Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Комплексный анализ вредного воздействия ТЭС на окружающую среду и пути его снижения
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 образования 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 газомазутного 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 для 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 применения интеллектуальных систем для оптимизации процесса горения 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. Нейросетевая модель регулирования процесса горения и снижения выбросов оксидов азота 255
Заключение 267
Литература 270
- Современные технологии сжигания оксидов азота в уходящих газах энергетических установок
- Закономерности образования оксидов азота при сжигании органических топлив
- Исследование влияния технических решений и режимных параметров на снижение выбросов оксидов азота
- Исследование возможностей подавления оксидов азота за счет организации топочного процесса
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, нестехиометрическое 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 котла. 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 пылеугольного 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 режимно-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 состоят в основном из моноксида азота N0, а также в меньших концентрациях содержат диоксид азота NCb и закись азота N2O. В ламинарном пламени (на молекулярном уровне это можно отнести и к турбулентному пламени) образование оксидов азота является результатом четырёх отдельных химических процессов с разной кинетикой: 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 монооксида 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 примерно одинаковой паропроизводительности, 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 пылеугольных котлах. При факельном сжигании топлива ис 7
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 N0X 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 на 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 наук, 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, Верещетина В. А., Курочкина А. В., Беляева А. Ф. и Штегмана 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 защите.
Современные технологии сжигания оксидов азота в уходящих газах энергетических установок
В настоящее время есть представления о четырёх различных способах образования NOx в горении, каждый из которых по-своему важен в зависимости от топлива, схемы устройства и других условий, в которых происходит сгорание. Это термический путь (или механизм Зельдовича), «быстрое» образование NOx (механизм Фенимора), образование окислов через N2O и образование окислов из топливного азота [17-20], [24], [25].
Более подробно закономерности образования оксидов азота при сжигании топлива будут рассмотрены в главе 2.
Рассмотрим применяемые в современной энергетике методы снижения выбросов оксидов азота. Ряд оригинальных разработок предлагается как отечественными, так и зарубежными научными организациями и промышленными компаниями.
Снижение содержания оксидов азота в дымовых газах может достигаться несколькими методами. Промышленные методы снижения выбросов оксидов азота делятся на первичные, направленные на подавление образования N0 в процессе горения (их также называют «технологическими», так как в этом случае имеет место изменение технологии сжигания топлива), и вторичные - предусматривающие системы газоочистки. [13], [16]
Технологические методы наиболее распространены в нашей стране, так как не требуют, в основном, значительных начальных капиталовложений. Их, в свою очередь, можно классифицировать, подразделив на три основные группы.
В первую очередь это технологические мероприятия, направленные на снижение максимальной температуры в топке. К ним следует отнести рециркуляцию дымовых газов, впрыск влаги, снижение температуры горячего воздуха, секционирование топки двухсветными экранами, равномерное распределение факела по высоте топки. Ко второй группе следует отнести методы, направленные на снижение концентрации окислителя, такие как нестехиометрическое сжигание, ступенчатое сжигание, использование горелок с затянутым смесеобразованием, горелок с регулируемой долей первичного воздуха, сжигание в предтопке с недостатком окислителя. И, наконец, для снижения вредных выбросов энергетических котлов используются специальные методы сжигания, это сжигание в кипящем слое, предварительная термическая обработка топлива или методы, предполагающие восстановление N0 в топке.
Как уже было сказано, в условиях экономического кризиса особое значение приобретают малозатратные технологические мероприятия снижения вредных выбросов. Примером является опыт организации рационального совместного сжигания газа и мазута в котлах ПК-41 Кармановской ГРЭС. Исследования показали, что при подсветке газового факела мазутом, сжигавшимся в отдельных горелках либо совместно с газом в одной горелке, удается достич снижения оксидов азота на 20-30%. Причинами этого эффекта являются: снижение температуры в зоне активного горения за счет повышения светимости и излучательной способности факела, а также различная реакционная способность газа и мазута. Газ сгорает на начальном участке факела с более высокой скоростью, чем мазут. Это вызывает «растягивание» зоны активного горения и приводит в дополнительному снижению максимальной температуры в ядре факела. Для Кармановской ГРЭС внедрение данного организационного мероприятия позволило снизить концентрации NOx не менее чем на 20%. [53]
Другой пример - разработка Санкт-Петербургского государственного политехнического университета - низкотемпературная вихревая (НТВ) технология сжигания твердого органического топлива [22]. Способ НТВ-сжигания и топочное устройство для его реализации разработаны выдающимся советским ученым-теплоэнергетиком Виктором Владимировичем Померанцевым и возглавляемым им коллективом кафедры «Реакторо- и парогене-раторостроение» в Ленинградском политехническом институте (ныне Санкт-Петербургский государственный политехнический университет — СПбГПУ).
