автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.01, диссертация на тему:Разработка методов расчета образования оксидов азота и серы в паровых и водогрейных котлах

р г б оа

1 7 М1Р £03

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ЕГОРОВА Лпдююа Евгеньевна'

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОБРАЗОВАНИЯ ОНПО№ АЗОТА N СЕРЫ В ПАРОК« И ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛАХ

Специальность 05.04.01 - Котлы, парогенераторы

и камеры сгорания

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата техничес»д« наук

Москва - 1995

Работа выполнена на кафедре Парогенераторостроения Московского энергетического института

Научный руководитель:

доктор технических наук РОСЛЯКОВ П.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук ЕНЯКИН Ю.П.

кандидат технических наук профессор ЛИЛОВ Ю.М.

Ведущая организация:

Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского (ЭНИН)

Защита состоится иииЬ 1995 г. в час ¿к?мин в аудитории Б-409 на заседании диссертационного Совета К.053.16.05 в Московском энергетическом институте.

Отзывы в двух экземплярах, ааверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, г.Москва, ул.Красноказарменная, 14, Московский энергетический институт, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан "Л." апреля 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

К. 053.16.05

к.т.н. с.н.с.

Лебедева А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Решение экологических проблем является определяющим не только при строительстве новых тепловых электростанций, но и при реконструкции, расширении, техническом перевооружении действующих ТЭС. При сжигании органических топ-лив в топках энергетических установок в атмосферу с дымовыми газами выбрасывается значительное количество токсичных продуктов сгорания. Основную долю среди газообразных выбросов ТЭС составляют оксиды азота и серы.

Уровень выброса оксидов азота с дымовыми газами котлов является одним из основных технико-экономических показателей топочных устройств паровых котлов и определяет возможность увеличения энергетических мощностей в конкретных регионах.

Ежегодный рост потребления энергии связан с увеличением выбросов токсичных продуктов сгорания органических топлив, загрязняющих окружающую среду. С введением нормативов допустимых выбросов вредных веществ котельными установками остро встала проблема ограничения этих выбросов (в первую очередь - оксидов азота). Это потребовало совершенно нового подхода к процессам проектирования и эксплуатации топочных устройств и камер сгорания энергетических установок. Проектирование экологически чистых энергетических установок в соответствии с современными экологическими требованиями невозможно без проведения предварительных теоретических и экспериментальных исследований влияния различных факторов на образование токсичных продуктов сгорания.

Экспериментальные исследования процессов образования и разложения оксидов азота по объективным причинам затруднены и часто могут быть выполнены только на реальной установке.

Теоретические исследования с помощью математических моделей, адекватно описывающих процессы образования и разложения Шх> дают возможность на основе анализа результатов численных экспериментов определить оптимальные режимные и конструктивные параметры энергетической установки уже на этапе ее разработки.

Поэтому, все чаще при проектировании экологически чистых энергетических установок применяется численное моделирование процессов образования токсичных продуктов сгорания, что позволяет не только получить количественные оценки вредных выбросов, но и разработать рекомендации по их сокращению.

Цели работы:

- разработка и обоснование цепного механизма выгорания серосодержащих веществ топлива и образования оксидов серы;

- оценка достоверности принятого кинетического механизма;

- разработка общих принципов использования ППП "РОСА" для расчетов выхода оксидов серы и азота в конкретных энергетических установках и тарелочных устройствах;

- выявление основных факторов, полностью определяющих выход оксидов азота при сжигании газа и мазута в топках реальных котлов;

- определение функционального влияния найденных факторов на выход N0x1

- определение коэффициентов в уравнении множественной регрессии, описывающем зависимость выхода оксидов азота от найденных параметров, используя регрессионный анализ;

- оценка достоверности полученных аналитических зависимостей;

- разработка методики расчета образования ТОХ в газомазутных котлах на базе полученных аналитических зависимостей.

Научная новизна полученных автором результатов заключается в следующем:

1. Предложен кинетический механизм образования оксидов серы при сжигании органических топлив и усовершенствован пакет прикладных программ "РОСА" для расчета выхода оксидов серы и азота при сжигании органических топлив.

2. Сформулированы основные принципы стадийного сжигания, позволяющие минимизировать выбросы оксидов азота при сжигании твердых топлив.

3. Выявлено, что реальный выход оксидов азота в топках газомазутных котлов полностью описывается четырьмя основными характеристиками зоны активного горения.

