автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Совершенствование процесса сжигания природного газа с целью снижения выбросов бенз(А)пирена

О1

Направах рукописи

ИВАНИЦКИЙ МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ БЕНЗ(А)ПИРЕНА

Специальность: 05.14.14- «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2013

005057928

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре тепловых электрических станций

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Грига Анатолий Данилович,

доктор технических наук, профессор, филиал ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г.Волжском, профессор кафедры тепловых электрических станций

Кормилицын Владимир Ильич,

доктор технических наук, профессор, филиал ФГБУ науки Институт машиноведения им. А.А.Благонравова Российской академии наук «Научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН», заведующий лабораторией

Кущ Людмила Романовна,

кандидат технических наук,

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный

архитектурно-строительный университет,

доцент кафедры энергоснабжения и

теплотехники

Ведущая организация:

ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго»

Защита состоится «22» мая 2013 г. в 16 час.00 мин. в аудитории МАЗ «НИУ «МЭИ» на заседании диссертационного совета Д 212.157.07 в ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан^^, апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.07

Ильина И.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Энергетические котлы являются источником выбросов вредных веществ в атмосферу, таких как оксиды азота (>ЮХ), серы (80х), углерода (СО*), бенз(а)пирен (БП). Наиболее токсичным компонентом продуктов сгорания органических топлив является бенз(а)пирен. По классу токсичности бенз(а)пирен относится к сильным канцерогенам, обладает мутагенной активностью. Загрязнение воздуха БП приводит к образованию раковых заболеваний органов дыхания. Воздействию БП ежегодно подвергается более 14 млн. человек.

Уровень выбросов БП с продуктами сгорания в настоящее время является важной характеристикой режимов работы водогрейных и паровых энергетических котлов. Мероприятия направленные на сокращение выбросов оксидов азота могут приводить к интенсивному образованию канцерогенного бенз(а)пирена, следует также учесть, что сочетания бенз(а)пирена и оксидов азота обладают комплексным негативным воздействием в силу образования суперэкотоксиканта - нитробенз(а)пирена.

Очевидно, что исследования, направленные на совершенствование процесса сжигания природного газа в котлах ТЭЦ с целью снижения выбросов бенз(а)пирена в воздушный бассейн актуальны.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Объект исследования — энергетические котлы ТГМ-84А и ТГМ-84Б.

Предмет исследования — содержание бенз(а)пирена в дымовых газах.

Пель работы — совершенствование процесса сжигания природного газа в котлах ТЭЦ с целью снижения выбросов бенз(а)пирена.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Усовершенствовать зависимости для определения концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах при сжигании природного газа в котле на основе физико-химических процессов образования бенз(а)пирена и теории планирования эксперимента.

2. На основе термодинамического и химического подхода к кинетике реакций для анализа влияния режимов работы котла получить зависимость, позволяющую определить величину выбросов бенз(а)пирена по ацетиленовому

механизму во времени.

3. Разработать зависимость для определения концентрации бенз(а)пирена косвенным методом, пригодную для автоматизации и оптимизации процессов горения в энергетическом котле.

4. Разработать способ автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле для эффективного сжигания топлива с минимальными выбросами вредных веществ.

Научная новизна работы;

1. Усовершенствованы зависимости, позволяющие анализировать влияние режимов работы энергетического котла на выход бенз(а)пирена и находить пути управления рабочим процессом сжигания топлива в широком диапазоне эксплуатационных характеристик;

2. Установлена зависимость для определения выбросов бенз(а)пирена по ацетиленовому механизму в зависимости от содержания метана в топливе, концентрации кислорода и температуры в зоне активного горения;

3. Предложена зависимость для определения концентрации бенз(а)пирена на выходе из топки котла косвенным методом в зависимости от содержания монооксида углерода в продуктах сгорания;

4. Разработан способ автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле для эффективного сжигания топлива с минимальными выбросами вредных веществ.

Методы исследования включали математическое моделирование изучаемых процессов, аналитическое обобщение известных научных и » 4

экспериментальных результатов; промышленные исследования в условиях действующего производства; обработку экспериментальных результатов методами математической статистики.

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделирования процессов, подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов, полученных с помощью математических моделей и в условиях промышленных испытаний котлов ТГМ-84, а также с известными результатами других авторов и использованием современных аттестованных измерительных приборов для контроля газовых выбросов.

Практическая ценность работы

1. Полученные в работе уравнения позволяют повысить точность определения концентрации бенз(а)пирена в продуктах сгорания энергетических котлов, в дальнейшем предложенные зависимости могут быть адаптированы для расчета содержания бенз(а)пирена в дымовых газах котлов при сжигании пылеугольного и мазутного топлива на ТЭЦ.

