автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Использование внутрипоточных мероприятий для глубокого снижения выброса NO x в топках котлов ТГМЕ-206 при сжигании природного газа

Уральский Государственный Технический Университет.

На правах рукописи.

Погорельцев Евгений Геннадьевич.

Использование внутритопочных мероприятий для глубокого снижения выброса NOx в топках котлов ТГМЕ-206 при сжигании природного газа.

05. 14. 04 - Промышленная теплоэнергетика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент В.А. Мунц.

Екатеринбург 1999 г.

Оглавление:

Условные обозначения.....................................................................................4

Ведение ...................................................................................................................6

Глава 1. Обзор литературных источников и постановка задач

исследований .........................................................................................................9

1.1. Экспериментальные исследования снижения выхода ЫОх в топках котлов при сжигании газа ..............................................................................................9

1.2. Существующие методы расчета выбросов Ж)х при сжигании газа .........26

1.3. Нормирование выбросов оксидов азота ..................................................32

1.4. Выводы и задачи исследования.......................................................................33

Глава 2. Методическое обеспечение исследований ..............................35

2.1. Описание объекта исследований .............................................................35

2.2. Определение энергетических характеристик котлоагрегата ....................45

2.3. Определение степени рециркуляции и ступенчатости ..............................46

2.4. Определение состава дымовых газов ..............................................................48

2.5. Общее состояние котлоагрегатов на момент начала исследований ..........49

Глава 3. Модельные исследования влияния технологических методов на образование N0 .............................................................................................52

3.1. Влияние внутритопочных мероприятий на основные характеристики зоны активного горения (3АГ) и выход оксидов азота .........................................52

3.2. Влияние внутритопочных мероприятий на распределение тепловых нагрузок по высоте топочной камеры и выход оксидов азота ....................59

3.3. Влияние внутритопочных мероприятий, предложенных для снижения концентрации ЫОх, на содержание бенз(а)пирена в продуктах сгорания котла ТГМЕ-206 .................................................................................................................64

3.4. Расчетное исследование факельно-топочного процесса..............................67

Глава 4. Реконструкция поверхностей нагрева котла ТГМЕ-206, позволяющая осуществить рекомендуемые внутритопочные мероприятия ..........................................................................................79

4.1. Анализ состояния поверхностей нагрева ...................................................79

4.2. Анализ тепловых расчетов ......................................'..................................82

4.3. Реконструкция пароперегревателя котла, экономическая эффективность реконструкции .......................................................................................................88

Глава 5. Экспериментальное исследование влияния внутритопочных

мероприятий на образование 1Ч0х и энергетические характеристики

котлоагрегата ТГМЕ-206 ..................................................................................90

5.1. Предварительные опыты по снижению концентрации ЖЗх.........................90

5.2. Анализ результатов испытаний котла после реконструкции пароперегревателя .............................................................................................92

5.3 .Организация режимов глубокого снижения концентрации ЫОх ........102

5.4 Технико-экономический анализ результатов внедрения внутритопочных

мероприятий на котлах ТГМЕ-206 ......................................................................106

Выводы ...............................................................................................................109

Список использованной литературы .........................................................111

Приложения .................................................................................................122

г

Условные обозначения.

Д - паропроизводительность котлоагрегата, т/ч 3 - затраты, руб.;

Э; - удельный расход электроэнергии, КВт*ч/т;

3 3

В - расход топлива, м /ч, м /с при нормальных условиях (н.у.);

о о

С; - концентрация вещества, мг/м , г/м , ррш; Эа - диаметр амбразуры горелки, м; ё - расход воды на впрыск, т/ч Е - энергия активации, КДж/моль;

тг 2

г - площадь, м ; g - водотопливное отношение; Н - высота, м;

[ - энтальпия, КДж/кг (ккал/кг); К; - поправочные коэффициенты; Ьф - длина факела, м;

М - параметр температурного поля в топочной камере;

- валовый выброс вещества, т/год, г/с; N - электрическая мощность, МВт;

п - степень крутки горелки; Р - избыточное давление, МПа, КПа, Па;

3 3

С>1 - количество теплоты, КДж/м (ккал/м );

Я - тепловой поток, МВт/м2;

^ - относительные потери тепла, %;

Я - степень рециркуляции дымовых газов;

Т - температура, К;

I - температура, °С;

У; - теоретический объем газов;

- скорость потока, м/с;

а - коэффициент избытка окислителя; (3 - степень выгорания;

5 - степень ступенчатости;

