Многоступенчатое сжигание топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

МНОГОСТУПЕНЧАТОЕ СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА

Введение

Проблема охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов является одной из актуальнейших на современном этапе развития общества.

Тепловые электростанции, потребляя свыше трети добываемого в виде топлива, могут оказывать существенное влияние как на окружающую среду в рационе их расположения, так и на общее состояние биосферы. Взаимодействие электростанции с внешней средой определяется выбросами в атмосферу дымовых газов, тепловыми выбросами и выбросами загрязненных сточных вод.

При сжигании сернистых мазутов с дымовыми газами в атмосферу поступают сернистый и серный ангидриды, окислы азота, газообразные и твердые продукты неполного сгорания, соединения ванадия, соли натрия, а так же отложения, удаляемые с поверхностей нагрева котлов при чистке. Большинство этих компонентов относятся к числу токсичных и даже в сравнительно невысоких концентрациях оказывают вредное воздействие на природу и человека.

В нашей стране преимущественное применение получило комбинированное тепло- и электроснабжение городов от теплоэлектроцентралей (ТЭЦ). Комбинированная выработка электроэнергии и тепла позволяет существенно сократить расход топлива на электроснабжение, сократить тепловые сбросы в водные бассейны, обеспечить наиболее совершенные методы сжигания, очистки и выброса дымовых газов в высокие слои атмосферы, что недостижимо при наличии многочисленных котельных и бытовых печей. Вместе с тем энергоснабжение от ТЭЦ увеличивает количество топлива, сжигаемого в зоне расположения города и требует специальных мероприятий по снижению концентраций вредностей в дымовых газах с учетом фоновой загазованности от других источников.

1. Образование окислов азота в топках котлов

Окислы азота являются вредной примесью: даже при минимальных дозах в воздухе окислы раздражающе воздействуют на органы дыхания, разрушают оборудование и материалы, способствуют образованию смогов и ухудшению видимости в городах. Окислы азота образуются за счет окисления содержащегося в топливе азота, и азота воздуха, поэтому они обнаруживаются в продуктах сгорания всех видов топлив - углей, мазутов, природного газа.

В дымовых газах на выходе из топки котла оксиды азота присутствуют в виде: N₂O, NO, NO₂, N₂O₃, N₂O_4, N₂O₅, причем 95-97% составляют NO. Но при температурах ниже 700 ^оС происходит доокисление NO до NO₂ . Этот процесс в основном происходит в шлейфе дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу. Степень трансформации NO в NO₂ зависит в основном от концентрации озона в приземном слое атмосферы и при интенсивном турбулентном перемешивании идет по реакции

NO + О₃ = NO₂ + О₂

Экологическая опасность NO₂ в несколько раз превосходит NO .Это газ красно-бурого цвета с удушливым и резким, раздражающим запахом; хорошо растворяется в воде, образуя красно-бурую жидкость, которая при температуре -10,2 ^оС твердеет и образует бесцветные кристаллы.

Для разработки путей борьбы с образованием оксидов азота важно знать, как они образуются. В настоящее время достаточно хорошо изучены три основных механизма их образования:

образование «термических» (воздушных) NO из молекулярного азота воздуха при температуре выше 1800 ^оК (механизм Зельдовича);

образование «топливных» NO из связанного азота, находящегося в топливе;

образование небольшого количества «быстрых» NO путем реакции молекулярного азота с углеводородными радикалами NR (механизм Фенимора).(рис.1)

Скорость образования термических окислов азота экспоненциально зависит от температуры и содержания кислорода в степени 0,5. Процесс обратимый, протекает по цепному механизму с образованием свободных атомов кислорода воздуха и азота. Итоговую реакцию можно записать в виде

N₂ + O₂ = 2NO - 180, КДж

Важно отметить, что интенсивное образование NO идет в области максимальных температур, т.е. в зоне факела, где уже сгорела основная масса топлива. Из-за высокой энергии активации основное количество термических оксидов азота образуется в узком диапазоне температур. Время пребывания в этой зоне факела во много раз меньше времени достижения равновесной концентрации.

