Исследование методов снижения оксидов азота при работе водогрейных котлов
Образование оксидов азота при горении. Расчет и исследование методов их снижения на водогрейных котлах: рециркуляция дымовых газов, подача пара в зону горения, двухстадийное сжигание топлива и химические способы очистки. Впрыск пара в топочную камеру.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 27.09.2018 |
| Размер файла | 468,2 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
1. Литературный обзор
1.1 Образование оксидов азота при горении
1.1.1 «Термические» оксиды азота
1.1.2 Образование «быстрых» оксидов азота
1.1.3 Образование диоксида азота
1.2 Методы снижения образования оксидов азота
1.2.1 Рециркуляция дымовых газов
1.2.2 Впрыск воды или пара в зону горения
1.2.3 Двухстадийное сжигание топлива
1.2.4 Химические методы очистки дымовых газов от оксидов азота
2. Расчетная часть
2.1 Исходные данные
2.2 Расчет горения топлива
2.3 Рециркуляция дымовых газов
2.3.1 Расчет параметров котлоагрегата с учетом ввода рециркулирующих газов
2.3.2 Снижение выбросов оксидов азота
2.3.3 Подбор оборудования для рециркуляции газов
2.4 Впрыск пара в топочную камеру
2.4.1 Расчет параметров котельного агрегата при впрыске пара
2.4.2 Снижение образования оксидов азота при применении впрыска пара
2.4.3 Расчет диаметра паропровода для подачи пара на впрыск
2.5 Двухстадийное горение
2.5.1 Организация двухстадийного горения
2.5.2 Снижение выхода оксидов азота
2.6 Химические методы снижения выхода оксидов азота
3. Экономическая часть
3.1 Технико-экономическое обоснование
3.2 Капитальные затраты
3.2.1 Рециркуляция дымовых газов
3.2.2 Впрыск пара
3.2.3 Двухстадийное горение
3.3 Эксплуатационные затраты
3.3.1 Рециркуляция дымовых газов
3.3.2 Впрыск пара
3.3.3 Двухстадийное горение
3.4 Экономический ущерб
3.4.1 Рециркуляция дымовых газов
3.4.2 Впрыск пара
3.4.3 Двухстадийное горение
Выводы
4. Безопасность производственной деятельности при работе в котельной
4.1 Характеристика предприятия
4.2 Анализ условий труда, определение опасных и вредных производственных факторов
4.3 Оценка параметров микроклимата, требования по организации контроля за параметрами микроклимата
4.4 Требования к организации контроля и методам измерения микроклимата
5. Гражданская оборона
5.1 Повышение устойчивости управления Северо-Западной котельной в условиях чрезвычайных ситуаций
Введение
В настоящее время с ростом и бурным развитием промышленности большое внимание уделяется ее экологической безопасности, а именно проблеме очистке и утилизации отходов. Одной из важнейших проблем в природоохранной деятельности является защита атмосферы от загрязнений, которые в значительных масштабах выбрасываются промышленностью, энергетическим производством.
Проблема снижения выбросов оксидов азота водогрейными котлами отопительных котельных является весьма острой. Положение усугубляется тем, что отопительные котельные, как правило, размещаются внутри жилых микрорайонов, а их дымовые трубы имеют высоту, соизмеримую с высотой современных жилых домов.
Основным источником появления оксида азота (NO) и диоксида азота (NO2) в атмосферном воздухе является сжигание топлива. Для современных городов диоксид азота часто играет доминирующую роль по сравнению с другими загрязнителями. Валовый выброс оксидов азота в атмосферный воздух в различных регионах и городах составляет 6-8 % общего выброса всех вредных веществ. При определении допустимых концентраций оксидов азота следует учитывать не только их влияние на организм человека и растительный мир, но на уменьшение видимости и фотохимические реакции в атмосфере.
Снижение образования оксидов азота обычно заключается в снижении или ликвидации «термических» NOх, которые образуются при высоких температурах за счет окисления молекулярного азота атмосферным кислородом.
В работе рассматриваются водогрейные котлы КВГМ-100 Северо-Западной котельной г. Липецка. В настоящее время выбросы оксидов азота водогрейными котлами КВГМ-100 составляют 133,9 т/год. В ходе работы рассчитаны и исследованы следующие методы снижения оксидов азота на этих котлах: рециркуляция дымовых газов, подача пара в зону горения, двухстадийное сжигание топлива и химические способы очистки.
1. Литературный обзор
В ряду основных загрязнителей атмосферного воздуха специальное место занимают оксиды азота. Валовый выброс оксидов азота в атмосферный воздух в различных регионах и городах составляет 6-8 % общего выброса всех вредных веществ, уступая лишь выбросу оксида углерода, оксидов серы и твердых частиц. Однако по токсичности NO2 и ввиду активного участия в фотохимических реакциях в атмосфере оксиды серы не уступают по своему воздействию этим трем группам загрязнителей [1].
Более 95 % от общего количества выбросов оксидов азота во всем мире поступает в атмосферу с продуктами сгорания жидкого и газообразного топлива. Оксиды азота в значительном количестве выделяются при работе ТЭС, двигателей внутреннего сгорания и в процессе травления металлов азотной кислотой. Производства взрывчатых веществ и азотной кислоты также являются источниками выбросов оксидов азота в атмосферу [2].
Оксиды азота принимают участие в образовании фотохимического смога, что приводит к вторичному загрязнению атмосферы городов, участвуют в образовании кислотных дождей. Окислы азота - пусковые вещества фотохимического смога, а образующиеся вещества химически активны и разрушают живые ткани, вызывая удушье, а в экстремальных случаях и гибель людей. Агрессивные химические компоненты вызывают увядание растений, а также коррозию металлических конструкций, разрушение резины, красителей и других материалов. Высокие уровни оксидов азота приводят к учащению случаев катара верхних дыхательных путей, бронхита и воспаления легких у населения. Люди с хроническими заболеваниями дыхательных путей (например, астма или эмфизема легких), а также лица, страдающие сердечно-сосудистыми заболеваниями, могут быть более чувствительными к прямым воздействиям оксидов азота. У лиц, страдающих хроническими сердечно-сосудистыми заболеваниями и заболеваниями дыхательных путей, в присутствии оксидов азота легче развиваются осложнения при кратковременных респираторных инфекциях [1].
