Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Аналитический обзор токсичных загрязнений отработавших газов судовых дизелей и котлов 14
1.1 Роль морских судов в загрязнении воздушного бассейна токсичными компонентами отработавших газов и характеристика вредных выбросов 14
1.2 Требования к экологическим показателям дизельных установок 25
1.3 Предпосылки для оснащения судов системами очистки газов 32
1.4 Существующие способы и технологии очистки отработавших газов от оксидов азота 35
1.5 Перспективные технологии очистки отработавших газов дизелей и котлов от оксидов азота 48
1.6 Экономический аспект повышения экологической безопасности 53
1.7 Цель и основные задачи исследований 54
1.8 Выводы по главе 58
ГЛАВА 2 Обоснование предлагаемого процесса очистки продуктов сгорания судового топлива от оксидов азота 59
2.1 Химические процессы 59
2.2 Массообменные процессы 81
2.3 Обоснование рассматриваемого способа абсорбции 97
2.4 Принцип действия эмульгационной секции и теоретические основы ее работы 100
2.5 Анализ механизма химических процессов окисления оксидов азота и абсорбции их водой и выводы по главе 106
ГЛАВА 3 Экспериментальное определение кинетических характеристик и эффективности абсорбера для очистки дымовых газов от оксидов азота 109
3.1 Обоснование методики эксперимента 109
3.2 Проведение первой стадии эксперимента 112
3.3 Проведение и результаты второй стадии эксперимента 130
3.4 Математическая модель зависимости степени очистки от концентрации озона в дымовых газах 138
3.5 Выводы 142
ГЛАВА 4 Конструкция и технические характеристики установки для очистки продуктов сгорания судового топлива от оксидов азота 144
4.1 Испытания опытно-промышленной установки очистки дымовых газов от оксидов азота 144
4.2 Методика проведения испытаний 150
4.3 Результаты промышленного испытания установки очистки дымовых газов от оксидов азота 155
4.4 Анализ результатов промышленных испытаний установки очистки дымовых газов от оксидов азота 162
Заключение 165
Список использованных источников 168
- Требования к экологическим показателям дизельных установок
- Обоснование рассматриваемого способа абсорбции
- Проведение и результаты второй стадии эксперимента
- Результаты промышленного испытания установки очистки дымовых газов от оксидов азота
Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное развитие судоходства на водных путях привело к строительству качественно нового флота: с мощными энергетическими установками, высокими грузоподъемностью и скоростью. Массовая эксплуатация такого флота сопровождается ростом его воздействия на окружающую среду. Процесс топливоиспользования сопровождается не только потерями массы и энергии, но и значительным загрязнением окружающей среды.
Актуальность диссертации определяется ужесточением норм выбросов оксидов азота с продуктами сгорания судового топлива, введением новой редакции Приложения VI Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов (MARPOL 73/78), требующего немедленных мер для приведения токсичных выбросов с судов в соответствие с введенными нормами за счет внедрения новых технических решений в судовые системы очистки. С 1 января 2011 г. Международная морская организация (IMO) ужесточила нормы выбросов оксидов азота на 20 % (уровень Tier II), а с 2016 г. запланировано ужесточение норм в зонах контроля эмиссии оксидов азота (NOx Emission Control Area – NECA) на 80 % (уровень Tier III).
Проблемам снижения токсичных выбросов от судовых энергетических установок (СЭУ) посвящены работы ученых: О.А. Гладкова, С.А. Богатых, В.А. Звонова, С.П. Зубрилова, В.А.Маркова, Л.А. Новикова, В.И. Смайлиса, В.Н. Стаценко, А.Ф. Дорохова, А.А. Иванченко, В.И. Решняк, В.И. Толщина, Д.В. Щавелева, R.L. Gall, E.J. Piasecki, A. Fournier, M. Altmann, M. Weinberger, W. Weindorf, С.В. Кирпиченко, Д.Е. Авдевина, В.С.Кузина, Т.В.Чуба.
В настоящее время существуют два подхода к уменьшению концентрации NOx в дымовых газах: первичные методы, заключающиеся в подавлении образования NOx в топках котлов или камерах сгорания дизелей и вторичные методы снижения выбросов NOx, заключающиеся в обработке дымовых газов после котла или дизеля.