2. Разработаны рекомендации к составлению режимной карты процесса сжигания топлива в энергетическом котле с пониженными значениями выбросов бенз(а)пирена в воздушный бассейн. Для энергетического котла ТГМ-84Б на ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго» Волжская ТЭЦ планируется внедрение режимной карты с пониженным выходом бенз(а)пирена;

3. Программа расчета выбросов бенз(а)пирена реализована на ЭВМ и может быть использована в практике наладки энергетических котлов;

4. Результаты работы применяются в учебном процессе при подготовке специалистов-энергетиков на кафедре Тепловых электрических станций филиала ФГБОУ «НИУ «МЭИ» в г. Волжском.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математические зависимости для определения концентрации бенз(а)пирена в зависимости от режимов работы котла при сжигании природного газа в широком диапазоне эксплуатационных характеристик;

5

2. Математическая зависимость для определения концентрации бенз(а)пирена на выходе из топки котла косвенным методом в зависимости от содержания монооксида углерода в продуктах сгорания;

3. Способ автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле для эффективного сжигания топлива с минимальными выбросами вредных веществ.

Теоретическая значимость

1. Предложенные математические зависимости учитывают влияние таких важных параметров на содержание бенз(а)пирена в дымовых газах как концентрация метана, кислорода, монооксида углерода, температура в зоне активного горения и нагрузка котла. Ацетиленовый механизм выполнен с возможностью расчета во времени изменения концентрации бенз(а)пирена от начала процесса образования до значений содержания в дымовых газах на выходе из топки энергетического котла.

2. Выявлена зависимость концентрации бенз(а)пирена от содержания монооксида углерода в дымовых газах для обычных режимов сжигания топлива.

3. Определена и подтверждена необходимость регулирования подачи воздуха и влаги в топочную камеру котла в процессе сжигания топлива с целью сокращения токсичных компонентов дымовых газов в окружающую среду и повышения эффективности процесса горения газообразного топлива.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях: Межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий» (2011 г., Волжский); 18 Межрегиональной научно-практической конференции студентов и молодых ученых (2012 г., Волжский); IV Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (2012 г., Волжский); III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы ♦ б

энергетических технологий (2012 г., Томск); 19 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2013 г., Москва); заседании кафедры ТЭС «НИУ «МЭИ».

Публикации и личный вклад автора

По результатам диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе две публикации в изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК, заявка на изобретение №2012129072/06(045543).

Определение направления исследований, обсуждение полученных результатов и подготовка публикаций осуществлялись совместно с научным руководителем доктором технических наук, профессором Григой Анатолием Даниловичем, которому автор выражает искреннюю благодарность.

В работах [32,72,79,80,86,87,90,93], опубликованных в соавторстве и приведенных в библиографическом списке, соискателю принадлежат: получение основных результатов, проведение оценки численных значений полученных величин и разработка способа автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 121 странице машинописного текста с 16 таблицами и 30 рисунками. Список литературы содержит 98 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой проблемы, приведена краткая характеристика работы. Сформулированы цели диссертационной работы.

В первой главе содержится обзор литературных данных по существующим исследованиям, посвященным решению экологически значимой проблемы защиты воздушного бассейна от выбросов БП, которые образуются при сжигании органического топлива в энергетических котлах тепловых

7

электрических станций. Защите атмосферного воздуха от выбросов котлов посвятили свои работы: И.Я. Сигал, А.К. Внуков, П.В.Росляков, В.ИКормилицын, С.Н. Аничков, В.Р. Котлер, Ю.П. Енякин, А.Ф. Гаврилов, Р.Б.Ахмедов, Л.М.Цирульников, C.B. Лукачев, Н.В. Лавров, Г.М. Беджер и другие отечественные и зарубежные исследователи.

По результатам первой главы обоснована актуальность темы диссертации и сформулированы основные задачи исследования.

Вторая глава посвящена анализу методов определения содержания бенз(а)пирена в дымовых газах, математическому моделированию образования бенз(а)пирена в продуктах сгорания при сгорании природного газа и разработке способа автоматического управления процессом горения в энергетическом котле для эффективного сжигания топлива с минимальным выбросами вредных веществ.

Для исследования влияния режимных параметров на процесс образования бенз(а)пирена в процессе сгорания природного газа использован нормативный метод (СО 153-34.1-02.316-2003) «Методика расчета выбросов бенз(а)пирена в атмосферу паровыми котлами электростанций»), в основу которого положено обобщение большого количества экспериментальных данных. Погрешность методики составляет около 20%; большая точность обеспечивается при температуре дутьевого воздуха (280-350) °С.

Концентрация БП в дымовых газах энергетических котлов при сжигании природного газа СЕП, приведенная к избытку воздуха в газах а =1,4, рассчитывается по формуле:

Сгя=?лг"126(0=0536 + 0,163.10-3-д,)-П^ , (1)

(=i

где Члг - теплонапряжение поверхности зоны активного горения, МВт/м2; qv-теплонапряжение топочного объема, кВт/м3 (проектная величина);

N

Дя, = Ка -КР -Кд -Кст-Квл ■ Коч - произведение коэффициентов для учета влияния

ы

коэффициента избытка воздуха, рециркуляции, нагрузки котла, ступенчатого f 8

сжигания топлива, подачи влаги, условий очистки конвективных поверхностей нагрева.

