автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка и исследование метода снижения концентрации оксидов азота размещением промежуточного излучателя в топке котла

»

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ТГУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАЖДО ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕКСТИЛЬНАЯ АКАДЗ.Ш ш.А.Н.КОСЫГ.ШЛ

РАЗРАБОТКА К ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА СНИЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКСИДОВ АЗОТА РАЗМЕЩЕНИЯ.! ПРОМЕЕУТОЧНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ В ТСНКЕ КОШ

Си^лльность 05.14.04 -Промышленная т лугоэноргеткка

Апюр'^-сг'-чт

дкссертнц;:;! на со;:с1:.!!!,:с ученой стопе!!;; кантата тзхнкческхх наук

На пр'нпх рп:пл

УДК (4W.7ii7.hm.1R

1

- 2 -

Р.юота выполнена в Московской ордена Трудового Красного Зшиуни Государственной текстильной академии им.А.Н.Косыгина

Научный руководитель: кандидат аехнических наук

доцент Исаев В. В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Блох А.Г.

кандидат технических наук Сметанников Б.Н.

Ведущая организация:

Институт горючих ископаемых Минтопэнерго Российской Федерации

Зацдата состоится " * ■ -[993 в /О часов

на заседавши специализированного' совета К 053.25.08 в ■ Московской Государственной текстильной академии им.А.Н.Косыгина по адрес}: 117918,Москва,м.Калужская ул.,д.1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской Государственной текстильной академии.

Автореферат разослан " и Р/ 1992 г.

секретарь специалшзировацного совета ».т.н.,доцент ' (у/С1!*? Корнвев С.Д.

- 3 -

аннотация

Диссертационная работа поошсона разработке метода енитани=» концентрации оксидов азота за счет размещения и тоши котили«!; установки промежуточного излучателя.

■ Рассмотрены существутиэ методы снижения хонцентрчпп оксидов азота и оценка юс влияния на тохнико-вкономкчеекда цокаэагелп работы котельной установки.

Выполнен теоретический анализ шияипя размеренного ^оу.ело промежуточного излучателя на эффективность поднек'чг.:- с>1ии:чч; к;:я МО.

Разработана методика приближенного расчет.) сни;ке№!л копцокг-рации N0/ з зависимости- от относительной площади поверхности излучатслышх двойств промежуточного излучателя.

Составлен алгоритм и программа расчета на ЭВМ.

Получены зависимости относительной концентрации окоидо?.' асо-та, максимальной температуры факе'ла, температуры газов па выходе из топки, изменения тепловых потоков от факела л от ироме^уточаог.*' излучателя, интенсификации теплообмена в топке в результате раз-лощения в топке промежуточного излучателя от относительной лло^ди поверхности и его излучзтельных свойств.

Получено экспериглэнталыюе и ошгно-промыатзнное подтвер^д'?-юю эффективности предлагаемого метода снижения Сйо;1 улудае-ния технико-эконсмичсскпх показателей котельной установки, '.'шп;»-ние С при реализации предлагаемого метода составляет и среднем 30-35%. ' '

Автор залидает:

1. Метод снижения концентрации оксидов ааотв за сч<;т размек-з-ния в топке котельной узтановки промежуточного излучателя.

2. Обоснование целесообразности применения предлагаемого метода снижения С/(Ох р котлах малой и средней мощности.

3- Методику приближенного расчета снижения концентрации уОДг .

А. Математические зависимости между параметрами псом1.чуто"но-го излучателя (плодадьи поверхности и иэлучятельннмя гройстг-акк), и снижением тадодп оксидов азота.

1

(

- 4 -

1М1АЯ Ш'Ш'^'.СЛМКА РАБОТЫ Актугишюоть. Оксиды азота (М0Х ) являются одним из ннибол

токсичных компонентов газообразных продуктов сгорания органического топлива.

В котельных предприятий легкой промышленности ежегодно скитается сьша 10 млн.тонн условного топлива, что приводит к ьыбросу в атмосферу свыше 50 тис. тонн оксидов «зота.

