VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

1 Научная новизна. Разработана система оперативного регулирования экологической нагрузки, состоящая из установки ввода влаги в топку котла и макрокинетической модели образования оксидов азота в топке котла теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Представленная система позволяет оперативно регулировать выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, в частности оксидов азота, тем самым снижая экологическую нагрузку ТЭЦ в период наступления особо неблагоприятных метеорологических условий.

2 Актуальность идеи. Экологическая нагрузка теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), находящейся в пределах существующей городской застройки определяется, прежде всего, воздействием выбросов загрязняющих веществ станции при сжигании органического топлива на атмосферный воздух. На сегодняшний день актуальным является оперативное регулирование выбросов загрязняющих веществ ТЭЦ в период наступления особо неблагоприятных метеорологических условий. Одним из наиболее доступных способов снижения выбросов загрязняющих веществ на действующих котлах ТЭС является сжигание водотопливных смесей. Применение водотопливных смесей может проводиться различными модификациями: сжиганием водомазутных эмульсий, путем зональной подачи влаги через специальные аппараты, вводом воды в горячий воздух в воздуховоды котла и другие методы.

3 Техническая значимость. Для паровых котлов ТЭЦ рассмотрена установка ввода влаги в топочные процессы, позволяющая снизить выбросы оксидов азота. При этом использован ввод воды в воздуховоды котла. Установка ввода влаги в топку разработана сотрудниками энергетического факультета Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. в рамках хоздоговора (руководитель: д.т.н проф. Попов А.И., исполнители: к.т.н. доц. Шупарский А.И., к.т.н. доц. Голубь Н.В., Ростунцова И.А.) и смонтирована на предприятиях Волжской ТГК, а именно: Саратовской ГРЭС перед фронтом котлов типа «Стерлинг» (станционный №3 и №4), типа ФТ-40/34 (станционный №6) и типа Ф-5-75/34 (станционный №8) и на Энгельсской ТЭЦ-3 перед фронтом котла БКЗ-320-140 ГМ (станционный №5).

Принципиальная схема установки ввода влаги в зону горения представлена на рис.1.

Схема установки позволяет вводить в воздух отдельно продувочную или питательную воду котла, либо пар из отборов турбин. Основными её элементами являются трубопроводы подачи продувочной воды 9, трубопроводы подачи питательной воды 10, трубопроводы подачи пара 11, общий трубопровод ввода влаги 12, распылитель влаги 8 и запорная арматура 13в-19в. В качестве распылителя влаги использовались стандартные форсунки механического распыления. При этом в каждом из двух воздуховодов для подачи горячего воздуха к горелкам устанавливался один распылитель в центре их поперечного сечения на горизонтальных участках. Для лучшего перемешивания добавочной влаги и горячего воздуха распыл воды осуществлялся навстречу воздушному потоку. Установка позволяет одновременно вводить в тракт горячего воздуха влагу в количестве до 80% от расхода топлива.

Перевод котла на сжигание топлива с вводом влаги осуществляется следующим образом. Открывается один из вентилей 13в-15в и водная среда одного из общих коллекторов питательной воды или пара или из линии непрерывной продувки барабана котла 2 перед распылителем непрерывной продувки 3 поступает в один из трех трубопроводов 9-11. При открытии одного из вентилей 16в-18в добавочная влага подается в общий трубопровод 12, откуда она проходит к распылителям 8, расположенным в одном из двух воздуховодов 7. Горячий воздух после воздухоподогревателя 5 направляется по воздуховодам к горелкам 6. В воздуховодах перед горелками происходит смешение воздуха с добавочной вводимой влагой. Увлажненный горячий воздух поступает к горелкам котла, куда подается топливо и где осуществляется их смешение и воспламенение. Подавление образования вредных веществ в результате ввода добавочной влаги происходит в высокотемпературной зоне факела в топке котла 1.

Для оценки эффективности работы установки ввода влаги на снижение концентрации оксидов азота применена методика аналитического расчёта концентраций оксидов азота в выбросах ТЭЦ при различной доля впрыска.

Согласно данной методики для определения концентраций оксидов азота, образующихся в процессе горения в использовался метод разложения экспоненты, согласно которому концентрация NO находится из выражения:

С_NO= ·

где – скорость реакции образования оксидов азота при максимальной температуре факела Тm , % об./с; - условное время реакции, с.

С учетом макрокинетического закона [ 2] выход оксидов азота будет описываться уравнением:

= 2 · К_II· С_O2 · СN_2,

где К_II – константа скорости реакции, (% об./с)^-1;С_O2и СN₂– объемные концентрации соответственно атомарного кислорода и молекулярного азота в зоне максимальной температуры Т_m, % об.

Концентрация атомарного кислорода в зависит от максимальной температуры в зоне горения. При температурах выше (1800-2000) ⁰К ее можно найти из условия равновесия при горении с избытком окислителя по формуле

С_O= [К] · ,

где [К] – константа равновесия , (% об./с)^-0,5 , – концентрация кислорода в продуктах сгорания, % об.

Константы К_II и [К] могут быть определены по выражениям:

К_II= 6,1·10⁷ · exp · [- ] ,

[К]= 0,75 · 10⁴ ·exp · [] ,

где R- универсальная газовая постоянная (R=8,326 Дж/моль · К ), Т_m - максимальная температура факела, ⁰К.

С учетом выше приведенных формул получены аналитические зависимости для определения концентраций оксидов азота (г/м³), учитывающая ввод дополнительной влаги в топку котла и коэффициента выхода оксидов азота при сжигании топлива также с учетом ввода влаги.

,

,

Результаты теоретического расчета максимальной температуры факела и концентрации оксидов азота от количества вводимой влаги в топку котла представлены в табл.1 и на рис.1.

Таблица 1- Расчет теоретической зависимости образования оксидов азота от количества вводимой влаги в топку котла

Расчетные параметры	Водотопливное отношение gвпр, %
	0	10	20	30	40	50
Максимальная температура факела Tm, 0К	2010	1997	1983	1969	1956	1942
Объемная концентрация атомарного кислорода СО2, % об.	1,3170	1,3030	1,2890	1,2750	1,2639	1,2470
Объемная концентрация молекулярного азота СN2, % об.	71,602	70,575	69,547	68,520	68,150	66,465
Скорость образования оксидов азота (dCNO2/dτ), % об.	0,1577	0,1272	0,0966	0,0661	0,0585	0,0049
Концентрация оксидов азота в топке СNO2 , г/м3	0,2500	0,2040	0,1580	0,1392	0,1204	0,1114
Коэффициент теплового излучения факела	0,423	0,431	0,438	0,445	0,452	0,459

Как видно из рис.1, при максимальной величине впрыска (g_впр =0,5) концентрация оксидов азота снижается на 55,6 % при этом температура факела снижается на 68 ^ОК.

На рис.2 представлена зависимость теплового излучения факела от количества вводимой влаги.

Как видно из рис.2 ввод влаги в топку котла не ухудшает теплообмен, а способствует его интенсификации на 7,8 % при максимальной величине впрыска влаги.

Таким образом применение установки ввода влаги позволяет:

- оперативно снижать вредные выбросы (свыше 50 %) на промышленных топливосжигающих объектах. При этом влага является катализатором и в факеле происходят каталитические реакции, ведущие к уменьшению вредных газовых выбросов: оксидов азота, сажи, бенз(а)пирена и диоксида серы (при использовании промышленных сточных вод);

- увеличивается поверхность контакта топлива с воздухом. Происходит выравнивание температурного поля в зоне горения путем уменьшения локальных максимальных температур и увеличением средней температуры в топке;

- повышается светимость факела (благодаря увеличению поверхности излучения).

4 План реализации проекта. Срок превращения идеи в конкретный продукт – 1 год. На первом этапе реализации проекта (6 мес.) планируется создание рабочей документации. На втором этапе (6 мес.) – внедрение установки ввода влаги в топку котла и аналитическая оценка концентраций оксидов азота в зависимости от количества вводимой влаги.

5 Перспектива коммерциализации НИР. Планируемая коммерческая перспектива использования предлагаемых системных решений заключается в реализации их в Российской федерации на электрических станциях теплофикационного и конденсационного типа. Кроме того разработанная методика аналитического определения концентраций загрязняющих веществ целесообразно использовать в учебных целях при подготовке специалистов в области энергетики.

Библиографический список

1. Снижение выбросов оксидов азота при вводе воды в воздуховоды котлов/ Шупарский А.И., Голубь Н.В., Ерофеева В.И., Ростунцова И.А.// Энергетика…(Изв. высш. Учеб. заведений). 1991. № 8. С.104-107.

2. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. М.1946. 245 с.

3. Эфендеев Т.Б. Образование оксидов азота в парогенераторах // Теплоэнергетика.1975. №9. С.20-23.

4. Ростунцова И.А. Моделирование природоохранных технологий в теплоэнергетике с учетом макрокинетических процессов// Вестник СГТУ, 2011, № 1(54), Вып. 3, С.201-206.

6

Код для цитирования: Скопировать