Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Снижение образования бенз(а)пирена в топках энергетических котлов 10
1.1 Экологические показатели сгорания топлива в котлах ТЭЦ 10
1.2 Образование бенз(а)пирена на стадии сжигания топлива 14
1.3 Режимные мероприятия снижения выбросов бенз(а)пирена 19
1.4 Выбросы бенз(а)пирена в зависимости от коэффициента избытка воздуха 20
1.5 Влияние рециркуляции дымовых газов 22
1.6 Впрыскивание влаги в зону активного горения 23
1.7 Выбросы бенз(а)пирена в зависимости от нагрузки котла 26
1.8 Конструктивные мероприятия для сокращения выбросов бенз(а)пирена 27
1.9 Двухсветный экран 1.10 Ступенчатое сжигание топлива 28
1.11 Комплексные методы снижения выбросов бенз(а)пирена 30
1.12. Суммарное воздействие выбросов бенз(а)пирена и оксидов азота на воздушный бассейн 32
1.13 Конверсия продуктов неполного сгорания по газовому тракту котла 33
Выводы и основные задачи исследования 35
ГЛАВА 2. Расчетно-теоретические исследования образования бенз(а)пирена при сжигании природного газа в топках котлов 37
2.1 Определяющие факторы, влияющие на выбросы бенз(а)пирена 37
2.2 Математическое моделирование образования бенз(а)пирена на основе уравнения регрессии
2.3 Моделирование ацетиленового механизма образования бенз(а)пирена 47
2.4 Результаты моделирования образования бенз(а)пирена по ацетиленовому механизму 49
2.5 Определение бенз(а)пирена по монооксидоуглеродной модели и способ автоматического регулирования процесса горения 51
Выводы 56
ГЛАВА 3. Промышленное исследование процессов образования оксидов азота, углерода и бенз(а)пирена в энергетических котлах 57
3.1 Объект промышленного исследования и основные характеристики котла 57
3.2 Методика проведения экспериментов. Определение концентраций вредных веществ на базовых режимах работы котла 58
3.3 Тарировка горелочных устройств 60
3.4 Уплотнения газового тракта энергетического котла 63
3.5 Тарировка воздуховодов 63
3.6 Установление присосов воздуха в тракт котла 65
3.7 Химический состав природного газа 69
3.8 Исследование состава дымовых газов 70
Выводы 71
ГЛАВА 4. Апробация математических зависимостей определения концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах энергетических котлов 72
4.1 Анализ результатов испытаний котлов ТГМ-84 при
сжигании природного газа 72
4.2 Апробация уравнения регрессии для определения выбросов бенз(а)пирена 74
4.3 Апробация математической зависимости ацетиленового механизма образования бенз(а)пирена 76
4.4 Апробация математической монооксидоуглеродной зависимости образования бенз(а)пирена 79
4.5 Регрессионное уравнение образования бенз(а)пирена при «низких» значениях концентраций монооксида углерода 81
4.6 Рекомендации к составлению режимной карты для работы котла
с пониженным выходом бенз(а)пирена 83
4.7 Технико-экономических показатели результатов исследования 84
Выводы 86
ГЛАВА 5. Метрологические характеристики и погрешности измерений энергетических параметров при проведении экспериментальных исследований 88
5.1 Погрешности при измерении состава продуктов сгорания 88
5.2 Погрешности измерения температуры 89
5.3 Погрешности измерения давления и разрежения 90
5.4 Погрешности при измерении расхода 91
5.5 Погрешности при измерении коэффициента полезного действия энергетического котла 92
Выводы 94
Основные результаты и выводы 95
Список литературы 97
- Выбросы бенз(а)пирена в зависимости от коэффициента избытка воздуха
- Математическое моделирование образования бенз(а)пирена на основе уравнения регрессии
- Методика проведения экспериментов. Определение концентраций вредных веществ на базовых режимах работы котла
- Апробация математической зависимости ацетиленового механизма образования бенз(а)пирена
Введение к работе
Актуальность работы
Энергетические котлы являются источником выбросов вредных веществ в атмосферу, таких как оксиды азота (NOx), серы (SOx), углерода (СОх), бенз(а)пирен (БП). Наиболее токсичным компонентом продуктов сгорания органических топлив является бенз(а)пирен. По классу токсичности бенз(а)пирен относится к сильным канцерогенам, обладает мутагенной активностью. Загрязнение воздуха БП приводит к образованию раковых заболеваний органов дыхания. Воздействию БП ежегодно подвергается более 14 млн. человек.