Несмотря на большой объем выполненных исследований и проведенных экспериментов, работы большинства ученых направлены на снижение выбросов оксидов азота методами селективного каталитического (СКВ) и некаталитического (СНКВ) восстановления оксидов азота. Указанные методы хотя и обеспечивают высокую степень очистки дымовых газов, но при этом связаны со значительными затратами и основаны на использовании вредных химических реагентов. Поэтому проблема разработки и внедрения на суда иных, экономически и экологически более эффективных методов очистки отработавших газов судовых дизелей и котлов от оксидов азота является актуальной.
Объектом исследования являются судовые дизели и котлы.
Предметом исследований являются методы снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания судовых дизелей и котлов.
Цели и задачи исследования. Целью диссертации является разработка метода и технических решений, предназначенных для снижения выбросов оксидов азота с отработавшими газами судовых дизелей и котлов абсорбцией водой.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
-
Провести анализ существующих методов и технологий нейтрализации оксидов азота (NOx), применение которых возможно на судах, и осуществить выбор наиболее приемлемой технологии.
-
Выполнить исследование теоретических основ различных методов очистки продуктов сгорания от оксидов азота.
-
Рассмотреть теоретические предпосылки процесса очистки продуктов сгорания топлива от оксидов азота абсорбцией водой при температуре ниже температуры точки росы в присутствии озона.
-
Выполнить экспериментальные исследования оценки эффективности очистки выбросов от оксидов азота с использованием предлагаемой технологии.
-
Разработать математическую модель, позволяющую оценивать влияние параметров установки для очистки продуктов сгорания и исходной концентрации на конечную концентрацию оксидов азота, получаемую в результате использования предложенной установки.
-
Разработать методику расчета технологических параметров, позволяющую анализировать эффективность установки поглощения оксидов азота в судовых условиях.
Методы исследования. Основные теоретические и экспериментальные разработки, представленные в диссертации, основаны на применении методов теории моделирования, проведения эксперимента и химических анализов, методов планирования и обработки эксперимента, статистической обработке результатов эксперимента, технических испытаний и измерений.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
-
Метод интенсификации процесса очистки дымовых газов от оксидов азота при межфазном контакте газа с жидкостью в эмульгационном и пленочном режимах с использованием многократной рециркуляции абсорбента – воды.
-
Математическая модель оценки влияния исходных концентраций в дымовых газах оксидов азота и озона на конечную концентрацию оксидов азота использованием разработанных метода и технических решений.
-
Методика расчета технологических параметров судовой установки поглощения газовых выбросов, используемой для очистки продуктов сгорания судового топлива от оксидов азота.
Новизна первого научного результата заключается в разработке способа интенсификации процесса очистки в области малых концентраций, характерной для продуктов сгорания судового топлива, с использованием межфазного контакта газа с жидкостью в эмульгационном и пленочном режимах с многократной рециркуляцией абсорбента.
Новизна второго научного результата заключается в разработке новой математической модели, позволяющей оценить влияние исходных концентраций в дымовых газах оксидов азота и озона на конечную концентрацию оксидов азота использованием разработанных метода и технических решений.
Новизна третьего научного результата состоит в разработке новой методики, позволяющей рассчитать оптимальные значения технологических параметров установки поглощения оксидов азота в судовых условиях.
Достоверность научных результатов обеспечивается использованием комплекса методов исследования (системного анализа, математического моделирования, проведением натурных испытаний, обработки данных и оценке погрешностей), адекватным его задачам и логике, апробацией полученной информации и репрезентативностью опытных данных.
Практическая значимость диссертации заключается в получении опытных результатов, способствующих решению важной задачи, направленной на снижение загрязнения воздушного бассейна выбросами оксидов азота от судовых дизелей и котлов, которые могут быть использованы судовладельцами, эксплуатирующими суда морского, речного, рыбопромыслового флотов, проектными научными организациями, работающими над созданием энергетических установок новых судов.
Апробация результатов исследования. Основные материалы диссертации поэтапно докладывались, обсуждались и получили одобрение на XVII, XVIII, XIX и XX Международных конференциях «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии», (Новороссийск 2009, 2010, 2011 и 2012 годы); VII, IX и X региональных научно-технических конференциях «Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России» (Новороссийск, 2008, 2010, 2011 годы); на IX городской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Новороссийск, 2009 г.); на академической научно-практической конференции курсантов «Новое поколение в науке – 2009».