т] - коэффициент полезного действия, %; р - плотность, кг/мЗ;

С, - эффективность процесса стадийного сжигания, %;

Индексы:

ад - адиабатный; амбр - амбразура;

6 - быстрый;

в - верхний ярус горелок; вл - влажный; г - газ;

г.в. - горячий воздух; г.р. - газы рециркуляции; дв - двухступенчатый;

заб - в месте забора газов на рециркуляцию;

изм. - измеренный;

к - котел;

кр - критический;

лок - локальный;

н - нижний ярус горелок;

ном - номинальный;

обр - обратный;

о.п. - острый пар;

отр - отраженный;

п.в. - питательная вода;

рек - реконструкция;

с - сухой;

ст - стенка;

ст.нар - наружная стенка;

т - топка;

тпл - топливный;

ф - факел;

х.в. - холодный воздух;

Сокращения:

б(а)п - бенз(а)пирен;

ДВ - дутьевой вентилятор;

ДРГ - дымосос рециркуляции газов;

ДС - дымосос;

ЗАГ - зона активного горения;

КПД - коэффициент полезного действия;

КППВД - конвективный пароперегреватель высокого давления;

КППНД - конвективный пароперегреватель низкого давления;

ПАУ - полиароматические углеводороды;

ПДВ - предельно-допустимый выброс;

ПДК - предельно допустимая концентрация;

ПТЭ - правила технической эксплуатации.

РВП - регенеративный воздухоподогреватель;

РНЛПП - радиационный настенный ленточный пароперегреватель;

ТДМ - тяго-дутьевые механизмы;

ЦВД - цилиндр высокого давления;

ЦНД - цилиндр низкого давления;

ЦСД - цилиндр среднего давления;

ЦНИТО - цех наладки и испытаний тепломеханического оборудования; ШПП - ширмовый пароперегреватель;

Введение.

Тепловые электростанции, обеспечивая более 70% потребности в тепловой и электрической энергии, вышли на первое место среди отраслей промышленности по выбросам в атмосферу вредных веществ.

Существующие нормативы удельных выбросов вредных веществ для котельных установок различной производительности при сжигании газообразного топлива, широко используемого в Тюменском регионе, жестко ограничивают выход оксидов азота в топках котлов. Для обеспечения нормативных требований на находящихся в настоящее время в эксплуатации паровых котлах содержание Ж)х в уходящих газах необходимо снизить в 2-8 раз.

Практика показывает, что для решения этой проблемы наиболее эффективными и экономически целесообразным является сочетание нескольких внутритопочных мероприятий, подавляющих образование ЫОх в процессе сжигания топлива. Это - снижение избытков воздуха, рециркуляция дымовых газов, организация ступенчатого и нестехиометрического сжигания, впрыск воды и водяного пара в зону горения и др.

От сочетания технологических методов зависят как эффективность снижения концентрации вредных веществ в выбросах, так и технико-экономические показатели работы оборудования. Однако, отсутствует единый подход к оптимизации режимов сжигания топлива в топках котлов с учетом различного сочетания внутритопочных мероприятий, а однопараметрические зависимости, имеющие определенную ценность для науки и практики, не позволяют однозначно ответить на поставленный вопрос и являются лишь исходными данными для решения оптимизационной задачи. Так, имеется много примеров, когда мероприятия, осуществленные в стендовых условиях или успешно внедренные на одном котле, оказываются непригодными на котле с другой конструкцией топочной камеры, горелочных устройств или при изменении некоторых характеристик сжигаемого топлива.

Следует учесть, что тенденция увеличения теплонапряжения топочного объема для снижения габаритных размеров котлоагрегата находится в противоречии с тенденцией снижения выброса >Юх при сжигании газообразного топлива. Поэтому, большинство внутритопочных мероприятий, внедряемых на действующем оборудовании, приводит к снижению КПД и увеличению расходов электроэнергии на собственные нужды.

В отличие от ряда европейских стран, в России сейчас плата за загрязнение окружающей среды несоизмеримо мала по сравнению с платой за перерасход топлива, определяемый ухудшением экономических характеристик котлоагрегата при внедрении на нем внутритопочных мероприятий. Это является главным сдерживающим фактором на пути к экологически чистой энергетике. Сейчас проблема состоит не в том, как улучшить экологические характеристики действующего котельного, а как это сделать с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами.

