Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ процессов образования вредных выбросов в атмосферу при сжигании топлива в котельных установках систем теплоснабжения 10
1.1 Воздействие объектов теплоэнергетики на окружающую среду 10
1.2 Образование оксидов азота 14
1.3 Режимно-технологические методы снижения образования оксидов азота.. 21
1.3.1 Рециркуляция газов 21
1.3.2 Нестехиометрическое сжигание топлива. Ступенчатое сжигание... 23
1.3.3 Впрыскивание в зону горения воды, пара и других веществ 24
1.3.4 Режимные, конструкторские методы и комбинация нескольких методов 25
1.3.4.1 Использование парогазового цикла 26
1.3.5 Новые типы теплогенераторов 27
1.4 Несгоревшие углеводороды 28
1.5 Образование оксидов углерода 31
1.6 Образование токсичных твердых частиц и сажи 32
1.7 Образование бензапирена 34
1.8 Влияние коэффициента избытка воздуха при сжигании углеводородного топлива на выбросы оксидов азота 41
1.9 Выбросы оксидов азота в зависимости от нагрузки газомазутных
котлов 42
1.10 Основные задачи исследования 44
ГЛАВА 2 Математическое моделирование образования бензапирена и оксидов азота. 47
2.1 Построение математической модели 47
2.1.1 Математическое моделирование образования оксидов азота 47
2.1.2 Определение выбросов бензапирена 52
2.2 Тестирование математической модели процесса сжигания топлива в котельных установках систем теплоснабжения 56
2.3 Совместное воздействие бензапирена и оксидов азота на атмосферу. Приведение разнородных выбросов. Регрессионная модель 60
2.4 Выводы по главе 62
ГЛАВА 3 Опытное исследование рабочих процессов в котельных установках систем теплоснабжения. Методика проведения экспериментов 64
3.1 Характеристики энергетического котла 64
3.1.1 Основные параметры котельной установки 64
3.1.2 Особенности котельного агрегата 66
3.1.3 Тарировка горелочных устройств 66
3.1.4 Уплотнения газового тракта котельной установки 70
3.1.5 Основные характеристики сжигаемого топлива 71
3.2 Определение присосов воздуха в тракт котельной установки 74
3.3 Исследование состава продуктов сгорания 77
3.4 Методика проведения экспериментов. Определение исходного уровня концентрации оксидов азота на базовых режимах работы. 79
3.5 Погрешности и ошибки при измерении состава газов 80
3.6 Выводы по главе 81
ГЛАВА 4 Экспериментальные исследования влияния коэффициента избытка воздуха и рециркуляции газов при работе котельной установки на выбросы оксидов азотаи бензапирена 83
4.1 Оценка влияния коэффициента избытка воздуха при работе котельных установок на выход оксидов азота 83
4.2 Влияние рециркуляции продуктов сгорания 84
4.3 Влияние нагрузки газомазутных котельных установок на выбросы оксидов азота 86
4.4 Влияние коэффициента избытка воздуха, степени рециркуляции при работе котельных установок на суммарные выбросы оксидов азота и бензапирена :... 87
4.5 Выводы по главе... 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 91
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 93
ПРИЛОЖЕНИЕ... 109
- Воздействие объектов теплоэнергетики на окружающую среду
- Построение математической модели
- Характеристики энергетического котла
Введение к работе
Актуальность проблемы. Энергетические котлы систем теплоснабжения городов являются активными источниками воздействия на окружающую среду. Процесс сгорания органического топлива в энергетических котлах сопровождается образованием вредных веществ, таких как оксиды азота (NOx), углерода, серы, ароматических углеводородов и прочих. Ароматические углеводороды, особенно бензапирен (С20Н12), являются сильными канцерогенами, обладают мутагенной активностью. Загрязнение воздуха бензапиреном приводит к увеличению частоты злокачественных новообразований органов дыхания. По данным Всемирной организации здравоохранения за последние 20 лет в развитых странах смертность от рака увеличилась на 18,6%.
Важнейшее предназначение котельных установок систем теплоснабжения в социальном плане - это надежное обеспечение потребителей электроэнергией, тепловой энергией в паре и воде.
Эффективная работа промышленных предприятий, жизнеобеспечение населения достигается благодаря широкому использованию котельных установок. При этом ужесточаются требования к энергоустановкам по экономическим и экологическим показателям.
