автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Разработка способов снижения и метода расчета выбросов оксидов азота при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах



Московский Государственный Открытый Университет

Разработка способов снижения и метода расчета выбросов оксидов азота при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научным руководител ь: проф Марченко Е.М. Научный консультант - к.т.н. Котлер В.Р.

На правах рукописи

С.Е. Беликов

Москва 1999 г.

Содержание

Введение.............................................................................................................3

Глава I. Состояние вопроса и постановка задачи.............................................8

1.1. Проблема загрязнения атмосферы оксидами азота.........................8

1.2. Образование оксидов азота при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах.........................................................14

1.3. Методические проблемы при оценке экологических характеристик промышленных и отопительных котлов.................................21

1.4. Постановка задачи........................................................................34

Глава II. Исследование экологических характеристик промышленных и отопительных котлов на природном газе........................................................36

2.1. Топочно-горелочные устройства и их влияние на образование оксидов азота...................................................................................................36

2.2. Зависимость выбросов оксидов азота от нагрузки котельных установок.........................................................................................................41

2.3. Зависимость выбросов оксидов азота от избытка воздуха...........55

2.4. Влияние конструкции горелок на образование оксидов

азота при сжигании природного газа...............................................................77

2.5. Нестехиометрическое сжигание, как средство снижения выбросов оксидов азота...................................................................................85

Глава III. Исследование технологических методов подавления оксидов азота для промышленных и отопительных котлов на природном газе..........94

3.1. Эффективность рециркуляции дымовых газов при сжигании природного газа................................................................................................95

3.2. Эффективность двухступенчатого сжигания природного

газа в промышленных и отопительных котлах............................................114

Глава IV. Методика расчета мощности выбросов оксидов азота для действующих и проектируемых котлов........................................................127

4.1. Расчет мощности выбросов оксидов азота по результатам измерения концентрации ИОх........................................................................127

4.2. Расчетный метод для оценки мощности выбросов

оксидов азота.................................................................................................135

Выводы..........................................................................................................146

Введение

Одной из серьезнейших проблем современности является опасность чрезмерного загрязнения атмосферы токсичными оксидами азота ЫОх, образующимися при сжигании всех видов органического топлива. По общему признанию, основная масса выбросов ЫОх приходится на крупные котлы тепловых электростанций. Однако ТЭС, как правило, расположены на некотором расстоянии от городов и оборудованы дымовыми трубами высотой 120-420 м. Благодаря рассеиванию концентрация ЫОх на уровне дыхания человека снижается в десятки тысяч раз, так как максимальная приземная концентрация прямо пропорциональна массе выбросов МщЯ обратно пропорциональна

квадрату высоты дымовой трубы Я [1].

Котлы промышленных и отопительных котельных потребляют меньше органического топлива, чем тепловые электростанции, однако расположены они в городах и высота дымовых труб составляет, как правило, 30-60 м. В результате этого во многих городах именно небольшие по мощности котельные, наряду с автотранспортом, определяют уровень приземной концентрации оксидов азота.

По сведениям Госкомстата Российской Федерации в 1993 г. в России эксплуатировалось более 219 тыс. таких котлов суммарной тепловой мощностью 988 тыс. МВт (849600 Гкал/ч). В течение года производство тепловой энергии промышленными и отопительными котлами составило 5633 млн. ГДж (1345 млн. Гкал), а общий расход топлива превысил 233 млн.т условного топлива [2].

Только на промышленных предприятиях г. Москва установлено 1840 котлов, суммарная мощность которых составляла 52800 МВт (45400 Гкал/ч), а расход топлива в 1993 г. достиг 16367 тыс.т условного топлива. Понятно, что сжигание такой массы органического топлива на установках, расположенных непосредственно в черте города и не

оборудованных, как правило, средствами очистки дымовых газов создает весьма опасную экологическую проблему.