Публикации. По теме диссертации опубликовано: статей – 13, тезисов докладов на конференции – 1. Всего 14 работ. Из них 2 статьи по перечню ВАК Минобрнауки РФ: Журнал университета водных коммуникаций. – 2012. – Вып. 4 (16); Эксплуатация морского транспорта. – 2012. – № 4.
Структура и объём работы. Диссертация, объёмом 183 страницы, состоит из списка сокращений, введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 168 наименований, 51 рисунка, 12 таблиц, приложения, содержащего акты внедрения результатов в эксплуатационную практику судоходной компании, проектной организации и учебный процесс.
Требования к экологическим показателям дизельных установок
Исследования в СПГУВК [61] показали, что суда водного транспорта являются выраженными источниками локального загрязнения атмосферы жилых районов, прилегающих к водным акваториям с интенсивным судоходством, портам, рейдам и другим местам скопления флота. Дизельные установки судов, располагая значительными мощностями, выбрасывают в атмосферу поток ОГ с интенсивностью порядка 2 – 8 кг/с с высоты не выше 13 м от уровня воды.
В результате такого сочетания параметров в зоне рассеяния потока при неблагоприятных метеорологических условиях может создаваться 6 – 19-ти кратное превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) оксидов азота и почти 2-х кратное превышение по саже. Причем если по саже эта ситуация присуща только дизелям устаревших конструкций, то по оксидам азота превышение ПДК является доминирующим во всех случаях с незначительным снижением в результате ухудшения технического состояния дизельных установок.
Величина загрязнения воздушной среды судами находится в существенной зависимости от количества одновременно обрабатываемых судов, времени их обработки, оснащения причалов источниками берегового электропитания, степени их проветриваемости, состава портового флота.
Выбросы вредных веществ, осуществляемые с судов в период их нахождения в акватории порта, имеют наиболее значимое воздействие, поскольку время пребывания судов в портах под разгрузкой, погрузкой, техническим обслуживанием и в ожидании этих операций составляет до 50 – 60 % времени их оборота, а само воздействие является составной частью регионального и глобального загрязнения. В крупных транспортных и промышленных центрах фоновая концентрация рассматриваемых вредных веществ, как правило, превышает максимально разовую ПДК для атмосферного воздуха, и природоохранными организациями разрешается превышение фоновых концентраций на величину 0,1 ПДК. На практике, как правило, это условие не выполняется, и величина норм предельно допустимых выбросов (ПДВ) оксидов азота от главных и вспомогательных двигателей в случае заполнения судами акватории портов может быть обеспечена при снижении исходных концентраций на 95 – 99 %.
Необходимость технического решения указанной проблемы очевидна, так как выбросы вредных веществ, осуществляемые с судов в период их нахождения в акватории порта имеют наиболее значимое воздействие, а само воздействие является составной частью регионального и глобального загрязнения, и предметом особого беспокойства общественности. Уместно отметить, что именно поэтому многие политики в странах Западной Европы указывают на превалирующую роль в проблеме "кислотных дождей" именно вредных выбросов с отработавшими газами судовых дизелей и котлов.
В периодической печати в этом плане очень часто упоминаются такие районы с интенсивным судоходством как пролив Ла-Манш, Гибралтарский пролив, Южно-Китайское, Балтийское и Северное моря. Особенно озабочены этими проблемами правительства Нидерландов, Швеции, Дании. Основанием для беспокойства являются результаты расчетных и экспериментальных исследований, показывающие, что для территории стран региона Балтийского моря в зависимости от близости к водной акватории с интенсивным судоходством доля вредных выбросов судовых дизелей в кислотных осадках составляет большую величину, например, 4 – 20 % в Швеции и 5 – 40 % в Норвегии [61].
Главными виновниками указанного во многих случаях являются окислы азота. Совместно с окислами азота однонаправленным действием на рефлекторные системы человека обладают окислы серы. Их ежегодный выброс в нижние слои атмосферы превышает 150 млн.т. От 60 до 80% этого количества выбрасывается с продуктами сгорания котлов. В отработавших газах транспортных двигателей присутствие серы обуславливается наличием серы в топливе и характерно для судовых и промышленных дизелей, работающих на тяжелых топливах. Согласно заявлению Норвежского правительства на мировой флот возлагается ответственность за 10% окислов серы выбрасываемых в атмосферу планеты. Обычно окислы серы и окислы азота находятся в атмосферном воздухе до 2 – 5 суток (нижний предел характерен для окислов азота, верхний для окислов серы), перемещаясь с потоками воздуха на расстояния до 1000 км. При этом происходит их превращение в кислоты и сток из атмосферы с осадками в почву и поверхностные воды в виде слабых растворов серной, азотной и азотистой кислот, что привело к возникновению проблемы кислотных дождей.