Уровень выбросов БП с продуктами сгорания в настоящее время является важной характеристикой режимов работы водогрейных и паровых энергетических котлов. Мероприятия направленные на сокращение выбросов оксидов азота могут приводить к интенсивному образованию канцерогенного бенз(а)пирена, следует также учесть, что сочетания бенз(а)пирена и оксидов азота обладают комплексным негативным воздействием в силу образования суперэкотоксиканта - нитробенз(а)пирена.
Очевидно, что исследования, направленные на совершенствование процесса сжигания природного газа в котлах ТЭЦ с целью снижения выбросов бенз(а)пирена в воздушный бассейн актуальны.
Работа выполнена в соответствии с тематическим планом научно- исследовательских работ федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».
Объект исследования - энергетические котлы ТГМ-84А и ТГМ-84Б.
Предмет исследования - содержание бенз(а)пирена в дымовых газах.
Цель работы - совершенствование процесса сжигания природного газа в котлах ТЭЦ с целью снижения выбросов бенз(а)пирена.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Усовершенствовать зависимости для определения концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах при сжигании природного газа в котле на основе физико-химических процессов образования бенз(а)пирена и теории планирования эксперимента.
-
На основе термодинамического и химического подхода к кинетике реакций для анализа влияния режимов работы котла получить зависимость, позволяющую определить величину выбросов бенз(а)пирена по ацетиленовому механизму во времени.
-
Разработать зависимость для определения концентрации бенз(а)пирена косвенным методом, пригодную для автоматизации и оптимизации процессов горения в энергетическом котле.
-
Разработать способ автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле для эффективного сжигания топлива с минимальными выбросами вредных веществ.
Научная новизна работы:
-
-
Усовершенствованы зависимости, позволяющие анализировать влияние режимов работы энергетического котла на выход бенз(а)пирена и находить пути управления рабочим процессом сжигания топлива в широком диапазоне эксплуатационных характеристик;
-
Установлена зависимость для определения выбросов бенз(а)пирена по ацетиленовому механизму в зависимости от содержания метана в топливе, концентрации кислорода и температуры в зоне активного горения;
-
Предложена зависимость для определения концентрации бенз(а)пирена на выходе из топки котла косвенным методом в зависимости от содержания монооксида углерода в продуктах сгорания;
-
Разработан способ автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле для эффективного сжигания топлива с минимальными выбросами вредных веществ.
Методы исследования включали математическое моделирование изучаемых процессов, аналитическое обобщение известных научных и экспериментальных результатов; промышленные исследования в условиях действующего производства; обработку экспериментальных результатов методами математической статистики.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, моделирования процессов, подтверждена удовлетворительной сходимостью результатов, полученных с помощью математических моделей и в условиях промышленных испытаний котлов ТГМ-84, а также с известными результатами других авторов и использованием современных аттестованных измерительных приборов для контроля газовых выбросов.
Практическая ценность работы
-
-
-
Полученные в работе уравнения позволяют повысить точность определения концентрации бенз(а)пирена в продуктах сгорания энергетических котлов, в дальнейшем предложенные зависимости могут быть адаптированы для расчета содержания бенз(а)пирена в дымовых газах котлов при сжигании пылеугольного и мазутного топлива на ТЭЦ.
