CC BY
62
УДК 621.182:662.613.5
МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОБРАЗОВАНИЯ ТОПЛИВНЫХ ОКИСЛОВ АЗОТА С УЧЕТОМ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ
1 л 4
А.Д. Алешкин1, В.А. Бочкарев2, Т.В. Коваль3
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
На основании теоретического анализа предлагается методика расчета топливных окислов азота, учитывающая фракционный состав угольной пыли, время выделения летучих веществ, содержание азота в топливе, температурный уровень в топке и т.д. Представлены результаты опытных и расчетных значений концентраций окислов азота в уходящих газах при пылеугольном сжигании. Используя методику расчета топливных окислов азота, можно разрабатывать мероприятия по их снижению. Ил. 2. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: топливо; окислы азота; выход летучих веществ; рассевочная кривая угольной пыли; атомарный азот.
PROCEDURE TO CALCULATE FUEL NITROGEN OXIDES FORMATION WITH REGARD TO COAL DUST
FRACTIONAL COMPOSITION
A.D. Aleshkin, V.A. Bochkarev, T.V. Koval
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk,664074.
Based on theoretical analysis the authors propose a procedure to calculate fuel nitrogen oxides, which takes into account the fractional composition of coal dust, escape time of volatile, nitrogen content in fuel, temperature level in furnace, etc. They present the results of experimental and calculated values of concentrations of nitrogen oxides in flue gases under powdered-coal combustion. It is emphasized that using the procedure to calculate fuel nitrogen oxides, it is possible to develop measures to reduce them. 2 figures. 2 tables. 4 sources.
Key words: fuel; nitrogen oxides; volatile yield; dispersion curve of coal dust; atomic nitrogen.
При горении органических топлив образуются окислы азота ЫОх, негативно воздействующие на человека, на растительный и животный мир. В дымовых газах на выходе из котельного агрегата окислы азота состоят из N0 и ЫО2. Причем доля N0 составляет 90-95%, a N02 - 5-10%.
В топках котельных агрегатов при сжигании азотсодержащих топлив с максимальной температурой горения Тм < 1800 К (/м < 1500°^ [1] образуются топливные окислы азота по реакции:
N + O2 ^
kj
NO+O
(1)
где к2 , £4 - константы скорости протекания прямой и обратной реакции соответственно.
Азотсодержащие вещества топлива в виде активного азота N выделяются из него вместе с летучими веществами: различные соединения (N, NN, ИИ2, ИИ3 , СИ, ИСИ и др.) - и участвуют в реакции (1).
Образование окислов азота по длине факела при
сжигании азотсодержащих топлив имеет Б-образную форму, а скорость образования N0 характеризуется наличием максимума. Процесс образования топливных N0 представлен на рис. 1 [2].
В первоначальный момент попадания топлива в топочную камеру (т = 0) концентрация активного азота равна нулю (N = 0), поэтому и N0 = 0. Затем начинается быстрый прогрев частиц топлива с выделением летучих веществ и активного азота. Соединяясь с кислородом воздуха, активный азот переходит в окись азота (N0).
В момент времени тт (см. рис. 1) скорость выделения активного азота из топлива максимальна dNT
dr
= max . Максимум концентрации активно-
го азота топлива (Nmax) наблюдается в точке т*. Этой же точке соответствует и максимальная скорость
1=1
m
1Алешкин Александр Дмитриевич, аспирант, тел.: 89086531417, e-mail: [email protected] Aleshkin Alexander, Postgraduate, tel.: 89086531417, e-mail: [email protected]
2Бочкарев Виктор Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики, тел.: (3952) 405393. Bochkarev Victor, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Heat and Power Engineering, tel.: (3952) 405393.