В крупных городах доля вредных веществ от ТЭЦ достигает 43 % от общего количества загрязнения воздушного бассейна [41, 69, 95, 121, 126].
Воздействие энергоустановок на окружающую среду носит явно негативный характер. Парниковый эффект в земной атмосфере от нарастающей концентрации окислов углерода уже не вызывает сомнений у специалистов. Отмечаются глобальные изменения баланса кислорода в земной атмосфере [33, 68, 70, 71]. Громадные количества углерода, сжигаемые с помощью кислорода, заметно влияют на его концентрацию в атмосфере, что создает не только технические, но и политические, юридические проблемы между странами [33, 63, 123, 125].
Ущерб от вредных выбросов энергетических установок в атмосферу приводит к тому, что происходит дисгармонизация естественных процессов; наблюдается ухудшение здоровья людей по экологическим показателям, снижение их жизнедеятельности; идет процесс уменьшения видового разнообразия; исчезают отдельные виды растений и животных; происходят нарушения экосистем, деградация флоры и фауны [61, 62, 65, 122].
Горение, термогазодинамические процессы в технологических печах и устройствах сжигания твердых, жидких и газообразных топлив - это причина основных процессов воздействия промышленности на окружающую среду. В горелочных устройствах полного сгорания топлива не происходит, в отработавших газах присутствуют продукты, неполного сгорания и токсичные вещества (всего более 280 наименований), [1].
Исследования и работы по охране окружающей среды от загрязнений канцерогенными веществами посвящены наиболее актуальному вопросу контроля и режимного снижения выбросов оксидов азота при сжигании углеводородного топлива [61, 64, 67, 81, 148-151]. Тепловые электростанции выбрасывают в атмосферу свыше 27 % канцерогенных веществ [30, 67, 84, 96, 127, 128]. Основным же источником вредных выбросов становится автомобильный транспорт [133].
Природоохранные мероприятия ТЭЦ направлены в основном на снижение выбросов оксидов азота, серы и углерода. Для подавления образования оксидов азота широко используется ступенчатое сжигание, рециркуляция дымовых газов, сжигание топлива при пониженных коэффициентах избытка воздуха. Многими исследователями отмечается, что перечисленные выше мероприятия могут приводить к интенсивному образованию высокомолекулярных углеводородов, что значительно опаснее для воздушного бассейна городской застройки, чем выбросы оксидов азота.
На сегодняшний день отсутствует комплексный подход к проблеме защиты воздушного бассейна городской застройки от вредных выбросов,
особенно, если учесть, что сочетания бензапирена и оксидов азота обладают суммированным негативным воздействием.
Все сказанное определяет актуальность исследований, направленных на защиту воздушного бассейна городской застройки от суммарного воздействия бензапирена и оксидов азота при работе котлов систем теплоснабжения.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ Волгоградского Государственного технического университета.
Цель работы. Защита воздушного бассейна городов посредством снижения суммарных выбросов в атмосферу бензапирена (С20Н12) и оксидов азота (NOx) при работе газомазутных котлов систем теплоснабжения.
Для достижения поставленной цели в работе решались задачи:
-анализ физико-химических процессов образования опасных веществ при сжигании топлива в газомазутных котлах систем теплоснабжения;
-оценка влияния эффективности режимных и конструкторских методов, направленных на уменьшение суммарного выброса бензапирена и NOx в атмосферу городских территорий;
-уточнение аналитических зависимостей, обобщающих экспериментальные данные о влиянии коэффициента избытка воздуха и паропроизводительности газомазутных котлов на выбросы NOx в атмосферу;
-уточнение математической модели для определения выбросов бензапирена и оксидов азота в зависимости от режимных параметров работы газомазутного котла;
-проведение испытаний на газомазутном котле системы теплоснабжения для проверки результатов теоретических исследований и получения новых данных для снижения суммарного воздействия С20Н12 и NOx на окружающую среду;
-оптимизация режима работы энергетического котла для эффективной защиты воздушного бассейна городской . застройки от совместного воздействия бензапирена и оксидов азота.
Основная идея работы состоит в определении зависимости доли рециркуляции уходящих газов от коэффициента избытка воздуха для снижения суммарных выбросов бензапирена и оксидов азота в воздушный бассейн городской застройки при работе газомазутных котлов систем теплоснабжения.