Анализ зависимости (1) показывает, что концентрация бенз(а)пирена в дымовых газах котлов линейно зависит от нагрузки V и экспоненциально от коэффициента избытка воздуха а. Для определения степени влияния этих факторов на выбросы бенз(а)пирена в дымовых газах котлов можно использовать положение теории планирования эксперимента (ТПЭ), в частности ортогональный композиционный план (ОЦКП):

СБП =ь0 -X, +5Х -X, -Хк +2>„. -X? . (2)

Для матрицы ОЦКП приняты вариации а =1,0+ 1,08 и £> = 210+420 т/ч. Указанные диапазоны а и В соответствуют характерным режимам работы газомазутных энергетических котлов ТГМ-84 типа «А» и «Б». Кодированные значения факторов: Хх = (а-1,04)/0,04; Х: = (£>-315)/105. Число опытов факторного эксперимента - 9. Концентрация БП для этих опытов определялась по формуле (1). Адекватность уравнения регрессии проверялась с помощью критерия Фишера.

Для уровня значимости 0,05 уравнение адекватно отражает зависимость СБп от а и Вв виде:

СБП =0,1031-0,0583-Хг -0,0937-Х2 +0,0439Х, -X, +0,0276-Х\ . (3) С помощью соотношения (3) проведено численное исследование влияния а и О на выбросы бенз(а)пирена в воздушный бассейн при работе энергетических котлов ТЭЦ.

Чистоту атмосферного воздуха можно обеспечить, если найти оптимальные значения режимных параметров работы котлов а и И при совершенствовании топочного режима котла на минимальную эмиссию БП. Эта задача решалась с помощью физико-математических моделей расчета выбросов БП и положений ТПЭ.

В соответствии с зависимостью (3) для нагрузки £> = 415т/ч получено, что повышению коэффициента избытка воздуха а на 1% соответствует снижению выхода БП на 1,3 %.

Ст, нг/м3 200

160 120 80 40 0

1,03 1,05 1,07 а

Рис.1. Зависимость концентрации бенз(а)пирена в уходящих газах

от коэффициента избытка воздуха а в топке.

В результате исследований выявлено, что образование бенз(а)лирена в топках энергетических котлов большой мощности происходит

преимущественно по ацетиленовому механизму. В работе получена математическая зависимость образования бенз(а)пирена по ацетиленовому механизму.

При моделировании процесса сгорания топлива использован закон Вибе, который учитывает влияние коэффициента избытка воздуха на скорость выгорания топлива.

Используя дифференциальное уравнение образования бенз(а)пирена, термодинамические и алгебраические преобразования, дифференциальное уравнение выгорания метана, можно получить зависимость для расчета текущей концентрации бенз(а)пирена в процессе горения:

СБП, = К ■ (сся< У ■ (с021) . ехр(6000/ Т,), (4)

где (ссн<)|[с0]:) - концентрации метана и кислорода соответственно, (мг/м3); Т-действительная температура в зоне горения, К; а,Ь- показатели степени, К -эмпирический коэффициент (м3/мг)2.

т/ч

0=415 т/ч

Для примера, на рис.2, представлен график текущей концентрации БП по полученному выражению (4) в зависимости от времени пребывания газов в топке при« = 1,0 и а = !,°8 .Температура дутьевого воздуха 280 °С.

нг/м3 4000

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

а = 1,0 о.

¡2=1,08X4^

Рис.2. Зависимость концентрации бенз(а)пирена от коэффициента избытка воздуха а в топке и времени пребывания газов в топке т .

Предложена зависимость для определения концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах энергетических котлов косвенным методом в зависимости от содержания монооксида углерода в продуктах сгорания, позволяющая с достаточной точностью контролировать выбросы канцерогенных веществ. Бенз(а)пирен и монооксид углерода являются продуктами неполного сгорания топлива и характеризуют эффективность процесса горения. Поэтому монооксид углерода может служить индикатором наличия БП в дымовых газах. Предложенный способ обеспечивает оперативность и качество определения БП, снижение стоимости, трудозатрат и погрешности измерения.

Концентрация бенз(а)пирена в зависимости от содержания монооксида углерода в продуктах сгорания выражается формулой:

К

Сш~^+к2'^"ехр(а-1) '

(5)

где Сш- концентрация бенз(а)пирена, нг/м3; Ссо- концентрация монооксида

углерода, мг/м3; ¿,=4,1, к2 = 0,02. —, ¿,=2,6^-- эмпирические коэффициенты, в

V мг м3

зависимости от типа котла, условий сжигания и вида топлива; а - коэффициент избытка воздуха в топке котла. Эмпирические коэффициенты к„к2,к, получены с использованием положений теории планирования эксперимента (ГШ). Адекватность уравнения проверена с помощью критерия Фишера. Доверительная вероятность Р=0,95. Погрешность определения концентрации бенз(а)пирена по уравнению (5) - 10%.

Для повышения эффективности и экологичности процесса сжигания топлива предложен способ автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле. Схема автоматического регулирования процесса горения в котле представлена на (рис.3).