4. Получены аналитические зависимости выхода Шх от характеристик ЗАГ.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечена проведенной оценкой точности математической модели, применением современных численных методов решения, удовлетворительным совпадением результатов расчетов с имеющимися в литературе опытными данными различных авторов.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

1.Усовершенствован 1ШП "РОСА", который позволяет оценить выбросы оксидов серы и азота для действующих и проектируемых

котлов. Пакет используется в ВТИ и АО "Белэнергомаш".

2. Разработаны общие принципы и подходы к использованию ПГШ "РОСА" для решения практических задач расчета выхода оксидов азота и серы в реальных энергетических установках.

3. Предложены новые конструкции пылеугольных и газомазутных горелок стадийного сжигания, обеспечивающие пониженный выход оксидов азота.

4. Разработана инженерная методика расчета выбросов оксидов азота водогрейными и паровыми газомавутными котлами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены:

1. На IX Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву. Суздаль, ноябрь 1989.

2. На Республиканской научно-технической конференции "Экологические проблемы теплоэнергетики". Украинская ССР, Одесса, октябрь 1990.

3. На I Всесоюзной конференции "Математическое моделирование физико-химических процессов в энергетических установках". Казань, февраль 1991.

4. На VII Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену. "Теория и практика комплексной оптимизации радиационного теплообмена и горения при сжигании органических топлив в энергетике и промышленности. Проблемы экологии, надежности и энергосбережения". Ташкент, октябрь 1991.

5. На X симпозиуме по горению и взрыву. Черноголовка, сентябрь 1992.

6. На научных семинарах кафедры Парогенераторостроения МЭИ в 1991-1995 г.г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы тезисы пяти докладов, 7 статей и И отчетов по НИР МЭИ за 1990-1994 г.г.

Личный вклад автора заключается:

- в разработке кинетического механизма образования оксидов серы, усовершенствовании ГОШ "РОСА", оценке достоверности;

- в разработке подходов и принципов использования ППП "РОСА" для решения реальных практических задач;

- в разработке конструкций малотоксичных горелочных устройств;

- в обобщении экспериментальных данных по выбросам оксидов азота при сжигании газа и мазута в зависимости от различных

конструктивных и режимных условий;

- в разработке инженерной методики расчета выхода оксидов азота водогрейными и паровыми газомазутными котлами и оценке ее достоверности.

Автор защищает результаты теоретических исследований, их обобщение и рекомендации по внедрению; разработанную инженерную методику расчета выбросов оксидов азота газомазутными котлами.

Структура- и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 215 наименований. Работа содержит 157 страниц машинописного текста, 94 рисунка, 21 таблицу и два приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации показана актуальность работы, дана общая характеристика исследуемых работ.

В первой главе выполнен обзор литературных данных по кинетическим механизмам образования оксидов азота и серы. Приведены зависимости влияния состава топлива и различных режимных факторов на выход быстрых, топливных, термических оксидов азота, ге-миоксида и диоксида азота, а также сернистого и серного ангидридов. Отмечено, что выход оксидов азота зависит от серосодер-жания топлива.

Проанализированы подходы к моделированию процессов образования и разложения оксидов азота в газовом тракте различных энергетических установок.

Приведен обзор наиболее известных математических моделей и расчетных методик, описывающих процессы образования оксидов азота. Показана необходимость усовершенствования ранее разработанной кинетической модели, реализованной в ППП "(ЗОРЕНО", путем включения в механизм реакций реагирования серосодержащих компонентов, с целью расширения возможностей и усложнения уровня решаемых задач. Отмечено, что достоверность существующих инженерных методик расчета выхода оксидов азота, основанных на эмпирическом подходе невысока. Поэтому существует необходимость в создании достоверных аналитических методик расчета.

В конце главы формулируются задачи исследования.

Во второй главе разработан кинетический механизм образования и разложения оксидов серы 50г и БОэ, усовершенствован ППП "РОСА" и проведена проверка достоверности усовершенствованной

- ? -

модели.

Пакет прикладных программ "РОСА" является усовершенствованной версией математической модели и ППП "КМЖГ, разработанного ранее на кафедре ПГС под руководством П.В.Рослякова.

При сжигании сернистых топлив происходит подавление образования оксидов азота, поэтому для адекватного описания процессов образования и разложения N0 в кинетический механизм нужно было включить реакции, описывающие окисление серосодержащих компонентов топлива и образование оксидов серы (БОг, БОз).