Сжигание топлива на тепловых электростанциях и в котельных приводит к выбросу в атмосферу продуктов сгорания органического топлива, содержащих токсичные оксиды азота NOх (главным образом монооксид азота NO и в меньшей степени диоксид NO2). Проблема снижения выбросов оксидов азота водогрейными котлами отопительных котельных является весьма острой. Положение усугубляется тем, что отопительные котельные, как правило, размещаются внутри жилых микрорайонов, а их дымовые трубы имеют высоту, соизмеримую с высотой современных жилых домов [3].
1.1 Образование оксидов азота при горении топлива
Отмечено две основных группы источников образования оксида азота при горении природного газа: «термические» и «быстрые» NOх [4].
1.1.1 «Термические» оксиды азота
«Термические» оксида азота образуются при высоких температурах за счет окисления молекулярного азота атмосферным кислородом.
Кинетика цепной реакции окисления атмосферного азота свободным кислородом при горении:
N2+O2=2NO-180 кДж/кмоль
Активную роль в цепной схеме окисления азота играют свободные атомы кислорода и азота. Концентрация атомарного кислорода и зависящий от нее выход оксида азота обусловлены максимальной температурой в зоне горения. Концентрация оксидов азота линейно увеличивается с увеличением концентрации атомарного кислорода и экспоненциально с увеличением температуры [5].
При стационарном режиме горения реакция горения и следующая за ней (или частично совпадающая во времени) реакция образования оксида азота протекает при переменной температуре.
Образование основного количества оксидов азота, определяющего концентрацию в конечных продуктах сгорания, происходит при максимальной температуре и остается существенным на некотором температурном интервале. Время реакции образования NO характеризуется темпом охлаждения в зоне максимальных температур.
Для топочных камер больших размеров характерен медленный темп охлаждения продуктов сгорания и больший, чем для топок малых размеров, период реакции синтеза оксида азота. Вследствие этого выход «термических» NOх в топочных камерах энергоблоков на природном газе составляет 0,8-1,5 г/м3, в то время как в малых промышленных и отопительных котлах без подогрева воздуха, имеющих более низкие значения температур и характеризующихся значительным темпом охлаждения продуктов сгорания выход «термических» NOх невелик и составляет 0,1-0,2 г/м3 [4].
Время реакции составляет лишь незначительную часть времени пребывания реагентов в топочной камере, которое зависит от коэффициента избытка воздуха. Экспериментальные измерения и расчеты равновесных концентраций показали, что возрастание выхода оксидов азота с увеличением коэффициента избытка воздуха наблюдается до б?1,2 [5].
Имеющийся опыт позволяет сформулировать проведенные в практических условиях методы подавления образования «термических» оксидов азота путем снижения скорости реакции их образования [4]:
1. снижение общего уровня температур в топке путем рециркуляции продуктов сгорания с температурой до 400оС, подачи пара и воды в зону горения и в дутьевой воздух, организация ступенчатого горения;
2. уменьшение общего избытка воздуха в пределах допустимых по условиям начала быстрого увеличения выхода продуктов неполного горения С, СО и т.д.
1.1.2 Образование «быстрых» оксидов азота
«Быстрые» оксиды азота образуются в зоне сравнительно низких температур в результате реакции углеводородных радикалов с молекулой азота и последующего взаимодействия атомарного азота с гидроокислом ОН. Быстрое образование оксида азота во фронте пламени - явление органически связанное с горением и присуще пламеням углеводородов и углесодержащих топлив. С точки зрения минимизации выхода оксида азота перспективным топливом является водород, в пламенях которого образуется оксида азота на порядок меньше по сравнению с пламенями метана и оксида углерода [5].
Наиболее характерными признаками быстрого окисления азота в пламенях служат: кратковременность процесса, в результате чего зона образования оксида азота локализована на сравнительно небольшом участке фронта ламинарного пламени; слабая зависимость выхода оксидов азота от температуры горения; сильная зависимость выхода оксидов азота от соотношения топливо-воздух и смещения пика концентрации NOх в область богатых горючих смесей [4].
«Быстрые» оксида азота образуются непосредственно во фронте ламинарного пламени на участке, составляющем около 10% ширины фронта пламени, Причем процесс образования начинается уже у передней границы фронта пламени в области температур около 1000 К.
Выход «быстрых» NOх при горении природного газа составляет 100-120 мг/м3 и не может быть снижен ступенчатым горением [5].
1.1.3 Образование диоксида азота
Диоксид азота NO2 образуется в процессе доокисления оксида азота NO в пламенях пероксидным радикалом HO2. Доокисление NO в NO2 имеет место при сильном охлаждении пламени избыточным воздухом и водоохлаждаемыми поверхностями нагрева [4].
Процесс окисления лимитируется только количеством НО2, так как концентрация NO существенно выше, чем радикалов НО2. Накопление радикалов НО2 в пламени наблюдается при температурах 630-650 К, а критическая температура, ниже которой происходит образование NO2 равна 977 К. Резкое охлаждение продуктов сгорания имеет место в малых отопительных котлах. С уменьшением мощности котла содержание NO2 в продуктах сгорания возрастает, что объясняется рядом факторов, но, прежде всего [5]:
1. большим коэффициентом избытка воздуха (при бт>1,15 наличие NO2 неизбежно);
2. более интенсивным охлаждением зоны горения.
Дальнейшее доокисление NO в NO2 происходит на выходе из дымовой трубы. Главную роль в этом процессе играет атмосферный озон O3.
NO+O3>NO2+O2+205 кДж/кмоль.