-
Разработаны рекомендации к составлению режимной карты процесса сжигания топлива в энергетическом котле с пониженными значениями выбросов бенз(а)пирена в воздушный бассейн. Для энергетического котла ТГМ-84Б на ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго» Волжская ТЭЦ планируется внедрение режимной карты с пониженным выходом бенз(а)пирена;
-
Программа расчета выбросов бенз(а)пирена реализована на ЭВМ и может быть использована в практике наладки энергетических котлов;
-
Результаты работы применяются в учебном процессе при подготовке специалистов-энергетиков на кафедре Тепловых электрических станций филиала ФГБОУ «НИУ «МЭИ» в г. Волжском.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Математические зависимости для определения концентрации бенз(а)пирена в зависимости от режимов работы котла при сжигании природного газа в широком диапазоне эксплуатационных характеристик;
-
-
-
-
Математическая зависимость для определения концентрации бенз(а)пирена на выходе из топки котла косвенным методом в зависимости от содержания монооксида углерода в продуктах сгорания;
-
Способ автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле для эффективного сжигания топлива с минимальными выбросами вредных веществ.
Теоретическая значимость
-
-
-
-
-
Предложенные математические зависимости учитывают влияние таких важных параметров на содержание бенз(а)пирена в дымовых газах как концентрация метана, кислорода, монооксида углерода, температура в зоне активного горения и нагрузка котла. Ацетиленовый механизм выполнен с возможностью расчета во времени изменения концентрации бенз(а)пирена от начала процесса образования до значений содержания в дымовых газах на выходе из топки энергетического котла.
-
Выявлена зависимость концентрации бенз(а)пирена от содержания монооксида углерода в дымовых газах для обычных режимов сжигания топлива.
-
Определена и подтверждена необходимость регулирования подачи воздуха и влаги в топочную камеру котла в процессе сжигания топлива с целью сокращения токсичных компонентов дымовых газов в окружающую среду и повышения эффективности процесса горения газообразного топлива.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научных конференциях: Межрегиональной научно- практической конференции «Моделирование и создание объектов энерго- и ресурсосберегающих технологий» (2011 г., Волжский); 18 Межрегиональной научно-практической конференции студентов и молодых ученых (2012 г., Волжский); IV Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо- энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность промышленных городов» (2012 г., Волжский); III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий (2012 г., Томск); 19 Международной научно- технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2013 г., Москва); заседании кафедры ТЭС «НИУ «МЭИ».
Публикации и личный вклад автора
По результатам диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе две публикации в изданиях из перечня, рекомендуемого ВАК, заявка на изобретение №2012129072/06(045543).
Определение направления исследований, обсуждение полученных результатов и подготовка публикаций осуществлялись совместно с научным руководителем доктором технических наук, профессором Григой Анатолием Даниловичем, которому автор выражает искреннюю благодарность.
В работах [32,72,79,80,86,87,90,93], опубликованных в соавторстве и приведенных в библиографическом списке, соискателю принадлежат: получение основных результатов, проведение оценки численных значений полученных величин и разработка способа автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле.
Структура и объем работы
Работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 121 странице машинописного текста с 16 таблицами и 30 рисунками. Список литературы содержит 98 наименований.
Выбросы бенз(а)пирена в зависимости от коэффициента избытка воздуха
Н.В.Лавров в работе [53] предположил, что БП может быть рассмотрен как один из этапов образования сажи. На примере пиролиза метана он выдвигает два варианта образования БП - ацетиленовый при высоких температурах и дефинильный - при пониженных.
Согласно теории ацетиленового механизма начальная стадия описывается процессами удлинения цепи с образованием переходного соединения С4Н2 (рис.3). Одновременно, в процессе реагирования, ацетилен превращается в бирадикал ацетилена и сложный радикал с тремя свободными валентностями, что объясняет его высокую реакционную способность. Далее, триацетилен, легко вступающий в реакцию полимеризации, может образовать полирадикал, представляющий собой зародыш сажи. нс=с-е = е-с-сн -
Балансовое уравнение процесса образования БП из ацетилена можно представить следующим образом [53]: 10С2Н2 -+С2оН]2 +4Н2 (1) Основываясь на механизмах образования сажи из ароматических и алифатических углеводородов, изложенных в [56], можно представить следующую упрощенную схему синтеза БП как одного из характерных представителей ПАУ (рис.4).