Научная новизна работы состоит в том, что:
-усовершенствована расчётная модель и получена аналитическая зависимость, определяющая величину суммарных выбросов С20Н12 и NOx в воздушный бассейн городской застройки при работе газомазутных котлов систем теплоснабжения "в зависимости от коэффициента избытка воздуха и доли рециркуляции газов;
-получены безразмерные соотношения выбросов в атмосферу NOx в зависимости от нагрузки газомазутных котлов систем теплоснабжения;
-установлена теоретическая зависимость концентрации С20Н12 в дымовых газах от режимных факторов работы котлов систем теплоснабжения.
Практическое значение работы:
-определены пределы использования рециркуляции газов при работе газомазутного котла систем теплоснабжения в зависимости от коэффициента избытка воздуха с учетом экологических и экономических факторов.
-разработаны и внедрены организационно-технические мероприятия и практические рекомендации по их применению для подготовки газомазутного котла систем' теплоснабжения к работе с минимальным суммарным выбросом бензапирена и оксидов азота в воздушный бассейн городской застройки;
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы - 140 страницы, из них 92 - основной
текст. Работа содержит 16 таблиц на 19 страницах, 20 рисунков на 19 страницах; список литературы из 152 наименований на 15 страницах, 4 приложения на 23 страницах..
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю - заслуженному деятелю науки и техники Российской Федерации, д-ру техн. наук, проф. Злотину Г.Н. за помощь в работе и поддержку.
Воздействие объектов теплоэнергетики на окружающую среду
Антропогенное загрязнение биосферы отрицательно влияет на медико-демографические показатели населения городов. По этой причине экологические проблемы привлекают большое внимание специалистов [62, 66,74,76,83, 118-120].
Источниками загрязнения воздушного бассейна городской застройки являются продукты сгорания энергетических установок. К загрязняющим веществам относятся твердые фракции (зола и сажа), газообразные продукты: оксиды серы, азота и углерода; формальдегид, бензапирен и другие вредные вещества.
Диапазоны концентраций вредных веществ в дымовых газах приведены в табл. 1.1. [72]. Таблица №1.1 - Концентрация вредных веществ в продуктах сгорания при факельном сжигании органических топлив в энергетических котлах
Ожидается, что в МГД-генераторах концентрация оксидов азота будет на порядок больше, чем в существующих энергоблоках (1-1,5 г/м ) [1, 65, 73, 85].
По степени токсичности продукты сгорания делятся на пять классов [76]:
1. Чрезвычайно опасные (бензапирен, пентаоксид ванадия - V2O5);
2. Опасные (NO2, H2S, летучая зола при содержании СаО 35 %);
3. Умеренно опасные (NO, SO2, SO3, сажа, летучая зола при содержании СаО 35 %, пыль органическая);
4. Малоопасные (NH3, СО);
5. Безопасные (N2, О2, С02, Н20).
В соответствии с законом об охране атмосферного воздуха в России установлены следующие нормативные показатели [76]:
- предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе;
- предельно допустимые выбросы (ПДВ);
- временно согласованные выбросы (ВСВ).
ПДК атмосферных загрязнений устанавливаются для среднесуточного усреднения концентраций (ПДКСС) и максимально разовой (ПДКмр) - для оценки пиковых подъемов концентраций в течении 20...30 мин. (табл.1.2.) [72].
Для каждого из выбрасываемых вредных веществ должно соблюдаться условие по токсичной кратности Q /ПДК, 1, где С,- - приземная концентрация вредного вещества, мг/м3.
Установлены сочетания вредных веществ, обладающих суммированным негативным воздействием [72]:
- диоксид азота + диоксид серы;
- оксиды азота + диоксид серы + оксид серы + аммиак;
- диоксид азота + диоксид серы + фенол + оксид углерода;
- оксиды азота + бензапирен и другие сочетания.
Если проблема защиты атмосферы и ограничения выбросов летучей золы и диоксида серы решается на тепловых электростанциях путем очистки дымовых газов, то выбросы NOx могут быть уменьшены путем соответствующей организации топочного процесса [101].
