Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Образование вредных веществ при горении топлива в топках парогенераторов и способы их снижения 8
1.1. Основные загрязнители атмосферного воздуха, образующиеся при сжигании органического топлива 8
1.2. Существующие расчетные методики определения концентрации J\fOK в уходящих газах котлов 23
1.3. Способы подавления вредных выбросов на ТЭС. Низкотемпературное вихревое сжигание как один из активных методов снижения вредных выбросов 36
ГЛАВА 2. Исследование образования окислов азота при сжигании твердых топлив в топках котлов ПК-24 Иркутской ТЭЦ-10 46
2.1. Причины перевода котла Ж-24 на НТВ сжигание топлива и итоги опытной эксплуатации 46
2.2. Методика проведения экспериментов 54
2.3. Результаты исследований образования вредных выбросов на парогенераторах ПК-24 64
ГЛАВА 3. Предполагаемый механизм образования из азота топлива 94
ГЛАВА 4. Расчетное исследование механизма образования "топливных" окислов азота при сжигании азотсодержащих топлив в топках парогенераторов 107
4.1. Механизм образования N0 из азота топлива. 107
4.2. Обработка экспериментальных данных, полученных в лабораторных и промышленных условиях 116
4.3. Методика расчетного определения концентрации "топливных" ffO^ в топках парогенераторов 121
ГЛАВА 5. Некоторые технологические рекомендации по снижению вредных выбросов при сжигании немоло тых топлив в топках парогенераторов 130
Выводы 135
Литература
- Основные загрязнители атмосферного воздуха, образующиеся при сжигании органического топлива
- Способы подавления вредных выбросов на ТЭС. Низкотемпературное вихревое сжигание как один из активных методов снижения вредных выбросов
- Причины перевода котла Ж-24 на НТВ сжигание топлива и итоги опытной эксплуатации
- Обработка экспериментальных данных, полученных в лабораторных и промышленных условиях
Введение к работе
Дальнейшее развитие народного хозяйства СССР неразрывно связано с развитием энергетики. Директивами ХХУІ съезда КПСС намечено довести выработку электроэнергии на конец одиннадцатой пятилетки до 1550-1600 млрд.кВт-ч [I]. Структура энергетического баланса СССР в настоящее время и в ближайшем будущем такова, что большая часть электрической энергии будет вырабатываться на тепловых электрических станциях (ТЭС), потребляющих органическое топливо. Прирост выработки электроэнергии намече-го получить за счет введения в действие крупных ТЭС в районах Сибири и Дальнего Востока и АЭС в европейской части страны.
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" [2] сказано, что необходимо ускоренными темпами развивать строительство мощных ТЭС общей мощностью 4,0f6,4 млн.кВт на базе углей Экибастузского и Канско-Ачинского бассейнов с энергоблоками 500 и 800 МВт. На базе Экибастузского месторождения предусматривается довести добычу угля до 150 170 млн.т/год, что обеспечит углем электростанции мощностью 35 млн.кВт, а на базе Канско-Ачинского месторождения довести добычу угля до I млрд.т/год и построить электростанции суммарной мощностью более 60 млн.кВт. Предполагается строительство этих станций в непосредственной близости от мощных угольных разрезов [3].
Как отмечается в работе [4], выполненные проекты и проработки для этих энергоблоков при традиционных технических решениях конструкции котла могут оказаться экономически неоправданными. Установлено, что с увеличением единичной мощности котла непропорционально растут: габариты и металлоемкость; затраты на изготовление, монтаж и сооружение главного корпуса; выбросы вредных веществ в атмосферу. Вместе с этим нельзя не отметить и того, что при пылеугольном сжигании топлив в мощных парогенераторах должны быть решены вопросы, связанные с уменьшением интенсивности шлакования поверхностей нагрева, снижением взрывоопа-сности системы пылеприготовления и повышением ее надежности.