В условиях высокой концентрации автомобилей и судов углеводороды, выбрасываемые транспортными двигателями, под действием солнечного света вступают в реакцию с окислами азота с образованием особо активных раздражающих веществ (пероксиловых радикалов R + О2 RОО, нитратов, кислот, перокислот и др. веществ), загрязнение которыми в ряде крупнейших городов Запада является причиной массовых легочных и других опасных заболеваний.
Значительные масштабы воздействия флота на окружающею среду привели к тому, что эта проблема нашла отражение в многочисленных сообщениях о введении в различных странах национальных ограничений, из которых следует, что перспективные нормы могут быть обеспечены только в результате применения технологий основанных на нейтрализации NOx на выпуске из двигателя.
Острота проблемы загрязнения воздушного бассейна и специфические особенности судов явились причиной распространения в 1989 году мандата Комитета защиты морской среды (МЕРС) – главного органа международной морской организации (ИМО) на охрану воздушного бассейна от загрязнения его судами и подчеркивают актуальность проведения настоящих исследований.
Обоснование рассматриваемого способа абсорбции
Параллельно поглощению оксидов азота водой происходит химическое взаимодействие с ней с образованием азотной кислоты [8]. Эта реакция относится к наиболее распространенным реакциям второго порядка. В случае, когда процесс абсорбции сопровождается химической реакцией, концентрация абсорбтива в жидкой фазе уменьшается, соответственно увеличивается градиент концентраций (движущая сила в жидкой фазе) и происходит его ускорение. Скорость абсорбции будет зависеть не только от скорости массообме-на, но и от скорости химического взаимодействия оксидов азота с водой. Скорость абсорбции, осложненной химической реакцией в жидкой фазе образования HNO3, находят, используя фактор ускорения Ф, по приближенному уравнению для реакций второго порядка:
Успешное проведение абсорбции оксидов азота из дымовых газов возможно лишь при их охлаждении, которое осуществляется омыванием наружной поверхности труб в межтрубном пространстве охлаждающим агентом (воздухом или водой). В трубчатом абсорбере внутренняя поверхность труб покрыта текущей пленкой абсорбента, поэтому считают, что отвод тепла в них от дымовых газов определяется коэффициентом теплопередачи от пленки к охлаждающему агенту. При расчете определяют коэффициент теплоотдачи от пленки к стенке, от стенки к охлаждающему агенту, а также учитывают тепловое сопротивление стенки и загрязнений на ее поверхности [106]. В основу теплового расчета трубчатого абсорбера положен нормативный метод [81]. При расчете коэффициента теплоотдачи от пленки к стенке используется критериальное уравнение для стекания жидкости по вертикальной стенке:
Гидродинамический режим движения пленки определяется величиной критерия Рейнольдса для пленки Яеж. Так как толщину пленки трудно измерить, то в расчетах используют понятие линейной массовой плотности орошения Г = м/8рж/ П, (2-91) где П - периметр поверхности, по которой движется пленка (например, длина окружности трубы), м; S - площадь сечения пленки, м . Отсюда К&ж =4Г//лж . (2.92) Установлено существование трех основных режимов движения пленки: 1) ламинарное движение пленки с гладкой поверхностью раздела с газом (Яеж (20 - 120)); 2) ламинарное движение пленки с волнистой поверхностью раздела (Яеж (120 - 1600)); 3) турбулентное движение пленки (Яеж 1600).
При скорости газа 5 - 10 м/с достигается равновесие между силой тяжести пленки и силой трения у поверхности пленки и начинается захлебывание аппарата, начало выброса пленки и резкое возрастание гидравлического сопротивления. Эта точка соответствует верхнему пределу скорости газа для противоточного процесса. При дальнейшем увеличении скорости газа в трубе движение жидкости обращается, она начинает двигаться снизу вверх и начинается прямоточный контакт газа с жидкостью (однонаправленное движение) [62].