При участии автора настоящей работы разработан расширенный кинетический механизм образования оксидов серы. Разработка кинетического механизма и выбор констант химических реакций проводились на основе тщательного анализа работ различных авторов и детального сопоставления расчетных и опытных данных.

Механизм реагирования серосодержащих вещёств представлен реакциями взаимодействия 8 компонентов (НгБ, Эт. БН, Б, Бг, Б0, БОг, БОз). Итоговый кинетический механизм включает 140 обратимых реакций реагирования 38 исходных, промежуточных и конечных продуктов реакций.

Оценка достоверности модели, реализованной в ППП "РОСА", предназначенного для расчета выхода оксидов азота и серы в различных энергетических установках, включала:

- сопоставление термодинамически равновесного состава продуктов сгорания газовоздушных смесей, рассчитанных с помощью ППП "РОСА", с известными термодинамическими данными в широком диапазоне изменения давлений, температур, избытков воздуха и степени обогащения воздуха кислородом;

- сравнение экспериментальных результатов, полученных на опытных стендах и установках, с расчетными данными по динамике образования и разложения веществ, вынолненных для идентичных условий;

- проведения качественной и количественной сравнительной оценки экспериментально измеренных и расчетных выходов оксидов азота и серы применительно к реальным энергетическим устройствам.

Гарантируемая область существования решения определяется следующими диапазонами исходных данных: коэффициент избытка воздуха « =0.5+5.0; степень обогащения воздуха кислородом Ког = 0+1.0; доля газов рециркуляции I? = 0+0.3; температура топливо-воздушной смеси Т = 600+3000 К; давление смеси

Р=0.1+10 ата; мольная доля вводимого аммиака 0 = Мз/МО = 0+10.

В указанных диапазонах погрешность решения для ЛПП "РОСА" не превышает ±(15+25)%.

Хорошее качественное и количественное совпадение расчетных и экспериментальных результатов (рис.1,2, табл.1) позволяет сделать вывод о том, что ШШ "РОСА" может успешно использоваться для широкого класса научных и инженерных задач. С его помощью с достаточной точностью может быть предсказан выход Шх и Б0Х в топках котлов, промышленных печах, горелочных устройствах и камерах сгорания.

Все расчетные исследования, выполненные в диссертационной работе проводились с помощью ШШ "РОСА".

В третьей главе разработаны общие принципы и подходы к использованию ППП "РОСА" для расчета динамики образования оксидов серы и азота по тракту реальных энергетических установок.

Исходными данными для расчета выхода оксидов азота и серы с помощью ППП "РОСА" являются: состав топлива; концентрационные условия; температурные поля или условия теплообмена; которые должны быть определены в каждом конкретном случае.

Концентрационные условия определяются режимными характеристиками процесса сжигания топлива, такими как: коэффициент избытка воздуха а, степень обогащения окислителя кислородом Ког и рециркуляция продуктов сгорания Я (если она имеется). Эти режимные параметры задаются в качестве исходных данных.

Для расчета образования N0* при ступенчатом сжигании топлива концентрационные условия задаются в виде профиля изменения коэффициента избытка воздуха по длине факела сс(1ф).

Позонный тепловой расчет позволяет получить эпюру температур по длине факела Т(1Ф), а математическая модель, реализованная в ППП "РОСА",решает временную задачу химической кинетики, в которой изменение всех параметров ведется не по длине факела, а по времени. Поэтому, полученные концентрационные а(1ф) и температурные Т(1ф) характеристики процесса сжигания топлива перес-читываются на временную координату «(т) и Т(т). Для этого определяются локальные скорости движения продуктов сгорания на каждом участке факела с учетом химического реагирования и температурного расширения.

Все отличия в применении ППП "РОСА" к частным задачам сводится к различиям в проведении позонных тепловых расчетов и аэродинамических расчетов смешения в каждом конкретном случае.

■10г% 50з Юг%

f-

iL7 го 30 Но SD 60

мсек.

Рве Л. Изменение концентрат! веществ и температуры газов по длине мазутного факела в предтопке с первсекащимися отруяьш котла ТП-43

Рже.2. Зависимость выхода ЗОз от саросодархаяня ыазута:

(I- пра Т~1870К, 2- при ТЧ470К)

Таблица 1

Сопоставление расчетных и опытных данных по конечному выходу оксидов азота (в пересчете на N02, г/м3) из паровых котлов

Тип котла, топливо Концентрация оксидов азота в дымовых газах Относительная погрешность %.