Одним из технических решений, позволяющих избавиться от перечисленных недостатков, является предложение ЛПИ имени М.И.Калинина по созданию котла для канско-ачинского бурого угля с низкотемпературной вихревой (НТВ) камерой горения, признанное Государственным Комитетом по Науке и Технике при Совете Министров СССР как одно из перспективных, особенно при сжигании низкосортных топлив [4].
В этом топочном устройстве основная масса топлива выгорает в вихревой зоне за счет организации многократной циркуляции частиц топлива и топочных газов, что позволяет выровнять температурное поле в топочном объеме и снизить температурный уровень в топке. Проведенные исследования на котлоагрегатах, реконструированных на НТВ сжигание топлив, показывают, что максимальные температуры в топочной камере снижаются в среднем на 100-150 К. Снижается также и концентрация токсичных - S0K , К0Ж , бенз(а)-пирена (ЕП) и агрессивных - $03 продуктов сгорания в уходящих газах.
Для проверки возможности НТВ сжигания канско-ачинских углей и реализации преимуществ, присущих данному способу сжигания, на Иркутской ТЭЦ-10 начались работы по переводу одного из котлов на НТВ сжигание немолотого топлива.
Уже первые пуски в 1978г. котла, переведенного на НТВ сжигание азейского и смеси азейского и черемховского углей показа ли, что основные преимущества, которые ожидали получить, удалось достичь. Экономический эффект от внедрения данного способа сжигания на Иркутской ТЭЦ-10 на один котел составил 50 тыс , рублей в год.
В последнее время возросли требования к охране воздушного бассейна из-за увеличения объема сжигания твердых топлив в топках парогенераторов. Поэтому возникла необходимость проведения специальных исследований по изучению образования вредных выбросов при НТВ сжигании топлив угрубленного помола, включая канско-ачинские угли, поскольку такие данные в литературе полностью отсутствуют.
Анализ опытных и расчетных значений концентраций М?х в уходящих газах парогенераторов указывает на противоречивый характер этих данных. В настоящее время отсутствует достаточно обоснованная методика прогнозирования величины вредных выбросов окислов азота при сжигании топлива в различных типах топочных устройств и особенно при НТВ сжигании.
Целью данной диссертационной работы является:
1. Экспериментальное изучение образования в основном "топливных" окислов азота, и частично ЕЛ и $0Z при сжигании угольной пыли и дробленного топлива.
2. Исследование влияния содержания азота в топливе на концентрацию "топливных" J\fOz при НТВ сжигании ряда каменных и бурых углей, включая угли Канско-Ачинского месторождения, и теоретический анализ образования 7У"0Х в топках парогенераторов.
3. Разработка методики расчета "топливных" /1/І9Х на основе кинетических представлений о протекании химических реакций окисления азота топлива.
4. Разработка мероприятий и рекомендаций, позволяющих снизить концентрацию вредных выбросов в топках, сштгающих твердое топливо, и оценка их технической и экономической эффективности.
Автор выражает глубокую благодарность доценту кафедры РиПГС ЛПИ имени М.И.Калинина С.М.Шестакову за оказанную помощь и консультации при выполнении данной работы.
Основные загрязнители атмосферного воздуха, образующиеся при сжигании органического топлива
В настоящее время во всем мире отмечается стремительный рост производства и потребления электрической энергии. Согласно [5], производство электрической энергии на Земле в среднем удваивается каждое десятилетие, при этом основное количество электрической энергии производится на ТЭС, использующих органическое топливо. К 2000 году ожидается увеличение среднемирового уровня энергопотребления в 3-=-4 раза по сравнению с 1979г. [6,7]. В некоторых странах уже ощущается нехватка органического топлива из-за того, что природные ресурсы в мире ограничены и распределены очень неравномерно [6,8].
Обеспеченность СССР основными видами энергетических ресурсов значительно выше среднемировой. По данным доклада на УП конгрессе Мировой энергетической конференции при значительном росте удельного и суммарного энергопотребления и современных способах использования топлив СССР обеспечен запасами угля на 1000 лет, природного газа (без учета попутного газа) - на 83 года, сланца-на 560 лет, торфа - на 2000 лет [9].