Известно, что при однонаправленном движении двухфазной системы «жидкость - газ» в вертикальной трубе обе фазы движутся не как одно целое, а одна фаза движется относительно другой; причем фаза, имеющая больший удельный вес, движется медленнее, тормозя движение легкой фазы. Существует несколько видов движения таких систем в зависимости от весовой скорости каждой фазы (газонасыщенности), а также от направления их движения. Но для горизонтального и вертикального направления потоков существуют общие виды (режимы) движения двухфазных потоков: - пузырьковый режим: газ движется в виде отдельных пузырей со скоростью, превышающей скорость жидкости. Такой режим возникает при постоянной скорости жидкости, когда в нее вводится небольшое количество газа, который разбивается на маленькие пузыри, остающиеся дискретными во времени; - пробковый режим: мелкие пузыри объединяются в большие (пробки), напоминающие собой снаряды, которые чередуются по трубе друг за другом; - кольцевой режим: газ движется по центру, а жидкость, пронизываемая газовыми пузырями, - по стенкам; - режим эмульгирования (эмульгационный режим). При достижении значительных весовых скоростей газа происходит инверсия фаз: газ становится сплошной средой, а жидкость дискретной; при этом система становится сплошной однородной диспергированной массой жидкости и мелких пузырьков газа, представляя собой газожидкостную эмульсию.
Кроме того, могут быть и переходные режимы движения: стержневой, полукольцевой, пленочно-эмульсионный, капельный и другие [51].
Аналогичные режимы движения парожидкостной смеси наблюдаются в подъемных трубах судовых котлов [47].
В качестве критерия, характеризующего переход при однонаправленном движении газожидкостной смеси в трубе из одного режима в другой, используется критерий Фруда:
Проведение и результаты второй стадии эксперимента
Методики проведения эксперимента для противоточного и прямоточного движения фаз в ЭПТА аналогичны.
Вначале заполняют дистиллированной водой напорный бак 2 (см. рисунок 3.2 и 3.3), после чего открывают краны 14, 15, 18 и заполняют трубопровод подачи абсорбента, куб аппарата (образованный нижней царгой 7 и днищем 9 (см. рисунок 3.1)) до начала вытекания воды из патрубка по трубопроводу насыщенного абсорбента в дренаж 19, после чего закрывают краны 14, 15, 18. Далее открывают вентиль 11 и включают компрессор 3, после чего открывают вентиль 12, одновременно медленно открывая вентиль 16 и также медленно прикрывая вентиль 11. Это продолжают до установления стационарного прямоточного восходящего движения в подъемной трубе 5 при заданном расходе газа в подъемную трубу, определяемом по ротаметру 9.
После того, как этот режим установлен, одновременно медленно открывают вентиль 17 на трубопроводе подачи газа и также медленно прикрывают воздушный вентиль 11, устанавливая заданный расход газа по ротаметру 8. При этом по необходимости регулируют подачу газа в подъемную трубу 5 (см, рисунок 3.1) вентилем 16. После того, как в аппарате устанавливается стационарный режим (прямоточный восходящий в подъемной трубе 5 и противоточный пленочный или прямоточный пленочный в трубах 6), одновременно медленно и поочередно открывают вентили 14, 15, 18, следя за стабильностью уровня жидкости в нижней царге 7 (см. рисунок 3.1), добиваясь установления заданного расхода жидкости по показаниям ротаметра 10.
При установлении стабильного режима, который фиксируется визуально по картине процесса в абсорбере 1 и показаниям ротаметров 8, 9, 10, приступают к обогащению воздуха СО2, количество которого в газовой смеси выбирают из условий удобства анализа. Для этого предварительно включают электрический подогреватель, медленно открывают вентиль 13 и устанавливают заданный расход СО2 по показаниям ротаметра 7. При этом (по необходимости) производят дополнительную регулировку расхода жидкости и газа.
При установлении стабильного режима производят отбор пробы газа поочередно на выходе из подъемной трубы 5 и одной из труб 6 из пробоотборника 17 путем его перемещения. Концентрацию СО2 в газе на входе в абсорбер 1 находят путем замера его расхода по ротаметру 10 и абсорбента через пробоотборники 15, 17 и патрубок 14(Г) (см. рисунок 3.1) для последующего определения их концентраций. Для увеличения достоверности результатов анализа отбор проб повторяют.