1- датчик расхода топлива, 2- датчик расхода воздуха, 3- датчик расхода воды, 4,5,6 - газоанализаторы, 7- устройство для расчета концентрации БП, 8- сумматор токсичности, 9- блок расчета токсичности, 10- задатчик, 11- регулятор, 12,13- вторичные регуляторы, 14 - топка, 15 - дымосос.

Рис.3. Схема автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле.

Предложенный способ контроля выбросов бенз(а)пирена, СО и ЫОх

обеспечит уменьшение экологической нагрузки на окружающую среду, повысит > 12

эффективность использования топлива путем проведения экспресс-анализа и автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле.

Третья глава посвящена проведению промышленных экспериментальных исследований на энергетических котлах ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго» Волжская ТЭЦ и оценке влияния выбросов продуктов сгорания на экологическую безопасность атмосферного воздуха.

Дано описание газомазутных котлов ТГМ-84 типа «А» и «Б», средств и приборов измерений, приведена методика проведения испытаний.

Испытания на котлах проводились с целью получения достоверных данных для идентификации величины выбросов бенз(а)пирена, определенных в численных экспериментах при апробации математических зависимостей, а также для определения влияния режимных параметров работы энергетического котла на выбросы бенз(а)пирена, КЮХ и СО. Сечение за дымососом обеспечивает более достоверные данные измерений концентрации вредных веществ, вследствие завершенности процессов конверсии.

Плотность газового тракта обеспечивает условие экономичной работы котла и отражается на экологических показателях. На каждые 5% увеличения присосов воздуха КПД котла снижается на 0,5-1%, что ведет к увеличению расхода топлива. Для оценки плотности газового тракта котла ТГМ-84 были проведены промышленные испытания. В результате присосы холодного воздуха в топку котла были снижены до 13,9 %, проектное значение присосов для котла ТГМ-84 типа «А» и «Б» - 13%.

При испытаниях измерения концентраций Ж)х, С02, СО и 02 выполнялись портативным газоанализатором ТЕБТО-ЗООМ, прошедшим сертификацию и аттестацию измерительных приборов.

Для повышения представительности пробы дымовых газов и достоверности показаний основных параметров котла проводилась тарировка газовых горелок и воздуховодов. Измерения 02, С02, выполнялись с погрешностью 0,2%. Погрешность измерения СО, N0* - 5% от измеренного значения.

В четвертой главе были проанализированы экспериментальные данные выбросов токсичных веществ, полученные разными исследователями, и результаты промышленных исследований котлов, проведенных на Волжской ТЭЦ ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго», в которых автор принимал непосредственное участие.

На рис. 4 и рис. 5 приведены зависимости содержания вредных веществ от коэффициента избытка воздуха а и паропроизводительности £>.

С1Юг'РРт Ссо, ррт С^,нг/м3 100

80 60 40 20 0

Ж)х

\БП

1,02 1,04 1,06 1,08 1,10 а

Рис.4. Влияние избытка воздуха на содержание Ж)х, СО и бенз(а)пирена в уходящих газах.

СМ),.РРт Ссо,ррт

п

КОх

__БП

—о— со п

и и— —-V—о

210 245 280 315 350 385 420 Д т/ч Рис.5. Влияние нагрузки котла на выход вредных веществ.

Для значений а =1,02 + 1,08 при увеличении а на 1% выход бенз(а)пирена снижается на 2 %, при увеличении а темп снижения замедляется.

Экспериментальные исследования выявили, что режим работы котла незначительно влияет на содержание СО в дымовых газах. С увеличением О концентрация СО снижается, что объясняется улучшением качества процесса смесеобразования в топочной камере и как следствие, более полному выгоранию топлива (рис.5).

При увеличении нагрузки на 1% содержание Ж)х повышается на 0,9 %, а концентрация бенз(а)пирена снижается на 1,8 % (рис.5).

; Получено адекватное уравнение регрессии для экспертной оценки выброса бенз(а)пирена косвенным методом в области «низких» значений содержания монооксида углерода (0-70 мг/м3) в сечении за дымососом:

СБП =-0,557 + 0,564-Ссо , при Ссо >1 мг/м3 . (6)

В зависимости от режимных параметров и эксплуатационных характеристик котла - коэффициента избытка воздуха, режима работы и содержания монооксида углерода в дымовых газах возможно определить выход БП с существенно меньшей погрешностью.

Са, нг/м1 60

50

40 30 20 10 о

0 50 100 (50 200 250 300

Сса, мУм1

Рис.6. Зависимость концентрации бенз(а)пирена от содержания СО в области «низких» значений (1), полученной по монооксидоуглеродной зависимости (2).

Предложенные зависимости определения концентрации БП в продуктах сгорания котла представлены в табл.1. Зависимость концентрации бенз(а)пирена

"Лх

I /

V

/

!

от содержания СО в продуктах сгорания, полученная по уравнению (6) и представлена на рис.6 (кривая 1).