Комплексный подход к проблеме загрязнения окружающей среды выбросами тепловых электростанций требует учета содержания в уходящих

дымовых газах котлов ряда особо токсичных микропримесей, к числу которых относится канцерогенный бенз(а)пирен. Информация о выбрасываемом котлами количестве б(а)п, зависящем от вида топлива, конструктивных особенностей котлов, режимов сжигания топлива, позволяет оценить загрязнение атмосферного воздуха этим компонентом и выбрать оптимальные режимы, в том числе при внедрении на котлах внутритопочных мероприятий для снижения выброса NOx.

Целью настоящей работы является разработка и практическая реализация высокоэффективного способа глубокого снижения выброса NOx из котлов ТГМЕ-206 Тюменской ТЭЦ-2 на базе анализа математических моделей образования NOx, факельно-топочного процесса и сравнительных экспериментов в топках котлов.

С учетом использования различных сочетаний внутритопочных мероприятий выполнены расчетные исследования:

•образования NOx в топках котлов ТГМЕ-206;

•основных характеристик зоны активного горения;

•распределения тепловых нагрузок по высоте топочной камеры;

•факельно-топочного процесса котлов ТГМЕ-206 с горелками ГМУ-45;

•содержания бенз(а)пирена в продуктах сгорания котлов ТГМЕ-206.

Проведены исследования состояния поверхностей нагрева котлов ТГМЕ-206, обоснован вариант их оптимальной реконструкции.

Разработан, исследован и внедрен на всех котлах ТГМЕ-206 Тюменской ТЭЦ-2 высокоэффективный способ глубокого снижения выброса NOx.

На защиту выносятся:

1 .Результаты исследования образования NOx в топках котлов ТГМЕ-206 с учетом использования различных сочетаний внутритопочных мероприятий.

2.Результаты исследования факельно-топочного процесса котлов ТГМЕ-206 с горелками ГМУ-45.

3.Результаты расчетных исследований содержания бенз(а)пирена в продуктах сгорания котлов ТГМЕ-206.

4.Результаты исследования поверхностей нагрева котлов ТГМЕ-206, вариант оптимальной реконструкции пароперегревателя с учетом внедрения на котле режима глубокого снижения концентрации NOx.

5.Высокоэффективный способ глубокого снижения выброса NOx на котлах ТГМЕ-206 Тюменской ТЭЦ-2.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Первом Международном Конгрессе «Нефть и Газ - 96» (Тюмень 1996). По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Работа выполнена на кафедре промышленной теплоэнергетики Уральского Государственного Технического Университета и в цехе наладки и испытаний тепломеханического оборудования Тюменской ТЭЦ-2. На разных этапах ее выполнения автор сотрудничал с JI.M. Цирульниковым, Я.И. Соколовой, А.И. Вуколовой, E.H. Каранкевич, В.А. Петровым. Автор выражает признательность заведующему кафедрой ПТЭ Заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, почетному профессору УГТУ А.П. Баскакову, научному

руководителю, кандидату технических наук В.А. Мунцу, всем сотрудникам кафедры за помощь и полезные замечания. Автор благодарен руководству и инженерно-техническому персоналу Тюменской ТЭЦ-2 за помощь в проведении испытаний и реконструкции оборудования.

Глава 1. Обзор литературных источников и постановка задач исследований.

1.1. Экспериментальные исследования снижения выхода Ж)х в топках котлов при сжигании газа.

1.1.1. Общие сведения.

Авторами [1] предложена упрощенная схема (рис. 1.1), которая охватывает практически все проверенные в промышленности технологические мероприятия по снижению образования оксидов азота. Проведенная в [121] оценка степени снижения выхода МЭх (табл. 1.1) показывает, что при условии оптимального выбора совокупности мероприятий на котле можно реально обеспечить 2-5-кратное снижение выбросов Ж)х в атмосферу. В связи с этим закономерно возникает вопрос о минимально достижимом уровне образования оксидов азота в результате внедрения внутритопочных мероприятий.

Рис. 1.1. Технологические методы снижения выбросов оксидов азота.

Сжигание газа в современных котлах организуется с а= 1.03-1.05, что наряду с повышением экономичности котла позволяет уменьшить выброс МОх. При этом ввиду неполного перемешивания потоков газа и воздуха на начальном участке факела имеются зоны, где локальная концентрация воздуха меньше стехиометрической. Часто ввиду наличия присосов в топке котла горение вообще организуется при а<1. Аналогичные концентрационные и температурные условия наблюдаются при реализации нестехиометрического и ступенчатого сжигания газа, использовании некоторых усовершенствованных горелочных устройств, в которых на начальном этапе развития факела

организуется восстановительная зона с локальными значениями а на уровне алок=0.7-0.95.