Коваль Татьяна Валерьевна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры теплоэнергетики, тел.: (3952) 405414, e-mail: [email protected]
Koval Tatyana, Candidate of technical sciences, Senior Lecturer of the Department of Heat and Power Engineering, tel.: (3952) 405414, e-mail: [email protected]
образования N0, то есть
dNО йт
= тах. В при-
нятой схеме тт всегда меньше т*. Физический смысл этого заключается в том, что сначала происходит появление активного азота топлива, и только затем он расходуется на образование N0. В точке, где прекращается рост концентрации N0, скорость изменения концентрации атомарного азота равна нулю
| -^1 = о. Кривую 4 (см. рис. 1), характеризующую
I йт )
скорость выхода активного азота из топлива во времени, в общем виде описывает функция
| 1 = атьест. Причем, чтобы функция — соот-
^ йт ) йт
ветствовала принятой схеме образования N0, должно соблюдаться условие: а > 0, Ь > 1, с < 0.
3 2
та, кмоль/м •с ; т - текущее время, с; а - коэффициент, характеризующий интенсивность выделения активного азота из топлива, кмоль/м3-с2.
Уравнение (3) представляет собой результирующую скорость изменения концентрации атомарного азота, которое имеет вид линейного дифференциального уравнения первого порядка:
N
йт
-г(тN = д(т).
Общее решение этого уравнения имеет вид:
N = е~1 к2°2йт\с1 +1 атЬв~ствI кЛйтйт
(4)
(5)
Обозначим произведение к202 через %2 (с-), тогда
к202 = %2. (6) Для того чтобы решить уравнение (5), учтем, что параметры а и ^2 по длине факела изменяются ма-
Рис. 1. Схема образования топливных окислов азота по длине факела: 1 - N0; 2 -
йт
Учитывая относительно низкий температурный уровень в котельно-топочном процессе и тот факт, что образование N0 идет далеко от равновесия, обратной реакцией в формуле (1) можно пренебречь.
Скорость протекания реакций образования «топливных» N0 можно представить уравнениями, кмоль/м •с:
dNО п „ dN ; 3 - N; 4 - —
йт
dNО йт
= k202N;
^ = -к20N + атЬе~ст , йт
(2)
(3)
ло, а их величина пропорциональна среднеинтеграль-ной температуре, и поэтому значения а и %2 принимаются постоянными на участке образования N0. Проинтегрировав уравнение (5), полученное значение подставляем в уравнение (2) и далее, проведя ряд преобразований, с учетом принятых допущений получаем зависимость текущей концентрации N0 во вре-3
мени, кмоль/м :
N0 = аХ 2
2е~*2т 1
3
т %2
где к2 - константа скорости образования N0,
м3/кмоль-с; N - концентрация атомарного (активного) р-ст\т +1 ]_
азота, кмоль/м3; 02 - концентрация молекулярного
кислорода, кмоль/м3; атЬест - составляющая, представляющая собой скорость выделения активного азота из топлива в эквивалентной форме атомарного азо-
^т2 2т 2Л
- + "Г + Т
с с
с
2е~
3
т с
3
с Х2
(7)
Тогда конечная концентрация окислов азота составит, кмоль/м3:
ст
+
--е
т
2
N0К = Т к 4
(8)
Для пересчета концентрации N0к, выраженной в
3 3
кмоль/м , на концентрацию N02 в мг/м применяется формула
N0VГ ■ 46Т; ■ 106
-^-, (9)
N02 =
где Vcг - объем сухих дымовых газов на 1 кг сгоревшего топлива, м3/кг; Vг - объем дымовых газов, м3/кг; Т^ - среднеинтегральное значение температуры, К.
Для уменьшения влияния на точность расчетов коэффициентов, которые используются при расчете уравнения (8), в [2] была разработана усовершенствованная методика определения окислов азота. Используя данные измерений оксидов азота при сжигании угля по вышеприведенной методике обратным расчетом определим значение тт .
Для того чтобы найти тт, выразим его из формулы (8):
= 3,
4Ы0
(10)
а значение концентрации окислов азота N0 из формулы (9) можно представить следующим выражением, кмоль/м3:
N0 =
N02Vcг ■ 273 VГ ■46Т| ■106
(11)
Когда скорость выделения активного азота из топ-
т
лива максимальна (см. рис. 1), тогда т можно описать формулой:
Тт =Твл -Ат
(12)
где тл - время выделения летучих веществ, с.