Оксиды азота - это сильные загрязняющие вещества, опасные как для человека, так и для окружающей среды [88]. К оксидам азота NOx относят соединения: N20, NO, N203, N02, N2O4, N205.
Оксиды азота приводят к потерям озона в приземном слое атмосферы. В крупных городах в зимнее время наблюдается увеличение концентрации NOx в воздухе в 3-V-5 раз [41]. Соединения NOx с атмосферной влагой приводит к кислотным дождям. Азотная кислота этих дождей превращает соли, находящиеся в почве в нитраты, которые усваиваются растениями. По этим причинам следует уделять особое внимание механизмам образования NOx при сжигании углеводородных топлив в энергетических установках, искать пути снижения величины выбросов с уходящими газами.
Одна из главных проблем энергетических установок различного назначения - это организация процесса сжигания органического топлива таким образом, что бы в широком диапазоне режимных параметров уходящие газы имели малую токсичность.
Построение математической модели
В настоящее время существуют различные методики для определения вредных выбросов NOx и С20Н12 по отдельности. Накоплен большой опыт снижения выбросов NOx- Общепризнанно, что только при комплексном подходе, комбинациях нескольких методов удается существенно уменьшить выброс NOx в атмосферу. Меньше накоплено опыта в отношении снижения выбросов в атмосферу С20Н12. В то же время отмечается, что один и тот же фактор может влиять самым различным образом на выбросы C2oHi2 и NOx, например, доля рециркулирующих газов.
Для нахождения взаимосвязи между этими определяющими факторами, описания сложной, нелинейной функции СБП ОТ а И Г можно использовать положения теории планирование эксперимента (ТПЭ), в частности, ортогональный композиционный план (ОЦКП).
Экологическую безопасность окружающей среды можно обеспечить, если определить оптимальные значения режимных параметров а и г при наладке топочного режима котельной установки на минимальные суммарные выбросы С20Н12 и NOx- Эту задачу на базе, полученных моделей можно решить также с помощью положений ТПЭ.
Впервые предложена методика приведения к одной размерности и одному масштабу разнородных вредных выбросов, таких, как С20Н12 и NOx 2.1.1 Математическое моделирование образования оксидов азота В настоящее время расчет выбросов NOx выполняется с помощью инженерных методик и отраслевых руководящих документов [10, 15, 16, 72, 77].
В отраслевых методиках [16, 77] не учитываются степень тепловой эффективности поверхностей нагрева У и время пребывания продуктов сгорания в ЗАГ. Режимные и конструктивные условия процесса горения газа и мазута описываются эмпирическими коэффициентами, одинаковыми для всех типов котлов, что противоречит опытным данным [72,104 - 111]. В МЭИ разработана инженерная методика, которая учитывает реальные физические процессы, режимные и конструктивные параметры котлов [10, 72, 104].
Так как процесс образования NOx происходит и завершается в зоне активного горения (ЗАГ), то выход NOx зависит от основных характеристик ЗАГ: коэффициента избытка воздуха, максимальной температуры факела, времени пребывания продуктов сгорания в зоне активного горения и, кроме того, количества азота в топливе.
Для определения выбросов NOx в зависимости от режима работы котельной установки можно использовать теорию подобия и безразмерные характеристики, как получено в [13, 23], соответственно:
Безразмерные соотношения (19), (20) позволяют получить размерные характеристики энергетической установки пересчетом, если на одном из режимов работы известны значения С о в зависимости от a, D.
Известны математические модели расчета сжигания топлива в энергетических котлах ВТИ, МЭИ и других организаций [16, 10]. В этих математических моделях нормативный метод расчета котельных агрегатов взят за основу, модели отличаются между собой сложностью, позволяют определить параметры топки и концентрацию NOx Известно, что скорость образования NOx сильно зависит от температуры и от концентрации кислорода. Выход NOx линейно растет с увеличением концентрации атомарного кислорода.
Предлагаемая математическая модель для определения выбросов NOx реализуется в прикладной программе «Mathcad 2000 Professional». Так как доля газа и мазута в топливном балансе ТЭС и котельных составляет более 75 % [104], то работа выполнена для газомазутных котлов. Модель дополнена и развита с целью возможностей расчета во времени коэффициента тепловыделения и выбросов NOx; обобщениями влияния на выбросы NOx при отклонении от расчетного режима, работы котла в зависимости от коэффициента избытка воздуха и паропроизводительности. Блок-схема математической модели расчёта параметров крупного котельного агрегата системы теплоснабжения представлена на рис. 2.1.