Б евлзи с изложение:.'., разраоотка новых эффективных методов, направленных на подавленно генерации НОц »не связанных о ухудшением технико-экономических показателей: раоэты котельной установки 1-. со значительными эксплуатационными и капитальными затратам, яьпяется актуальной задачей и имеет социальную и экономическую значимость.

Кроме того, введение экономических санкций за выбросы загрязняющих веществ в природную среду от стационарных источников загряг нения также диктует необходимость создания и разработки методов подавления образования Я0 .

Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы заключается в разработке метода снижения концентрации оксидов азота с применением промежуточного излучателя, не связанного с ухудшением технико экономических показателей работы котельной установки. Дня достижения этого необходимо было решить следующие задачи:

- показать на основе анализа существующих "технологических" методов снижения образования НО эффективность применения промежуточных излучателей для прокэнергетических котлов, скигающих газовое и жидкое топливо;

- разработать методику приближенного расчета концентрации оксидов азота в зависимости от характеристик промежуточного излучателя;

- оценить на основе теоретического анализа степень эффективности метода использования промежуточных излучателей в промэнерге-тических котлах, для чего установить зависимости максимальной температуры факела и относительной концентрации оксидов азота от характеристик промежуточного излучателя;

- проверить эффективность метода и достоверность результатов теоретического анализа в экспериментальных и промышленных условиях.

Научная новизна заключается в следующем:

- разработан метод снижения концентрации оксидов азота для промэнергетических котлов малой и средней мощности за счет размощения в топке промежуточного излучателя;

- разработана методика расчета концентрации оксидов азота и зависимости от характеристик промежуточного излучателя;

- разработана программа расчета на ЭВМ и проведены аналитические исследования зависимостей концентрации оксидов азота, максимальной температуры факела,температуры на выходе из топки,интенсификации теплообмена в топке от относительной площади поверхности излучателя и его изл>чательных свойств. '

Практическая ценность работы. Рэдработан и внедрен метод снижения концентрации оксидов азота, который может.-вироко использоваться в промэнергетических котлах малой и средней мощности.Осуществление предлагаемого метода связано с минимальными дополнительными капитальными затратами; введение промежуточного излучателя з топку не меняет характер процесса горения и не ухудшаат технико-экономических показателей работы котла.а изготевлгние излучателя возможно силами самих предприятий.

Реализация работы. Метод снижения концзнтрации оксидов азота за счет размещения в топке • промежуточного • излучателя выедрэн в котельной Государственной фабрики им.Клары Цеткин на кгтлах ДКВр-4-13; результаты экспериментальных исследований и стендовая экспериментальная установка используются в учебном процессе по специальности "Промюлэнная теплоэнергетика" в Москопгггой Государственной текстильной академии им. А.Н.Косыгина на кафе-ре "Промкя-ленпая теплоэнергетика"..

Апробация работы. Основ!юе содержание диссертацис той работы докладывалось на научных.семинарах кафедры ПТЭ МГТА им..А.Н.Косыгина в 1990,1991 гг; на научных конференциях профессорско-преподавательского состава,научных сотрудников и аспирантов МГТА н 1.А.Н.Косыгина ,1990г; на Всесоюзной конференции"Ученые и специслисты-в реше-ни социально-экономических проблем страны",г.Ташкент,1990г; на УП Всесоюзной конференции по р.члиационному тзшюоо'гину,г. Ташкент, 1991г.; ни заседаниях сошел тучного Совета ГКНТ СССР "Теплое омзиа излучением" "Актуальные прогибы теплообмена и охраны лоздуп--ого Ъ'.ссейнз в тоилотохиологли",г.Усть-Ил«мок, 1990 г. .г.С.-дмя^й'тч

{ -6-

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

рбъем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов по работе и приложений.

Диссертация изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 42 рис., 11 таблиц , список использованной ли-' тврагуры из I® наименований.