Таблица 1

Зависимости для определения концентрации БП в продуктах

сгорания котла

\Зависимость Параметр Нормативный метод (СО 15334.02.3162003) Регрессионная 5 зависимость на основании СО 153-34.02. 316-2003 ависимость ¡бразования БПпо ацетиленовому механизму 18 8 Зависимость монооксидо-углеродного механизма образования БП 10,1 Регрессионная зависимость образования БПпри низких концентрациях СО ЮД

Погрешность,% Коэффициент избытка воздуха а, 101 £ а £ 1,09 20 во всем диапазоне во всем диапазоне 1,01 £а £1,09 1,02 £ а £1,09 1,03 £а £1,08

Нагрузка, 125 5£>5420, т/ч во всем диапазоне во всем диапазоне 380 2 В <420 365£й<420 330 < О £ 420

Концентрация СО, мг/м3 при С0<70 мг/м3 во всем диапазоне во всем диапазоне во всем диапазоне при С0=40-50 мг/м3 при С0=1-70 мг/м3

при С0=70-110 мг/м3 -

Концентрация СО, мг/м3 при С0>70 мг/м3

Примечание Учитывает максимальное количество режимных параметров и конструкций котла Учитывает влияние коэффициента избытка воздуха и нагрузки котла Описывает процессы сжигания топлива во времени для предпла-менной зоны активного горения Описывает процессы конверсии продуктов неполного сгорания

Даны рекомендации к составлению режимной карты котла с пониженными значениями выбросов бенз(а)пирена в воздушный бассейн. Для котла ТГМ-84Б на ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго» Волжская ТЭЦ планируется внедрение режимной карты с пониженным выходом бенз(а)пирена. Экономический эффект достигается благодаря снижению платы за вредные выбросы при внедрении способа автоматического управления процессом

> 16

I

сжигания топлива, эффективного его использования и контроля выбросов канцерогенного бенз(а)пирена в воздушный бассейн.

В пятой главе приводятся метрологические характеристики и погрешности измерения энергетических параметров котлов ТЭЦ. Дана оценка погрешности и степени точности при экспериментальном определении энергетических параметров котлов. Оценка погрешности и степени точности, проводилась для полученных теоретических закономерностей и формул, а также результатов экспериментального определения концентраций бенз(а)пирена, N0* и СО в продуктах сгорания энергетических котлов.

Суммарная погрешность определения концентрации бенз(а)пирена, N0* и СО в продуктах сгорания котла - не более 10%, температуры - 1% , расхода жидких и газообразных сред - 5,92%, давления (разрежения) - 2,91%, коэффициента полезного действия котла - 1,134%.

В приложениях представлены протоколы испытаний энергетических котлов ТГМ-84А и ТГМ-84Б, алгоритм расчета содержания бенз(а)пирена в дымовых газах котлов по ацетиленовому механизму и акт внедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В работе проведено исследование, направленное на решение актуальной задачи совершенствования процесса сжигания природного газа в энергетических котлах ТЭЦ с целью снижения выбросов бенз(а)пирена в воздушный бассейн.

На основании полученных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать основные выводы:

1. Усовершенствованы математические зависимости, позволяющие анализировать влияние режимов работы котла на выход бенз(а)пирена и находить пути управления рабочим процессом сжигания топлива в широком диапазоне эксплуатационных характеристик. Полученные соотношения позволяют получать значения концентраций бенз(а)пирена в численных экспериментах близкими к действительным.

17

2. Установлена зависимость для определения выбросов бенз(а)пирена в зависимости от содержания метана в топливе, концентрации кислорода и температуры в зоне активного горения по ацетиленовому механизму.

3. Предложена зависимость для определения концентрации бенз(а)пирена на выходе из топки котла косвенным методом в зависимости от содержания монооксида углерода в продуктах сгорания.

4. Разработан способ автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле для эффективного сжигания топлива с минимальными выбросами вредных веществ. Данное решение позволит сократить выбросы бенз(а)пирена на 20%, оксидов азота на 10-20%.

5. Установлен диапазон оптимальных значений режимных характеристик котла, соответствующий минимальным значениям токсичности выбросов. При уменьшении нагрузки котла, рекомендуется увеличивать значение коэффициента избытка воздуха.

6. Даны рекомендации к составлению режимной карты процесса сжигания топлива в энергетическом котле с пониженными значениями выбросов бенз(а)пирена в воздушный бассейн. Для котла ТГМ-84Б ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго» Волжская ТЭЦ планируется внедрение режимной карты с пониженным выходом бенз(а)пирена. Благодаря снижению платы за негативное воздействие на окружающую среду экономический эффект может достигать до 180 тыс. рублей в год.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Физико-химические процессы механизмов образования бенз(а)пирена при сжигании углеводородного топлива / Иваницкий М.С., Грига А.Д., Фокин В.М., Грига С.А. // Вестник ВолгГАСУ. - 2012. -№27(46).-С.28-33.

2. Построение модели для определения концентрации бенз(а)пирена при сжигании углеводородного топлива в котельных установках систем

«

i

теплоснабжения / Иваницкий М.С., Грига А.Д., Фокин В.М., Грига С.А. // Вестник ВолгГАСУ.—2012. - №28(47). - С.143 - 150.