К главным достоинствам НТВ технологии сжигания относятся ее улучшенные экологические показатели, гарантированное обеспечение устойчивого воспламенения и горения твердых топлив без подсветки газом и мазутом, устранение шлакования.
НТВ технология сжигания может быть реализована в традиционной камерной топке, путем ее модернизации в период капитального ремонта котла.
Для подготовки топлива угрублешюго помола используются существующие мельницы с упрощенными сепараторами или без них, а для таких топлив как торф, древесные отходы, лигнин возможно использование безмельничных схем. В большинстве случаев НТВ технология сжигания не требует для ее реализации изменений в тепловой схеме котла и замены тягодутьевых устройств. Модернизация котлов с переводом их на НТВ-сжигание позволяет сравнительно просто и с малыми затратами обновить существующее котельное оборудование, улучшить его технико-экономические и экологические показатели, упростить эксплуатацию и повысить надежность работы котлов. Важным достоинством НТВ технологии сжигания является низкая чувствительность к колебаниям характеристик топлива. Это унифицирует топку по топливу и дает возможность сжигать в одном котле несколько видов твердого топлива. НТВ технология сжигания прошла апробацию на широкой гамме твердых топлив, таких как торф, бурые и каменные угли, горючие сланцы, отходы деревообработки и микробиологического производства. НТВ технология сжигания отработана на котлах производительностью от 35 до 420 тонн пара в час при сжигании практически всей гаммы органических топлив и горючих твердых отходов производства в России, Эстонии, Болгарии, Китае. В основу НТВ технологии заложен принцип организации низкотемпературного сжигания груборазмолотого твердого топлива в условиях многократной циркуляции частиц в камерной топке.
Закономерности образования оксидов азота при сжигании органических топлив
Выбросы оксидов азота состоят в основном из моноксида азота N0, а также, в меньших концентрациях, содержат диоксид азота N02 и закись азота N20. Оксиды азота (N0X) являются предшественниками фотохимического смога, способствуют выпадению кислотных дождей и истощению озона в атмосфере. Таким образом, оксиды азота представляют собой загрязняющие вещества.
Образование оксидов азота при горении происходит путем окисления азота воздуха (термическое и "быстрое" окисление); окисления азота топлива (топливное окисление); а также поглощения оксидов азота при дожигании.
Для определения эмиссии оксидов азота следует рассмотреть уравнения переноса для концентрации монооксида азота (N0). Если источником азота является топливо, 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. Иными словами, выход оксидов азота определяется, исходя из результатов расчета горения. Таким образом, очевидно, что необходимым условием для определения оксидов являются достаточно детальные расчёты самого процесса горения. Например, при температурах пламени около 2200 К, каждое последующее увеличение температуры на 90 К ускоряет термическое окисление азота в два раза. По возможности необходимо также учитывать факторы турбулентности, радиационного теплообмена, химической кинетики [55].
Получаемые результаты точны лишь настолько, насколько точны исходные данные в сочетании с адекватно подобранной физической моделью процесса. Хотя в большинстве случаев расчетным путем удаётся с достоверностью предсказать лишь тенденции изменений, но не собственно количество образующихся окисидов азота, точное прогнозирование параметрических трендов в конкретной системе позволяет сэкономить на лабораторных тестах и промышленных испытаниях, сократить отдельные этапы проектирования и в то же время разнообразить возможные варианты технических решений при разработке новых устройств, обеспечивающих горение. В этом и заключается реальное практическое значение расчетов образования оксидов азота.
В ламинарном пламени (на молекулярном уровне это можно отнести и к турбулентному пламени) образование оксидов азота является результатом четырёх отдельных химических процессов с разной кинетикой: термическое, "быстрое" и топливное окисления, а также процесс восстановления. Термическое окисление представляет собой окисление атмосферного азота, присутствующего в воздухе для горения. "Быстрое" окисление - результат высокоскоростных реакций во фронте горения. Топливное окисление связано с атомами азота, входящими в со став топлива. В ходе восстановления общий выход окислов азота понижается за счёт реакции N0 с углеводородами.