Алифатические углеводороды при горении распадаются в процессе пиролиза на фрагменты, имеющие характер радикалов, и устойчивые углеводороды. углеводороды Рис.4. Схема образования бенз(а)пирена [56]. При соблюдении определенных условий по составу смеси, времени пребывания в зоне горения, температуре и другим параметрам рабочего процесса горения, из продуктов пиролиза в результате реакций циклизации и полимеризации синтезируется БП. При горении ароматических углеводородов (или топлив, содержащих в своем составе ароматические углеводороды) образование БП может идти двумя путями: как посредством прямой конденсации бензольных колец, так и в результате распада ароматических структур на углеводородные фрагменты, которые затем полимеризуются с образованием ПАУ (в том числе и БП). Рассмотрим более подробно предложенные различными авторами механизмы синтеза БП из алифатических углеводородов.
В работе [53] описана схема образования БП, предложенная С.К. Рейем и Р. Лонгом. Она основана на превращении ацетилена в бирадикал ацетилена, с последующим удлинением цепи, реакциями циклизации и полимеризации. Приведенная схема не дает последовательной физико- химической картины сложного механизма синтеза БП.
В работе [57] образование БП описано цепочкой реакций полимеризационного типа. Молекула сажи по предположению П.А. Теснера образуется в результате роста зародыша сажи, на одной из стадий сажеобразования возникает БП. При усложнении и развитии решетки полициклического углеводорода образуется класс соединений, называемых низкотемпературной сажей. Общее стехиометрическое уравнение процесса имеет вид: СтНп- С6Н2+ЗС2Н2+а-С2Н + /3-С2 (2) Практика получения сажи из жидкого топлива и в процессе пиролиза угля подтверждает возможность ее образования при низких температурах. В этом случае основным элементом углеводородов, имеющих циклическую структуру, является дифенил, образующийся по реакции:
Для построения молекулы БП необходима одна молекула дифенила и две дивинила. Дивинил образуется по радикально-цепной реакции из этилена и вступает в реакцию с дифенилом.
В результате процесса горения жидкого топлива БП может образовываться в результате деструкции высокомолекулярных соединений непосредственно до БП или в результате синтеза из продуктов деструкции. Следует отметить, что в составе жидкого и твердого топлива, используемого на ТЭЦ, присутствуют ПАУ; таким образом, в принципе возможен и прямой переход БП из топлива в продукты сгорания вместе с невыгоревшими сажистыми и коксовыми частицами. Подобные условия перехода ПАУ из топлива в продукты сгорания имеют место в топках котлов небольшого объема и с высокой степенью экранирования, что характерно для отопительных котлов [25].
В работе [21] на основании анализа данных по выбросам БП различными типами котлов (ДКВР-10-13, ТГМ-94, ТГМП-114, ТГМП-314, ПК-41 и других) сформулированы следующие типичные уровни содержания БП в дымовых газах в зависимости от вида сжигаемого топлива: природный газ -(0,03-0,05) мкг/м3; мазут - (0,10-0,30) мкг/м3; уголь - свыше 0,30 мкг/м3.
Внедрение современных методов сжигания природного газа в энергетических котлах позволяет исключить в продуктах горения наличие канцерогенных углеводородов. Режимы сгорания в топках при а I недопустимы, так как в уходящих газах наряду с продуктами неполного сгорания увеличивается содержание БП; в работе [67] отмечается, что при сжигании природного газа в котле ТГМП-204ХЛ с предельно низким коэффициентом избытка воздуха а = 1,0 +1,01, наблюдались всплески концентраций БП до 3,1 мкг/м . Оптимальные режимы сжигания природного газа совпадают с наиболее экономичными и соответствуют минимальным загрязнениям атмосферы.