3. Заявка на изобретение «Способ автоматического регулирования процесса горения в тепловом агрегате»: пат. RU: МПК F 23N1/04 / Иваницкий М.С., Грига А.Д., Фокин В.М. // № 2012129072/06(045543); 13.07.12.

4. Негативное воздействие объектов теплоэнергетики на окружающую среду / Иваницкий М.С., Грига А.Д., Грига С.А. // Материалы межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий». - Волжский. 2011,-. 135-137.

5. Выбросы бенз(а)пирена котельными установками различной мощности / Иваницкий М.С., Грига А. Д. // Восемнадцатая межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых и студентов: Тез. докл.: -Волжский. 2012. -С.41-43.

6. Суммарное негативное воздействие вредных выбросов оксидов азота и бенз(а)пирена на окружающую среду / Иваницкий М.С., Грига А.Д. // Материалы III всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий».- Томск. 2012. - С. 112-114.

7. Методика к составлению режимных карт котельных установок с пониженным выбросами бенз(а)пирена / Иваницкий М.С., Грига А.Д. // Материалы IV всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов». - Волжский. 2012. - С.34-38.

8. Определение концентрации бенз(а)пирена в продуктах сгорания косвенным методом в зависимости от содержания монооксида углерода / Иваницкий М.С., Грига А.Д. // Материалы 19 международной научной технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл.: - Москва. 2013. - Т4. - С. 78.

Подписано в печать IОЬ М Зак. И Тир. ЮО П.л. I № Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул.,д.13

ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

На правах рукописи

04201356096

ИВАНИЦКИЙ МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ БЕНЗ(А)ПИРЕНА

Специальность: 05.14.14- «Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Грига Анатолий Данилович

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.............................................5

ГЛАВА 1. СНИЖЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ БЕНЗ(А)ПИРЕНА В ТОПКАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ.........................................................10

1.1 Экологические показатели сгорания топлива в котлах ТЭЦ......................10

1.2 Образование бенз(а)пирена на стадии сжигания топлива.........................14

1.3 Режимные мероприятия снижения выбросов бенз(а)пирена....................19

1.4 Выбросы бенз(а)пирена в зависимости от коэффициента избытка

воздуха.............................................................................................20

1.5 Влияние рециркуляции дымовых газов...................................................22

1.6 Впрыскивание влаги в зону активного горения.......................................23

1.7 Выбросы бенз(а)пирена в зависимости от нагрузки котла..........................26

1.8 Конструктивные мероприятия для сокращения выбросов бенз(а)пирена..................................................................................27

1.9 Двухсветный экран............................................................................27

1.10 Ступенчатое сжигание топлива.......................................................28

1.11 Комплексные методы снижения выбросов бенз(а)пирена.......................30

1.12. Суммарное воздействие выбросов бенз(а)пирена и оксидов азота на

воздушный бассейн........................................................................................32

1.13 Конверсия продуктов неполного сгорания по газовому тракту котла.........33

Выводы и основные задачи исследования..................................................35

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ БЕНЗ(А)ПИРЕНА ПРИ СЖИГАНИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ТОПКАХ КОТЛОВ..............................................................37

2.1 Определяющие факторы, влияющие на выбросы бенз(а)пирена.................37

2.2 Математическое моделирование образования бенз(а)пирена

на основе уравнения регрессии....................................................................42

2.3 Моделирование ацетиленового механизма образования

бенз(а)пирена...................................................................................47

2.4 Результаты моделирования образования бенз(а)пирена

по ацетиленовому механизму................................................................49

2.5 Определение бенз(а)пирена по монооксидоуглеродной

модели и способ автоматического регулирования процесса горения.............51

Выводы............................................................................................56

ГЛАВА 3. ПРОМЫШЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА, УГЛЕРОДА И БЕНЗ(А)ПИРЕНА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛАХ.........................................................57

3.1 Объект промышленного исследования и основные

характеристики котла.............................................................................57

3.2 Методика проведения экспериментов. Определение концентраций вредных веществ на базовых режимах работы котла.....................................58

3.3 Тарировка горелочных устройств...........................................................60

3.4 Уплотнения газового тракта энергетического котла................................63

3.5 Тарировка воздуховодов..................................................................63

3.6 Установление присосов воздуха в тракт котла.......................................65

3.7 Химический состав природного газа.........................................................69

3.8 Исследование состава дымовых газов......................................................70

Выводы.................................................................................................71

ГЛАВА 4. АПРОБАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ БЕНЗ(А)ПИРЕНА В ДЫМОВЫХ ГАЗАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ.............................................................72

4.1 Анализ результатов испытаний котлов ТГМ-84 при

сжигании природного газа............................................................................72

4.2 Апробация уравнения регрессии для определения выбросов бенз(а)пирена..................................................................................................74

4.3 Апробация математической зависимости ацетиленового механизма образования бенз(а)пирена.......................................................................76

4.4 Апробация математической монооксидоуглеродной зависимости образования бенз(а)пирена....................................................................79