Эксперимент Расчет

1. БКЗ-420-140 HTM

природный газ, R=217. 0.18 0. 197 9.4

[ДКТИ]

2. ТГМП-344А

природный газ, R=0 1.27 1. 34 5.5

природный газ, R=26£ 0.22 - 0. 195 11.4

мазут, R=0 0.685 0. 64 6.6

мазут, R-2&% 0.32 0. 33 3.1

[ВТИ]

3. БКЭ-320-140ГМ8

мазут, R=0 0.6 0. 575 4.2

мазут, R=12% 0.385 0. 38 1.3

[автор]

4. БКЗ-75-З.9 ГМА

мазут 0.29 0. 295 1.7

[Росляков П.В.]

5. БКЗ-500-140-1

березовский уголь Б2 0.34 0. 382 12.4

[Маршак Ю.Л. 3

> -

ю -

ППП "РОСА" был использован для расчета образования И0Х в факеле проектируемой вихревой пылеугольной горелки котла Е-75-3,9 при сжигании ирша-бородинского угля и оптимизации стадийного сжигания твердых топлив с целью обеспечения минимального выхода оксидов азота.

При сжигании твердых топлив образуются быстрые, топливные и термические оксиды азота. Для максимального снижения выхода N0* при сжигании твердых топлив требуется осуществить условия, необходимые для одновременного подавления всех типов оксидов азота. Согласно исследованиям различных авторов, подавление термических оксидов азота обеспечивается либо пониженными температурами, либо пониженными избытками воздуха в зоне активного горения. Выход топливных оксидов азота при сжигании твердых топлив происходит на стадии выгорания летучих, поэтому для снижения выхода ШТОпл на данном участке факела необходимо иметь избытки воздуха близкие к величине выхода летучих и невысокий темп прогрева. Для снижения выхода быстрых оксидов азота требуется обеспечить в зоне воспламенения летучих избытки воздуха меньше 0.55+0.65, тогда произойдет интенсивное восстановление уже образовавшихся быстрых оксидов азота. Все эти условия могут быть реализованы в одном факеле путем организации сжигания топлива в несколько стадий.

Расчетно-теоретические исследования различных вариантов стадийного сжигания показали, что для минимизации выхода ДОХ сжигание твердого топлива должно быть организовано в 4 стадии, отличающихся избытками воздуха и продолжительностью (рис.3).

Выполненные на базе полученных рекомендаций расчеты показали, что четырехстадийное сжигание ирша-бородинского угля в котле Е-75-3,9 позволяет существенно снизить выход оксидов азота (по сравнению с заводским вариантом) до 195 мг/м3.

Известно, что при сжигании газомазутных топлив наиболее эффективными являются внутритопочные мероприятия по ограничению выбросов оксидов азота, которые позволяют снизить образование N0* непосредственно в процессе сжигания топлива. Для газомазутных котлов наиболее эффективными внутритопочными мероприятиями являются рециркуляция продуктов сгорания в зону активного горения и ступенчатое сжигание топлива.

Основной принцип реализации ступенчатого сжигания топлива в горелках заключается в разделении воздуха на два и более потоков. При этом угол раскрытия периферийного конуса больше угла

A4V,

_ icmaQuf £cma9uf ¡СП)Л9Щ_ ¿i Cmat)Uf>

_ Выход $ысл '¡рыж. и ^ ^^ "^Х i О&разоЁание

топ/ги&ных- Но / у л/о У . /

У термических, ыо N0

---\j_

Ыг

С<4 oi2

Рис.3. Динамика выхода оксидов азота по длине факела в зависимое та от условия подвода воздуха:

1 - одностадийное саагание;

2 - четырехстадн1ное сжигание

■<Р

\Ч£>/1Вт/»г

f.o-He/tttf,i9

з-ь-ол^о.гэ >о

f-i-о.г ю,9 m

IS

ol

о,z 0,4 0,6 0,2 1,0 п^'Ш о 0,1 0,4 0,6 o,s T3Ar,c a.) m* 5)

Рвс.4. Влияние тепяонапряжеиия юны акгивяого горения (а) I временя пребывания продуктов сгорания в ЗАГ (б) на выход шведов axon

раскрытия внутреннего конуса, благодаря чему и происходит разделение воздушных потоков на начальном этапе развития факела. Усиление эффекта отделения потоков воздуха, а значит и подавление эмиссии N0X, возможно добиться за счет ввода "экрана" из газов рециркуляции, подаваемого в "рассечку" воздушных потоков. Еще большее снижение выхода оксидов азота в факеле горелки ступенчатого сжигания будет наблюдаться при вводе газов рециркуляции непосредственно в топливо.