Выброс оксидов азота приводит к снижению содержания к снижению содержания и ускоренному стоку O3 в приземной атмосфере. При ежегодном выбросе 50 млн. тонн оксида азота потеря озона в приземном слое атмосферы составляет 60-70 млн. тонн/год. Из-за существенно большей реакционной способности NO2 по сравнению с NO даже при частичном окислении оксида азота в диоксид резко ускоряются процессы вторичного загрязнения атмосферы.
1.2 Методы снижения образования оксидов азота
Снижение образования оксидов азота заключается в снижении или ликвидации «термических» оксидов азота. Снижение «термических» оксидов азота достигается путем воздействия главным образом на максимальную температуру горения, что обеспечивается вводом газов рециркуляции, воды и пара в зону горения или в дутьевой воздух, а также двухстадийным сжиганием топлива, снижающим максимальную температуру и содержание кислорода в зоне максимальных температур.
При сжигании газа часто удается полностью ликвидировать «термические» оксиды азота, приблизив концентрации оксидов азота к уровню «быстрых» или к 100-120 мг/м3 при холодном воздухе и к 150-200 мг/м3 при горячем воздухе [6].
1.2.1 Рециркуляция дымовых газов
Одним из наиболее распространенных и наиболее хорошо изученных методов снижения количества образующихся оксидов азота является рециркуляция продуктов сгорания в зону горения. При этом более эффективной является не внутренняя рециркуляция горячих топочных газов в горелку, а внешняя рециркуляция предварительно охлажденных газов из хвостовой части котла в дутьевой воздух. При подаче газов рециркуляции с температурой 700 оС в ядро факела в количестве равном 20 % от объема воздуха, поступающего на горение, максимальная температура факела снижается обычно на 120-130 оС. Подача рециркуляционных газов в зону горения позволяет снизить как температуру горения, так и концентрацию кислорода в реакционной зоне [7].
Рециркуляция газов в топочную камеру в настоящее время широко применяется в котельной технике. Применение рециркуляции связано с определенными трудностями. К ним (наряду с некоторым снижением коэффициента полезного действия) следует отнести необходимость в специальном рециркуляционном вентиляторе и в газоходах. Кроме того, это вызывает повышение сопротивления воздушного тракта и возможность нарушения стабилизации пламени. В настоящее время рециркуляция газов применяется в мощных котлах энергоблоков, работающих на природном газе. Очень широко применяется рециркуляция газов и в зарубежных котлах.
Ввод рециркуляционных газов в зону горения позволяет уменьшить образование оксидов азота в топочной камере. Влияние рециркуляции на выход оксидов объясняется действием нескольких факторов [4]:
1. снижение максимальной температуры в зоне горения из-за разбавления охлажденными продуктами сгорания;
2. снижение концентраций реагирующих веществ из-за разбавления продуктами сгорания.
Из анализа промышленной проверки влияния рециркуляции на выход оксидов азота можно сделать ряд выводов[4]:
1. Рециркуляция газов в тракт дутьевого воздуха или в горелку является эффективным способом снижения образования оксидов азота в топочной камере.
2. Подача рециркуляционных газов более эффективна при высоких нагрузках и степени рециркуляции меньше 20 %.
3. Применение рециркуляции газов в общий канал или в канал первичного воздуха на котельных агрегатах, уже оснащенных рециркуляционными дымососами и каналами, требует незначительной реконструкции и может найти сааме широкое применение.
4. Эффективность рециркуляции тем больше, чем выше температура в зоне горения. Она снижается при:
а) уменьшении нагрузки котла;
б) уменьшении температуры горения топлива;
в) повышении азотосодержащих соединений в топливе.
Максимальная эффективность рециркуляции имеет место при сжигании природного газа при номинальной нагрузке топочной камере и малых коэффициентах избытка воздуха.
5. При подаче 1 % газов рециркуляции КПД котла электростанций для средних условий снижается на 0,02%.
Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о том, что наибольший эффект достигается при подаче рециркуляционных газов в дутьевой воздух. При малой степени рециркуляции (до 10 %) подача 1 % рециркуляционных газов (по отношению к дутьевому воздуху) снижается выход оксидов азота в среднем на 2,5 - 3,0 %. Дальнейшее увеличение доли рециркулирующих газов приводит к некоторому снижению удельной эффективности метода [7].
1.2.2 Впрыск воды или пара в зону горения
Физико-химические основы применения данного метода базируются на балластировании зоны горения влагой, что приводит к снижению максимальной температуры в ядре факела.
При использовании жидкого топлива ввод воды в зону горения снижает содержание оксидов азота в дымовых газах на 20-30 %, значительно также снижается содержание сажи. Однако при добавке к мазуту 10% воды КПД котла снижается на 0,7 %.
Ввод водяного пара интенсифицирует реакции горения и, прежде всего, дожигание СО за счет добавочного количества гидроксильного радикала (ОН) [6].
Снижение образования оксидов азота при подаче пара и воды в зону горения можно объяснить [4]:
1. снижением максимальной температуры в зоне горения;
2. уменьшением времени пребывания в зоне горения за счет интенсификации горении СО по реакции СО+ОН=СО2+Н;
3. расходованием гидроксильного радикала в реакции Н2О=ОН+Н.
Подача пара или воды в зону горения с целью снижения образования оксидов азота вызывает значительный интерес исследователей главным образом в связи со следующими обстоятельствами [4]:
1. сравнительно малым расходом среды и отсутствием необходимости строительства трубопроводов большого диаметра;
2. положительным воздействием не только на снижение оксидов азота, но и на догорание в факеле оксида углерода и 3,4-бензапирена;
3. возможность использования при сжигании твердого топлива;
4. достоинством этого метода борьбы с оксидами азота являются небольшие капитальные затраты, а также простота и легкость автоматизации.
При использовании этого метода пар или вода вводятся через растопочные форсунки, расположенные ниже основных горелок таким образом, чтобы струя пара попадала в корень факела на расстоянии 0,4-0,7 м от амбразуры.