Проведенный анализ по изучению условий образования БП при сжигании природного газа выявлена принципиальная возможность практически полностью исключить из продуктов сгорания канцерогенные углеводороды.
Математическое моделирование образования бенз(а)пирена на основе уравнения регрессии
На современном уровне методы ГЖХ и газовой хромато-масс-спектрометрии (ГХМС) не удовлетворяют требованиям мягкости воздействия на анализируемое вещество, так как температура в аналитической части приборов может достигать (533-633) К - для ГЖХ и 723 К для ГХМС. При этом возникает реальная возможность термического разложения, катализа и других превращений компонентов смеси. К недостаткам этих методов можно отнести и ряд технических и методических сложностей, снижающих достоверность и воспроизводимость анализа. Наиболее мягким по воздействию на вещество является метод ВЭЖХ, где разделение происходит при комнатной температуре, а чувствительность зависит от применяемой системы детектирования.
Спектрофотометрическое детектирование для бенз(а)пирена обеспечивает чувствительность на уровне 10"5...Ю"6 г/мл, а флуоресцентное детектирование позволяет достигнуть 10"9 г/мл [73]. Однако применяемые флуоресцентные детекторы пока отличаются небольшой селективностью. Совершенствование систем детектирования и другого инструментального обеспечения в будущем позволит проводить высокоэффективный анализ наличия бенз(а)пирена в многокомпонентных смесях .
В настоящее время наиболее широкое распространение нашли спектральные методы, основанные на специфической способности молекул бенз(а)пирена люминесцировать, причем у разных по структуре молекул проявляется различный характер спектров. Наиболее эффективными в этом случае становятся методы, основанные на замораживании пробы до температуры жидкого азота (77 К) и даже гелия (4 К). При этом относительно широкие полосы спектра, наблюдаемые при комнатной температуре, распадаются на группы очень узких полос. Это явление было открыто Э.В. Шпольским и названо квазилинейчатыми спектрами флуоресценции [74]. Структурный характер таких спектров и их абсолютная индивидуальность обеспечивают надежную идентификацию бенз(а)пирена. В экспериментальной практике этот метод был впервые применен П.П. Дикуном [75], а затем широко использовался для количественного определения содержания бенз(а)пирена в экстрактах проб, взятых из отработанных газов промышленных и транспортных энергетических установок. Применительно к определению содержания бенз(а)пирена, молекулы которого имеют ярко выраженный и интенсивный спектр флуоресценции, этот метод обладает особыми преимуществами. Часто не требуется предварительной подготовки экстракта пробы, заключающегося во фракционировании по группам ПАУ, например, с помощью ТСХ. Кроме того, реализация способа возможна с помощью отечественных спектрометров типа ДФС-24, обеспечивающих чувствительность анализа до 10" г/мл [73-75].
Приведенный выше обзор показывает, что существующие инструментальные методы количественного анализа позволяют с достаточно высокой точностью (12-16% при доверительной вероятности 0,95) [45,74] определять содержание микродоз бенз(а)пирена в экстракте проб. В то же время несовершенство методов отбора проб значительно снижает достоверность определения содержания бенз(а)пирена в продуктах сгорания. При этом погрешность определения БП составляет (20-80)%. Неоперативность, трудозатратность, дороговизна, большая погрешность методов прямого определения концентрации БП делает их не применимыми для оперативного контроля канцерогенных выбросов на ТЭЦ [80].