В задачу настоящей части работы входила доработка конструкций газомазутных горелок котла БКЗ-420-140-НГМ-4, сжигающего природный газ и котла БКЭ-320-140ГМ8, сжигающего мазут с целью снижения содержания N0X в уходящих газах этих котлов до уровня ВДВ.

Выполненные расчетные исследования показали, что содержание оксидов азота в уходящих газах котла БКЗ-420-140-НГМ-4, при вводе в дутьевой воздух газов рециркуляции в количестве 20% составляет 195 мг/м3. Это существенно выше ПДВ.

Для котла БНЗ-420-140-НГМ-4 были предложены две конструкции малотоксичных вихревых горелок: с "экранным" вводом газов рециркуляции; с вводом газов рециркуляции в топливо. Проведенные расчетные исследования с помощью ППП "РОСА" показали, что выход оксидов азота с уходящими газами котла БКЗ-420-140-НРМ-4 при установке малотоксичных горелочных устройств составит соответственно 120 и 95 мг/м3, что ниже установленного норматива ВДВ.

Выброс оксидов азота котлом БКЗ-320-140ГМ8, оборудованным газомазутными горелками ГМУ-45-11, составляет 570 мг/м3 без рециркуляции и 320 мг/м1-1 с рециркуляцией продуктов сгорания в количестве 12% в воздух (в пересчете на стандартные условия). Увеличение доли рециркулирующих газов невозможно из-за технического состояния вспомогательного оборудования, поэтому с целью значительного снижения выбросов N0X в атмосферу была предложена конструкция трехпоточной малотоксичной горелки стадийного сжигания. Конструкция горелки определяет протекание процесса горения топлива в три стадии.Конечный выход N0X в факеле малотоксичной горелки в отсутствии рециркуляции продуктов сгорания составляет 260 мг/м3 и 160 мг/м3 в случае подачи газов рециркуляции вместе с горячим воздухом в количестве 12Z (в пересчете на стандартные условия).

Для наращивания мощности и замены устаревшего оборудования

намечено широкое внедрение на тепловых электростанциях ГТУ с котлами-утилизаторами. В связи с этим частью диссертационной работы стали исследования процессов образования оксидов азота вдоль тракта комбинированной установки, включающей газотурбогенератор ГТГ-12 и котел-утилизатор КВГМ-209-150. Сжигание природного газа в котле-утилизаторе осуществлялось в выхлопных газах ГТУ. При реализации традиционной схемы сжигания топлива в топке котла-утилизатора происходило дополнительное образование оксидов азота. Для подавления образования N0, а также их восстановления до N2 в топке котла были исследованы несколько схем ступенчатого сжигания, включая двух- и трехступенчатое сжигание. Наиболее оптимальным оказалось трехступенчатое сжигание природного газа, позволяющее обеспечить выброс N0* на уровне 95+100 мг/м3.

Четвертая глава посвящена разработке теоретических основ для создания инженерной методики расчета выбросов оксидов азота газомазутными водогрейными и паровыми котлами.

Действующая в настоящее время отраслевая методика расчета выхода оксидов азота при сжигании газа и мазута РД 34.02.304-88 является эмпирической, основывается на формальных параметрах и коэффициентах и поэтому имеет ряд существенных недостатков. В частности, методика не учитывает влияние времени пребывания продуктов сгорания в зоне горения; влияние теплонапряжения, описано зависимостью, противоречащей реальному физическому процессу; эффективность внутритопочных мероприятий не зависит от индивидуальных характеристик котлов и проч.

Экспериментальные исследования, проведенные ИВТАН и Институтом газа Украины показали, что процесс образования оксидов азота практически полностью завершается в зоне активного горения и, следовательно, зависит от условий сжигания топлива в ЗАГ и ее характеристик.

Ранее было показано, что на практике реальный выход Шх пропорционален теплонапряжению (длг) и времени пребывания продуктов сгорания в зоне активного горения (х'заг)- Однако величина Ялг не отражала действительное количество тепла, поступающего в ЗАГ.