Рассматривается уравнение переноса массы для NO с учётом конвекции, диффузии, образования и поглощения. Такой подход является общепринятым и опирается на фундаментальный физический закон сохранения массы. Эффект "задержки", имеющий место в соответствии с лагранжевым представлением о системах отсчёта, учитывается в качестве конвекции, посредством включения соответствующих членов в определяющие уравнения, написанные для эйлеровой системы отсчёта. Термическое и "быстрое" окисления описываются одним уравнением переноса для N0:
У топливного окисления механизм более сложный (это будет обсуждаться в разделе 2.2.5). Его описание требует слежения за промежуточными азотсодержащими продуктами химических реакций. В случае топливного окисления, помимо уравнения 2.3, дополнительно рассматривается уравнение переноса для HCN или
где FHCN, УШЗ И rN0 - массовые доли HCN, NH3 и NO в газовой фазе. Члены S!ICN, SNu3 и SHO будут определены в последующих разделах применительно к разным механизмам окисления азота.
Термическое окисление определяется последовательностью в высшей степени температурно-обусловленных химических реакций, известных как обобщённый механизм Зельдовича. Две основных реакции, определяющих термическое окисление атмосферного азота, таковы:
Ещё одна реакция, относящаяся к процессу термического окисления, особенно эффективна в условиях, близких к стехиометрическим, а также в смесях с недостатком воздуха (богатых смесях):
Константы скоростей реакций при термическом окислении для этих реакций были измерены в многочисленных экспериментальных исследованиях [56-58], результаты которых, в свою очередь, были подвергнуты критической оценке в работах Baulch с соавторами [59] и Hanson and Salimian [60]. Формулы для расчёта коэффициентов скорости реакций (2.6- -2.8) выбраны, сообразуясь с оценкой Hanson and Salimian [60]. Скорость окисления азота воздуха значительна лишь при высоких температурах (выше 1800 К) поскольку вступление азота в реакцию требует разрыва прочной тройной связи в молекуле N2 (энергия диссоциации 941кДж/гмоль). Этим эффектом обусловлена высокая энергия активации для реакции (2.6), что делает её лимитирующей стадией обобщённого механизма Зельдовича. Энергия активации для окисления атомов N, напротив, невелика. При достаточном количестве кислорода скорость поглощения свободного азота равна скорости его образования, приводя систему в квазистационарное состояние. На практике это допущение справедливо почти всегда, за исключением случаев чрезвычайного недостатка воздуха при горении.
Исследование влияния технических решений и режимных параметров на снижение выбросов оксидов азота
Результаты исследований, описанных в предшествующих главах, показали, что количество оксидов азота, образующихся в котлах тепловых электростанций, определяется не только видом сжигаемого топлива, но также комплексом технических решений (конструкция и расположение горелок, тепловое напряжение зоны активного горения и т.д.) и режимными параметрами топочного процесса (избыток воздуха, степень крутки в горелках, скоростной режим в выходном сечении горелок и т.д.). Все перечисленные конструктивные и режимные параметры определяют уровень температур, концентрацию кислорода, а также время пребывания реагирующих веществ в высокотемпературной зоне ("температурной ступеньке"). А скорость образования термических N0 зависит именно от этих параметров.
Рассмотрим более подробно зависимость величины выбросов NOJC от основных конструктивных решений и параметров топочного процесса.
Исследование влияния режимных параметров на образование NOx было проведено на серийном котле БКЗ-210-140 Ф, который выпускается Барнаульским котельным заводом уже более 30 лет. Номинальная паропроизводительность котла -210 т/ч, параметры пара - 13,8 МПа, 560С при температуре питательной воды 230С.
На ТЭЦ-1 Котласского ЦБК котел БКЗ-210-140 Ф (ст. №9) был установлен еще в 1971 г. и длительное время работал на каменном угле марки Д Интинского месторождения. В последние годы большую часть времени (особенно - в летние месяцы) котел работает на природном газе с Q[=33,9 МДж/м3. После усовершенствования системы газоснабжения и замены системы управления котлом №9 было принято решение провести испытания котла для оценки эффективности сжигания газа и определения величины вредных выбросов в атмосферу [91].