Учитывая особенность метода, основанного на зональном воздействии на факел, а именно - необходимость подачи определенного (строго дозируемого) количества балласта точно в корень факела, а также отсутствием систем, позволяющим автоматически осуществить эту подачу, этот способ может быть рекомендован для реализации в котлоагрегатах, имеющих стационарный по нагрузке и коэффициенту избытка воздуха режим эксплуатации.
Подача пара или воды является перспективным методом снижения образования и выброса оксидов азота при сжигании каменного угля, газа и мазута. Вопрос о целесообразности подачи пара и воды для снижения выхода оксидов азота в котлах должен решаться в каждом конкретном случае с учетом влияния на КПД котла [4].
1.2.3 Двухстадийное сжигание топлива
Двухступенчатое или двухстадийное сжигание (а также трех- и многостадийное) сжигание топлива является одним из наиболее перспективных методов регулирования топочных режимов и одновременно снижения образования оксидов азота в топочных процессах. Сущность метода заключается в том, что в первичную зону горения подается воздуха меньше, чем необходимо теоретически (б1=0,7-0,95), в результате чего происходит снижение максимальной температуры в зоне факела, снижение содержания кислорода в ядре факела, уменьшении скорости реакции образования оксидов азота и увеличение длины и светимости факела [7].
Из-за разбавления продуктами сгорания последующее горение протекает при более низкой температуре, вследствие чего во вторичной зоне горения оксида азота практически не образуются.
Принципиально ступенчатое сжигание состоит в замене единой зоны выгорания топлива несколькими, желательно удаленными друг от друга для охлаждения продуктов горения при их движении от одной зоны к другой.
Конструктивно двухстадийное сжигание осуществляется следующим образом. При наличии двух или большего числа ярусов горелок специально устанавливается такой режим, когда коэффициент избытка воздуха в нижних горелках снижается, а в верхних повышается. При равномерном распределении топлива по горелкам через нижний ярус горелок обычно подается заведомо меньше вторичного воздуха, а через верхний - больше. Можно сохранить равномерное распределение воздуха по ярусам, но увеличить расход топлива на горелки нижнего яруса, соответственно сократив его расход на верхние горелки. В результате чего снижается образование топливных оксидов азота при сгорании топлива, поступающего через нижние горелки. При этом практически не происходит ухудшения экономичности топочного процесса, так как продукты неполного сгорания топлива, поступившие через нижний ярус горелок, поднимаясь, встречают на своем пути обогащенные воздухом продукты сгорания факела горелок верхнего яруса [4].
Поскольку образование оксидов азота в значительной степени зависит от максимальной температуры, развиваемой в зоне горения, следует ожидать, что снижение выхода оксидов азота будет тем сильнее, чем более отличается состав от стехиометрии. Когда на первой стадии сжигается богатая топливовоздушная смесь помимо снижения температурного уровня в зоне горения, заметное влияние на подавление образования оксидов азота оказывает пониженная (по сравнению со стехиометрической смесью) концентрация кислорода в ядре факела. На первой стадии температурный уровень в ядре факела ниже, чем при одноступенчатом сжигании стехиометрической топливной смеси, так как при сжигании как богатой, так и бедной топливовоздушной смеси теоретическая температура горения уменьшается. В том случае, когда на первой стадии сжигается богатая топливовоздушная смесь, кроме снижения температурного уровня в факеле, заметное влияние на образование оксидов азота оказывает более низкая концентрация кислорода, чем в стехиометрических и бедных смесях. На второй стадии происходит дожигание продуктов неполного сгорания. В результате охлаждения продуктов неполного сгорания до второй стадии горения и балластирования горючей смеси продуктами сгорания топлива, на второй стадии горения также подавляется процесс образования оксидов азота.
Внедрение такого мероприятия обычно не требует реконструкции действующего оборудования, однако необходимы наладочные испытания для установки наиболее рационального распределения первичного и вторичного воздуха.
Отработаны режимы двухстадийного горения, позволяющие снизить выброс оксидов азота при сжигании природного газа в 2-2,5 раза [7].
Существуют разработки, дающие возможность осуществить двухстадийное сжигание непосредственно в горелочных устройствах, что позволяет сохранять размеры факела в топке в прежних пределах и не допускать повышения температуры на выходе из топочной камеры [4].
1.2.4 Химические методы очистки дымовых газов от оксидов азота
К очистке дымовых газов применяются восстановительные методы, основанные на восстановлении оксида азота до азота и кислорода с применением катализаторов. Однако очистка дымовых газов путем восстановления оксида азота до азота и кислорода на катализаторах представляет собой сложную задачу в связи со следующими обстоятельствами [8]:
1. наличием в дымовых газах золы и оксидов серы, загрязняющих и отравляющих катализатор;
2. потребностью в более высокой температуре газов у катализатора (обычно порядка 400 оС).
Методы восстановления оксида азота природным газом, водородом или оксидом углерода основаны на реакциях [4]:
4NО+СН4+>2N2+СО2+2Н2О;
2NО+Н2+>N2+2Н2О;
2NО+2СО+>N2+2СО2.
В области 250-400 оС при наличии катализатора не получили пока применения в котлах, главным образом в связи с тем, что все эти восстановители способны вступать в реакцию с оксидом азота лишь при отсутствии кислорода в продуктах сгорания.
Аммиак является единственным доступным восстановителем избирательного действия, способным восстановить примеси оксида азота до азота (или малотоксичной закиси азота) при наличии кислорода [8]:
6NО+4NH3+>5N2+6H2O;
6NО2+8NH3+>7N2+12H2O;
8NО+2NH3+>5N2О+3H2O.
Выполненные исследования на неподвижном слое катализатора при обеспыленном газе показали, что при коэффициенте избытка аммиака 1,05-1,17 обеспечивается снижение содержания оксидов азота в дымовых газах с 0,05 до 0,01 % [7].
Конструктивно аммиачно-каталитическая очистка осуществляется следующим образом. В поток дымовых газов, обычно между экономайзером и воздухоподогревателем котла, вводится коллектор - перфорированная труба, через отверстия которой выходит аммиак. На расстоянии 0,5-1,5 м от нее расположена кассета с катализатором (обычно V2O5). При этом одна из главных задач - снижение сопротивления катализатора.