В рамках данной работы теплонапряжение зоны активного горения Цзаг описывает полное количество тепла поступающего в ЗАГ, которое корреспондирует со значением Тад- Но выход оксидов азота определяется не адиабатной Тад, а максимальной температу-

рой в ЗАГ (Тщах), которая определяется не падающим тепловым потоком, а отраженным. Поэтому в качестве характеристики определяющей выход оксидов азота используется отраженный тепловой поток {с,°Укг), определяющий не только Тщах> но и среднеинтеграль-ную температуру в зоне активного горения Тзаг. Кроме этого образование оксидов азота в ЗАГ определяется коэффициентом избытка воздуха схзаг и временем пребывания продуктов сгорания в зоне активного горения тзаг.

В результате проделанной в рамках данной работы обработки большого числа экспериментальных данных получены зависимости выхода оксидов азота от отраженного потока зоны активного горения и времени пребывания продуктов сгорания в ЗАГ ?заг (рис.4).

Проведенный анализ показал, что образование оксидов азота в топках газомазутных котлов полностью описывается характеристиками ЗАГ Тзаг, «заг, Хзаг).

На основании ранее проведенных расчетно-теоретических исследований влияния различных режимных факторов на выход оксидов азота были определены функциональные зависимости выхода оксидов азота от основных характеристик ЗАГ: д°заг. Тзаг. осзаг. тэаг (рис.5-8). Математическое описание итогового выхода оксидов азота имеет вид:

Шх= [ао+а1 • ехр ^аг • ]х [ехР (^э&г)" * [аз+а4 • («заг-ао)+

+35-(азаг-«о)г+аб-(а3аг-ао)Э+а7-(а3аг-ао)4]хх3аг, ррт (1)

В пятой главе проведено обобщение экспериментальных данных по выбросам оксидов азота действующими газомазутными котлами выполненных различными авторами за последние 20 лет.Первоначально было отобрано около четырехсот экспериментальных данных по выходу N0* для 28 типов действующих паровых и водогрейных котлов газомазутных котлов. Однако затем большая часть опытных точек была отброшена из-за недостатка необходимой информации или малой их достоверности.

Основным методом обработки статистической информации является регрессионный анализ. Регрессионный анализ позволяет рассчитать коэффициенты' функциональной зависимости (1) и проверить адекватность полученного уравнения. На основе регрессионного

%г)

ЮО 10 ео Ьо г о о

У

1 /

г / /

"У

8оо

12ао 1боа ¿00° Рис .5 Вид фулказн КЪаг):

1-газ

¿-мазут _

0,7 0,2 0,9 1.0 1,1 1.2 1.1 еОдг

Ряо .6 Вад фуннциальной зависимости

мазут А 1'

131,7(¿ЗАг~ т)Ч+ 72.3-,

Сзу-Ш)'

г-гсоР&^тШ0^

43,1(^1^59,^1,07)*+

О о,г ОМ 0,6 0.8 1.0 0 1 г 3 н 5 еЪлг

РисВад функция

,огр

•■ШАГ 1

'ЗАГ

анализа были получены значения коэффициентов а; в уравнении (1). При сжигании газа: ао=-4.7, а1=26.0. а2=0.2б, аз=13.0, 34=9.6, а5=59.4, ае=18.1, а7=-79.8, «о=1.07, Т0=1700. При сжигании мазута : ао=-12.3, а1=24.3, а2=0.19, аз=15.1, а4=2.8, а5=73.0, аб=72.3, а7=-131.7, оо=1.09, Т0=1650.

Оценка достоверности полученных уравнений множественной регрессии проводилась в два этапа. На первом этапе адекватность модели проверялась путем оценки тесноты статистической связи между факторами (основными характеристиками ЗАГ) и коэффициентов парной корреляции выхода И0Х и определяющих факторов (характеристик ЗАГ), а также с помощью критерия Фишера, характеризующего адекватность представления реальной поверхности отклика уравнением множественной регрессии. Оценка достоверности показала, что описание поверхности отклика уравнением регрессии (1) с коэффициентами а1 адекватно и эти уравнения могут использоваться в качестве математической модели образования оксидов азота в топках газомазутных котлов.

Второй этап заключался в непосредственном сопоставлении расчетных и экспериментальных данных по выходу Шх, определении относительной погрешности расчетной методики и проверке качественного и количественного влияния различных режимных условий на выбросы И0Х.

Качественное и количественное сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей (рис.9-14) показало, что в широком диапазоне изменения режимных параметров: коэффициент избытка воздуха в ЗАГ «=0.7+1.4; доля газов рециркуляции, подаваемых в ЗАГ 1?=0+35%; доля влаги, вносимой в ЗАГ ¡£=0*35%; доля воздуха, вводимого во вторую ступень горения при ступенчатом сжигании 6=0+33% погрешность расчета выхода Шх по формуле (1) не превышает ±15%.