4.5 Регрессионное уравнение образования бенз(а)пирена при «низких» значениях концентраций монооксида углерода...............................................81

4.6 Рекомендации к составлению режимной карты для работы котла

с пониженным выходом бенз(а)пирена.....................................................83

4.7 Технико-экономических показатели результатов исследования.................84

Выводы..................................................................................................86

ГЛАВА 5. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ..........................................................................88

5.1 Погрешности при измерении состава продуктов сгорания.......................88

5.2 Погрешности измерения температуры................................................89

5.3 Погрешности измерения давления и разрежения...................................90

5.4 Погрешности при измерении расхода................................................91

5.5 Погрешности при измерении коэффициента полезного действия

энергетического котла...........................................................................92

Выводы.............................................................................................................94

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................95

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................97

ПРИЛОЖЕНИЕ.....................................................................................................108

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Энергетические котлы являются источником выбросов вредных веществ в атмосферу, таких как оксиды азота (>ЮХ), серы (80х), углерода (СОх), бенз(а)пирен (БП). Наиболее токсичным компонентом продуктов сгорания органических топлив является бенз(а)пирен. По классу токсичности бенз(а)пирен относится к сильным канцерогенам, обладает мутагенной активностью. Загрязнение воздуха БП приводит к образованию раковых заболеваний органов дыхания. Воздействию БП ежегодно подвергается более 14 млн. человек.

Уровень выбросов БП с продуктами сгорания в настоящее время является важной характеристикой режимов работы водогрейных и паровых энергетических котлов. Мероприятия направленные на сокращение выбросов оксидов азота могут приводить к интенсивному образованию канцерогенного бенз(а)пирена, следует также учесть, что сочетания бенз(а)пирена и оксидов азота обладают комплексным негативным воздействием в силу образования суперэкотоксиканта - нитробенз(а)пирена.

Очевидно, что исследования, направленные на совершенствование процесса сжигания природного газа в котлах ТЭЦ с целью снижения выбросов бенз(а)пирена в воздушный бассейн актуальны.

Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Объект исследования - энергетические котлы ТГМ-84А и ТГМ-84Б.

Предмет исследования - содержание бенз(а)пирена в дымовых газах.

Цель работы - совершенствование процесса сжигания природного газа в котлах ТЭЦ с целью снижения выбросов бенз(а)пирена.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Усовершенствовать зависимости для определения концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах при сжигании природного газа в котле на основе физико-химических процессов образования бенз(а)пирена и теории планирования эксперимента.

2. На основе термодинамического и химического подхода к кинетике реакций для анализа влияния режимов работы котла получить зависимость, позволяющую определить величину выбросов бенз(а)пирена по ацетиленовому механизму во времени.

3. Разработать зависимость для определения концентрации бенз(а)пирена косвенным методом, пригодную для автоматизации и оптимизации процессов горения в энергетическом котле.

4. Разработать способ автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле для эффективного сжигания топлива с минимальными выбросами вредных веществ.

Научная новизна работы;

1. Усовершенствованы зависимости, позволяющие анализировать влияние режимов работы энергетического котла на выход бенз(а)пирена и находить пути управления рабочим процессом сжигания топлива в широком диапазоне эксплуатационных характеристик;

2. Установлена зависимость для определения выбросов бенз(а)пирена по ацетиленовому механизму в зависимости от содержания метана в топливе, концентрации кислорода и температуры в зоне активного горения;

3. Предложена зависимость для определения концентрации бенз(а)пирена на выходе из топки котла косвенным методом в зависимости от содержания монооксида углерода в продуктах сгорания;

4. Разработан способ автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле для эффективного сжигания топлива с минимальными выбросами вредных веществ.

Методы исследования включали математическое моделирование изучаемых процессов, аналитическое обобщение известных научных и экспериментальных результатов; промышленные исследования в условиях действующего производства; обработку экспериментальных результатов методами математической статистики.

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделирования процессов, подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов, полученных с помощью математических моделей и в условиях промышленных испытаний котлов ТГМ-84, а также с известными результатами других авторов и использованием современных аттестованных измерительных приборов для контроля газовых выбросов.

Практическая ценность работы

1. Полученные в работе уравнения позволяют повысить точность определения концентрации бенз(а)пирена в продуктах сгорания энергетических котлов, в дальнейшем предложенные зависимости могут быть адаптированы для расчета содержания бенз(а)пирена в дымовых газах котлов при сжигании пылеугольного и мазутного топлива на ТЭЦ.

2. Разработаны рекомендации к составлению режимной карты процесса сжигания топлива в энергетическом котле с пониженными значениями выбросов бенз(а)пирена в воздушный бассейн. Для энергетического котла ТГМ-84Б на ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго» Волжская ТЭЦ планируется внедрение режимной карты с пониженным выходом бенз(а)пирена;

3. Программа расчета выбросов бенз(а)пирена реализована на ЭВМ и может быть использована в практике наладки энергетических котлов;

4. Результаты работы применяются в учебном процессе при подготовке специалистов-энергетиков на кафедре Тепловых электрических станций филиала ФГБОУ «НИУ «МЭИ» в г. Волжском.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Математические зависимости для определения концентрации бенз(а)пирена в зависимости от режимов работы котла при сжигании природного газа в широком диапазоне эксплуатационных характеристик;

2. Математическая зависимость для определения концентрации бенз(а)пирена на выходе из топки котла косвенным методом в зависимости от содержания монооксида углерода в продуктах сгорания;

3. Способ автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле для эффективного сжигания топлива с минимальными выбросами вредных веществ.

