Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Комплексный анализ вредного воздействии ТЭС па окружающую среду и пути его снижения 10
1.1. Анализ вредного влияния продуктов сгорания топлива на окружающую среду
1.2. Современные технологии сжигания оксидов азота в уходящих газах энергетических установок
1.3. Современные способы очистки дымовых газов от оксидов азота
Глава 2. Теоретический анализ процессов сжигания топлива и образовании оксидов азота в продуктах сгорания
2.1. Анализ существующих представлений о механизме горения газового, жидкого и твердого топлив
2.2. Закономерности образования оксидов азота при сжигании органических топлив
2.3. Общие направления снижения образования оксидов азота
Глава 3. Разработка методов снижения выбросов оксидов азота при сжигании газомазутпого топлива
3.1. Расчет мощности выбросов оксидов азота для котлов, работающих на газе 88
3.2. Исследование влияния технических решений и режимных параметров на снижение выбросов оксидов азота 94
3.3. Разработка технологических методов подавления оксидов азота 105
Глава 4. Закономерности образования и методы снижения выбросов оксидов азота при сжигании твердого топлива
4.1. Физико-химические процессы при образовании топливных оксидов азота в котлах тепловых электростанций 136
4.2. Исследование возможностей подавления оксидов азота за счет организации топочного процесса 146
4.3. Исследование технологических методов снижения выбросов
оксидов азота при факельном сжигании различных углей 160
Глава 5. Концептуальные основы применения интеллектуальных систем дли управления и оптимизации технологических процессов в энергетике
5.1. Принципы функционирования интеллектуальных систем 179
5.2. Использование технологий искусственного интеллекта в энергетике 189
Глава 6. Анализ основных характеристик и функциональных свойств технологий искусственного интеллекта
6.1. Нейронные сети 196
6.2. Генетические алгоритмы 214
6.3. Нечеткая логика 220
6.4. Гибридные системы 225
Глава 7. Разработка методов применении интеллектуальных систем для оптимизации процесса горении и снижения выбросов оксидов азота
7.1. Методология непрерывного цифрового анализа пламени 232
7.2. Результаты экспериментов по цифровому анализу пламени в горелках котла 246
7.3. Нсйросетевая модель регулирования процесса горения и снижения выбросов оксидов азота 255
Заключение 267
Литература 270
- Анализ вредного влияния продуктов сгорания топлива на окружающую среду
- Анализ существующих представлений о механизме горения газового, жидкого и твердого топлив
- Расчет мощности выбросов оксидов азота для котлов, работающих на газе
Введение к работе
В настоящее время вопросы охраны окружающей природной среды выдвигаются на первый план среди общечеловеческих ценностей. От успешного решения этих вопросов зависит не только здоровье и благополучие нынешнего и будущего поколений людей, но и развитие цивилизации и существование самого человечества. Уже сейчас темп и масштабы антропогенного воздействия превышают адаптационные возможности биосферы и поэтому происходят необратимые процессы в природе, приводящие к экологическим катастрофам.
Актуальность решения изложенных в диссертации задач определяется тем, что одним из основных источников вредного воздействия на окружающую среду являются энергетические предприятия, а среди них доминирующую роль занимают тепловые электрические станции. Наиболее распространенными экологически опасными выбросами от ТЭС являются оксиды азота (NOx), которые образуются при сжигании любого вида топлива. Количество образующихся и выбрасываемых в атмосферу NOx зависит от многих факторов: вида топлива, способов организации топочного процесса и очистки уходящих газов.
Определяющую роль в снижении выбросов оксидов азота играют режимно-технологические методы, направленные на подавление образования NOx в топках котла и включающие в себя ступенчатое сжигание, нестехиометричсскос сжигание, рециркуляцию дымовых газов, впрыск влаги и др. Однако необходимо дальнейшее усовершенствование этих методов, которые позволяют обеспечить нормативные требования к выбросам NOx без существенных потерь в эффективности и надежности работы котельных установок на различных видах топлива.