Стоимость очистки газа путем восстановления аммиаком превышает стоимость рециркуляции и двухступенчатого сжигания в 10-30 раз.
Вторым направлением по очистке дымовых газов от оксидов азота является прямое вдувание аммиака в топочную камеру, дающее наибольший эффект в области температур 950-1000 оС.
Исследования, проведенные при непосредственном вводе аммиака в топочную камеру в области температур 850-1200 оС, показали, что степень восстановления NО зависит от ряда факторов, основные из которых: а) температура; б) соотношение NН3/NО; в) концентрация NO; г) время реакции [8].
В заключение следует отметить, что, следуя поставленным в работе задачам, в литературном обзоре подробно рассмотрены основные методы очистки дымовых газов водогрейных котлов от оксидов азота, выявлены их общие достоинства и недостатки.
Таким образом, представленная в обзоре информация очерчивает область, в которой проводится работа.
2. Расчетная часть
Снижение образования оксидов азота обычно заключается в снижении или ликвидации «термических» оксидов азота, которые образуются при высоких температурах за счет окисления молекулярного азота атмосферным кислородом. В работе рассматриваются водогрейные котлы КВГМ-100 Северо-Западной котельной г. Липецка и способы снижения выбросов оксидов азота этими котлами.
2.1 Исходные данные
В своем составе Северо-Западной котельной имеет три водогрейных котла КВГМ-100. Водогрейный котел КВГМ-100 имеет П-образную компоновку. Топочная камера и конвективная шахта полностью экранированы. Экраны топочной камеры и задняя стенка конвективной шахты выполнены из труб Ш 60х3 мм. Конвективная поверхность состоит из трех пакетов. Каждый пакет набирается из U-образных ширм, выполненных из труб Ш 20х3 мм. Ширмы расположены параллельно фронту котла так, что их трубы образуют шахматный пучок. Боковые стенки конвективной шахты закрыты трубами Ш 83х3,5 мм.
Котлоагрегат оснащен тремя газомазутными горелками РГМГ-30, предназначенными для раздельного сжигания жидкого топлива и природного газа. Жидкое топливо распыливается механической форсункой.
Основное топливо - природный газ: Азиатско-Петровский смешанный (по данным предприятия). Состав топлива: Н2 - 0 %; СО - 0 %; СН4 - 98 %; С2Н6 - 0,1 %; С3Н8 - 0 %; С4Н10 - 0 %; С5Н12 - 0 %; СО2 - 0,3 %; N2 - 1,6 %; О2 - 0% [10, c. 12].
Теплота сгорания топлива Qрн=7978 ккал/м3=33427,82 кДж/м3.
Режимная карта котла КВГМ-100 приведена в таблице 2.1.
Таблица 2.1 Режимная карта котла КВГМ-100
|
Тепло производительность котла |
Гкал/ч |
28,1 |
32,97 |
48,98 |
57,43 |
62,6 |
72,9 |
82,01 |
88,3 |
|
|
Расход воды по прибору через котел |
м3/ч |
1480 |
1460 |
1430 |
1450 |
1420 |
1450 |
1430 |
1430 |
|
|
Расчетный расход воды через котел |
м3/ч |
1385 |
1369 |
1348 |
1370 |
1345 |
1377 |
1364 |
1367 |
|
|
Температура воды перед котлом |
оС |
70 |
70 |
70 |
70 |
70 |
70 |
70 |
70 |
|
|
Температура воды за котлом |
оС |
91 |
95 |
108 |
114 |
119 |
126 |
134 |
139 |
|
|
Температура дутьевого воздуха |
оС |
24 |
24 |
18 |
19 |
19 |
22 |
23 |
26 |
|
|
Давление воды до котла |
кгс/см2 |
11,7 |
11,7 |
11,6 |
11,4 |
11,6 |
11,5 |
11,5 |
11,5 |
|
|
Давление воды после котла |
кгс/см2 |
9,4 |
9,4 |
9,5 |
9,2 |
9,5 |
9,5 |
9,5 |
9,5 |
|
|
Расход газа по прибору |
м3/ч |
3500 |
4100 |
6100 |
7200 |
8000 |
9200 |
10450 |
11250 |
|
|
Расчетный расход газа при н.у. |
нм3/ч |
3496 |
4094 |
6022 |
7073 |
7825 |
8985 |
10176 |
10918 |
|
|
Давление газа перед горелками № 1 № 2 № 3 |
кгс/см2 |
0,11 |
0,16 |
0,13 |
0,18 |
0,225 |
0,275 |
0,33 |
0,39 |
|
|
кгс/см2 |
0,11 |
0,16 |
0,13 |
0,18 |
0,225 |
0,275 |
0,33 |
0,39 |
||
|
кгс/см2 |
0,13 |
0,18 |
0,225 |
0,275 |
0,33 |
0,39 |
||||
|
Давление воздуха общего перед горелками |
кгс/м2 |
38 |
42 |
65 |
90 |
120 |
160 |
200 |
240 |
|
|
Разряжение в топке |
кгс/м2 |
4 |
4 |
4 |
4 |
5 |
5 |
5 |
5 |
|
|
Разряжение за котлом |
кгс/м2 |
26 |
26 |
32 |
42 |
54 |
69 |
81 |
91 |
|
|
Температура уходящих газов |
оС |
99 |
105 |
121 |
131 |
138 |
149 |
159 |
166 |
|
|
Коэффициент избытка воздуха за котлом |
- |
1,58 |
1,498 |
1,257 |
1,223 |
1,19 |
1,177 |
1,164 |
1,152 |
|
|
Массовый выброс вредных веществ: NОх СО |
г/с |
2,149 |
1,696 |
3,524 |
5,028 |
5,253 |
5,699 |
6,432 |
7,385 |
|
|
г/с |
0 |
1,055 |
0 |
0,102 |
0,028 |
0,031 |
0,07 |
1,297 |
||
|
КПД брутто |
% |
94,096 |
93,960 |
93,847 |
93,453 |
93,227 |
92,724 |
93,098 |
92,972 |
|
|
Удельная норма расхода условного топли-ва на выработанную теплоэнергию |
152,93 |
152,6 |
152,1 |
152,37 |
152,62 |
152,96 |
153,45 |
153,66 |
2.2 Расчет горения топлива
При сжигании природного газа расчет теоретических объемов воздуха и продуктов сгорания, м3/м3 газа, производится на основании процентного состава компонентов, входящих в него [11].