СОДЕРНАЮШ РАБОТЫ

Во введении изложены проблемы загрязнения воздушного бассейна токсичными выбросами оксидов азота, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования. , ,

]В первой главе дан анализ современного состояния вопроса по проблеме оиижения вредных выбросов оксидов азота в стране и за рубежом, в том-числе и в. текстильной промышленности. Показано, что "технологические", связанные непосредственно с организацией процесса горения, методы существенно экономичнее "химических", предполагающих очистку продуктов сгорания от /¡Ох . Представлен обзор механизмов образования НО , а также сравнительный анализ различных, применяемых в настоящее время "технологических" методов снижения образования N0 по эколого-технико-эконсмическим показателям.

Предлагается классификация "технологических" методов с указанием еффективнооти их воздействия на снижение концентрации ДОх% а также влияния на технико-экономические показатели котельной установки для газообразного и жидкого топлива. Выполненный анализ позволил сделать вывод о перспективности применения промежуточных. излучателей, способствующих снижению образования ЯО .

Из немногочисленных зарубежных данных следует, что использование горелок малой мощности с промежуточным излучателем в бытовых нагревательных приборах позволяет снижать выбросы N0% на 30, .. Учитывая, что метод применения промежуточных излучателей с целью предотвращения образования НО изучен недостаточно полно 1Мребует более тщательного и подробного изучения и разработки для использования в промышленных условиях, определены цели и задачи.

Во второй главе приведено теоретическое обоснование ьозмок-

ности снижения концентрации Н0Х путем размещения в зоне г ."»рения промежуточного излучателя. Дан анализ влияния определяющих параметров (максимальной температуры факела, концентрации свободного кислорода в зоне реакции и времени пребывания продуктов сгорания в ' зоне максимальных температур) на эффективность подавления оксидов азота с помощью промежуточного излучателя.

Основную долю образующихся при сжигашш газа N0% составляют "термические" оксиды азота. Интенсивность :1х образования определяется, в основном, максимальным уровнем температур газов, временен их пребывания Тр и концентрацией свободного- кполородя з зоне реакции. По Зельдовичу Б.Я.

N0™ "/г (Ттак. ?Р)° А (1«« ) (I)

Главным кз перечисленных факторов является величина .таксики льной температуры газов в зоне горения.. Исхода ::з -этого "технологические" методы, рассмотренные в первой главе, основан;--', главным образом, на снижении максимального уровня температур -з зона горения, что достигается следующими способами:

1) разбавлением продуктов горенгл инертной средой - агентом с более низкой температурой (газы рециркуляции, пор);

2) отбором тепла из зоны горения на испарение вводимой воды;

3) интенсификацией теплообмена между факелом и тешговоспршш-мающими поверхностями топки.

Методы,основанные на первых двух способах, как лракио, связаны либо с ухудшением технико-экономических показателей котельной установки (снижение КПД, увеличение капитальных затрат на реализацию методов), либо с возможностью появления друпгс токсичных компонентов, например, бензпирена.

Весьма привлекательным является решение проблелш подавления И0Х посредством снижения 1щах в результате интенсификации теплообмена, например, увеличением язлучательной способности факела путем размещения в нем тела с более высокой излучательной способностью. Основным источником теплового излученнч неезптяицкея пламен в топках, как известно, являются трехатомные газы СОо и Н,0. ■ При температурах, характерных для топок котлов, эти газы излучают и поглощают энергия л отдельных полосах инфракрасной области спектра. Введением твердого тела - промежутотого излучателя - в факел, имеющего, в от,::гп!'; от газов, спл;-:;ной спектр излучения, мо.тно

интенсифицировать теплообмен в топочной камере, снизив тем самым т/па* •

Поставлена задача аналитического исследования зависимости « между геометрическими характеристиками, излучательными свойствами твердого тела, вводимого в зону горения и образованием оксидов азота. Задача решается при следующих основных допущениях:

- промежуточный излучатель представляет собой единое геометрическое тело;

- поверхность излучателя является изотермической, температура которой Тизл = Я • Т , где Я - коэффициент пропорциональности, величина которого, согласно экспериментальным данным, близка единице.

Разработана методика приближенного расчета концентрации НО* в зависимости от характеристик промежуточного излучателя.