Другим не менее важным способом снижения выбросов оксидов азота является оптимизация процесса горения. Эффективность горения определяется в основном соотношением воздуха и топлива, а также надлежащим распространением воздуха внутри коїла. Поэтому выбор оптимального баланса между топливом и воздухом
является определяющим фактором в отношении минимизации выбросов NOx и повышении эффективности процесса горения. В случае котлоагрегатов с использованием пылсугольного топлива, особенно низкого качества* найти и поддерживать такой баланс традиционными способами очень сложно. Поэтому возникает необходимость создания интеллектуальных систем, основанных на технологиях искусственного интеллекта (нейронные сети, генетические алгоритмы и др.), которые позволяют проводить непрерывный мониторинг пламени и управлять процессом горения. Это дает возможность повысить эффективность котельной установки, уменьшить расход топлива и снизить выбросы оксидов азота.
Целью диссертационной работы является создание теоретических основ, комплексная разработка и экспериментальное обоснование методов снижения выбросов оксидов азота от ТЭС, отличающихся от аналогичных работ в этой области комплексным подходом, который включает решение двух задач: 1) усовершенствование и повышение эффективности традиционных режимио-технологических способов сжигания топлива; 2) оптимизация самого процесса горения путем применения современных интеллектуальных систем управления таким процессом.
Диссертационная работа состоит из семи глав.
В первой главе диссертации проведен комплексный анализ вредного воздействия ТЭС на окружающую среду и рассмотрены основные пути его снижения. Основное внимание обращено на оксиды азота, которые образуются при сжигании любого вида топлива и являются наиболее распространенными и экологически опасными выбросами от ТЭС. Изложены современные методы и технологии снижения оксидов азота в уходящих дымовых газах.
Вторая глава посвящена теоретическому анализу основных закономерностей процесса горения газового, жидкого и твердого топлив и образования оксидов азота в продуктах сгорания. Детально проанализированы закономерности образования оксидов азота при сжигании различных видов органических топлив, используемые при математическом моделировании процесса. Выбросы оксидов азота со-
стоят в основном из моноксида азота N0, а также в меньших концентрациях содержат диоксид азота N02 и закись азота N20. В ламинарном пламени (на молекулярном уровне это можно отнести и к турбулентному пламени) образование оксидов азота является результатом четырёх отдельных химических процессов с разной кинетакой: термическое, «быстрое» и топливное окисления, а также процесс восстановления. Термическое окисление представляет собой окисление атмосферного азота, присутствующего в воздухе. «Быстрое» окисление - результат высокоскоростных реакций во фронте горения. Топливное окисление связано с атомами азота, входящими в состав топлива. В процессе восстановления общий выход окислов азота понижается за счёт реакции N0 с углеводородами. Для определения эмиссии оксидов азота рассмотрены уравнения переноса для концентрации мопооксида азота (N0). Если источником азота является топливо, то вводится дополнительное уравнение переноса для промежуточных продуктов реакции (HCN или NH3). Уравнения переноса для оксидов азота решаются» основываясь на заданном поле течения и математическом описании процесса горения, т. е, выход оксидов азота определяется, исходя из результатов детального расчета самого процесса горения.
В третьей главе приведены результаты разработки и исследования технических решений, реализующих полученные в предыдущей главе закономерности образования оксидов азота при сжигании топлива. Вначале было установлено, как влияют на эмиссию N0X основные режимные параметры при нормальной эксплуатации газомазутных котлов. На последующих этапах исследовалось влияние конструктивного оформления горелочных устройств на эмиссию оксидов азота. С этой целью на одной из электростанций были проведены испытания трех котлов нрмерпо одинаковой паропроизводитсльности, с одинаковой форсировкой топочного объема, но с разными конструкциями горелок.
Четвертая глава посвящена исследованию закономерностей образования оксидов азота при сжигании твердого топлива, а также разработке методов снижения выбросов NOx на пылсугольньтх котлах. При факельном сжигании топлива ис-
пользованы прямоточные или вихревые горелки, значительно отличающиеся характером смесеобразования в корне факела.