В СССР до 86$ электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях [5], работающих на органическом топливе, при этом наблюдается высокая доля потребления угля на ТЭС (табл.1.1) в общем топливном балансе страны.
Согласно "Основным направлениям экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" [2] развитие энергетики СССР по выработке тепловой и электрической энергии будет удовлетворяться, в основном, строительством мощных тепловых электростанций в восточных районах СССР, а в Европейской части страны - строительством атомных электростанций. Опыт эксплуатации крупных энергоблоков, установленных на ТЭЦ и ГРЭС показал, что парогенераторы являются крупными загрязнителями атмосферного воздуха вредными веществами [8-14]. Самыми токсичными из них являются окислы серы и азота, бенз(а)пирен и летучая зола. В атмосферу ежегодно выбрасывается почти 150 млн.т двуокиси серы, свыше 50 млн.т окислов азота, более 50 млн.т различных углеводородов (в том числе и ЕЛ), 250 млн.т пыли [6]. Структура загрязнителей воздушного бассейна городов СССР характеризуется следующими соотношениями: промышленность - 60$, энергетика -27$, транспорт - 13$. Для США эта структура такова: транспорт -60$, промышленность - 17$, энергетика (ТЭС) - 14$, прочие - 9$
Следует отметить, что на долю тепловых угольных электростанций в СССР и США приходится примерно 50$ всей вырабатываемой электроэнергии, а в странах Западной Европы - до 70$. В ближайшее время этот вклад угольных ТЭС, по-видимому, не уменьшится несмотря на рост атомной энергетики, поскольку существующие нефтяные ТЭС будут переводиться на уголь [6].
Содержание вредных примесей в продуктах сгорания твердых топлив в значительной степени определяется составом исходного топлива. Выход дымовых газов и основных вредных примесей на I кВт«ч отпущенной электроэнергии при сжигании некоторых твердых топлив и мазута на крупных конденсационных ТЭС иллюстрируется табл.1.2 [10]. Концентрации летучей золы и окислов серы наиболее сильно изменяются от вида сжигаемого топлива (табл.1.2). При этом, если выброс летучей золы в атмосферу определяется, в основном, степенью очистки уходящих газов от летучей золы (она может достигать 99-99,5$ [12,13]), то концентрация S0X определяется, в основном, содержанием серы в топливе. При сжигании топлив в топках парогенераторов практически вся сера переходит в сернистый ангидрид S02 ., Конечная концентрация окислов серы в дымовых газах не зависит от организации топочных процессов [II, 14] (табл.1.3). Снижение концентрации &02 примерно в 2 раза отмечается при сжигании топлив с высоким содержанием карбонатов кальция и магния, способных связывать газообразные соединения серы [15]. С увеличением содержания серы в топливе выброс S0% возрастает, поэтому учитывая, что развитие энергетики СССР будет происходить за счет увеличения добычи углей и нефти сибирских месторождений, которые имеют небольшое содержание серы, следует ожидать некоторое естественное снижение выбросов в атмосферу окислов серы [12,13].
Обычно содержание серного ангидрида S0S не превышает 2-3$ от содержания сернистого ангидрида SO в продуктах сгорания 11,12,14], но именно образование 303 и дальнейшее его превращение при взаимодействии с водяными парами вызывает коррозионные процессы.
В дымовые газы при сжигании (табл.1.3) мазута переходит практически вся сера топлива; при сжигании угля переходит до 95$ серы при сухом и до 97$ при жидком шлакоудалении [14]. Полученные результаты баланса серы нельзя рассматривать как обобщающие. При сжигании сернистых топлив на других парогенераторах и в других условиях баланс серы в продуктах сгорания будет иным.