Дана сравнительная оценка предлагаемой методики и действующей отраслевой методики РД 34.02.304-88.

В приложении I приведена методика расчета выбросов оксидов азота водогрейными и паровыми газомазутными котлами.

В приложении II показан пример расчета концентрации оксидов азота при сжигании природного газа в котле ТГМП-204ХЛ по методике МЭИ.

о* (¿-.у Газ

ррт\- расчет

.опытные+ь - -данные

ррт

О,< 0,9 1,0 1,1 /,г 1,3 ЫЗАГ Рис.9. Зависимости ¿нящя N0%

от ихытка ыазуха. ВЗАР-у- а-ТГМП-1202 [ЩтсгАЬман С.Г.]

г-ь-тгмп-ич [¿о/)ко£хл.] ц.^.тгм-д($ [ втиз

/-0-/7ТВН-0О [йёторЗ

Ь-&~БКЗ*0 -ЪаШтор]

у „,. ... 1.1 7.Г 13 г

Рис.10. Зэьисиноапи ьыхфх ЫОк от изттка ШЗЦха. Б ЗА Г: 1- к-ТГпп-гочхл СКармирицын 8.И.1 1-%-П*-Ч1 С ВТИ] 3~Ь-61в-ЗгО^Ч0ГМ& САёторЗ

ц.&тмп'Згч с вти!

¡*-6№'Ч20-(ЧОНГм С Мита р£. 61

~Г

газ расчет

ао.Д.ф.о. Опытные зонные

& го

_ рРт

т

300 гоо 100 о

1 1 1 Мазут

■ --расчет - о

Опытные Зонные

о

■3

а 7 ¡о Т5 ¿о г* зо

Рис Л Зоыкамости ¿ЫХОра /V'Оц от Рис.12. Зависимость ¿¿охра ЫО* от

ррт

рециркуляции газаб: I. ъ-ТГЦП-1гог СштаМман С.Г.] г- а- тгмп- гош [ирршнмховм!,

3- Ь-ГГМр-ЗГЧ С8М*оГ Э-П.] - 5-

-ТГмП-ЗЧЧ С ВТИЗ

рециркуляции газ об:

{- А- ТГМП- 20ЧХР[Корми/)ицот В. «3 г-в-ТГмп-ач Свгнз

ъ-ъ-тгмп-314 С ВТИЗ

ррт кОО 300 г,оо

о 5 ю <5 го гз Рис-13. влирниг 5§о$а Беды /да ¿Ыхо$ Л/Ох: 1- О-ТГМП-£ОЧКП(Я-£%)[и,ирулЬ -

юо о

о 5 /з го г? зо ¿г/0

Рис.1 Ч. Зависимость ьыхода А^ от дом вторичного ё03$уха

1-Ь-Ттп-2М*Л; 2-0-Тгм-ЗЧ[ЦцрцАнм1/\м1

э-ч-тгм-Я6; чо-тгмь-зчч Свтю

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Предложен кинетический механизм образования оксидов серы при сжигании органических топлив. Оценка достоверности модели показала, что в широком диапазоне изменения режимных параметров погрешность расчетов выхода 50х и ДОХ не превышает ±(15*20)%.

2. На базе предложенного кинетического механизма усовершенствован ППП "РОСА", который позволяет оценить уровень выбросов оксидов серы и азота в действующих и проектируемых котлах и камерах сгорания энергетических установок с учетом конструктивных и режимных условий, проводить исследования по разработке и совершенствованию методов снижения выбросов оксидов азота.

ППП "РОСА" передан во Всероссийский теплотехнический институт (ВТИ) и АО "Белэнергомаш".

3. Предложены общие принципы использования ППП "РОСА" и показана возможность его применения для расчетов динамики образования оксидов азота и серы для топочных устройств котлов, камер сгорания энергетических установок, а также различных конструкций горелочных устройств (при традиционных и нетрадиционных режимах сжигания).

4. Проведенные на базе ППП "РОСА" расчетные исследования стадийного сжигания позволили разработать условия минимизации выхода Шх на всех стадиях процесса горения и предложить новые конструкции пылеугольных и газомазутных горелок стадийного сжигания с выбросами оксидов азота ниже уровня ГЩВ.