В пятой главе диссертации рассмотрены концептуальные основы применения интеллектуальных систем для управления и оптимизации технологических процессов в энергетике. Надежная, безопасная и экономичная работа энергоблоков и энергетических систем требует решения сложных задач планирования, прогнозирования, мониторинга, анализа и управления. Сочетание возрастающего энергопотребления и задержки по различным причинам расширения существующих сетей передачи электроэнергии, а также физический и моральный износ теплоэнергетического оборудования и сетей приводят к тому, что энергосистемы в настоящее время эксплуатируются на пределе своих возможностей. Это требует более тщательного отношения к выбору оптимального режима эксплуатации энергоблоков и эффективного управления энергосистемой, которое возможно только при более детальном, чем обычно, мониторинге системы и более обоснованном выборе управленческих и оперативных решений, особенно в переходных режимах и экстремальных (аварийных) ситуациях. Поведение энергосистем в рабочих условиях является сильно нелинейным, а мониторинг и контроль энергосистем включают несколько сотен переменных. Это приводит к тому, что энергопотребление и динамические нагрузки не поддаются надежному анализу и моделированию традиционными методами и технологиями. Традиционные технологии можно успешно применять только в том случае, если возможно построить строгие математические модели задачи или создать надежную экспертную систему. Однако в большинстве случаев задачи, встречающиеся в энергетике, не удовлетворяют этим двум условиям. Это приводит к необходимости внедрения новых прогрессивных технологий в управлении энергосистемами. Наиболее быстро развивающимися и весьма перспективными являются системы с применением технологий искусственного интеллекта. Такие новые технологии получили достаточно широкое распространение в промышленно развитых странах и показали свою высокую эффективность.
Шестая глава диссертации посвящена анализу основных характеристик и функциональных свойств технологий искусственного интеллекта с целью обоснованного выбора наиболее приемлемой технологии для контроля и управления процессом горения в котельных установках. Рассмотрены самые перспективные технологии искусственного интеллекта: нейронные сети, генетические алгоритмы, нечеткая логика и гибридные системы,
В седьмой главе изложены результаты разработки интеллектуальной системы для оптимизации процесса горения и снижения выбросов оксидов азота, основанной на технологии рекуррентных динамических нейронных сетей и методологии непрерывного мониторинга пламени.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
—-проведен комплексный анализ закономерностей образования и разложения оксидов азота при построении математических моделей процесса горения топлива в котлах тепловых электростанций, который заключается в объединении механизмов образования термических, «быстрых» и топливных оксидов азота с учетом разложения образовавшегося N0 в микрообъемах с восстановительной средой;
на базе проведенного анализа разработаны, исследованы и внедрены на действующих энергетических котлах новые методы организации топочного процесса, тормозящие скорость образования как термических, так и топливных оксидов азота, и одновременно интенсифицирующие восстановительные реакции, снижающие концентрацию N0* в дымовых газах;
в процессе реализации новых методов организации топочного процесса выявлен характер изменения технико-экономических показателей котельных установок;
проведено обоснование необходимости применения интеллектуальных систем для управления и оптимизации процесса горения низкосортных твердых топлив;
выполнен анализ возможностей применения технологий искусственного интеллекта (нейронных сетей, генетических алгоритмов, нечеткой логики и др.) для использования в системах мониторинга и управления процессов горения;
впервые в отечественной практике проведены мониторинг и цифровая обработка изображений пламени в горелках котла;
разработаны концептуальные основы интеллектуальной системы контроля и управления процессом горения, основанной па комбинации технологии нейронных сетей и методологии цифровой обработки изображения пламени.
Во всех работах, проведенных на промышленных котлах действующих ТЭС, получены положительные результаты- Существенное снижение выбросов оксидов азота было достигнуто при минимальных затратах на реконструкцию и практически без снижения экономичности топочного процесса.
Успешная работа реконструированных котлов позволяет приступить к широкому внедрению проверенных технологических методов на всех электростанциях, на которых не обеспечиваются нормы ПДВ при полной нагрузке ТЭС или концентрация NOx в дымовых газах превышает нормативные требования.
Разработанные концептуальные основы применения интеллектуальных систем для управления процессом горения дают возможность начать создание и внедрение на отечественных ТЭС таких систем, которые дадут возможность повысить эффективность топочного процесса, снизить потребление топлива и выбросы оксидов азота в окружающую среду.