Теоретическая значимость

1. Предложенные математические зависимости учитывают влияние таких важных параметров на содержание бенз(а)пирена в дымовых газах как концентрация метана, кислорода, монооксида углерода, температура в зоне активного горения и нагрузка котла. Ацетиленовый механизм выполнен с целью расчетов во времени изменения концентрации бенз(а)пирена от начала процесса образования до значений содержания в дымовых газах на выходе из топки энергетического котла.

2. Выявлена зависимость концентрации бенз(а)пирена от содержания монооксида углерода в дымовых газах для обычных режимов сжигания топлива.

3. Определена и подтверждена необходимость регулирования подачи воздуха и влаги в топочную камеру котла в процессе сжигания топлива с целью сокращения токсичных компонентов дымовых газов в окружающую среду и повышения эффективности процесса горения газообразного топлива.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях: Межрегиональной научно-практической конференции «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий» (2011 г., Волжский); 18 Межрегиональной

научно-практической конференции студентов и молодых ученых (2012 г., Волжский); IV Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (2012 г., Волжский); III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий (2012 г., Томск); 19 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2013 г., Москва); заседании кафедры ТЭС «НИУ «МЭИ».

Публикации и личный вклад автора

По результатам диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе две публикации в изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК, заявка на изобретение № 2012129072/06(045543).

Определение направления исследований, обсуждение полученных результатов и подготовка публикаций осуществлялись совместно с научным руководителем доктором технических наук, профессором Григой Анатолием Даниловичем, которому автор выражает искреннюю благодарность.

В работах [32,72,79,80,86,87,90,93], опубликованных в соавторстве и приведенных в библиографическом списке, соискателю принадлежат: получение основных результатов, проведение оценки численных значений полученных величин и разработка способа автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 121 странице машинописного текста с 16 таблицами и 30 рисунками. Список литературы содержит 98 наименований.

ГЛАВА 1. СНИЖЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ БЕНЗ(А)ПИРЕНА В ТОПКАХ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ

1.1 Экологические показатели сгорания топлива в котлах ТЭЦ

В результате преобразующей деятельности природы человечеством в атмосферу вносятся новые, несвойственные ей вещества, многие из которых оказываются физиологически активными и вредными. Одним из источников вредного воздействия на окружающую среду являются энергетические котлы теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). Доля вредных веществ от ТЭЦ достигает 23 % от суммарных выбросов в воздушный бассейн [1-12]. Следовательно, развитие энергетики необходимо проводить, учитывая экологические требования и нормативы [13-14].

При сжигании природного газа и других видов углеводородного топлива, воздух загрязняется твердыми частицами и оксидами серы, при этом происходит выброс продуктов неполного сгорания и оксидов азота [15-17]. К продуктам неполного сгорания топлива относятся зола, сажа, полиароматические углеводороды (ПАУ), оксиды углерода (рис.1).

ш,% 100

80

60

40 20

Рис.1. Массовая доля вредного вещества в общем объеме выбросов

продуктов сгорания.

СО ПАУ Шх БОг зола сажа

Наиболее ярким представителем ПАУ является канцерогенное вещество-бенз(а)пирен, его используют в качестве показателя канцерогенной загрязненности окружающей среды [5,6,18-22]. Находясь в воздухе бенз(а)пирен оказывает негативное воздействие на человека и биосферу [8]. Его присутствие выявляется по характерному спектру флюоресценции. Наличие БП рассматривается как основной показатель присутствия и других канцерогенных углеводородных соединений. По характеру воздействия на организм БП относится к канцерогенам местного действия. Во всех случаях действует не сам БП, а его расщепления в организме - метаболиты [5,22-24].

По заключению Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), загрязнение воздушного бассейна в промышленных центрах является главной причиной распространения хронических заболеваний и одной из причин, вызывающих рак легких [15]. ВОЗ установлены следующие предельно-допустимые концентрации для БП, приведенные в табл. 1 [25].

Таблица 1

Предельно-допустимые концентрации бенз(а)пнрена в различных средах

Среда Концентрация бенз(а)пирена, мг/м3

Воздух населенных мест (ср е днесуточ ная) МО-6

Воздух рабочей зоны 1,5 • Ю-1

Сухая почва 2 -10~5 мг/г

Поверхностные воды 5-Ю"6

Исследования по охране окружающей среды от выбросов токсичных веществ посвящены актуальному вопросу режимного снижения выбросов при сжигании органического топлива [9]. Энергетические котлы ТЭЦ выбрасывают в воздушный бассейн более 27 канцерогенов [10-12].

С