5. Выявлено, что на практике реальный выход оксидов азота в топках газомазутных котлов может полностью описываться четырьмя основными характеристиками зоны активного горения (ЗАГ): отраженным тепловым потоком; среднеинтегральной температурой продуктов сгорания, временем пребывания газов в ЗАГ и коэффициентом избытка воздуха. Определены функциональные зависимости образования N0* от указанных основных характеристик ЗАГ и с помощью регрессионного анализа получены аналитические зависимости для расчета выхода оксидов азота в топках паровых и водогрейных котлов при сжигании природного газа и мазута.

6. Показано, что эффективность внутритопочных мероприятий, снижающих выбросы N0*, определяется конкретными значениями основных характеристик ЗАГ топочных камер котлов.

7. Разработана инженерная методика расчета выбросов оксидов при сжигании газа и мазута в паровых и водогрейных котлах в зависимости от режимных и конструктивных параметров процесса сжигания. Методика может быть использована для действующих и разрабатываемых котлов при более широких диапазонах изменения режимных и конструктивных параметров и с меньшей погрешностью, чем отраслевая методика РД 34.02.304-88.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Буркова A.B., Колесникова Л. Е., ЗинкинаВ.Н., Степанова E.H. Программа расчета кинетики образования и разложения оксидов азота при горении углеводородных топлив // Кинетика химических реакций: Матер. IX Всесоюз. симпоэ. по горению и взрыву. 19-24 ноября 1989 г. - Суздаль, 1989. - С.45-48.

2. Росляков П.В., Тимофеева С. А., Зели юкий А. Э., Буркова A.B., Колесникова Л.Е. Обобщение рекомендаций по выбросам оксидов азота при сжигании пылеугольных топлив // Экологические проблемы теплоэнергетики: Тез. докл. Респуб. науч. техн. конф. 24-26 октября 1990 г.- Одесса, 1990,- С.20-21.

3. Росляков П. В., Колесникова Л.Е., Буркова A.B. Минимизация выбросов оксидов азота комбинированными энергетическими установками на базе ГТУ // Проблемы экологии, надежности и энергосбережения: Тез. докл. VII Всесоюз. конф. по теплообмену. 21-23 октября 1991 г.- Ташкент, 1991.- С.56.

4. Росляков П.В., Буркова A.B., Колесникова Л.Е. Экспериментальные исследования малотоксичной технологии ступенчатого сжигания топлива // Горение: Тез. докл. X симпоз. по горению и взрыву. Сентябрь 1992 г. - Черноголовка, 1992,- С.203-204.

5. Росляков П.В., Колесникова Л.Б^ Чжун Бэйцзин. Пакет прикладных программ для расчета эмиссии оксидов серы и азота в энергетических установках // Кинетика химических реакций: Тез. докл. X симпоэ. по горению и взрыву. Сентябрь 1992 г. - Черноголовка, 1992. - С.35-36.

6. Росляков П.В., Егорова Л.Е..Буркова A.B. и др. Минимизация выбросов оксидов азота комбинированными энергетическими установками на базе ГТУ малой мощности // Теплоэнергетика. -1993. - N7. - С.49-54.

7. Егорова Л.Е.. Росляков П.В., Буркова A.B. и др. Математическое моделирование и расчет эмиссии токсичных продуктов

сгорания органических топлив // Теплоэнергетика. - 1993. - N7. - С.63-68.

8. Росляков П.В., Двойнишников В.А., Егорова Л.Е. и др. Экспериментальные исследования новой технологии ступенчатого сжигания топлив с восстановлением оксидов азота // Электрические станции. - 1993. - N9. - С.14-21.

9. Росляков П.В., Чжун Бэйцзин, Егорова Л.Е. Минимизация выбросов оксидов азота при стадийном сжигании углей / 2-nd Asian-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization. - 1993. - P.405-410.(на англ.яз.)

10. Росляков П.В., Двойнишников В.А., Буркова А.В., Егорова Л.Е. Новая технология восстановления оксидов азота азотсодержащими веществами при ступенчатом сжигании топлив // Тяжелое машиностроение. - 1994. - N1. - С.11-15.

11. Росляков П.В., Егорова Л.Е., Чжун Бэйцзин. Принципы стадийного горения твердых топлив, обеспечивающие минимальный выход оксидов азота // Теплоэнергетика.- 1994. - N12.- С.51-55.

Подгшсана к печати Л— , _ - 4 л

Псч. л. Тираж {QQ Заказ ЬтЗ

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.