Диссертационная работа выполнена под общим научным руководством доктора технических паук, профессора Ибрагимова М. Х.-Г. Автор благодарит его за оказанную помощь и поддержку.
Ряд теоретических и экспериментальных исследований выполнен в соавторстве и при участии Котлера В, Р., Кругляка Е. Д., Ильина А. В., Григорьева Д. Р., Кормили-цына В. И., Прохорова М Б., Ибрагимова И. М, Версщетипа В. А., Курочкина А. В., Беляева А. Ф, и Штегмапа А. В., которым автор выражает свою признательность.
Автор благодарит коллектив кафедры «Теплоэнергетические установки» МГОУ и членов Академии Промышленной Экологии за доброжелательное отношение и помощь при подготовке диссертационной работы к зашите.
Анализ вредного влияния продуктов сгорания топлива на окружающую среду
Существует неразрывная взаимозависимость условий обеспечения энергоснабжения и защиты от загрязнения окружающей среды. На современном этапе проблема воздействия энергетики на окружающую среду связана с распространением этого воздействия на огромные территории, независимо от государственных границ. Возникает дилемма: энергетика, являющаяся основой технического прогресса, становится фактором, представляющим угрозу для существования самой человеческой цивилизации. Выход из этой ситуации может быть найден при всестороннем рассмотрении проблемы взаимодействия человека и окружающей среды, начало которому было положено В,И,Вернадским [1,2].
Обеспокоенность человечества уровнем загрязнения окружающей среды привела к широкому обсуждению этой проблемы, а затем к принятию соответствующих соглашений, В 1972 г. Состоялась Стокгольмская конференция по окружающей среде, на которой были заложены основы понимания того, что необходимо прекратить разрушение природной среды, В1983 г. Была создана Всемирная комиссия но окружающей среде и развитию ООН. В 1992 г. Состоялась конференция ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро, В 1997 г. В г, Киото (Япония) были заключены Киотские соглашения о количественных показателях сокращения выбросов парниковых газов в 2008-2012 гг.
Россия, вместе со многими другими странами подписала и ратифицировала основные программные документы, в том числе Киотский протокол. В «Концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию», утвержденной указом Президента Российской Федерации в 1996г., в частности отмечается, что воздействие на окружающую среды должно оставаться в пределах хозяйственной емкости биосферы при которой не разрушается основа для воспроизводства жизни человека.
В России до 70% теплового загрязнения окружающей среды и около 50% всех вредных выбросов в настоящее время приходится на долю ТЭК [3],
На современном этапе развития человечества в атмосферу во всем мире поступает ежегодно более S50 млы.т. оксидов азота, 150 млн, т. Диоксида серы, 310 млн. т. Оксида углерода, 250 млн, т, углекислого газа, 3 млн л1, углеводородов [4],
Среди основных производств, загрязняющих окружающую среду, ТЭС занимают ведущее место. Имеющиеся сведения о степени и причинах загрязнения окружающей среды в настоящее время недостаточны. Механизмы и следствия прямого воздействия многих веществ на окружающую среду, взаимосвязь их концентрации с ущербом здоровью людей до конца не выяснены. Ориентировочно производство электроэнергии наносит ущерб окружающей среде, оцениваемый в 4-6% от себестоимости вырабатываемой энергии [5]. Структура ущерба в настоящее время оценивается следующими образом: 40-45% -за счет ухудшения здоровья населения,; 33-34% - потери в жилищно-коммунальном хозяйстве; 10-12% в сель-ском илесном хозяйстве; 10-12% ущерб промышленности.
Содержащиеся в дымовых газах оксиды азота и серы являются токсичными веществами, а в случае их смешения с влагой воздуха они образуют кислоты, которые, выпадая на землю, в виде так называемых кислотных дождей, наносят ущерб сельскохозяйственным угодьям, разрушают инженерные сооружения, наносят вред здоровью людей и всему живому па Земле,
Рассмотрим особенности воздействия на природу основных загрязнителей, В связи с содержанием в топливе серы, в дымовых газах почти всегда присутствует диоксид серы. Доказана прямая взаимозависимость наличия диоксида серы в атмосфере с уровнем заболеваемости людей [2].