В последние годы, особенно после принятия Закона об охране атмосферного воздуха, местные органы санитарно-гигиенического надзора, а также контролирующие организации Госкомитета по экологии и охране окружающей среды усилили контроль за соблюдением норм предельно-допустимых выбросов. Это заставляет руководителей предприятий, в состав которых входят котельные, заботиться не только о надежности и экономичности установленных там котлов, но и внедрять природоохранные мероприятия, снижающие выброс токсичных и других загрязняющих веществ в атмосферу.

В большинстве городов Европейской части России основным топливом для промышленных и отопительных котельных является природный газ. В Москве, например, на газе работает 76% всех котельных, в Санкт-Петербурге - 70,5% и т.д. [2].

В перспективе можно ожидать дальнейшего роста использования природного газа во всех секторах промышленности, включая коммунально-бытовой сектор и тепловые электростанции. В работе [3], например, основываясь на материалах 16^ конгресса Мирового Энергетического Совета (Токио, октябрь 1995 г.), авторы приводят следующие цифры прогнозного баланса природного газа по России:

Показатели 1990г 1994г 1997г 2000г 20 Юг

Добыча природного газа, млрд.м3 641 607 655 690 850

Внутренне потребление, млрд.м3 460,5 411,2 420 439 503

В том числе: электростанции и отопление, млрд.м3 278,3 252 251 262 303

бытовой и промышленный сектор, млрд.м3 28,3 38 41 42 40

Важнейшей особенностью природного газа, как органического топлива, является отсутствие в нем твердых примесей и серы. Благодаря этому при сжигании газа в атмосферу выбрасываются только оксиды азота Ы0Х(Ы0+Ы02) и оксид углерода СО. Токсичность последнего в

несколько раз ниже, чем токсичность ЫОх и, кроме того, при нормальном режиме работы котла концентрация СО в дымовых газах остается ничтожно малой (как правило, не выше 0,01% по объему).

Практически единственной экологической проблемой при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах являются оксиды азота, концентрация которых даже на небольших котлах, не имеющих воздухоподогревателя, достигает иногда 300-400 мг/нм3.

Применение установок по очистке дымовых газов от АЮх за котлом, практикуемое в крупной энергетике некоторых стран, считается нецелесообразным по экономическим соображениям как в Российской Федерации, так и в других промышленно развитых странах. Поэтому для защиты атмосферы от выбросов ЫОх в малой энергетике используют главным образом технологические методы подавления выбросов оксидов азота, которые состоят в изменении процесса горения как за счет режимных мероприятий, так и за счет новых конструкторских решений.

Многие технологические методы достаточно подробно исследованы и широко применяются на крупных котлах ТЭС, однако специфика промышленно-отопительных котлов и в первую очередь - размеры их топок, требуют, как правило, особого подхода к решению проблемы подавления оксидов азота. Опубликованные до настоящего времени работы по внедрению природоохранных мероприятий на промышленно-отопительных котлах имеют разрозненный, а иногда и противоречивый характер [4-6].

Другой задачей, стоящей перед энергетиками в области экологии, является правильный учет различных конструктивных и режимных факторов с точки зрения их влияния на образование оксидов азота. Получение такой информации могло бы не только облегчить задачу снижения выбросов АЮх в атмосферу, но и устранить те недостатки, которые пока что не позволяют с достаточной степенью надежности использо-

вать утвержденные в 1985 г. Госкомгидрометом Методические указания по расчетам выбросов оксидов азота для промышленно-отопитель-ных котлов [7].

Целью данной диссертационной работы является:

- Экспериментальное изучение образования оксидов азота при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах;

- Исследование влияния конструктивных и режимных факторов на количество образующихся оксидов азота;

- Проверка в промышленных условиях эффективности малозатратных методов снижения выбросов ЫОх;

- Разработка упрощенной методики расчета выбросов ЫОх по измеренной концентрации оксидов азота;

- Разработка Методических указаний по оценке выбросов N0* для тех случаев, когда отсутствует возможность измерить концентрацию 1Юх в дымовых газах.