Анализ основан на совместном решении следующих отдельных задач, объединенных в единую систему:

- определение относительной концентрации оксидов азота в зависимости от максимальной температуры факела; '

- соотношение между температурой продуктов сгорания на выходе из топки и максимальной температурой факела;

- теплообмен излучением между промежуточным излучателем и тепловоспринимающими поверхностями топки, определяемый по методу сальдо;

- теплообмен в топке по нормативному методу.

Для условий протекания процесса образования термических НО в топках котлов можно допустить

С*0 .. « гР . (2)

С[№р *[N01p '

где НО , [Н0)р - соответственно, концентрация термических оксидов азота на выходе из зоны реакции (зоны максимальных температур) и равновесная концентрация НО • tp - время пребывания в зоне реакции; ?[¿fQ]0 - время достижения равновесной концентрации. "

Э свою очередь,, согласно Зельдовичу Б.Я.

W-1■ (э'

ИР : (*)

где , С- соответственно, концентрация азота и кислорода в . зоне реакции, моль/см^; Т -температура, К.

Время пребывания в зоне реакции при введении промежуточного. излучателя остается практически неизменным. Тогда, с учетом (2) - (4)

г7,л » ш \1ССо*)1' да67500) *

где индексы I и 2, соответственно, для случаев без излучателя и с промежуточным излучателем в факеле.

Максимальную температуру факела Т щах определяем, принимая, на основании опытных данных, что она наблюдается на уровне раошЯ ложения горелочных устройств.

Уравнение теплового баланса элементарного слоя пламени можно записать в виде

- ЬЧгСгйТ - <Го£тГ*с1Рл (6)

После разделения переменных и интегрирования уравнение (4)

принимает вид

Тт" Ртах

• /М- <№ <«

Ттаж О

или

Ввод критерия Больцмана Во и замена ^та*/рл " Хтах , придает уравне!ига (8) после ряда преобразований следующий вид:

Формула (9) овязывает максимальную температуру факела о адиабатической температурой горения газов и температурой газов на вц~ ходе из топки.

Задача сводится к определении т" при размещении в факеле • промежуточного излучателя в зависимости от его характеристик, а именно, площади поверхности и излучательных свойств.

Для этого решаем совместно-уравнение теплового баланса•топочной камеры дот двух случаев: для топки без промежуточного излучателя (10) и при наличии промежуточного излучателя (II)

QAt-ViCQr-H,") СЮ)

алг * в USA. *%CQT- Нг* ) (II)

где QAi, 0Аг - тепло, передаваемое от факела излучением на луче- ' вопришэдающие поверхности топки при отсутствии и при наличии излучателя, кДкДг3; Hj" и Н2" - энтальпии продуктов сгорания, покидающих топку при температуре газов на выходе из топки при отсутствии и при наличии излучателя, кДж/м3; Q излг-тепло, переданное лучево-спринимавдим поверхностям топки собственно излучателем, кВт.

Выразив из (10) и (II) Qr , и, приравняв правые части уравнений, получил

4h< (Ол, * 4><Hi") - Vvi (йлг - Quin. * (*,//, ") (I2)

Принимая tp,» <ft " <f , имеем

aAt + vlf/. aAi* QUM + pH/* {I3)

Тепловосприятие поверхностей нагрева от факела при размещении в нем излучателя определяем'по формуле

Fem Со ФМ Тг" Га3 . '

• ^-• . Ш)

Поток результирующего излучения между излучателем и лучевое-., пршшмащей поверхностью топки определяем по методу сальдо

'а

*/At.^r/At_t) (15)

Подставив, в уравнение (II) значения Qaz " 0им из уравнения (14) и (15), получим уравнение с одним неизвестным — т".

Аналитическое решение поставленных задач выполнено по разработанной программе расчета m Э}.;М. ,Алгоритм расчета основан на

-Д1 т

нормативном методе теплового расчета котельных агрегатов и зависимостях, представленных выше.