Если среднегодовая концентрация диоксида серы в атмосферном воздухе составляет 0,08-0,1 мг/м3, то возникает дискомфорт, появляются симптомы ухудшения дыхания; если концентрация достигает уровня уровня 0,25-0,5 мг/м3, то ухудшается состояние людей с легочными заболеваниями, возрастает смертность. При концентрации больше 400 мг/м3, может наступить смертельный исход при их воздействии на человека больше одного часа. Диоксид серы может действовать как восстановитель, так и как окислитель, вступать в фотохимическую или каталитическую реакцию с другими веществами, находящимися в воздухе. Исследования показали, что диоксид серы постоянно окисляется в атмосфере под воздействием солнечного света и мельчайших частиц пыли в триоксид серы. Наиболее активно процесс превращения SO2 в SOj идет при наличии излучения с длиной волны 220-250 им. Согласно некоторым исследованиям, конечные продукты диоксида серы распределяются следующим образом: на поверхность литосферы выпадает 43%, на поверхность гидросферы - 32%; поглощается растениями -12%, а поверхностью гидросферы - 13% [6].
Чрезвычайно чувствительны к воздействию гидроксида серы растения. Это в значительной мере предопределяет наносимый сельскому и лесному хозяйству ущерб. Показано, что при концентрации сернистого газа в воздухе о,23-0,32 мг/м3 происходит нарушение фотосинтеза и дыхания хвои, что приводит к гибели сосны за два три года. Лиственные растения менее подвержены действию диоксида серы
[7] В атмосфере при незначительной влажности, диоксид серы может существовать две-три недели. Технологические методы снижения выброса диоксида серы за счет изменения условий сжигания топлива практически не оказывают влияния на его количество в дымовых газах Чтобы уменьшить выброс в атмосферу диоксида серы можно использовать следующие мероприятия:
Анализ существующих представлений о механизме горения газового, жидкого и твердого топлив
При горении топливо и воздух смешиваются и вступают в химическую реакцию с одновременным выделением большого количества тепла. В зависимости от типа смешения осуществляется горение предварительно перемешанной или предварительно не перемешанной смесей. Кроме того, в зависимости от типа потока факелы подразделяются на турбулентный и ламинарный.
В ламинарных факелах предварительно перемешанной смеси топливо и окислитель смешиваются до начала горения и поток ламинарен. Примерами такого пламени могут служить плоское ламинарное пламя и пламя бузеновской горелки. Предварительно перемешанные смеси топлива и воздуха характеризуются величиной коэффициента избытка воздуха а, в соответствии с которым смеси можно подразделить на богатые (а 1), стехиометрия еские (а - 1) и бедные (а 1).
Распространение свободного плоского ламинарного пламени в сторону свежей смеси определяется скоростью ламинарного горения. Скорость горения зависит только от состава смеси (значения а), давления и начальной температуры несго-ревшей смеси. Если скорость ламинарного горения плоского пламени меньше скорости потока песгоревшей свежей смеси, то пламя сдувается. Более высокие скорости потока газа к фронту пламени возможны, когда фронт пламени расположен под углом к потоку газа, как в случае конического пламени предварительно перемешанной смеси бузеновской горелки. Измерение угла наклона фронта пламени, например, по фотографии и скорости потока газа к фронту пламени дают возможность определить скорость горения ламинарного пламени предварительно перемешанной смеси.
Экспериментальные исследования ламинарного пламени предварительно перемешанной смеси позволили провести измерения скорости распространения пламени, концентрации и температуры во фронте горения. Развитие математического моделирования процессов горения сделало возможным описать экспериментально наблюдаемые результаты (поля концентраций, температур, скоростей) и предсказать поведение системы при отсутствии экспериментальных данных» Уравнения сохранения массы и энергии образуют систему дифференциальных уравнений, которая решается в настоящее время численными методами на мощных компьютерах [54].