Табл. 1.1. Внедрение технологических методов снижения концентрации оксидов азота в дымовых газах газомазутных котлов.

Методы подавления п оксидов азота Тип и паропро- Тепловая мощ- Содержание N0x, мг/м^ приведенное к а=1,4 Объект, на котором

изводи-тельность котла, т/ч ность котла МВт Топливо исходное состояние после реализации меропр. реализованы мероприятия

1 1 Горелки с пониженным выходом 1Ч0х + рециркуляция дымовых газов паровой 670 582 газ мазут 335 510 120 250 На двух котлах ТМ-104 ГРЭС Шатурской

2 2Трехступенчатое сжигание + рециркуляция дымовых газов в горелки паровой 670 582 газ 300 90 На двух котлах ПК-33 ГРЭС Щекинской

3 ЗДвухступенчатое сжигание паровой 420 314 газ мазут 250 425 140 240 На котлах ТГМ-84 ТЭЦ-9 Мосэнерго

4 4Трехступенчатое сжигание паровой 480 372 газ мазут 470 370 230 220 На 4-х котлах ТГМ-96Б ТЭЦ-8 Мосэнерго и 2-х котлах Ленэнерго

5 5Двухступенчатое сжигание + рециркуляция дымовых газов с впрыском 10% воды в горелки паровой 2650 2053 газ 1200 160 На котлах ТГМП-204 Сургутской ГРЭС

6 6 Подача газов рециркуляции в воздуховод перед горелками водогрейный 180 Гкал 209 газ мазут 220 400 50 150 На котлах КВГМ -180 ТЭЦ-21, ТЭЦ-23 и ТЭЦ-25 Мосэнерго

7 7 Горелки с пониженным выходом ТЧОх типа где + двухступенчатое сжигание водогрейный 100 Гкал 116 газ мазут 220 350 120 250 На котлах ПТВМ-100 Каунасской ТЭЦ

8 ЗДвухступенчатое сжигание водогрейный 100 Гкал 116 газ 220 65 На котлах КВГМ Курской ТЭЦ-1

9 Ввод рециркуляции дымовых газов на всас ДВ. паровой 420 314 газ 300 125 На котлах ТГМ-84 НовоРязанской ТЭЦ

10 Нециркуляция газов (11=15%) + прямоточные горелки + малые избытки воздуха паровой 475 370 мазут 850 240 На котле ПК-41 Кармановская ГРЭС

11 Нециркуляция газов (11=27%) + ступенчатое сжигание паровой 950 812 газ мазут 1500 1320 100 210 На котлах ТГМП -314 ТЭЦ-26 Мосэнерго

Нециркуляция газов На котлах БКЗ-

12 (11=25%)+ступенчатое сжигание + новые горелки + переход на тангенциальную компоновку, ликвидация пережима в топке. паровой 320 233 газ 650 70 320-140-ГМ ТЭЦ-17 Ленэнерго

13 1 Ступенчатое сжигание + рециркуляция дымовых газов. паровой 3950 3094 газ 1500 300 На котлах блока 1200 МВт Костромской ГРЭС

14 1 Установка полуподовых горелок + ступенчатое сжигание+рециркуля ция дымовых газов паровой 950 812 газ мазут 1500 1320 110 250 На котле ТГМП-344А ТЭЦ-25 Мосэнерго

Указанные условия весьма благоприятны для образования быстрых оксидов азота. Следовательно, минимально достижимый при реализации таких внутритопочных мероприятий уровень выбросов NOx будет в основном определятся эмиссией NOg- В характерных диапазонах значений алок^0.7-0.85 и скоростей нагрева факела 2000 - 5000 К/с расчетный выход N06 (в пересчете на

■у

N02) достигает 50-90 мг/м (рис 1.2) [22]. Сказанное проверено авторами [22] экспериментально на котле БКЗ-210-140Ф, в период испытаний которого были организованы кратковременные режимы сжигания природного газа с величиной а<1 в ядре горения (рис. 1.3).

NOj , мг/м3

200 160 120 80

40 О

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Рис. 1.2. Влияние величины а на выход термических и быстрых оксидов азота (расчет).

Таким образом, при сжигании газообразного топлива с а<1 выход N06

т о

может составлять 80-130 мг/м (65-95 мг/м в пересчете на а=1.4). Это тот минимальный уровень выбросов ЫОх, которого можно достичь путем воздействия на процесс горения. Однако в реальных условиях стадийного сжигания некоторое дополнительное количество оксидов азота может образоваться на заклю