Способы подавления вредных выбросов на ТЭС. Низкотемпературное вихревое сжигание как один из активных методов снижения вредных выбросов
К недостаткам формулы (I.I6) следует отнести то, что среднее отклонение расчетных значений концентраций jV02 от полученных экспериментально может составлять до 20$ [143 из-за изменения показателя степени при а в пределах от 0,4 до І в зависимости от конструкции топочного устройства, а также ограниченную применимость формулы лишь в области значений оСт от 1,03 _ до 1,16. Формула Сигала Й.Я. не учитывает влияние азота в топливе на конечную концентрацию Л/#х , вероятно, из-за того, что анализировались опыты, проведенные на природном газе или угле с низким содержанием азота в топливе и в небольшом диапазоне его изменения. Однако, исследованиями многих авторов показано, что концентрация J\fOx в уходящих газах существенно возрастает за счет окисления азота топлива. - 36 Кроме формулы И.Я.Сигала существует большое количество эмпирических формул,по которым можно рассчитать концентрацию N0 в уходящих газах в зависимости от изменения режимных параметров. Как правило эти формулы имеют ограниченный характер и небольшую область применения. В практике по этим формулам делают оценку величины выбросов МО и они указывают режимы горения, при которых образуются наименьшие концентрации N0 .
Несмотря на большой объем выполненных различными авторами г исследований механизм образования "топливных" Л/#х все еще недостаточно изучен и поэтому нет формул расчета выброса N0 , образующихся из азота топлива во времени и учитывающих кинетику протекания реакций окисления. Имеются пока лишь только эмпири т ческие формулы образования КО во времени, имеющие весьма ограниченную применимость.
Экспериментальные и теоретические исследования по образованию jfOx позволяют не только получить формулы для расчета выброса jV#x , но и указывают мероприятия, при помощи которых можно снизить эти выбросы.
Образующиеся при сгорании топлива в топках парогенераторов вредные выбросы - 7\Г0К , 50х и БП - следует отнести к управляемым выбросам. Управлять количеством и качеством вредных выбросов возможно только при знании механизма их образования и факторов, влияющих на снижение вредных выбросов.
Существующие методы снижения вредных выбросов можно разделить на активные и пассивные. К активным методам можно отнести те, которые снижают концентрацию вредных веществ на стадии подготовки и сжигания топлива, к пассивным - которые позволяют уменьшить концентрации вредных веществ после того, как завершится процесс горения топлива.
Пассивные методы борьбы с вредными выбросами можно разделить на две группы: 1. рассеивание вредных выбросов в атмосфере до уровня, не превышающего ГЩК, путем строительства высоких дымовых труб; 2. методы очистки дымовых газов от вредных выбросов, направленные или на разрушение уже образовавшихся вредных выбросов, или на поглощение их адсорбентами или водными растворами. Активные методы можно также разделить на две группы: 1. удаление серы и азота из состава топлива до его сжигания; 2. методы, которые определяются режимными мероприятиями процесса горения.
Естественно, что рассеивание вредных веществ не снижает их абсолютного выброса в атмосферу и не всегда может обеспечить требуемый уровень ІЩК, если существует фоновая концентрация от других источников вредных выбросов. Кроме того строительство высоких дымовых труб значительно увеличивает капитальные затраты. По имеющимся расчетам стоимость дымовых труб с увеличением их высоты резко возрастает. При увеличении высоты от 180 до 250 м стоимость дымовой трубы возрастает примерно в 3 раза, а до высоты 320 м - в 6-S-I0 раз [59], стоимость строительства ТЭС при этом увеличивается на I -т- 6 руб/кВт [60].
Причины перевода котла Ж-24 на НТВ сжигание топлива и итоги опытной эксплуатации
Сжигание азейского и черемховского углей в топках котлов ПК-24 Иркутской ТЭЦ-10 характеризуется целым рядом недостатков, присущих пылеугольному сжиганию, а именно: необходим относительно тонкий помол топлива, что требует значительных затрат энергии, установки дорогостоящего оборудования, больших затрат на его обслуживание и ремонт; увеличивает взрывоопасность установки; в зоне ядра горения развиваются высокие температуры, которые приводят к шлакованию и загрязнению поверхностей нагрева котлов при нагрузках более 69,4 кг/с (250 т/ч) и, как следствие, к снижению нагрузки и сокращению кампании работы котлов, особенно при сжигании топлив с характеристиками, отличными от проектных. Кроме этого вследствие относительно высоких температур в ядре факела образуется значительное количество окислов азота, причем, с увеличением нагрузки на котле концентрация J\fOx в уходящих газах повышается. В районе расположения Иркутской ТЭЦ-10 находятся крупные промышленные предприятия. Фоновый уровень загрязнения атмосферы окислами азота, серы и другими вредными выбросами здесь предельно высок С793. В атмосфере присутствуют более 100 наименований вредных примесей, причем некоторые примеси дают 10 ПДК 180 3.