Существуют методы для определения концентрации бенз(а)пирена на основе функциональных связей технологических параметров, характеризующих сжигание топлива. Эти методы сложно описывают взаимное влияние параметров на выход БП. Эмпирические выражения для определения концентрации БП имеют большую погрешность (15-20%), что делает их малопригодными для оценок вредного воздействия ТЭС на окружающую среду. Ввиду сложности определения БП и немногочисленных экспериментальных данных в отношении снижения выбросов бенз(а)пирена в атмосферу в итоге накоплено мало опыта. Но выявлено, что снижение концентрации БП при сжигании органического топлива в большинстве случаев ведет к увеличению выхода оксидов азота. При этом известно, что режимные методы, применяющиеся на ТЭЦ для снижения выхода оксидов азота, приводят к значительному росту концентраций БП на выходе из топки. Из этого можно сделать вывод, что только при комплексном подходе и комбинации нескольких методов можно будет существенно уменьшить эмиссию бенз(а)пирена, не увеличивая выход оксидов азота. В то же время отмечается, что определяющие режимные факторы могут самым различным образом влиять на выбросы бенз(а)пирена, например, такие параметры, как коэффициент избытка воздуха или нагрузка котла. Это непосредственно связано с полнотой выгорания сажистых частиц в зоне активного горения, которые непосредственно конденсируют на себе молекулы БП. Качественный распыл топлива и равномерность смесеобразования в топке также обеспечивают более низкий выход БП [79]. Неравномерность температурных полей в топочной камере создает зоны с повышенным содержанием СО и БП.
Методика проведения экспериментов. Определение концентраций вредных веществ на базовых режимах работы котла
Опытное исследование проводилось на энергетических газомазутных котлах марки ТГМ-84А и ТГМ-84Б Таганрогского завода, установленных на Волжской ТЭЦ ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго».
Энергетический котел ТГМ-84 барабанный, П-образной компоновки с симметричным расположением поверхностей нагрева рис.15 [15]. Паропроизводительность 420 т/ч, давление пара за котлом 140 бар, давление в барабане 155 бар, температура перегретого пара 560 С, температура питательной воды 230 С, основное топливо - газ, резервное - мазут. Теплонапряжение топочного объема qv = 209 кВт/м3, поверхностное теплонапряжение зоны активного горения (ЗАГ) qJir = 0,607 МВт/м . Топочная камера разделена двухсветным экраном, включенным как боковые и задние экраны топки в трехступенчатую систему испарения котла. Топочные камеры котла типа ТГМ-84 оборудованы 18 комбинированными газомазутными горелками, расположенными на фронтовой стене в три яруса. Фронтовой экран топки котла является настенным радиационным пароперегревателем, в который пар поступает из чистого отсека барабана. Нижняя часть боковых экранов переходит в наклонный под, нижние коллекторы которого прикреплены к коллекторам двухсветного экрана, и совместно с ним перемещается во время растолок и останова котла. Поверхности нагрева размещены в топочной камере, являющейся восходящим газоходом, в конвективной шахте, разделенной перед водяным экономайзером (ВЭ) перегородкой на два нисходящих газохода. В нижней поворотной камере, где продукты сгорания меняют свое направление движения, газы проходят через два вращающихся регенеративных воздухоподогревателя. Топочная камера, конвективная шахта, часть металлических газоходов, дутьевые вентиляторы расположены в главном корпусе. Воздухоподогреватели, дымососы и часть газоходов находятся за пределами главного корпуса, на открытом воздухе.
Котел неоднократно подвергался реконструкциям, в результате чего появились модели ТГМ-84А и ТГМ-84Б. В новых моделях модернизированы ширмы и было достигнуто более равномерное распределение пара между пароперегревателями. Температура перегретого пара регулируется впрыскивающими пароохладителями: за потолочным пароперегревателем, в рассечке ширм и перед выходным пакетом конвективного пароперегревателя. Для очистки пакетов конвективного пароперегревателя и экономайзера, находящихся в опускном газоходе, используется дробеочистка. В энергетических котлах ТГМ-84А и ТГМ-84Б, в отличие от прежних моделей котлов этого типа увеличен поперечный шаг труб горизонтальных пакетов конвективного пароперегревателя, благодаря чему уменьшилось загрязнение их мазутной сажей [15,62].