Для измерения расхода используют стеклянные ротаметры, основным преимуществом которых является возможность измерения малых расходов жидкости и газа. Так, верхний предел измерения расхода воды стандартным стеклянным ротаметром типа PC равен 0,0025 м3/ч, а воздуха 0,04 м /ч. Нижний предел измерений ротаметров составляет 10 – 20% от верхнего. Шкала ротаметров в единицах расхода близка к линейной. Потеря напора при установке его в технологическую линию не превышает, в соответствии с ГОСТ 13045-67, для жидкости 10 кПа и для газа 5 кПа [140]. Класс точности установленных ротаметров 2,5. Пределы измерений составляют по жидкости 0,12 – 0,15 м3/ч и по газу 0,45 – 0,7 м3/ч.
Определение концентраций СО2 в жидкой и газовой фазах. Сущность метода определения концентрации СО2 в воде заключается в связывании свободной углекислоты щелочью NaOH до бикарбоната натрия NaНСО3: СО2 + NaOH = NaHCО3 (3.7)
Реакция заканчивается при определенной щелочности среды (рН=8,4), которая определяется по совпадению окраски пробы с окраской эталона. Концентрация СО2 при этом выражается в миллиграммах на литр.
В качестве реактивов используется 0,1 н. раствор NaOH, щелочной раствор синьетовой соли (10 г NaOH и 500 г KNaC4H4О6 в 1 л раствора), а в качестве индикаторов 1%-ный и 0,1%-ный растворы фенолфталеина.
Анализ проводился следующим образом. Сначала готовился эталонный раствор, для чего в коническую колбу емкостью 250 – 300 мл отмеривалось 200 мл анализируемой воды, добавляя к ней пипеткой 0,2 мл 0,01%-ного рас-120 твора фенолфталеина и 2,05 мл раствора синьетовой соли. Колба при этом была изолирована от наружной атмосферы и через резиновый шланг сообщаться с патрубком выхода газа 3(Д). Эталонный раствор должен приобрести розовую окраску. Затем в такую же колбу отбирали анализируемую пробу, время отбора которой выбиралось таким образом, чтобы не было заметного нарушения режима работы установки (20 - 30 мин).
Затем в такую же колбу отбирали анализируемую пробу в количестве 200 мл, которая также не должна сообщаться с атмосферой. В отборную колбу добавляли 0,2 мл 1%-ного раствора фенолфталеина и титровали 0,1%-ным раствором NaOH из микробюретки до совпадения окраски пробы с окраской эталонного раствора. Расчет содержания СОг (об. %) проводился по формуле: с = 22КУ, (3.8) где у - количество 0,1 н. раствора NaOH, пошедшего на титрование, мл; К - поправочный коэффициент для 0,1 н. раствора NaOH (К = 1); 22 - эквивалентный вес CQ2. Концентрация СОг в газовой фазе определялась на газоанализаторе типа Орса-Фишера. Поглотителем для СОг служил раствор едкого калия КОН (100 г на 20 мл воды) с добавкой 200 г раствора хлористой меди.
Результаты промышленного испытания установки очистки дымовых газов от оксидов азота
Расчетное значение средней скорости воздуха и средней скорости дымовых газов в теплопередающей поверхности определялся с учетом присоса воздуха в газовый тракт по формулам: we = V(\-0,5Aa)(273 + te2)/[fe(273 + tel)]; (4.7) w2 = К(1-0,5Да)(273 + /г2)/[/г(273 + /г1)], (4.8) -С -С 2 где /в,/г_ площади сечения для прохода воздуха и газов, м ; Да - присос воздуха в газовый тракт ВПА (Да = 0,3); в1 tг1 - средняя температура воздуха и газов в воздуховоде и газоходе, С; в2, tг2 - средняя температура воздуха и дымовых газов в секциях ВПА. Расход топлива на котел (м /с) определялся по уравнению теплового баланса [138] с учетом расхода воды на продувку (4%) по уравнению: В = Dn [іп - іпв + 0,04(/w - іпв)] /[Q" (1-Ц2 с1з Чъ)] 5 (4-9) Для расчета по уравнению (4.9) энтальпия насыщенного пара /„ питательной воды іпв, а также потери тепла от химической неполноты сгорания и наружного охлаждения (qs, q$) принимались по нормативам, приведенным в [81]. Потери тепла с уходящими газами (q2) части дымовых газов, обрабатываемых в ВПА, рассчитывались для каждого режима по измеренным температурам по уравнению: q2о = (Iух - ссухІв )(100 - q4)] / Qнр, (4.10) где Iух - энтальпия дымовых газов на выходе из ВПА, кДж/кг; 1в - энтальпия дутьевого воздуха, кДж/кг; аух коэффициент избытка воздуха на выходе из ВПА (аух = 1,33); q4 - потери тепла от химического недожога газа (g4 = 0). По уравнению (4.10) определяли потери тепла q2но с уходящими необработанными дымовыми газами со значением 1ух при температуре 120 С. Потери тепла с уходящими газами в целом по котлу находились как: 1г=(Уг\ 1го+гг 1гно)1общ С4-11) где Уг1 - обрабатываемая часть дымовых газов, м /с; УГ2 - необрабатываемая часть дымовых газов, м /с; 3/ Vобщ -общий расход дымовых газов по котлу, м с.