Положительный опыт работы котлов53,55,71-75,81,823 показывает, что можно избавиться от перечисленных недостатков. Это достигается за счет утрубления помола топлива и понижения температуры факела, что требует специальной аэродинамики топочного процесса, обеспечивающей многократную циркуляцию частиц топлива, реконструированных на НТВ сжигание топлива [в топке до полного их выгорания.
Учитывая в целом положительный опыт эксплуатации котлов с НТВ сжиганием топлива, в 1976 году ИТЭЦ-10 совместно с РЭУ Иркутскэнерго предложило ЛПЙ имени М.й.Калинина разработать основные положения по реконструкции одного из четырнадцати котлов ПК-24 Иркутской ТЭЦ-Ю на НТВ сжигание азейского и черемховского углей. В последние десять лет на станцию все в больших количествах поступает азейский бурый уголь, доля которого в настоящее время превышает 50%. Целями реконструкции котла на схему НТВ сжигания являлось [80,83-85]: - ликвидировать взрывоопасность системы топливоприготовле-ния; - снизить затраты электроэнергии на размол топлива, для чего утрубить помол топлива, не снижая надежности воспламенения аэросмеси и полноты выгорания топлива в топке; - снизить температурный уровень в топке и устранить высокотемпературное ядро, ликвидировать шлакование поверхностей нагрева и увеличить их тепловую эффективность; - повысить паропроизводительность котлоагрегатов; - снизить выброс токсичных и агрессивных продуктов сгорания; - провести опытное сжигание углей Канско-Ачинского бассейна по схеме НТВ.
Реконструкции для проведения наладочных и экспериментальных работ по НТВ сжиганию топлив подвергся котельный агрегат ПК-24 ст.№9 Иркутской ТЭЦ-Ю. Прямоточный парогенератор ПК-24 с промперегревом спроектирован и построен Подольским машиностроительным заводом им. С.Орджоникидзе для сжигания черемховских каменных углей в прямоточном факеле. Он имеет следующие паспортные данные (табл.2.1).
Парогенератор имеет П-образную компановку. Топочная камера прямоугольного сечения (7,98 х 9,98м) с сухим шлакоудалением имеет объм 1990 м . На боковых стенах топки в 2 яруса расположены пылеугольные горелки (I) 8 штук, имеющие блочную схему расположения (Рис.2.1, а). Котел оборудован индивидуальной замкнутой пылесистемой с промбункером и двумя шаровыми барабанными мельницами.
Анализ путей модернизации ИТЭЦ-10 показал [84], что в строительную ячейку машинного зала вместо устаревших турбин ПВК-І50-130 могут быть поставлены современные высокоэкономичные турбины ЛМЗ-К-200-І30 или T-I80/2I0-I30 при сохранении существующих котлов ПК-24, но с реконструкцией их по схеме ЛПИ-ИТЭЦ-Ю на НТВ сжигание немолотого топлива и подъемом их производительности с 75 кг/с (270 т/ч) до 93 кг/с (335 т/ч).
Первые пуски котла ПК-24 ст.$9 по схеме с НТВ сжиганием были проведены в период с февраля 1978 года по май 1979 года при эжекторной подаче немолотого топлива в горелки (рис.2.1,6). В этот период эксплуатации котла проверялась возможность сжигания топлива со средним фракционным составом 000 = 75 85$, К 6000 = 35 50$, R.,0000 = 15 30$ и максимальным размером куска до 0,08 м, проводилась отладка топочной камеры, накапливался опыт эксплуатации, выявлялись преимущества и недостатки проведенной реконструкции, начались исследования по повышению эффективности работы парогенераторов, опробовались в работе некоторые
Обработка экспериментальных данных, полученных в лабораторных и промышленных условиях
Принимая во внимание недостатки предполагаемого механизма образования N0 с мгновенным выделением азота из топлива, введем в него некоторые изменения и дополнения.