При низкотемпературном сжигании топлива, когда максимальная температура не превышает 1500 ^оС, термические NO_x можно вообще не учитывать ввиду их малости. Такое положение характерно для пылеугольных топок с прямым сжиганием влажного бурого угля, при высокой доле рециркуляции газов, подаваемых через горелки, или при высоком коэффициенте избытка воздуха в топочной камере.

Топливные оксиды азота образуются параллельно с горением топлива в основной зоне горения за промежуток времени меньший, чем время горения топлива. Процесс образования NO из азота топлива, происходит уже при низких температурах 550-1000^оС.

При факельном сжигании топлива в топочную камеру через горелки подаются прямоточные или закрученные потоки смеси топлива с воздухом и чистого воздуха (иногда газы регенерации).

Топливные оксиды азота отсутствуют при сжигании природного газа, так как газ почти не содержит связанного азота. При сжигании мазута в энергетических котлах доля топливной составляющей оксидов азота относительно невелика.

«Быстрые» NO образуются на начальном участке факела в зоне разогрева топливно-воздушной смеси. Здесь определяющим является присутствие радикалов, образующихся при термическом разложении топлив в результате аномально быстрых реакций молекулярного азота с углеводородами, содержащимися в топливе (СН, НС, NH….)

N₂ + CH= HCN + N

N+ OH = NO+H

2. Нормативы удельных выбросов NO_X по ГОСТ Р50831-95

*Массовый выброс оксидов азота при расходе топлива в условном исчислении, т

** При нормальных физических условиях, рассчитанных на сухие газы

Образующийся при сжигании топлива и содержащиеся в дымовых газах оксиды азота на 97-99% состоят из NO. Монооксид азота относительно менее токсичен, чем NO₂. Принятые значения ПДК оксидов азота в атмосфере - максимально разовая (ПДКМР) и среднесуточная (ПДКСС),мг/м³ - приведены ниже:

Формы оксидов азота ПДКРМ ПДКСС

NO 0.6 0.06

NO₂ 0.085 0.04

3. Первичные мероприятия, направленные на уменьшение выбросов NO_x

Из анализа механизмов образования оксидов азота при сжигании топлив следует, что уменьшения образования NO_x можно достичь, реализовав мероприятия, направленные:

На снижение температуры горения;

Уменьшение времени пребывания продуктов сгорания в области высоких температур;

Создание зон реакций с восстановительной атмосферой (избыток воздуха меньше единицы), где образование NO из азота топлива затруднено и восстановление оксидов азота идет до молекулярного азота.

Для снижения выбросов оксидов азота на электростанциях проводят следующие первичные, или режимно-технологические, мероприятия:

1. Использование горелок с низким выбросом NO_x ( снижение NO_x до 60%);

2. Ступенчатое сжигание топлива (снижение NO_x на 35-45%);

3. Ступенчатую подачу воздуха (снижение NO_x до 50%);

4. Рециркуляцию дымовых газов (снижение NO_x до 33%);

5. Впрыск воды (или водомазутной эмульсии) в ядро факела (снижение NO_x на 25-44%);

6. Комбинацию первичных мероприятий (снижение NO_x до 90%).

Первичные мероприятия малозатратны, и поэтому их применяют прежде всего для обеспечения нормируемых выбросов оксидов азота.

4. Трехступенчатое сжигание топлива

При ступенчатом сжигании топлива горелки в топке котла размещают в несколько ярусов (обычно три - четыре яруса). Подача воздуха (избыток воздуха) изменяется тоже поярусно. Например, при двухступенчатом сжигании нижний ряд горелок получает недостаточное для стехиометрического горения количества воздуха, а верхние ряды горелок, наоборот, получают избыточное его количество.

Наилучший эффект дает трехступенчатое сжигание, прежде всего, на котлах с топками с жидким шлакоудалением, и особенно сжигание высокосернистых топлив при обеспечении минимальной газовой коррозии экранных труб. многоступенчатый топливо азот

Суть трехступенчатого сжигания состоит в том, что по высоте топочной камеры организуют три зоны. В первой (нижней) зоне топки сжигается основное количество топлива (70-85%) при избытке воздуха близком к единице. На выход из зоны активного горения подается остальная часть топлива (15-30%) и соответствующее количество воздуха с таким расчетом, что бы суммарный избыток воздуха в ней составлял 0,39-0,95 (т.е. небольшой недостаток для полного сжигания топлива), благодаря чему в этой части топки создается зона с восстановительной средой, в которой продукты неполного горения (СО,Н₂, С_п Н_m) восстанавливают уже образовавшиеся окислы азота NO до N_2.

