автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Снижение выбросов вредных веществ от котельных установок за счет оптимизации режимных параметров

Введение

Глава 1. Экологические проблемы энергетики и способы их решения

1.1. Основные загрязняющие вещества, выбрасываемые котельными установками

1.1.1. Оксиды углерода

1.1.2. Оксиды азота NOx 8 1.1.2.1 Образование оксидов азота 8 1.1.2.2. Методы по очистке дымовых газов от оксидов азота

1.1.3. Диоксид серы S

1.1.3.1. Общие способы сокращения выбросов серы во время сжигания

1.1.3.2. Общие способы обессеривания после сжигания

1.1.4. Золовые частицы

1.2. Комплексные методы снижения эмиссии вредных веществ

1.2.1. Водоугольное топливо (ВУТ) и водомазутные эмульсии

1.2.2. Применение цеолитов

1.3. Особенности сжигания углей Забайкальских месторождений

1.4. Котельные установки, оборудованные топками с кипящим слоем

1.4.1. Принцип существования кипящего слоя

1.4.2. Экологические преимущества топок с НТКС

1.4.2.1. Оксид серы

1.4.2.2. Оксиды азота

1.5. Выводы

Глава 2. Аналитическое определение эмиссии вредных веществ

2.1. Расчет выбросов оксидов азота

2.2. Нормативы выбросов вредных веществ в атмосферу

2.3. Математическая модель котла как генератора вредных выбросов

2.3.1. Получение математической модели

2.3.2. Учет изменения КПД

2.4. Выводы

Глава 3. Экспериментальное исследование работы котельных установок на предмет выбросов вредных веществ

3.1. Описание эксперимента

3.2. Анализ выбросов вредных веществ от слоевого котла

3.2.1. Котел при работе с повышенной нагрузкой вентилятора

3.2.2. Котел при работе на номинальном режиме

3.2.3. Котел при работе с пониженной нагрузкой вентилятора

3.3. Анализ выбросов вредных веществ от котлов с топкой НТКС

3.3.1. Влияние высоты слоя

3.3.2. Влияние изменения нагрузки и количества вторичного воздуха

3.3.3. Результаты измерений при изменении давления вторичного воздуха

3.4. Сравнение экологической эффективности котлов разных типов

3.5. Выводы

Глава 4. Расчет математической модели котла и ее практическое применение

4.1. Получение математической модели котельного агрегата с топкой НТКС

4.2. Получение математической модели котельного агрегата со слоевой топкой

4.3. Распределение нагрузки между котельными агрегатами как способ снижения выбросов вредных веществ

4.4. Выводы Заключение Список литературы

К концу XX - началу ХХ1в. человечество вплотную столкнулось с экологическими проблемами общепланетного характера. Одним из отрицательных факторов антропогенного влияния на окружающую среду является загрязнение атмосферы выбросами вредных веществ.

Понятие экологизации технологий производства состоит в проведении мероприятий, направленных на предотвращение отрицательного воздействия производственных процессов на окружающую человека среду. В отношении применения органических топлив, являющихся основными составляющими в общероссийском балансе потребления при производстве энергии, экологизация означает предотвращение выбросов в атмосферу образующихся при сжигании сотен миллионов тонн в год различных вредных веществ. Проводимые на энергоустановках природоохранные мероприятия в недостаточной степени соответствуют понятию экологизации технологий, так как технологические процессы, как правило, характеризуются низкой экосовместимостью, т.е. при их осуществлении не достигается комплексное предотвращение ущерба природной среде.

Значительная доля вредных выбросов приходится на тепловые электростанции и котельные, сжигающие твёрдое топливо, преимущественно угли. Основная масса загрязнителей приходится на крупные котлы ТЭС, но котлы средней и малой мощности, расположенные в пределах городов, отличаются низкими экологическими показателями, оборудованы недостаточно высокими дымовыми трубами, в результате чего именно они во многом определяют уровень приземной концентрации токсичных веществ.

Газоочистные сооружения, как и способы, связанные с конструктивными изменениями агрегата, как правило, дороги и поэтому не всегда экономически оправданы. Поэтому большее распространение получают малозатратные режимные методы снижения выбросов загрязняющих веществ.

Одним из перспективных типов топок являются топки с низкотемпературным кипящим слоем. В последнее время котлы малой и средней мощности, оборудованные такими топками, всё чаще вводятся в эксплуатацию, однако опыт работы с такими установками ещё небольшой. Поскольку процессы, протекающие в НТКС, недостаточно изучены, возникла необходимость проведения дополнительных исследований.