Топочное устройство котла БКЗ-210-140 Ф оборудовано шестью лопаточно-улиточными вихревыми горелками, расположенными на боковых стенах котла по схеме треугольника с вершиной вниз, причем оси горелок верхнего яруса были наклонены вниз на 9. Газовая часть горелок состояла из кольцевого коллектора диаметром 150 мм и 16 газораздагощих трубок, расположенных по наружной образующей канала аэросмеси. Растопочные мазутные форсунки, как обычно, были встроены в центральные трубы горелок.
Все необходимые параметры работы котла контролировались с монитора. Для анализа состава продуктов сгорания использовался многокомпонентный переносный газоанализатор ДАГ-16. Газы отбирались из газохода за пароперегревателем, а также из четырех точек за скрубберами и в некоторых опытах — за воздухоподогревателем. В пробах газа определялись концентрации кислорода 02, монооксида углерода СО, монооксида азота N0. Кроме того, определялась температура в местах отбора проб.
Во время опытов изменялись основные параметры: нагрузка котла, избыток воздуха и количество включенных горелок. При проведении предварительных опытов были найдены такие положения регулирующих устройств по воздуху и по газу, при которых содержание кислорода за пароперегревателем слева и справа были бы близки. При таком распределении топлива и окислителя удавалось максимально глубоко снизить коэффициент избытка воздуха в горелках до появления монооксида углерода СО.
Серия опытов была проведена при нагрузке 114 т/ч (0,55 номинальной). Во всем диапазоне проверенных избытков воздуха ((1 ,=1,01-1,21) факел оставался стабильным, КПД котла по обратному тепловому балансу изменялся от 92,1 до 94,2%. Продукты неполного сгорания (СО) были обнаружены только при am l,02, а концентрация оксидов азота снижалась по мере уменьшения избытка воздуха от 436 до 100 мг/м3 (в пересчете на NO2 в сухой пробе дымовых газов при нормальных условиях: 0С, 101,3 кПа, 6% 02, т.е. при а=1,4). Результаты этих опытов показаны на рис. 3.1. Аналогичные серии опытов были проведены при нагрузках 145, 185 и 215 т/ч (примерно 0,69; 0,88 и 1,02 номинальной нагрузки). В опытах с максимальной нагрузкой (см. рис. 3.2) концентрация NOx составляла 260-270 мг/м3 при а„п=1,04-1,06. Дальнейшее уменьшение избытка воздуха (до aj,n=l,02) снижало концентрацию NOx до 220 мг/м3, но резкое увеличение продуктов неполного сгорания (до СО=450 мг/м3) не позволило рекомендовать такой режим для нормальной эксплуатации. На рис. 3.3 приведены результаты обобщения четырех серий опытов на разных нагрузках. Из графика на рис. 3.3а видно, что по мере увеличения нагрузки котла от 114 до 213 т/ч несколько уменьшается оптимальный коэффициент избытка воздуха за пароперегревателем.
Исследование возможностей подавления оксидов азота за счет организации топочного процесса
При сжигании природного газа, когда основную массу оксидов азота составляют термические N0X, снижение нагрузки котла приводит к уменьшению максимальной температуры и, как результат - к снижению концентрации N0X. Об этом свидетельствуют и результаты опытов, описанных в главах 2 и 3. На пылеугольных котлах, особенно в тех случаях, когда котел оборудован топкой с твердым шлакоудалением, основную массу оксидов азота составляют топливные NOx, количество которых зависит главным образом от концентрации кислорода на начальном участке факела, где происходит сгорание выделившихся летучих. Уровень температур в факеле практически не влияет на количество образующихся топливных N0X, так как повышение t увеличивает как скорость образования N0X, так и скорость "конкурирующих" реакций, при которых выделившиеся с летучими азотсодержащие компоненты переходят в безвредный молекулярный азот.