Редким и весьма замечательным является случай, когда важная и значительная информация была получена из аналитического решения Зельдовича и Франк-Каменецкого модели ламинарного теплового распространения пламени. Авторы предположили, что решение не зависит от времени, т.е. является квазистационарным, и вся химическая кинетика может быть описана реакцией первого порядка. Далее, коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и произведение плотности среды и коэффициента диффузии постоянны, т. с. не зависят от пространственной координаты, изменение температуры за счет различных скоростей диффузии компонентов пренебрежимо мало и отношение массового коэффициента диффузии D и коэффициента температуропроводности а = Урср (число Лыоиса Le = D/a) приблизительно равно единице. Если все эти упрощения применить, то из полученного идентичного для сохранения массы и энергии уравнения можно получить скорость распростра/пения пламени; характерное время реакции при температуре Т ТЬ (Ть - температура сгоревших газов), которое должно быть задано.
Согласно рассматриваемой модели скорость распространения ламинарного пламени зависит от коэффициента температуропроводности а и от характерного времени реакции т. Анализ, выполненный Зельдовичем, показывает, что распространение пламени обусловлено процессами диффузии и что необходимые градиенты поддерживаются химической реакцией.
В случае одностадийной химической реакции анализ по указанной модели дает зависимость скорости распространения пламени от давления и температуры: порядок реакции, Е - энергия активации, Тъ - температура сгоревших газов.
В ламинарных факелах предварительно неперемешаниой смеси топливо и воздух перемешиваются во время процесса горения. Поток является ламинарным. Факелы с предварительно не перемешанной смесью имеют более сложную химию реакций, чем факелы с предварительным смешением, так как коэффициент избытка воздуха а изменяется у них от нуля (чистое топливо) до бесконечности (чистый воздух). Топливо и окислитель диффундируют к фронту пламени благодаря градиентам концентраций, поддерживаемым химическими реакциями. Фронт пламени не может распространяться в сторону топлива без окислителя или в сторону окислителя без топлива, В результате фронт пламени находится на границе раздела топливо - воздух, в зоне стехиометрической смеси и максимальной температуры. В отличие от выше рассмотренного факела с предварительно перемешанной смесью, данные пламена не распространяются самопроизвольно в сторону свежей смеси, и поэтому их нельзя охарактеризовать скоростью распространения ламинарного пламени.
Расчет мощности выбросов оксидов азота для котлов, работающих на газе
В настоящее время тепловые электростанции (как и другие предприятия, являющиеся источником загрязнения атмосферы) обязаны выполнять утвержденные территориальным органами экологического контроля нормы ПДВ - предельно допустимых выбросов- При работе котлов на природном газе практически единственным загрязнителем атмосферы являются термические и быстрые оксиды азота NOA, образующиеся в топках котельных установок. Другой потенциальный загрязнитель атмосферы - монооксид углерода СО - является продуктом неполного сгорания и его появление связано, как правило, с нарушением оптимального соотношения топливо-воздух. В старых котлах с ручным регулированием топочного процесса это соотношение часто нарушалось, особенно в переходных режимах. Но в последние годы положение изменилось: все новые котлы оборудуют современными системами автоматического регулирования, которые обеспечивают поддержание оптимального соотношения топливо-воздух на всех нагрузках, поэтому при своевременном контроле за состоянием оборудования вопрос о выбросах СО в атмосферу решается автоматически.
Остаются только оксиды азота - N0 и N02, которые обычно (условно) пересчитывают на более опасный диоксид азота N02.
При строительстве повой электростанции или при установке новых КОТЛОЙ на действующей ТЭС приходится согласовывать проект с контролирующими органами, в том числе - территориальными органами экологического контроля И здесь возникают некоторые трудности методического характера.
Дело в том, что контролирующие органы требуют снижения до определенного уровня максимальной мощности выбросов Мно2 (г с) или количества валовых выбросов GNO2 (кг/месяц, т/год). Паспортные данные котлов часто содержат другую характеристику -Цельные выбросы NOx (KNo2 г/МДж). А измеряется на действующих котлах концентрация NOx (CNO2) В ДЫМОВЫХ газах, причем единица измерения концентрации чаще всего —ррпг, а иногда - мг/м3 (в пересчете всех оксидов азота на NCb).