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в работах:

1 .Требунских, С.А. Распределение нагрузки между котельными установками с целью снижения суммарных выбросов вредных веществ. / С.А. Требунских // Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов: Сборник трудов третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, том 2. Благовещенск: издательство Амурского государственного университета, 2003г.

2.Требунских, С.А. Сравнение экологических показателей котлов Читинской ТЭЦ-2. / С.А, Требунских. Энергетика в современном мире. - Чита: ЧитГУ, 2003.

3.Требунских, С.А. Сравнение экологических показателей слоевого котла и котла с кипящим слоем. / С.А. Требунских // Молодые учёные Сибири: Материалы Всероссийской молодежной научно-технической конференции. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2003.

4.Требунских, С.А. Метод построения математической модели котельной установки. / С.А. Требунских // Молодежь Забайкалья: творчество и прогресс: VIII международная молодежная научно-практическая конференция. Чита: ЧитГУ, 2004.

5.Требунских, С.А. Получение математической модели котельной установки с НТКС. / С.А. Требунских // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. - Иркутск: Иркутский государственный технический университет, 2004.

6.Требунских, С.А. Исследование экологических показателей котельной установки с НТКС. / С.А. Требунских, С.А. Иванов. - Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. №6, 2004г.

7.Требунских, С.А. Применение математической модели котельной установки с целью экологической эффективного распределения нагрузки. / С.А.

Требунских. IV межрегиональная научно-практическая конференция «Кула-гинские чтения» (материалы конференции). Чита: ЧитГУ, 2004. 4.1.

8.Требунских, С.А. Расчёт распределения нагрузки между различными котельными установками. / С.А. Требунских. V межрегиональная научно-практическая конференция «Кулагинские чтения» (материалы конференции). Чита: ЧитГУ, 2005. ч.1.

Заключение

1. Анализ существующих способов снижения выбросов вредных веществ от котельных установок показал, что к настоящему времени разработано значительное количество методов для котлов с факельным сжиганием как твердого, так и жидкого и газообразного топлива.

2. Предложена универсальная математическая модель котельной установки как генератора выбросов вредных веществ.

3. Выявлено, что зависимости концентрации оксидов азота и углерода от различных режимных факторов имеют одинаковую математическую форму и отличаются только численными значениями коэффициентов уравнений, которые индивидуальны для каждого котельного агрегата. На основании экспериментальных данных получены системы уравнений в приращениях, позволяющей с высокой точностью определять комплексное влияние режимных факторов на выход оксидов азота, углерода.

4. Практическое применение полученной математической модели котла проиллюстрировано на примере оптимального распределения нагрузки между котлами с целью минимизации суммарного выхода оксидов азота. Показано, что равномерное или близкое к равномерному распределение нагрузок является наихудшим с точки зрения экологизации и его следует по возможности избегать.

5. С помощью математической модели можно оперативно учесть изменение КПД котла в зависимости от изменения режимных параметров.

6. Экспериментальные замеры эмиссии вредных веществ, проведенных на котлах со слоевой топкой и котлах с НТКС, показали высокое преимущество последних как в технико-экономическом, так и в экологическом плане. Впервые для данных типов котлов изучено комплексное влияние нагрузки и избытка воздуха на концентрацию СО и N0.

7. Полученные результаты могут иметь практическое применение на действующих топливосжигающих установках.

1. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. 2-е изд., перераб. и доп. - JL: Недра, 1988. - 312 е.: ил.

2. Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. М.: Энергоатом-издат, 1987. - 144 е.: ил. - (Бтка теплоэнергетики).

3. Котлер В.Р., Беликов С.Е. Промышленно-отопительные котельные: сжигание топлив и защита атмосферы. СПб.: Энерготех, 2001. - 272 с. (серия «Проблемы энергетики», вып. 2).

4. Степанов С.Г. Развитие технологий и новые подходы к газификации угля. Теплоэнергетика, 2004, №9. С. 40-43.

5. Котлер В.Р. Европейский союз ужесточает нормы по допустимым выбросам в атмосферу. Теплоэнергетика, 2003, №12. С. 71-74.

6. Вагнер А.А., Абрамов В.В., Гапеев В.В. и др. Глубокое подавление NOx при ступенчатом сжигании угля в U-образном прямоточно-вихревом факеле. Теплоэнергетика, 2002, №2. С. 14-19.