Теоретический объем воздуха [11, c.21];:
Vво=0,0476[? (m+0,25n)CmHn+0,5(CO+H2)+1,5H2S-O2], м3/м3;
Vво=0,0476[(1+0,25М4)М98+(2+0,25М6)М0,1]=9,34626 м3/м3.
Теоретический объем азота [11, c.21]:
VN2o=0,79 Vво+0,01N2, м3/м3;
VN2o=0,79М9,34626+0,01М1,6=7,3995 м3/м3.
Теоретический объем трехатомных газов:
VRO2=0,01(CO2+CO+H2S+?mCmHn), м3/м3 - [11, c.21];
VRO2=0,01(0,3+1М98+2М0,1)=0,985 м3/м3.
Теоретический объем водяных паров:
VH2Oo=0,01(H2S+H2+?0,5nCmHn+0,124dг)+0,0161Vво, м3/м3 - [11, c.21];
где dг - влагосодержание газообразного топлива, при расчетной температуре 10 оС dг=10 г/м3 - [11, c.21].
VH2Oо=0,01(0,5М4М98+0,5М6М0,1+0,124М10)+0,0161М9,34625=2,1259 м3/м3.
Действительные объемы продуктов сгорания, водяных паров, воздуха при избытке воздуха в газоходах б>1 определяют по формулам [11, c.21]:
Vг=VRO2+VN2o+(б-1)Vво+VH2Oo+0,0161(б-1)Vво, м3/м3; (2.1)
VH2O= VH2Oo+0,0161(б-1)Vво, м3/м3; (2.2)
Vв=бVво, м3/м3; (2.3)
где б - коэффициент избытка воздуха, зависящий от теплопроизводительности котла.
В таблице 2.2 приведена нагрузка котла КВГМ-100 в зависимости от месяца года по данным предприятия.
Таблица 2.2. Нагрузка котла КВГМ-100 по месяцам
|
Месяц |
Нагрузка в Гкал/ч |
|
|
Январь |
62,6 |
|
|
Февраль |
72,9 |
|
|
Март |
57,43 |
|
|
Апрель |
0 |
|
|
Май |
0 |
|
|
Июнь |
32,97 |
|
|
Июль |
48,98 |
|
|
Август |
28,1 |
|
|
Сентябрь |
0 |
|
|
Октябрь |
0 |
|
|
Ноябрь |
57,43 |
|
|
Декабрь |
72,9 |
Для января месяца б=1,19 при теплопроизводительности 62,6 Гкал/ч - из таблицы 2.1.
Действительные объемы по формулам (2.1), (2.2), (2.3):
Vг=0,985+7,3995+(1,19-1)М9,34626+2,1259+0,0161(1,19-1)М9,34626=12,3148 м3/м3;
VH2O= 2,1259+0,0161(1,19-1)М9,34626=2,1545 м3/м3;
Vв=1,19М9,34626=11,1221 м3/м3.
Расчеты для других нагрузок приведены в таблице 2.3.
Таблица 2.3.
|
Нагрузка в Гкал/ч |
Коэффициент избытка воздуха, б |
Действительный объем дымовых газов, м3/м3 |
Действительный объем водяных паров, м3/м3 |
Действительный объем воздуха, м3/м3 |
|
|
62,6 |
1,19 |
12,3148 |
2,1545 |
11,1221 |
|
|
72,9 |
1,177 |
12,1913 |
2,1525 |
11,0001 |
|
|
57,43 |
1,223 |
12,6282 |
2,1595 |
11,4305 |
|
|
32,97 |
1,498 |
15,2398 |
2,2008 |
14,0007 |
|
|
48,98 |
1,257 |
12,9511 |
2,1646 |
11,7483 |
|
|
28,1 |
1,58 |
16,0185 |
2,2132 |
14,7671 |
2.3 Рециркуляция дымовых газов
Для снижения образования оксидов азота применяют рециркуляцию газов. Рециркулирующие газы обычно вводят в поток горячего воздуха, поступающего затем в горелки, либо непосредственно в топку через самостоятельные кольцевые каналы горелок [4].
На всем участке газового тракта котла от места ввода рециркулирующих газов в топку до места их отбора объем газов превышает расчетный по условиям горения топлива [11].
Доля рециркулирующих газов из конвективной шахты в топку определяется коэффициентом рециркуляции r. Коэффициент рециркуляции определяет долю газов, используемых для рециркуляции [12]:
r =, (2.4)
где Vрц и - объем газов, отбираемых на рециркуляцию, и остающийся объем за местом отбора газов, м3/м3.
Рециркуляция изменяется в пределах от 1 % до 30% [4].
2.3.1 Расчет параметров котлоагрегата с учетом ввода рециркуляционных газов
Расчет ведется для степени рециркуляции r=10 % для нагрузки 62,6 Гкал/ч.
Для определения объема газов рециркуляции Vрц сначала находят остающийся объем газов за местом отбора:
V``г.отб=Vго+(бг.отб-1)Vво, м3/м3 - [11, c. 25];
где бг.отб - коэффициент избытка воздуха за поверхностью, где производится отбор газов на рециркуляцию, бг.отб= б.
Vго и Vво - из п. 2.2.
V``г.отб=10,5104+(1,19-1)М9,34626=12,2862 м3/м3.