Решение поставленных задач позволило получить зависимости максимальной температуры факела, температуры на выходе из топки, интенсификации теплообмена в топке, относительной концентрации оксидов азота от относительной пловдда поверхности и излучательных свойств промежуточного излучателя.

Полученные графики зависимостей позволяют оценить снижение выхода NO3 при выборе того или иного промежуточного излучателя с оптимальными геометрическими характеристиками, размерами по отношению к лучевоспринимающей поверхности топки и излучателььой способностью.

В третьей главе дается описание экспериментальной установки, приводится методика проведения экспериментов и их результаты.

Эксперименты по определению влияния размещенного в факеле излучателя на уровень температур и концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания проведены при сжигании двух видов топлива с различной излучательной способностью факела: жидкого - керосина (I серия опытов) и газообразного - прспана (П серия опытов). Каждая серия включала в себя а) - опыты без промежуточного излучателя в камере сгорания; б) - опыты с промежуточным излучателем. П серия опытов предусматривала установку промежуточного излучателя с различной площадью поверхности; 0,03; 0,062 и 0,092 Нд, соответственно.

В ходе работы были проведены следующие основные измерения:

- количества теплоты, полученной камерой сгорания в результате размещения излучателей с различной площадью поверхности;.

- температуры факела по длине камеры;

- состава газообразных продуктов сгорания по длине камеры;

- концентрации оксидов азота в продуктах сгорания по длиие камеры.

Тепловое напряжение объема'камеры составило 0,92 МВт/м3 (I серия опытов) и 1,02 МВт/м3 (П серия опытов).

Излучатель в I серии опытов представлял собоД фарфоровую трубку, диаметром 25 мм и длиной 550 да, размещенную вдоль оси камеры сгорания. Во П серии опытов - фарфоровую трубку диаметром 25 мм и датой, соответственно, 180, 370 и 550 мм.

В результате измерений и обработки экспериментальных данных

получены основные зависимости, подтвердившие справедливость результатов теоретического исследования. Снижение концентрации оксидов азота при сжигании керосина составило 4652. Увеличение площади поверхности излучателя (П серия опытов) приводит к снижению образования оксидов азота. Введение в факел промежуточного излучателя о относительной площадью поверхности равной 0,03; 0,062;

0,092 приводит к снижению концентрации NOx , соответственно на 6,0; 12,0 и 42,0%.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования влияния размещенного в факеле промежуточного излучателя на образование оксидов азота в промышленных условиях.

Эксперименты проводились на котле ДКВр-4-13 котельной опытно-технической швейной фабрики им.Клары Цеткин и предусматривали 3 серии опытов:

I серия - опыты без установки в топке котла промежуточного излучателя;

П серия - опыты с размещенным в топке котла промежуточным излучателем, выполненным из нержавеющей стали;

III серия - опыты с размещенным в топке котла промежуточным излучателем, выполненным из муллитокремнеземистых трубок.

Излучатель во П серии опытов представлял собой 30 стержней, ■ длиной 700 мм, диаметром 24 мм, выполненных из стали 18 ХШЗА, закрепляющихся на штуцерах, приваренных к фланцу. Фланец располагался вдоль фронтальной стены топки.

Излучатель в Ш серии опытов представлял собой 36 муллитокремнеземистых трубок, длиной 850 мм, диаметром 25 мм, установленных вертикально на поду топки.

Проведены следующие основные измерения в нескольких сечениях по длине факела:

- температуры газовой среды факела и уходящих газов;

- состава продуктов сгорания в факеле и в уходящих газах;

- концентрации оксидов азота в факеле и в уходящих газах.

Полученные экспериментальные данные позволили установить снижение температурного уровня в цпгл'лс, что приводит к снижению концентрация оксидов азота т 30'/ прл рапкепошш к топке котла излумтсля из изр^авоп:::'.:;' ст.'ш;, V; на Р0/> - крп разиощппг.к в топке ко[ч;.«.!чеокого лзду::>'<"\а1, чго n:vi?i wrwr п&'^кташость пред-

Эксперименты показали, что размещение в топкв промежуточного излучателя не ухудшает стабильности процесса горения и полноты , сгорания топлива.

