основном на стадии выгорания летучих за счет азотсодержащих соединений с малой молекулярной массой, таких как №Тз, НОМ, СМ [25]. Азот, оставшийся в коксе, при догорании коксового остатка также переходит в N0 и N2 и частично остается в уносе. В работе

[24] выявлена связь между коэффициентом превращения топливного азота в N0 в зависимости от содержания в топливе (рис. 1.6). При очень низком содержании ]ЧР имеет место почти полная конверсия N0. Рост содержания 1ЧР до 1-=-1.3% снижает конверсию до 164-25% в зависимости от температуры и вида топлива.

Зависимость выхода топливных N0 от температуры прослеживается только в области низких температур, и повышение Т > 1400 К практически не приводит к изменению концентраций Ж)Т0Гт (рис. 1.7) [5,22,26]. Зависимость Ж)топл от избытка воздуха выражена значительно сильней. Расчетные исследован