Методика проведения экспериментов. Определение концентраций вредных веществ на базовых режимах работы Для проведения экспериментов с целью получения достоверных данных необходимо провести следующие мероприятия: - тарировку горелочных устройств; - тарировку сечений газоходов и воздуховодов; - определение присосов в тракт котла. Измерения в дымовых газах NOx, С02, 02, СО и Н2 проводились при помощи газоанализатора Testo-ЗООМ. На каждом режиме работы проводилось 5-8 измерений, полученные данные включались как среднеарифметические значения измеренных величин.
Энергетические котлы ТГМ-84Б оборудованы шестью вихревыми горелками в два яруса. На нижнем ярусе установлены четыре горелки, на верхнем - две. Оси нижних горелок развернуты к центру полутопки на 12. Часть горелок выделена в растопочную группу, обеспечивающую безопасную растопку котла на газе и мазуте. На котлах ТГМ-84 - горелки 7,8,11,12 (второй ярус) и 3,4 (первый ярус), а на котлах ТГМ-84Б - горелки 2,3,4,5. Схема размещения горелок представлена на рис.16.
Основным предназначением газомазутной горелки является раздельное сжигание газа и мазута. При этом одновременное сжигание двух топлив в горелке возможно лишь в режиме перехода с одного топлива на другое. Возможна работа котла в смешанном режиме сжигании двух видов топлива, при этом часть горелок используется в качестве газовых, а другая часть в качестве мазутных. Горелка состоит из воздушного короба, шибера, завихривающего аппарата, газораздающего насадка, приводного механизма, мазутной форсунки и запального устройства. Устройство однофронтовой горелки конструкции ТКЗ представлено на рис.17. В табл.8, приведены данные тарировки горелки №1 котла ТГМ-84. Аналогичным путем тарировались горелки всех ярусов. Последовательность операций тарировки горел очных устройств следующая: - на стабильном режиме работы котла отмечался общий расход газа и давление за регулирующем клапаном; - запорной арматурой отключались последовательно горелки по газу; - восстанавливалось исходное значение давления газа за регулирующим клапаном к котлу и фиксировался расход газа на котел; - по разнице расходов газа до и после отключения горелки определялся расход газа на горелочное устройство;
Апробация математической зависимости ацетиленового механизма образования бенз(а)пирена
Анализ рис.30, зависимости (I) выявил линейную связь БП от СО в диапазоне (0-70) мг/м3. Показано, что увеличение содержания СО на 1% приводит к повышению БП на 0,57 % в диапазоне (0-70) мг/м . Максимальный выход БП при значении СО =70 мг/м3 равен 40 нг/м3. Анализ рис.30, кривой (2) установил, что при минимальной степени недожога (СО= 10-20 мг/м ) происходит резкий скачок содержания БП до 40 нг/м3. Дальнейшее повышение степени недожога природного газа сопровождается ростом выхода СО до 300 мг/м при незначительном повышении содержания БП (15-20%).
Предложенные модели определения концентрации БП в продуктах сгорания котла представлены в табл. 16. В зависимости от режимных параметров и эксплуатационных характеристик котла - коэффициента избытка воздуха, нагрузки и содержания монооксида углерода в дымовых газах возможно определить выход БП с существенно меньшей погрешностью.
Рекомендации к составлению режимных карт работы котла с минимальными выбросами бенз(а)пирена заключаются в следующем: - режимная карта составляется применительно к номинальной температуре питательной воды, при этом производится корректировка на расход пара по температуре питательной воды, величины снижения температуры пара в пароохладителе; - при различных нагрузках в работе находятся все горелки; - шиберы перед горелками на газовоздушной смеси полностью открыты; - разряжение в верху топки поддерживается на уровне 1-2 Па, для минимизации выбросов продуктов сгорания через неплотности топки; температуру на входе в воздухоподогреватель необходимо поддерживать на уровне 30С; - все режимы работы котла предполагают максимальную степень выгорания топлива; - измерение концентраций вредных продуктов сгорания осуществляется при помощи газоанализатора, с учетом погрешностей измеряемых величин; - расчет концентрации бенз(а)пирена производится с учетом содержания монооксида углерода в дымовых газах. Данные рекомендации составлены с учетом проведения предварительных работ по тарировке горелочных устройств, тарировке воздуховодов, уплотнению газового тракта энергетического котла и поверочных работ измерительных приборов [38,59,70,79,80,87]. Режимная карта котла ТГМ-84Б с пониженным выходом бенз(а)пирена, работающего на природном газе представлена в приложении. В результате выполненных исследований экономический эффект обусловлен снижением выбросов вредных веществ в атмосферу и уменьшением трудозатрат на проведение наладочных испытаний котла.