Для подтверждения этого предположения были проведены опыты на котлах БКЗ-160-100 ТЭЦ Байкальского ЦБК [110]. Котел БКЗ-160-100-2с имеет номинальную паропроизводительность 160 т/ч с параметрами пара 9,8 МПа, 540С. Каждый из трех котлов БКЗ-160, установленных на ТЭЦ, оборудован двумя пылесистемами с промбункером и шаровыми барабанными мельницами ШБМ 287/410. Прямоточные горелки размещены на боковых экранах топки, вблизи углов по тангенциальной схеме (рис. 4.9). Особенностью всех трех котлов, на которых были проведены испытания, является подача части воздуха через сопла острого дутья (двухступенчатая схема сжигания). На котле №9, кроме того, ранее была смонтирована схема подачи газов рециркуляции в первичный и вторичный воздух. Во время испытаний котлов №№8, 9 и 11 сжигался бурый уголь со следующими характеристиками: Wr=24,54-27,2%, Аг=11,5-И 8,4%, Sr=0,25-K),95%, опытах имела следующие характеристики: Rc o=40,7 52,5%, Wn=l 1,8-И 6,1%. Основное внимание при проведении опытов уделялось зависимости концентрации NOx от параметров работы котла, в том числе - и от нагрузки D, т/ч. Эти опыты были проведены при сохранении числа работающих горелок и других параметров, способных повлиять на образование NOx. На графике рис. 4.10 приведены результаты нескольких опытов, проведенных при почти постоянном избытке воздуха ((Хпп= 1,60-1,67), но при трех разных нагрузках: 125, 131 и 140 т/ч. Как видно из графика, концентрация оксидов азота в дымовых газах за котлом оставалась практически на одном уровне (примерно 540 мг/м3 в пересчете на N02 в сухой пробе дымовых газов при х=1,4).
Некоторый разброс точек связан с небольшими колебаниями характеристик топлива, изменением скоростного режима в горелках, и т.д. Как правило, при значительном снижении нагрузки котла приходится отклоняться от оптимального соотношения топливо-воздух и повышать избыток воздуха, чтобы сохранить аэродинамическую структуру факела. В результате концентрация оксидов азота в дымовых газах оказывается даже выше, чем при номинальной нагрузке. Это подтверждается опытами, проведенными на котле ТП-85 (станц. №5) Иркутской ТЭЦ-9 при сжигании азейского бурого угля (Wr=20-26%; Аг=15-21%; Qrj=l6,0-17,6 МДж/кг). Котел ТП-85 — однобарабанный, с естественной циркуляцией номинальной паропроизводительностью 420 т/ч. Параметры пара: 13,8 МПа, 570С при температуре питательной воды 230С, температура горячего воздуха 250С. Вытянутая в плане топочная камера с твердым шлакоудалением разделена на 2 части двусветным экраном. Система пылеприготовления - с ШБМ с промежуточным пылевым бункером, транспорт пыли к горелкам осуществляется сушильным агентом. Каждая полутопка имела по 8 прямоточных горелок (в 2 яруса по высоте), расположенных на фронтовом и заднем экранах вблизи углов и направленных диагонально. Испытания для оценки действительных выбросов NOx и оценки возможности снижения этих выбросов за счет режимных мероприятий были проведены на котле ст. №3, который был выбран для реконструкции. Этот котел (как и другие котлы Иркутской ТЭЦ-9) мог надежно (без шлакования) нести нагрузку 380 т/ч при температуре питательной воды около 220С. При проведении опытов основные параметры котла фиксировались по эксплуатационным приборам, характеристики топлива и очаговых остатков определяла химлаборатория ТЭЦ, а состав продуктов сгорания определялся многокомпонентным анализатором электрохимического действия типа MSI-2500. Этот прибор позволял определять в пробах дымовых газов не только концентрацию NOx, но также содержание кислорода Ог, окиси углерода СО и сернистого ангидрида SO2. Для оценки зависимости концентрации NOx в дымовых газах от нагрузки котла было проведено 7 опытов с изменением паропроизводителыюсти от 370 до 320 т/ч. Коэффициент избытка воздуха в каждом опыте устанавливался таким, чтобы факел оставался стабильным, а содержание СО за котлом не пре вышало 0,01% по объему.
Результаты опытов, приведенные на графике (рис. 4.11) показывают, что по мере снижения нагрузки концентрация NOx несколько увеличивается. Объясняется это тем, что при уменьшении нагрузки приходится работать с более высоким избытком воздуха. Так, в приведенных опытах при D=370 т/ч коэффициент избытка воздуха за пароперегревателем (а пп) был равен 1,36. По мере снижения нагрузки сйп увеличивался и при минимальной нагрузке (320 т/ч) составлял 1,61. Повышение избытка воздуха в горелках, а также увеличение разности скоростей вторичного и первичного воздуха (подробнее см. 4.2.3) привело к росту концентрации NOx. Однако мощность выбросов (MNOx, г/с) все же оказалась максимальной при повышенной нагрузке.