Выше этой зоны в верхней части топки организуется зона дожигания оставшихся продуктов неполного сгорания с участием третичного воздуха, подаваемого под повышенным давлением через специальные сопла (рис 2)

Уменьшение выбросов оксидов азота при ступенчатом сжигании топлива в среднем составляет: при сжигании угля - до 40%, при сжигании мазута - до 35%, при сжигании природного газа - до 45%.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, объем топочной камеры делится по высоте на зону первичного горения топлива, поступающего через основные горелки, зону вторичного горения и восстановления оксидов азота и третичную зону дожигания продуктов неполного горения из второй зоны.

Рис3. Схема трехступенчатого сжигания для котла БКЗ 210-140 на твердом топливе

Заключение

Практическая реализация метода трехступенчатого сжигания в топках котлов возможна лишь при наличии нескольких ярусов горелок. В отличие от двухступенчатого данный метод нетрадиционного сжигания представляется более перспективным для использования на котлах с жидким шлакоудалением по условиям выхода жидкого шлака и при сжигании высокосернистых топлив по условиям обеспечения минимальной газовой коррозии экранных труб. В то же время трехступенчатое сжигание может применяться и в топках с твердым шлакоудалением.

Часто для усиления эффективности снижения выбросов оксидов азота и уменьшения недожога топлива на пылеугольных котлах при реализации трехступенчатого сжигания во вторую (восстановительную) ступень вместо твердого топлива подается природный газ в количестве 10-25% по теплу.

Согласно зарубежным данным организация трехступенчатого сжигания природного газа и мазута обеспечивает снижение выбросов азота на 65-80%.Особенно успешной считается реализация трехступенчатого сжигания на газомазутных котлах с тангенциальной компоновкой горелок, при которой обеспечиваются лучшие условия смешения.

Следует особо отметить, что трехступенчатое сжигание является достаточно сложной нетрадиционной технологией, эффективность которой (с точки зрения КПД котла и снижения выбросов NO_х) зависит от многих факторов. Поэтому при её внедрении требуется одновременный учет разных параметров (расходы и скорости потоков, расположение горелок и сопл по высоте топочной камеры, их количество и т. д.), определяющих условия смешения, стехиометрию, температуру и время пребывания газов в каждой из трех зон.

Основными преимуществами технологии трехступенчатого сжигания являются её универсальность по топливу, возможность внедрения на котлах СКД даже при сжигании высокосернистых топлив, высокая эффективность снижения выбросов оксидов азота, составляющая в зависимости от условий реализации 40-75%.

К недостаткам способа следует отнести его сложность, как правило, значительный объем реконструкции при внедрении и связанные с этим довольно большие капитальные затраты, а так же некоторое увеличение недожога топлива.

Список литературы

1. Беспалов В. И., Беспалова С. У., Вагнер М. А. Природоохранные технологии на ТЭС: учебное пособие. -Томск: Изд-во ТПУ, 2007.-168 с.

2. Повышение экологической безопасности тепловых электростанций: учебное пособие для вузов / А. И. Абрамов, Д. П. Елизаров, А. Н. Ремезов и др.; под ред. А. С. Седлова. - М.: Изд-во МЭИ, 2001. - 378 с.

3. Пугач Л. И. Энергетика и экология: учебник / Л. И. Пугач. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. - 504 с.

4. Рихтер Л.А., Волков О.П., Покровский В.Н. Охрана водного и воздушного бассейнов от выбросов ТЭС.-М.:Энергоиздат,1981.-296с.

5. Экология энергетики: учебное пособие /под ред. В. Я. Путилова. - М.: Изд-во МЭИ, 2003. - 715 с.

Размещено на Allbest.ru