Из счетов за выброс вредных веществ в атмосферу Волжская ТЭЦ ООО «ЛУКОИЛ-Волгоградэнерго» следует, что плата за оксиды азота составила 71% от общей суммы оплаты за суммарные выбросы: сернистый ангидрид, зола, оксид углерода. Плата за выбросы оксида азота при сжигании газа составила 838950 рублей. Снижение суммарных выбросов оксидов азота, углерода и бенз(а)пирена за счет предлагаемого способа автоматического регулирования
Выбор зависимости для определения концентрации БП в продуктах сгорания в зависимости от режимных параметров котла \ Параметр Зависимость - Погрешность,% Коэффициентизбыткавоздуха а,1,01 а 1,09 Нагрузка котла,125 » 420,т/ч Концентрация СО,мг/м3 при СО 70 мг/м3 Концентрация СО,мг/м при СО 70 мг/м3 Примечание Нормативный метод (РД 153-34.02.316-2003) 20 во всем диапазоне во всем диапазоне во всем диапазоне Учитываетмаксимальноеколичество режимныхпараметров иконструкций котла Регрессионная зависимость на основанииРД 153-34.02.316-2003 13,2 во всем диапазоне во всем диапазоне во всем диапазоне Учитывает влияниекоэффициента избыткавоздуха инагрузки котла Зависимостьобразования БПпо ацетиленовомумеханизму 18,8 во всем диапазоне 380 420 во всем диапазоне Описывает процессы сжигания топлива вовремени дляпредпламенной зоныактивного горения Зависимостьмонооксидоуглеродногомеханизма образованияБП 10,1 1,02 а 1,09 365 420 при СО40-50 мг/м3 при СО=70-110мг/м3 Описывает процессыконверсии продуктовнеполного сгорания Регрессионнаязависимостьобразования БП принизких значениях СО 10,2 1,03 а 1,08 330 D 420 при СО1-70МГ/М3 - 86 режима горения в топке котла, позволяет получить экономию в ценах и нормативах 2012 года в размере 168707 рублей. Затраты на внедрение способа автоматического регулирования процесса горения с минимальными выбросами вредных веществ составит 89000 рублей для одного котла ТГМ-84. Внедрение способа автоматического регулирования может быть реализовано силами инженерно-технического персонала станции.
При работе котла ТГМ-84 на природном газе общая сумма затрат на наладку составила 181000 рублей. Основные затраты: подготовительные работы, предварительные измерения, проверка газовой плотности, определение характеристик эксплуатационного режима, проведение режимных опытов, проведение балансовых опытов, количество наладочных испытаний - 27. Более точную и полную информацию можно получить с помощью использования предложенных режимной карты и математических зависимостей. При использовании предложенных математических зависимостей процесса горения топлива, те же данные можно получить при меньшем количестве испытаний. За счет существенного снижения количества наладочных испытаний минимальная экономия составляет 91000 рублей.
Общая экономия за счет предложенного способа автоматического регулирования процесса горения в энергетическом котле и рекомендаций к составлению режимной карты на минимальные вредные выбросы бенз(а)пирена может составить 180 тыс. рублей в год при работе одного энергетического котла ТГМ-84Б.
Похожие диссертации на Совершенствование процесса сжигания природного газа с целью снижения выбросов бенз(А)пирена
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