7. Кулиш О.Н., Кужеватов С. А. Очистка дымовых газов мусоросжигательных котлов от оксидов азота. Промышленная энергетика, 2002, №10. С. 54-59.

8. Шароглазов B.C. Упрощенный тканевый фильтр с открытой фильтрующей поверхностью. Промышленная энергетика, 2001, №12. С. 2930.

9. Ю.Волынкина Е.П., Пряничников Е.В. Снижение выбросов загрязняющих веществ на угольных котельных со слоевой системой сжигания. Теплоэнергетика, 2002, №2. С. 33-41.

10. Саламов А.А. Опыт некоторых энергетических компаний США и центральной Европы по защите окружающей среды. Теплоэнергетика, 2002, №2. С. 76-78.

11. Котлер В.Р. Технологии одновременного снижения выбросов NOx и S02 на пылеугольных котлах ТЭС США. Теплоэнергетика, 2002, №1. С. 72-75.

12. И.Горячев И.К. О разработке рукавных фильтров для теплоэнергетики; Теплоэнергетика, 2002, №2. С. 74-75.

13. Еремин JI.M. О защите атмосферы от вредных выбросов ТЭС. Энергетик, 2001, №3. С. 12-14.

14. Еремин JI.M. О защите атмосферы от вредных выбросов ТЭС. Энергетик, 2001, №4 С. 12-15.

15. Тихонов С.Б., Беломестнов Ю.А. Новая технология сжигания бурых углей в топках с низкотемпературным кипящим слоем с вертикальным вихрем. Электрические станции, 2001, №11. С. 28-30.

16. Вакулко А.Г., JI.M. Макальский, В.Т. Медведев и др. Новые подходы для реализации энергосберегающей природоохранной политики. Энергосбережение, 2001, №3. С. 68-71.

17. Беликов С.Е., Котлер В.Р. Снижение вредных выбросов а атмосферу от пылеугольных котлов промышленной ТЭЦ. Теплоэнергетика, 2004, №9. С. 49-52.

18. Хзмалян Д.М. Теория топочных процессов: Учеб. Пособие для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 е.: ил.

19. Сидельковский JI.H., Юренев В.Н. Котельные установки промышленных предприятий: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. -М.: Энерго-атомиздат, 1988. - 528 е.: ил.

20. Иванов С.А., Мирошников С.Ф., Пуртов Н.Н. и др. Аддитивный способ уменьшения вредных выбросов котельных установок. Теплофизиче-ские проблемы энергетических и природоохранных систем. Сборник научных трудов. Новосибирск, 1993. - 80 с.

21. Семенов Н.Н. Развитие цепных реакций и теплового воспламенения. М.: Знание, 1969.-94 с.

22. Зельдович Б .Я., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.: Наука, 1947. 146 с.

23. Кубин М. Сжигание твердого топлива в кипящем слое: Пер.с чешке./ Под ред. В.Р. Котлера М.: Энергоатомиздат, 1991. — 144 с.

24. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева А.А. Теплотехнические испытания котельных установок. М., «Энергия», 1977.

25. Ахмедов Р.Б., Цирульников JI.M. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. JL: Недра, 1984. 238 с.

26. Внуков А.К. Защита атмосферы от выбросов энергообъектов. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1992. 176 с.

27. Кривоногое Б.М. Повышение эффективности сжигания газа и охрана окружающей среды. JL: Недра, 1986. 280 с.

28. Рихтер JI.A., Волков Э.П., Покровский В.Н. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов тепловых электростанций. М.: Энергоиздат, 1981.296 с.

29. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. Справочник, т.1. М. 1968.364 с.

30. Росляков П.В., Изюмов М.А. Экологически чистые технологии использования угля на ТЭС: Учеб. пособие М.: Издательство МЭИ, 2003. -124 с.

31. Котлер В.Р., Резниченко Ю. Опыт фирмы ЕЕК (США) по снижению выбросов оксидов азота и сернистого ангидрида на пылеугольных котлах. Теплоэнергетика, 1983, № 8, с. 69-72.

32. Павленко Ю.П. Парниковые газы (неточности и заблуждения). Энергия: экономика, техника, экология, 2004, № 2, с. 42-43.

33. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86 Госкомгид-ромет. JL: Гидрометеоиздат, 1987. 93с.

34. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде. М.: Химия, 1975. 456 с.

35. Борщов Д.Я., Воликов А.Н. Защита окружающей среды при эксплуатации котлов малой мощности. М.: Стройиздат, 1987. 156 с.

36. Роддатис К.Ф., Соколовский Я.Б. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергия, 1967. 266 с.

37. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. М.: Энергия, 1973.296 с.

38. Новые технологии сжигания твердого топлива: их текущее состояние и использование в будущем// Сб. докл. Всерос. науч.-техн. семинара 2324 января 2001 г. М.: ВТИ, 2001.

39. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеуголь-ного факела. М.: Энергоатомиздат, 1986. 208 с.

40. Ковалев А.П., Лелеев Н.С., Виленский Т.В. Парогенераторы. М.: Энергоатомиздат, 1985, 376 с.

41. Дубынин Ф.Д., Карелин А.И., Кострикин Ю.М., Ромадин В.П., Ромм Э.И., Усенко Т.Т. Рабочие тела и процессы котельной установки. Топочные устройства. М., JL: Госэнергоиздат, 1941.

42. Щеголев М.М., Гусев Ю.Л., Иванова М.С. Котельные установки. М.: Стройиздат, 1972, 384 с.

43. Методика определения валовых выбросов вредных веществ в атмосферу от котлов тепловых электростанций: МТ-34-70-010-83. М.: Союзтех-энерго, 1980. 18 с.

44. Нечаев Е.В., Лубнин А.Ф. Механические топки для котлов малой и средней мощности. JL: Энергия, 1968, 312 с.

45. Гурвич A.M., Блох А.Г., Носовицкий А.И. Лучистый теплообмен в запыленной газовой среде. Теплоэнергетика, 1955, № 2, с.3-10.

46. Прасолов Р.С. Массо- и теплоперенос в топочных устройствах. М.: Энергия, 1964. 236 с.

47. Калюжный Д.Н. Санитарная охрана атмосферного воздуха от выбросов предприятий черной металлургии. Киев: Госмедиздат, 1961. 239 с.

48. Соловьев Ю.П., Михельсон А.И. Вспомогательное оборудование ТЭЦ, ф центральных котельных и его автоматизация. М.: Энергия, 1972. 256 с.

49. Рихтер Л.А., Елизаров Д.П., Лавыгин В.М. Вспомогательное оборудование тепловых электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1987. 216 с.

50. Кропп Л.И., Яновский Л.П. Экологические требования и эффективность золоулавливания на ТЭС. Теплоэнергетика, 1983, № 9, с. 19-22.

51. Альтшулер B.C. Очистка газов от сернистого ангидрида. Химическая технология, 1973, № 4, с. 5-13.

52. Вилесов Н.Г., Костюковская С.Б. Очистка газовых выбросов. Киев: Техника, 1971. 195 с.

53. Котлер В.Р. Новый аспект проблемы загрязнения атмосферы выбросами ТЭС Теплоэнергетика, 1989, № 3. С. 70-72.

54. Котлер В.Р., Гольдберг А.С. Проблема выбросов закиси азота при сжигании органического топлива. — Энергохозяйство за рубежом, 1990, № 6. С. 1-5.

55. Гигиенические критерии состояния окружающей среды: Окислы азота. Женева: Всемирная Организация Здравоохранения, 1981, вып. 4. 128 с.

56. Гигиенические критерии состояния окружающей среды: Фотохимиче-9 ские окислители. Женева: ВОЗ, 1981, вып. 7. 352с.

57. Лавров Н.В., Розенфельд Э.И., Хаустович Г.П. Процессы горения топлива и защита окружающей среды. М.: Металлургия, 1981. 240 с.

58. Аничков С.Н., Морозов О.В. Является ли ТЭС источником поступления бенз(а)пирена в окружающую среду // Сборник «Природоохранные технологии ТЭС». Москва: ВТИ, 1996. С. 78-81.

59. Очистка продуктов сгорания печей реформинга метана от окислов азота. Кулиш О.Н. и др. Газовая промышленность, 1985. № 1.С. 46-48.

60. Методика определения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании топлива в котлах производительностью менее 30 т/ч или менее 20 Гкал/ч // Москва, 1999, «Интеграл», С-Петербург. 54 с.