Тепловой баланс ВПА определяют по воздуху в условиях проводимых промышленных исследований отдельно по каждой секции, после чего их те-пловосприятия суммируются.
Тепловосприятие секции ВПА по тепловому балансу воздушной стороны, отнесенное к единице объема сжигаемого топлива, исходя из среднего расхода воздуха и температурного перепада по воздуху, определяется по уравнению: Qвп а = WвfвCв 0-вых вх) / Вр (4-12) где св - объемная теплоемкость воздуха при средней температуре воздуха в секции, кДж/(м С); tвх - температура воздуха на входе в секцию, С; tвых - температура воздуха на выходе из секции, С; 3/3 Вр - расход топлива, м м . 154 Теплоемкость дымовых газов вычислялась как теплоемкость смеси по известному составу, определяемому в ходе испытаний, при средней температуре газов в секции. Кроме того, составлялось уравнение теплового баланса для каждой секции ВПА по дымовым газам с учетом теплоты конденсации водяных паров: Qвп а = WгfгCг [(гн Чк)+ r -d]/B (4.13) где г - теплота конденсации водяных паров при средней температуре в секции ВПА, кДж/кг; Ad - количество сконденсировавшихся водяных паров при температуре дымовых газов на выходе из секции ВПА, г/м .
Из совместного решения уравнений теплового баланса каждой секции ВПА по воздуху и дымовым газам (4.12) и (4.13) при известных начальной и конечной температурах находилась теплота конденсации водяных паров и, соответственно, количество конденсата водяных паров Ad. Кроме того, значение величины Ad проверялось по / - d -диаграмме.
Номинальное тепловосприятие секции ВПА, отнесенное к единице объема сжигаемого топлива, определялось из уравнения (4.9) по номинальному расходу природного газа.
В результате испытаний получали ряд значений степени очистки дымовых газов от оксидов азота, утилизации водяных паров и тепла дымовых газов при номинальном тепловосприятии ВПА, рассчитанный по нормативным и экспериментальным данным скорости массопередачи при абсорбции оксидов азота водой.
Результаты промышленного испытания установки очистки дымовых газов от оксидов азота Диапазон изменения нагрузок ВПА при промышленных испытаниях поддерживался в соответствии с особенностями работы подъемной трубы эр-газлифта 21 абсорбционной секции 12. Исходя из того, что подъемная труба абсорбционной секции может устойчиво работать одновременно и как мас 155 сообменный аппарат (в эмульгационном режиме), и как подъемник в диапазоне между экономичным и максимальным режимами работы эргазлифта (см. гл. 2, 3), нагрузку по газу на ВПА изменяли в диапазоне 2000 – 2500 м3/ч, т.е. относительное изменение нагрузки осуществляется в пределах 20 – 25 %.
В условиях эксперимента основными входными параметрами ВПА являлись: расход дымовых газов Vг, начальная температура tгн, начальные вла-госодержание d и концентрация NOх в дымовых газах хн, начальная температура tвн и расход Vв воздуха, количество озона и расход озоновоздушной смеси Vов на входе в ВПА. Выходными параметрами являлись: расход дымовых газов Vг, конечные: температура tгк, влагосодержание d и концентрация NOх в дымовых газах, конечная температура tвк и его расход на выходе из ВПА. Основным выходным расчетным параметром является тепловосприятие ВПА (количество утилизированного тепла). Испытания проводились при номинальных нагрузках котла. Кроме того, проводилось сравнение расхода топлива (природного газа) при работающем и отключенном ВПА.