Из уравнения (12) выразим значение Ат:
Ат = тл ~тт . (13)
Далее, основываясь на опытных данных по измерению выбросов N02, можно рассчитать значения тт и Ат и установить зависимость между ними.
Для определения Ат проводилась обработка опытных данных, полученных при проведении испытаний котельных агрегатов типа ТП-81, ТП-85, ТП-10, БКЗ-420, установленных на ТЭЦ ОАО «Иркутскэнер-
го». При испытаниях сжигались следующие марки углей: азейский, ирбейский, жеронский; характеристики этих углей приведены в табл. 1.
В ходе испытаний производились измерения содержания окислов азота в дымовых газах газоанализатором «Testo-term» и «Эком А+». Также перед началом экспериментов производились отборы проб сжигаемого угля в соответствии с рекомендациями [3] для последующего химического анализа. Используя данные химического анализа топлива, с достаточной точностью можно рассчитать значения объемов дымовых газов Vг и сухих газов Vcг, что позволит определить значение N0, а затем и значение тт по формуле (10).
Время выделения летучих тл необходимо определить в следующей последовательности:
1. Построить рассевочную кривую Я = /(8) угольной пыли.
2. Разбить полученную рассевочную кривую на части с шагом в 5-10 мкм;
3. Определить время выделения летучих для частиц пыли со средним размером по формуле, предложенной в [4], с:
г14гт -4Я0,8
т л = кл ■ 5,3 ■1014Т—8"
(14)
где кл - относительный коэффициент, определяемый опытным путем для каждой марки угля, для бурого угля кл = 1; Т-4 - температура дымовых газов в топке, К; 8 - средний начальный размер частицы.
4. Найти величину фракций размером 8\ =8в -8а для всех частей зерновой характеристики как Ат л = Г(8).
5. Определить произведение АЯтл и построить по полученным значениям кривую АИ^т^вл = /(8).
6. Определить значение величины 80 , которое соответствует максимуму кривой АЯ11т1 вл .
7. Определить время выделения летучих твл по формуле (14) для фракций размером 80.
8. Рассчитать коэффициент а, характеризующий интенсивность выделения активного азота топлива по формуле [2]:
1ёа = 5 ■10~3Т + 0,833N - 7,5 , где Т = Т0 + 0,75(ттах -Т0), здесь Т0 - температура горячего воздуха, поступающего в горелки, К; Ттах -
Таблица 1
Характеристики сжигаемых углей
Марка угля Элементарный состав топлива, % Низшая теплота сгорания, ОТ, кДж/кг
Жг Аг С Нг 0Г
Азейский 25,0 12,8 0,4 46,0 3,3 0,9 11,6 17330
Ирбейский 26,6 9,8 0,3 47,4 3,1 0,8 12,0 16639
Жеронский 18,0 13,1 0,4 55,3 3,2 1,1 8,9 18544
сг
т
а
максимальная температура в топке, К; N - содержание азота в топливе на рабочую массу, %.
9. Для расчета текущего значения N0 концентрацию кислорода 02 и константу скорости прямой реакции к2 определяем по формулам, кмоль/м3:
о2 =
21 + °21,
amVo ■ 104
200
848VT
k2 = 3 ,42 ■ 106 exp
42000
RTÎ
i
10. Так как конечная концентрация N02 известна, то обратным расчетом мы можем определить значение тm по формуле (10). Для этого рассчитаем концентрацию оксидов азота по (11).
На основании результатов расчета для котлов, перечисленных выше, для азейского, ирбейского, же-ронского углей была построена зависимость Лт от т(Ш , приведенная на рис. 2.