Объем газов рециркуляции:
Vрц=rМ V``г.отб, м3/м3 - [11, c. 25];
Vрц=0,1М12,2862=1,2286 м3/м3.
Объем газов в газоходах с учетом рециркуляции:
Vг.рц=Vг+ Vрц, м3/м3 - [11, c. 25];
Vг.рц=12,3148+1,2286=13,5434 м3/м3.
Энтальпия теоретического объема воздуха:
Нво= Vвосвt, кДж/м3 - [11, c. 23];
где св - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, кДж/(м3М оС);
св=1,3029 кДж/(м3М оС) - [11, табл. 2.2];
t - расчетная температура, оС, t=138 оС - из таблицы 2.1.
Нво= 9,34626М1,3029М138=1680,4594 кДж/м3.
Энтальпия теоретических объемов дымовых газов:
Нго=(VRO2сRO2+ VH2OoсН2О+ VN2oсN2)Мt, кДж/м3 - [11, c. 23];
где сRO2, сН2О, сN2 - теплоемкости трехатомных газов, водяных паров, азота при постоянном давлении, кДж/(м3М оС) - [11, табл. 2.2]:
сRO2= 1,73 кДж/(м3М оС);
сН2О= 1,4995 кДж/(м3М оС);
сN2= 1,3019 кДж/(м3М оС);
VRO2, VH2Oo, VN2o - из п. 2.2.
Нго=(0,985М1,73+2,1259М1,4995+7,3995М1,3019)М138=2004,484 кДж/м3.
Энтальпия продуктов сгорания при избытке воздуха б>1:
Нг= Нго+(б-1)МНво, кДж/м3 - [11, c. 23] .
Энтальпия холодного воздуха:
Нхво=свtхвVво=1,32tхвVво, кДж/м3 - [11, c. 26];
где tхв - температура холодного воздуха, оС; tхв=20 оС.
Нхво=1,32М20М9,34626= 246,741 кДж/м3;
Нг=2004,4840+(1,19-1)М1680,459= 2323,771, кДж/м3.
Энтальпия газов рециркуляции при известной температуре:
Нг.рц=(1+r)М Нг, кДж/м3 - [11, c. 25];
Нг.рц=(1+0,1)М2323,971= 2556,148 кДж/м3.
Коэффициент полезного действия котла, % определяется из обратного баланса котла [11]:
зк=100-(q2+q3+q4+q5+q6),
где q2 - потеря теплоты с уходящими газами, %, определяемая по формуле:
q2=, % - [11, c. 26];
где Нух - энтальпия уходящих газов, кДж/м3; Нух= Нг.рц= 2556,368 кДж/м3;
q4 - потери от механической неполноты сгорания, %; q4=0 % - [11, c. 27];
Qрр - располагаемая теплота сжигаемого топлива, кДж/м3; для природного газа Qрр=Qрн=7978 ккал/м3=33427,82 кДж/м3 - из п. 2.1;
бух - коэффициент избытка воздуха на выходе газов из газохода, бух= б.=1,19;
q2==6,768 %;
q3 - потери теплоты с химическим недожогом, %, q3=0,5 % - [11, табл. 4.6];
q5 - потери теплоты от наружного охлаждения через внешние поверхности котла, %, q5=0,2 % - [11, c.27];
q6 - потери с физической теплотой удаляемых шлаков, %, q6=0 % - [11, c. 27].
зк=100-(6,768+0,5+0,2)=92,532 %.
Расчеты для разных степеней рециркуляции и других нагрузок приведены в таблице 2.4.
Таблица 2.4.
|
Степень рециркуляции, r, % |
Объем рециркулирующих газов, Vрц, м3/м3 |
Энтальпия газов рециркуляции, Нг.рц, кДж/м3 |
Потеря теплоты с уходящими газами, q2, % |
КПД, % |
|
|
Теплопроизводительность котла: 62,6 Гкал/ч |
|||||
|
1 |
0,122862 |
2347,009 |
6,142748 |
93,15725 |
|
|
5 |
0,614309 |
2439,96 |
6,420813 |
92,87919 |
|
|
10 |
1,228619 |
2556,148 |
6,768393 |
92,53161 |
|
|
15 |
1,842928 |
2672,337 |
7,115974 |
92,18403 |
|
|
20 |
2,457238 |
2788,526 |
7,463554 |
91,83645 |
|
|
25 |
3,071547 |
2904,714 |
7,811134 |
91,48887 |
|
|
30 |
3,685857 |
3020,903 |
8,158715 |
91,14129 |
|
|
Теплопроизводительность котла: 72,9 Гкал/ч |
|||||
|
1 |
0,121647 |
2513,512 |
6,65044 |
92,64956 |
|
|
5 |
0,608234 |
2613,057 |
6,948231 |
92,35177 |
|
|
10 |
1,216469 |
2737,488 |
7,32047 |
91,97953 |
|
|
15 |
1,824703 |
2861,919 |
7,692708 |
91,60729 |
|
|
20 |
2,432938 |
2986,35 |
8,064947 |
91,23505 |
|
|
25 |
3,041172 |
3110,782 |
8,437186 |
90,86281 |
|
|
30 |
3,649406 |
3235,213 |
8,809424 |
90,49058 |
|
|
Теплопроизводительность котла: 57,43 Гкал/ч |
|||||
|
1 |
0,125946 |
2278,941 |
5,914763 |
93,38524 |
|
|
5 |
0,629731 |
2369,196 |
6,184763 |
93,11524 |
|
|
10 |
1,259462 |
2482,015 |
6,522263 |
92,77774 |
|
|
15 |
1,889192 |
2594,834 |
6,859763 |
92,44024 |
|
|
20 |
2,518923 |
2707,653 |
7,197263 |
92,10274 |
|
|
25 |
3,148654 |
2820,472 |
7,534763 |
91,76524 |
|
|
30 |
3,778385 |
2933,29 |
7,872263 |
91,42774 |
|
|
Теплопроизводительность котла: 32,97 Гкал/ч |
|||||
|
1 |
0,151648 |
2176,194 |
5,404407 |