61. Цирульников JI.M. и др. Защита окружающей среды. Методы определения окислов азота и серы в продуктах сгорания газа и мазута. Серия «Использование газа в народном хозяйстве». М., ВНИИЭгазпром, 1976.

62. Котлер В.Р. Снижение выбросов оксидов азота котлами ТЭС при сжигании органического топлива. ВИНИТИ, 1987, том 7. 92 с.

63. Временная контрольная методика по определению содержания окислов азота в дымовых газах, М,: СПО Союзтехэнерго, 1978. 24с.

64. Методические указания по проведении эксплуатационных испытаний котельных установок для оценки качества ремонта. РД 153-31.1-26.30398. М.: ОРГРЭС, 2000. - 36 с.

65. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. —'М.: Энергоатомиздат, 1989. 488 с.

66. Эстеркин Р.И. Эксплуатация, наладка и испытание теплотехнического оборудования промышленных предприятий. Учебник для техникумов. JL, «Энергия», 1976.

67. Пеккер Я.Л. Теплотехнические расчеты по приведенным характеристикам топлива (обобщеные методы). М., «Энергия», 1977.73.3айдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. Л., «Наука», 1968, 96 с.

68. Качан А.Д., Муковозчик Н.В. Технико-экономические основы проектирования тепловых электрических станций. Мн.: Выш. Школа, 1983. -159 с.

69. Протокол Конвенции 1979 года о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния относительно дальнейшего сокращения выбросов серы: Электронный ресурс./ Электрон, ст. Режим доступа к ст.: http://www.medinfo.ru/ecolog/ek91.shtml.

70. Н. Н. Моисеев, Экология в современном мире: Электронный ре-сурс./Н.Н. Моисеев. Электрон, ст. - Режим доступа к ст.: http://defacto.examen.ru/ExamineBase.ns£^Display?OpenAgent&Pagename =defacto.html.

71. Водоугольное топливо. Электронный ресурс./ Электрон, ст. Режим доступа к ст.:http://www.vor.ru/science/madeinrus24rus.html.

72. Г.Альтшуллер, М.Рубин. Восемь мыслей о природе и технике. Электронный ресурс./Г.Альтшуллер Электрон, ст. - Режим доступа к ст.: http://www.pervoistoki.nm.ru/arhiv/8mislej.htm.

73. Использование тепла и очистка уходящих дымовых газов от водогрейного котла КВ-ГМ-10: Электронный ресурс. Электрон, ст. - Режим доступа к ст.: http://energobaza.newmail.ru/Data/enr00014.htm.

74. М.С. Коростылев. Исследование и разработка термолизного энергоблока повышенной экологической безопасности: Электронный ресурс./М.С. Коростылев Электрон, ст. - Режим доступа к ст.: http://www.uran.donetsk.ua/~masters/2001/fehtykorostyliov/diss/magwork.

75. B.C. Лаврус. Источники энергии: Электронный ресурс./ B.C. Лаврус -Электрон, ст. — Режим доступа к ст.: http://biblioteka.agava.ru/istochnikien.htm.

76. Высокоэкономичный метод "ЛИФАК" удаления S02 из дымовых газов энергетических котлов: Электронный ресурс. Электрон, ст. - Режим доступа к ст.: http://energobaza.newmail.ru/Data/enr00157.htm.

77. Механизм парникового эффекта и его роль в биосферных процессах: Электронный ресурс./Электрон. ст. Режим доступа к ст.: http://cultura.baikal.m/liceuml/gazeta/pamik/parneff/parneff.htm.

78. Охрана окружающей среды: Электронный ресурс./ Электрон, ст. -Режим доступа к ст.: http://www.mnr.gov.ru/index.php?2+7+&glava=22.

79. НТП и энергосбережение: Электронный ресурс. — Электрон, ст. Режим доступа к ст.: http://www.rao-ees.ru/ru/tech/show.cgi7niokr7.htm.

80. Оксид углерода: Электронный ресурс./ Электрон, ст. - Режим доступа к ст.: http://www.environment.freenet.kz/slov4.htm.

81. Очистка дымовых газов от серы в Китае: Электронный ресурс./ -Электрон, ст. Режим доступа к ст.:http://www.fertilizers.ru/Publications/NPKWolrd/2000/22000/ochistkadi movixgazovotserivKitae.htm.

82. Трансформация оксидов азота в атмосфере: Электронный ресурс. -Электрон, ст. Режим доступа к ст.: http://promeco.hl.ru/stati/13.shtml7forprint.