Научная новизна работы заключается в установлении зависимости выбросов АЮх от режима работы отопительно-промышленных котлов с разными конструкциями горелок; в разработке основных принципов малозатратных технологических методов для подавления выбросов АЮх на действующих промышленно-отопительных котлах; в создании упрощенной методики расчета массовых выбросов КОх по измеренной концентрации оксидов азота на действующих котлах; в разработке методических указаний для оценки массовых выбросов АЮх при расширении действующих или при сооружении новых котельных.

Практическая ценность работы заключается в проверке на промышленных котлах режимных мероприятий, позволяющих в 1,5-2 раза снижать выбросы оксидов азота без дополнительных капитальных затрат; в разработке и проверке на большом числе котлов малозатрат-

ных реконструктивных мероприятий, позволяющих при сжигании газа в 2-6 раз уменьшать выбросы АЮх практически без снижения экономичности котельных установок; в создании упрощенной методики расчета мощности выбросов АЮх по измеренной концентрации оксидов азота для действующих котлов; в разработке методических указаний для оценки выбросов оксидов азота при отсутствии работающих котлов или при невозможности измерить концентрацию МОх.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены:

1. На Всероссийском совещании "Совершенствование структуры и управления коммунальным энергетическим хозяйством" (2728.08.92 г., г. Липецк);

2. На семинаре-совещании "Совершенствование работы и подготовка к зиме предприятий коммунальной энергетики. Снижение вредных выбросов в окружающую среду". (1-4 июня 1993 г., г. Москва);

3. На IV конференции стран СНГ "Проблемы экологии и эксплуатация объектов энергетики" (9-12 сентября 1996 г., г. Севастополь); Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 9 статей и монография (в соавторстве).

Автор защищает:

- результаты промышленных исследований по внедрению методов подавления оксидов азота на промышленно-отопительных котлах при сжигании природного газа;

- упрощенную методику расчета мощности выбросов оксидов азота по измеренной концентрации ЫОх для действующих котлов;

- методические рекомендации по расчету удельных выбросов и мощности выбросов ЫОх при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах.

Экспериментальная часть работы выполнена в промышленных и

отопительных котельных на предприятиях г. Москвы и Московской области. Аналитическая часть работы выполнена в Московском Государственном открытом Университете и во Всероссийском Теплотехническом научно-исследовательском институте.

Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям работы - профессору МГОУ Е.М. Марченко и ведущему научному сотруднику ВТИ В.Р. Котлеру, а также коллективу НПП "Импульс" за помощь в проведении экспериментальной части работы.

Глава I. Состояние вопроса и постановка задачи

1.1. Проблема загрязнения атмосферы оксидами азота

Количество оксидов азота, образующихся естественным путем (в результате жизнедеятельности бактерий, при вулканической деятельности и разрядах молний), значительно превышает антропогенные выбросы ЫОх, образующиеся в результате человеческой деятельности. Однако первые распределяются сравнительно равномерно по земному шару, а вторые сосредоточены в местах человеческой деятельности. В результате этого концентрация оксидов в воздухе городов обычно на 1-2 порядка выше естественной фоновой концентрации ЫОх, что создает серьезную санитарно-гигиеническую проблему, т.к. оксиды азота оказывают токсикологическое воздействие на здоровье людей. По данным [8], например, при концентрации Лг<92=150 ррш (308 мг/м3) возможны серьезные заболевания дыхательных путей со смертельным исходом, при концентрациях 50-100 ррш велика опасность заболевания бронхитом или воспалением легких.

Повышенная концентрация оксидов азота в атмосфере оказывает неблагоприятное воздействие на растительный и животный мир. Кроме того, оксиды азота участвуют в образовании фотохимического тумана-смога. Это явление наблюдается главным образом в городах с

интенсивным автомобильным движением и вследствие этого - с повышенной концентрацией углеводорода в воздухе.