93,89559 |
|
|
5 |
0,758242 |
2262,38 |
5,662234 |
93,63777 |
|
|
10 |
1,516484 |
2370,112 |
5,984517 |
93,31548 |
|
|
15 |
2,274726 |
2477,845 |
6,306801 |
92,9932 |
|
|
20 |
3,032967 |
2585,577 |
6,629085 |
92,67092 |
|
|
25 |
3,791209 |
2693,309 |
6,951368 |
92,34863 |
|
|
30 |
4,549451 |
2801,042 |
7,273652 |
92,02635 |
|
|
Теплопроизводительность котла: 48,98 Гкал/ч |
|||||
|
1 |
0,129124 |
2154,428 |
5,517183 |
93,78282 |
|
|
5 |
0,645619 |
2239,751 |
5,772431 |
93,52757 |
|
|
10 |
1,291239 |
2346,406 |
6,091491 |
93,20851 |
|
|
15 |
1,936858 |
2453,061 |
6,410551 |
92,88945 |
|
|
20 |
2,582478 |
2559,716 |
6,729611 |
92,57039 |
|
|
25 |
3,228097 |
2666,371 |
7,048671 |
92,25133 |
|
|
30 |
3,873717 |
2773,026 |
7,367731 |
91,93221 |
|
|
Теплопроизводительность котла: 28,1 Гкал/ч |
|||||
|
1 |
0,159312 |
2150,679 |
5,267553 |
94,03245 |
|
|
5 |
0,796562 |
2235,855 |
5,522357 |
93,77764 |
|
|
10 |
1,593123 |
2342,324 |
5,840862 |
93,45914 |
|
|
15 |
2,389685 |
2448,793 |
6,159367 |
93,14063 |
|
|
20 |
3,186246 |
2555,262 |
6,477872 |
92,82213 |
|
|
25 |
3,982808 |
2661,732 |
6,796377 |
92,50362 |
|
|
30 |
4,779369 |
2768,201 |
7,114882 |
92,18512 |
Снижение КПД, %:
?КПД=;
где з - КПД котлоагрегата без применения рециркуляции %; з=93,227 % - из таблицы 2.1;
зr - КПД котлоагрегата при применении рециркуляции %; зr=92,53161 % при r=10 % - из таблицы 2.4.
?КПД==0,746 %.
При применении рециркуляции КПД котельного агрегата снижается на 0,075 - 2,237 % при степени рециркуляции 1 - 30 %. С уменьшением КПД котельного агрегата увеличивается расход топлива. Расход топлива, подаваемого в топку, определяется по формуле [12]:
, м3/ч;
где Qка - полное количество тепла, полезно отданное в топке, кДж/ч;
Qрр - располагаемая теплота сжигаемого топлива, кДж/м3;
зка - КПД котельного агрегата, %.
.
При нагрузке 62,6 Гкал/ч и степени рециркуляции 10 %:
В=7825 м3/ч - из таблицы 2.1;
зка = 93,227 % - из таблицы 2.1;
зка r=92,53161 %;
Вr==7883,806 м3/ч.
Дополнительный расход топлива: Вдоп= Вr-В=7883,806-7825=58,806 м3/ч.
Расчет для разных нагрузок и степеней рециркуляции произведен в EXEL и приведен в таблице 2.5.
Таблица 2.5.
|
Нагрузка котла |
Расход топлива (по режимной карте) |
Расход топлива при рециркуляции |
|||||||
|
r=1% |
r=5% |
r=10% |
r=15% |
r=20% |
r=25% |
r=30% |
|||
|
Гкал/ч |
м3/ч |
м3/ч |
м3/ч |
м3/ч |
м3/ч |
м3/ч |
м3/ч |
м3/ч |
|
|
62,6 |
7825 |
7830,8 |
7854,3 |
7883,8 |
7913,5 |
7943,5 |
7973,6 |
8004,1 |
|
|
72,9 |
8985 |
8991,7 |
9018,6 |
9052,5 |
9086,6 |
9121,0 |
9155,7 |
9190,6 |
|
|
57,43 |
7073 |
7078,3 |
7099,5 |
7126,1 |
7153,0 |
7180,1 |
7207,4 |
7234,8 |
|
|
32,97 |
4094 |
4097,1 |
4109,3 |
4124,8 |
4140,3 |
4156,0 |
4171,8 |
4187,7 |
|
|
48,98 |
6022 |
6026,5 |
6044,5 |
6067,2 |
6090,1 |
6113,2 |
6136,4 |
6159,8 |
|
|
28,1 |
3496 |
3498,6 |
3509,1 |
3522,3 |
3535,5 |
3548,9 |
3562,4 |
3576,0 |
Увеличение потерь с уходящими газами, %:
?q=;
где q2 - потери с уходящими газами без применения рециркуляции, %, q2=6,073 %;
q2r - потери с уходящими газами с применением рециркуляцией, %, q2r=6,768393 % из таблицы 2.4;
?q==10,27 %.
При применении рециркуляции потери с уходящими газами увеличиваются на 1,132 - 25,561 % при степени рециркуляции 1 - 30%.
2.3.2 Снижение выбросов оксидов азота
Степень снижения выбросов оксидов азота при сжигании природного газа можно оценить по экспериментальной зависимости [6]:
NOx r=NOx(1-0,16 ), г/с;
где NOx r - выбросы оксидов азота при применении рециркуляции, г/с;
NOx - первоначальный выброс оксидов азота, г/с;
r - доля рециркуляции.
Расчет для нагрузки котла 62,6 Гкал/ч и степени рециркуляции 10 %:
NOx=5,253 г/с - из таблицы 2.1;
r=0,1;
NOx r=5,253М(1-0,16 )= 4,987217, г/с.
Снижение выбросов оксидов азота, %:
?NOx=;
?NOx==5,060 %.
Расчеты для разных степеней рециркуляции и других нагрузок произведены в EXEL и приведены в таблице 2.6.
Таблица 2.6.