Результаты измерений концентраций N0 по длине факела при сжигании азотсодержащих топлив показывают, что вид кривой образования МО во времени имеет S -образную форму, а скорость образования МО характеризуется наличием максимума [28,36,57,105, 112-114,119-120J. Вследствие этого можно представить процесс образования "топливных" МО во времени следующей схемой (рис.4.1).
В первоначальный момент попадания топлива в топочную камеру ( t = 0) концентрация активного азота равна нулю ( Jf = 0), поэтому и МО = О, Затем начинается быстрый прогрев частиц топлива с выделением из них активного азота, который, соединяясь с кислородом воздуха, переходит в окись азота. В момент времени tm скорость выделения активного азота из топлива максимальна [dhjr] та .
Максимум концентрации активного азота топлива ( Мта ) наблюдается в точке f ж . Этой же точке соответствует и максимальная скорость образования МО ,т.е. /сЩ2)=:тах . В принятой схе ме т всегда меньше ЧТ . Физический смысл этого заключается в том, что сначала происходит появление активного азота топлива и только затем он расходуется на образование МО . В точке, где прекращается рост концентрации МО , скорость изменения концентрации атомарного азота равна нулю /dM L Q . Кривую 4 \dxj (рис.4.І), характеризувщую скорость выхода активного азота из .АЛ 6 PC топлива во времени, в общем виде описывает функция яш =:а Г-е [121]. Причем, чтобы функция dM/dt соответствовала принятой схеме образования МО , согласно [121]должно соблюдаться условие: СС -0, & -1, С -с 0.
Как и в работе Я.Б.Зельдовича [22] образование МО при горении азотсодержащих топлив можно представить следующими элементарными реакциями, носящими цепной характер: К О + К === N0 + Я , (4.D г «з N + 0, МО + О . (4.2) К. 2- "к
Учитывая относительно низкий температурный уровень в ко-тельно-топочном процессе и то, что образование МО идет вдали от равновесия, обратными реакциями ( К3 , Кч ) можно пренебречь и рассматривать образование МО в динамическом аспекте. член, представляющий собой скорость выделения активного азота из топлива в эквивалентной форме атомарного азота, кмоль/м -с; а - коэффициент, характеризующий интенсивность выделения активного азота из топлива, кмоль/м-с . При высокой температуре горения безазотного топлива ( Т 1800 К) за счет образования атомарного кислорода из атмосферного воздуха протекает реакция (4.1) и следом за ней реакция (4.2). В реакции (4.1) возникает атомарный азот, который может образовываться только при температурах выше 2300 К [183. Принято считать [11,19,22,50,122], что реакция (4.1) является определяющей при сжигании несодержащих азот топлив. В реакции (4.2) согласно [14,21,53-573 участвует как азот, образовавшийся в ходе реакции (4.1), так и азот топлива. Для азотсодержащих топлив реакция (4.2) может идти независимо от реакции (4.1) в результате образования активного азота из топлива [14,23,50,105,123].
Если 8 = 1,то, согласно [121J точкой перегиба функции является начало координат и, следовательно, Tm= Т = G. Это говорит о том, что выход активного азота из топлива протекает мгновенно, в начальный момент времени и затем по реакции (4.2) образуется N0 (см.схему образования N0 с мгновенным выходом активного азота). В предлагаемой расчетной схеме значения Ст и Т имеют вполне определенные значения. Для простоты дальнейших выкладок полагаем значение 6 =2. Это допущение влияет на количество членов в конечных уравнениях и их значения, не меняя физической сущности получаемых формул и значений величин, которые по этим формулам затем рассчитываются.