На основании этой зависимости (см. рис. 2) было получено выражение:
Лт = 2,3524тЛ3694. (15)
С учетом (15) уравнение (12) принимает следующий вид:
т =т - 2 3524т1-3694
'm '■(¡л ^'-'-'^^'■(¡n ■
(16)
Таким образом, уравнение (8) примет вид, кмоль/м3:
NO = а{твл - 2-3524т(щ
1,3694
I
4
(17)
В соответствии с разработанной методикой были выполнены расчеты выбросов оксидов азота для котлов типа БКЗ-320-140 ПТ ст. № 3, 4, 7 ТЭЦ-6 ОАО «Иркутскэнерго». Для расчетов использовались данные испытаний по опытным сжиганиям ирбейского, жеронского, ирша-бородинского углей и их смесей, которые проводились в 2008 и 2010 гг. на ТЭЦ.
Во время испытаний проводился газовый анализ для определения содержания оксидов азота в дымовых газах. Результаты, полученные при расчетах, сравнивались с фактическими выбросами. Все значения выбросов N0 были приведены к а = 1,4. Результаты расчетных исследований показывают, что значения концентраций оксидов азота согласуются с данными экспериментальных замеров (табл. 2).
Анализируя данные табл. 2, можно констатировать, что отклонение расчетных значений N0x от фактических находится в пределах 12%, а погрешность измерений выбросов оксидов азота газоанализатором составляет 10%. Таким образом, разработанная методика может применяться для расчетов топливных окислов азота с учетом фракционного состава угольной пыли.
Предлагаемая методика позволяет не только рассчитывать концентрацию N0 по длине факела и на выходе из топки при пылеугольном сжигании, но и указывает на способы их снижения.
Лт, с
Лт = 2,3524 т1 3694
„X
S ш
г* Шт Я
г
О 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 ^вЛ ' ^
Рис. 2. Зависимость Лт от времени выделения летучих твл : ♦ - котел ТП-10, сжигающий азейский и ирбейский бурые угли; ■ - котел БКЗ-420-140, сжигающий жеронский каменный уголь; ▲ - котел ТП-85, сжигающий ирбейский и азейский бурые угли; X - котел ТП-81, сжигающий ирбейский и азейский бурые угли
Таблица 2
Сравнение экспериментальных и расчетных данных выбросов оксидов азота для котла БКЗ-320-140 _ПТ ТЭЦ-6 ОАО «Иркутскэнерго»_
Показатель Станционный номер котельного агрегата
3 3 4 4 7 7 7
Сжигаемый уголь* (пропорции смеси) Смесь ир/ж (70/30) Смесь ир/ж (70/30) Смесь ир/ж (80/20) Смесь ир/ж (90/10) И-б Смесь и-б/ир (30/70) Смесь и-б/ж (50/50)
Номинальная паропроизводительность, т/ч 320 320 320 320 320 320 320
Паропроизводительность котла, т/ч 252 254 170 272 280 270 244
Фактические значения N0^х, мг/нм 755 839 486 631 762 673 781
Значения Ж>х, рассчитанные по разработанной методике, мг/нм3 718 811 448 683 694 754 760
*Принятые сокращения: ир - ирбейский бурый уголь; ж - жеронский каменный уголь; и-б - ирша-бородинский бурый уголь.
Анализ формулы (8) показывает, что образование «топливных» N0 можно снизить за счет:
- понижения температуры горячего воздуха, подаваемого в горелки и максимальной температуры в топке;
- снижения концентрации 02в зоне выхода и горения летучих веществ;
- сжигания топлива с пониженным Nг;
- угрубления фракционного состава угольной пыли.
Библиографический список
1. Методические указания по проектированию топочных устройств энергетических котлов / под. ред. Э.Х. Вербовец-кого, Н.Г. Жмерика. СПб: ВТИ-АООТ «НПО ЦКТИ», 1996. 272 с.
2. Бочкарев В.А. Влияние фракционного состава угольной пыли на механизм образования топливных окислов азота // Актуальные вопросы теплофизики. Энергетика и экология:
сб. науч. тр. Новосибирск, 1991. С.159-165.
3. