VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года, одобренная правительством РФ, ставит новые задачи по улучшению энергетической и экологической эффективности российского ТЭК в целом. Эти требования сформулированы для нового и уже эксплуатируемого энергетического оборудования и в частности для паровых котлов [1].

Энергетика занимает третье место в промышленности по выбросам загрязняющих веществ от стационарных источников. В России в законодательном порядке уже действует нормирование выбросов загрязняющих веществ атмосферу для вновь вводимого оборудования с учетом технических нормативов. Установлены достаточно жесткие нормы выбросов оксидов азота и серы, твердых частиц для вновь вводимых котлов ТЭС мощностью 50 МВт по удельным и валовым выбросам, кроме того, предусмотрено ежегодное сокращение выбросов этих веществ от действующих котлов.

По степени воздействия на организм человека токсичные вещества разделяют на четыре класса: 1 – чрезвычайно опасные; 2 – высокоопасные; 3 – умеренно опасные; 4 – малоопасные. К первому классу из компонентов ОГ энергоустановок относится только бенз(α)пирен. Второй класс – включает вещества: оксиды азота, триоксид серы, бензол, фенантрен, фенол.

Основным токсическим компонентом ОГ энергоустановок вне зависимости от их типа, мощности и конструктивных особенностей являются оксиды азота и серы. При эксплуатации тепловых энергоустановок концентрации оксидов азота в дымовых газах без мероприятий по ограничению при сжигании природного газа составляют 800 … 1000 мг/м³, а при сжигании мазута 600 … 8000, что в несколько раз превышает экологический норматив ГОСТ Р 50831-95.

В ОГ энергоустановок установлено более 20 различных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) [2, 3]. Токсикологическое действие газообразных низкомолекулярных углеводородов ПАУ выражается в наркотическом действии на организм человека, вызывая состояние эйфории. Токсичность их возрастает при наличии в воздухе других компонентов ОГ, которые под действием солнечной радиации образуют фотохимические оксиданты смога, вызывающие неприятный запах и раздражающее действие, многочисленные хронические заболевания сосудистой и нервной систем, поражение внутренних органов.

Некоторые ПАУ являются канцерогенами и, накапливаясь в организме человека, могут вызвать лейкемию и другие раковые заболевания. Канцерогенные свойства этих углеводородов настолько выражены, что даже при периодическом контакте кожи человека с ПАУ, содержащимися в топливе, отмечены предраковые образования кожи – кератозы, папилломы и другие. Ряд ПАУ обладает сильными отравляющими свойствами, воздействует на процессы кровообращения, центральную нервную и мышечную системы.

Проведенный анализ показывает, что компоненты ОГ энергетических установок обладают сильными токсикологическими свойствами, могут вызывать тяжелые заболевания человека, оказывать негативное влияние на растения и животных. Это приводит к необходимости разработки и внедрения методов и средств, снижающих содержание их в ОГ энергоустановок.

ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА. Снижения выбросов оксидов азота ОГ энергоустановок можно добиться, воздействуя на процесс сгорания, изменяя конструкции и режимы работы горелок и топочных устройств. Однако, эти методы действуют в основном на продукты неполного сгорания – ПАУ и оксиды углерода, значительно усложняют конструкцию энергоустановки.

Большая часть технического парка котлов в России разрабатывалась до 80-х годов. Процесс сгорания характеризовался созданием оптимальных условий горения, которому соответствовал минимальный выход продуктов неполного сгорания - сажи, углеводородов, и высокие температуры сгорания и коэффициента избытка воздуха. Но при таких условиях эмиссия оксидов азота NO_X максимальна [4, 5, 6, 7]. Поэтому проблема улучшения экологических характеристик действующих котлов стоит особенно остро.

Для контролируемого сжигания газообразного топлива используют различные разновидности газовых горелок. Разновидность горелок зависит от сферы их применения такие как: Отопление и горячее водоснабжение, переработка отходов, химическая промышленность, деревообрабатывающая промышленность, сельское хозяйство и т.д.

Основные требования к качеству системы производства теплоты определяют высокий КПД, экологичность, безопасность горения и комфортность, использования и обслуживания.

После принятия в 2004 году Федерального закона «О ратификации Киотского протокола к Рамочной конвенции Организации Объединённых Наций об изменении климата» в стране уделяется особое внимание эффективности работы ТЭС и снижению выбросов парникового газа СО₂ в атмосферу. Поэтому современные средства снижения оксидов азота должны не только улучшать экологическую безопасность котла, но и повышать эффективность его работы. Разработанный в МЭИ метод сжигания топлива с контролируемым химическим недожогом совмещает в себе требования по улучшению экологической и экономической эффективности работы котла. Специалист должен позаботится об отсутствии образования угарного газа. В этой области законодательством установлены максимальные уровни выбросов.

Для газовых горелок содержание окиси углерода при использовании природного газа не должно превышать 100 мг/кВтч. В соответствии с этими требованиями необходимо настроить горелку таким образом, чтобы избыток воздуха был минимальным. И при этом не должен образовываться угарный газ.

Энергоустановка должна обеспечивать безопасность горения и комфортность, использования и обслуживания. Горелки газовые должны обеспечивать полное сгорание газа с минимальным избытком воздуха и образованием вредных веществ в продуктах сгорания; устойчиво работать во всем диапазоне регулирования без сильного шума, уровень которого не должен превышать 85 дБ; иметь простую конструкцию без деталей сложной формы, эстетичный вид, технологичность, обеспечивающую простоту и точность изготовления; быть безопасными в эксплуатации, допускать применение автоматики регулирования и безопасности. Качество горелки должны соответствовать техническим требованиям СТП.

Внедрение на старых котлах мероприятий по снижению выбросов вредных веществ, таких как ступенчатое, стадийное сжигание, рециркуляция продуктов сгорания и т.д. приводит, как правило, к снижению КПД котла, требует значительного объёма реконструкции и существенных финансовых затрат.

Технический КПД сгорания меняется из–за: настройки количества воздуха или газа; изменение настройки (снижение избытка воздуха); температуры дымовых газов. При высокой температуре дымовых газов КПД установки снижается (при условии, что содержание СО₂ или О₂ остается неизменным. Температура отходящих дымовых газов определяется конструкцией и техническими данными тепловой установки, и не подлежит изменению при настройке соотношения газа и воздуха.

Высокое содержание углекислого газа СО₂ или небольшое остаточное содержание кислорода в дымовых газах означает низкие потери тепла или, другими словами, высокий КПД. Необходимо увеличивать КПД, соответствующим образом установив количество поступаемого для сгорания воздуха.

Возможно увеличение теплотехнического КПД горения путем подогрева воздуха на сжигание.

КПД в % при температуре дымовых газов 300⁰С или, соответственно, 400⁰С в зависимости от температуры воздуха сжигания при коэффициенте избытком воздуха.

Теплотехнический КПД без подогрева воздуха определяется по формуле

- нижняя теплотворная способность (кДж/м³); - объем влажных дымовых газов (м³/м³); - коэффициент избытка воздуха; - температура дымовых газов (⁰С); - средняя удельная теплоемкость дымовых газов (кДж/м³);

Например, без подогрева воздуха при значениях параметров потока: = 37261 (кДж/м³); = 10,82 (м³/м³); = 1,1; = 400 (⁰С); = 1,424 (кДж/м³), теплотехнический КПД будет равен

= 81,8%

Теплотехнический КПД с подогревом воздуха определяется по формуле

- нижняя теплотворная способность (кДж/м³); - объем влажных дымовых газов (м³/м³); - коэффициент избытка воздуха; - температура дымовых газов (⁰С); - средняя удельная теплоемкость дымовых газов (кДж/м³); - теоретическая потребность в воздухе (м³/м³); - средняя удельная теплоемкость воздуха сжигания (кДж/м³).

Например, с подогревом воздуха при значениях параметров потока: = 37261 (кДж/м³); = 10,82 (м³/м³); = 1,1; = 400 (⁰С); =250 (⁰С); = 1,424 (кДж/м³); = 1,315 (кДж/м³); = 9,91 (м³/м³), теплотехнический КПД будет равен

= 91,4%

ВЫВОДЫ. Для наиболее полного горения топлива и поддержания высокого КПД энергоустановки необходимо применять комплекс методов:

снижение температур горения рециркуляцией уходящих газов для снижения выброса оксидов азота,

предварительный подогрев подаваемого воздуха, что позволит добиться увеличения теплотехнического КПД на 9,6%.

Литература

1. Информационно- справочный каталог Weishaupt. 2013 год.

2. Салова Экологические проблемы эксплуатации энергетических установок //Сб. научных трудов «Проблемы энергообеспечения предприятий АПК и сельских территорий» СПбГАУ. 2008.С.129-132

3. Салова Т.Ю., Громова Н.Ю. Моделирование процессов сгорания углеводородных топлив //Сб. тр. III Межд. научно-практическая конф. «Новые топлива с присадками» СП. Академия Прикладных Исследований. 2004. С. 262

4. Салова Т.Ю.Экологический мониторинг окружающей среды при эксплуатации автотракторной техники //Учеб. пособие, рекомендованное УМО студентам специальности "механизация сельского хозяйства. Науч. изд. Тверь. СП.: Индикатор. 1998.

5. Тумановский А.Г. Образование окислов азота в камерах сгорания стационарных ГТУ при сжигании природного газа. В кн.: Теория и практика сжигания газа. Л.: Недра, т.У, 1972,с.330-340.

6. Левин A.M. Принципы рационального сжигания газа. -Л.: Недра, 1977. -248 с.

7. Эффективное сжигание топлив с контролируемым химическим недожогом/ П.В. Росляков, И.Л. Ионкин, К.А. Плешанов // Теплоэнергетика. 2009. №1. С. 20-23.

Код для цитирования: Скопировать