Длительная эксплуатации котла с введенным в топку промежуточным излучателем показала целесообразность использования в качества промежуточных излучателей керамических трубок, как с технической, так и с экономической точки зрения.

В аятой глава приводится расчет ожидаемого экономического эффекта от гнедрения метода снижения выбросов оксидов азота за счет размещения в тспке промеж;, точного излучателя пятью котлаш ДКВр-20-13.Годовой экономический эффект от внедрения предлагаемого метода снижения Смох составит 345 тыс.рублей (в ценах 1992 года ).

Основные выводы по работе

1. Выполнен анализ существующих методов снижения концентрации оксидов азота и оценка их влияния на технико-экономические показатели раооты котельной установки.

2.Предложен метод снижения концентрации оксидов азота для котлов малой и средней мощности за счет интенсификации теплообмена в топке введением в зону горения промежуточного излучателя,

3.Разработана методика приближенного расчета концентрации НО* в зависимости от относительной площади поверхности и излучательных свойств промежуточного излучателя.

4.Составлен алгоритм и разработана программа расчета на ЭВМ.

5.Получены основное аналитические зависимости максимальной температуры факела и температуры на выходе из топки; интенсификации теплообмена в топко и относительной концентрации оксидов азота в результате размещения промежуточного излучателя от £шл и 6 .

6.Создана экспериментальная установка для исследования влияния интенсификации теплообмена за счет размещения в факеле промежуточного излучателя на эффективность подавления образования оксидов азота.

7.Получено экспериментальное и опытно-промышленное подтвервде-ние эффективности предлагаемого метода с точки зрения снижения концентрации оксидов азота без ухудшения технико-экономических показателей котельной установки.Снижение С//рх при релизации предлагаемого метода составляет в среднем 30-35 % .

8.Ожидаемый экономический эффект от внедрения метода снижения СиОх размещением в топке промежуточного излучателя составит 345 тысяч рублей в год ('р.ючет составлен для типовой котельной,содержа-

щей 5 котлов ДКВр-20-13 в ценах 1992 года ).

Основное, содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1«Исаев В.В.«Каленков А.Б.,Кузнецова И.П.Разработка горелоч-ных устройств о пониженным образованием оксидов азота. - В кн.: Ученые и специалисты - в решении социально-экономических проблем страны: Тез.докл.Всесоюзной научно-практической конференции. -Ташкент, 1990. с,255-256.

2. Исаев В.В.,Кузнецова И.П1,Колченогова И.И. Снижение концентрации оксидов азота' в выбросах котельных установок за счет интенсификации теплообмена в топке: Тоз.докл. заседания секции "Теплообмен излучением" Научного Совета ГКНТ СССР "Актуальные проблем теплообмена и охраны воздушного бассейна в теплотехноло-гии", -Самара,1991,с.7-8.

3. Исаев В.В.,Кузнецова И.П.,Каленков А.Б. Снижение вредных выбросов котельными установками предприятий легкой промышленности. - Межвуз.сб.науч.тр. "Улучшение условий труда на предприятиях текстильной и легкой промышленности". - Иваново,1991,с.51-56.

4. Исаев В.В.«Кузнецова И,И.,Каленков А.Б. Горелочные устройства с пониженным выходом оксидов азота.ЦНИИТЭИлчгпром "Механика

и энергетика", обзорн.инф.,1991,с.1-32.

5. Исаев В.В. .Кузнецова И.С1. Снижение образования N0% путем интенсификации теплообмена в топке. Тез.докл. УП Всесоюзной . конференции но радиационному теплообмену. Ташкент,1991г.,с.57-58.

Подписано в почать 22.12.У2 Сдано в производство 23.12.У«; Форг/лт бумаги ¿0 х 84/16 Ьу;/.ага ию?. Усл.псч.л. 1,0 Уч.-изд.л.О,75 ..ЗзказВШ ' Тирак 75

Ь'отппринт ХИТА, 117411». 'Москва, ул. донская, 26