Для процесса тепловыделения при сгорании топлива использован закон Вибе, который скорректирован с учетом влияния коэффициента избытка воздуха и доли рециркуляции газов на скорость сгорания.
Характеристики энергетического котла
Исследования выполнялись на энергетических котлах типа ТГМ-84 Таганрогского завода модификаций «А» и «Б», установленных на Волжской ТЭЦ филиала «Волгоградская генерация» ОАО «ЮГК-ТГК-8».
- расчетная температура перегретого пара согласно проекту равна 570 С, в 1971 году решением министерств установлена равной 560 С; согласно письму Департамента эксплуатации энергосистем и электростанций РАО ЕЭС России от 29.03.94г. временно устаиоилсиа 530С с целью продления паркового ресурса главного паропровода.
В табл.3.1 приведены основные параметры технического состояния котельной установки, на которой проводились исследования.
Котельный агрегат ТГМ-84 - однобарабанный, вертикально-водотрубный с естественной циркуляцией, П-образной компоновки с симметричным расположением поверхностей нагрева [75]. Поверхности нагрева размещены в топочной камере, являющейся восходящим газоходом; в конвективной шахте, разделенной перед ВЭ (за КПП) перегородкой на два нисходящих газохода, в верхней поворотной камере, где дымовые газы меняют направление движения, а также в двух вращающихся регенеративных воздухоподогревателях.
Топочная камера (рис.3.2), конвективная шахта, часть металлических газоходов, дутьевые вентиляторы расположены в главном корпусе в ячейках между рядами «Б» и «В» рис.3.1. (поз. 17). Воздухоподогреватели (поз. 18), дымососы (поз. 19) и часть газоходов смонтированы за пределами главного корпуса, на открытом воздухе.
Топочные камеры котлов типа ТГМ-84 оборудованы 16 комбинированными газомазутными горелками, расположенными на фронтовой стене в три яруса. В первом (нижнем) и третьем ярусах установлено по 6 горелок, во втором - 4.
Отметки расположения ярусов горелок: первый - 6750, второй - 8750, третий (верхний) - 11450 мм.
Котлы типа ТГМ-84Б (рис.3.2.) оборудованы шестью вихревыми горелками каждый, в два яруса. На нижнем ярусе установлено 4 горелки, на верхнем - 2. Оси нижних горелок развернуты к центру полутопки на 12. Часть горелок выделена в растопочную группу (т.е. группу горелок, совместная работа которых обеспечивает безопасную растопку котла на газе и мазуте). На котлах ТГМ-84 - это горелки 7,8,11,12 (второй ярус) и 3, 4 (первый ярус), а на котлах ТГМ-84Б - это горелки 2, 5, 3 и 4.
Газомазутная горелка предназначена для раздельного сжигания газа и мазута. Одновременное сжигание двух топлив в одной горелке допускается кратковременно в режиме перехода с одного топлива на другое. Котел в целом может работать при смешанном сжигании двух топлив, используя часть горелок в качестве мазутных, а часть в качестве газовых. Газомазутная горелка состоит из воздушного короба, завихривающего аппарата, шибера, газораздающего насадка, приводного механизма, мазутной форсунки и ЗЗУ.
Для примера, в табл.3.2 приводятся данные тарировки горелки №1 1-го яруса котла типа ТГМ-84. Аналогично тарировались горелки всех ярусов.
Суть тарировки состояла в следующем:
- на устойчивом режиме работы котла (при отключенной автоматике по регулированию нагрузки котла) отмечался общий расход газа и давление газа за регулирующим клапаном подачи газа к котлу;
- отсекались последовательно горелки запорной арматурой по газу;
- восстанавливалось исходное значение давления газа за регулирующим клапаном подачи газа к котлу и отмечался расход газа на котёл;
- по разнице расходов газа до и после отключения горелки (при выдерживании одинакового давления газа к котлу) определялся расход газа на горелку;
- повтор операции при включении горелки (обратный ход);
- определение среднего значения;
- анализ полученных результатов на предмет выявления горелки с нерасчётным значением расхода газа.