Под действием солнечной радиации диоксид азота, обладающий высокой поглощающей способностью в ультрафиолетовой области, разлагается на монооксид азота и атомарный кислород, образующий озон [9]. Эта диссоциация приводит к большому количеству вторичных реакций, в результате которых появляется ядовитый туман-смог. В присутствии углеводородного фона - естественного спутника атмосферы промышленных городов, оксиды азота инициируют образование веществ с сильным токсическим действием - пероксилацетилнит-ратов (ПАН) и пероксибензолнитратов (ПБН). В результате суммарного воздействия оксидов азота, озона и соединений типа ПАН токсичность смеси возрастает более чем на порядок по сравнению с токсичностью исходных веществ.

Еще одна не менее серьезная проблема связана с кислотными дождями, которые образуются в результате взаимодействия с атмосферной влагой оксидов азота (а также сернистого ангидрида). При этом образуются слабые растворы азотистой и азотной кислот, в результате чего показатель рН атмосферных осадков снижается до опасного уровня. В

1983 г. рН осадков в канадской провинции Онтарио, граничащей с северо-восточными штатами США, опускался до 3,8, хотя обычно рН дождевых вод равен 5,65. Такое положение оказывает чрезвычайно вредное воздействие на леса, почвы и особенно - на озерные экосистемы: если в 1979 г. 140 озер в провинции Онтарио были мертвыми, то в

1984 г. число таких озер достигло 1200 [10].

Обследование лесов в ФРГ, проведенное в 1983 г., показало, что 34% деревьев медленно умирали, причем этот процесс интенсифицировался именно в те годы, когда возросли выбросы в атмосферу сернистого ангидрида и оксидов азота [11]. По оценке Федерального ведом-

ства охраны окружающей среды общий ущерб от вредных выбросов, с учетом разрушения строительных конструкций и архитектурных памятников, оценивался в 3-4 млрд. марок в год [12].

Отмечается и непосредственная опасность кислотных дождей для здоровья человека: по некоторым оценкам в результате их прямого или косвенного воздействия в Сев. Америке ежегодно умирало до 10 тыс. человек [10].

Для правильного выбора стратегического направления в борьбе с загазованностью атмосферы необходимо знать основные источники антропогенных выбросов ЫОх. Инвентаризация выбросов вредных веществ, которая уже проводится в развитых в промышленном отношении странах, показала, что несмотря на сравнительно низкую концентрацию в дымовых газах (от 100 до 2000 мг/м3 в пересчете на М32) суммарный выброс оксидов азота достаточно велик, а тепловым электростанциям и промышленным котельным принадлежат первые места среди искусственных источников загрязнения атмосферы оксидами азота.

По данным американских экологов, например, в 1985 г. в США антропогенные выбросы оксидов азота составили 20541 тыс.т. Из них примерно 6660 тыс.т (32,4%) приходилось на крупные тепловые электростанции и 3988 тыс.т (19,4%) - на промышленные котельные и другие топливосжигающие устройства. На другие стационарные источники приходились меньшие доли выбросов ЫОх и только выбросы от транспорта оказались более существенными [13].

Быстрый рост загазованности атмосферы оксидами азота в середине XX века привел к необходимости принятия законодательных мер, ограничивающих предельно допустимые концентрации ЫОх в приземном слое воздуха (система ПДК). Нормы ПДК установлены на основании медико-биологических исследований для каждого загрязняющего вещества в отдельности. Считается, что пребывание человека в атмо-

сфере, где концентрация загрязняющих веществ ниже ПДК, не сопровождается какими-либо вредными последствиями.

По законодательству Российской Федерации, как и в большинстве других стран, различают максимально-разовые ПДК (концентрация в пробе воздуха, отбираемого непрерывно в течение 20 мин) и сред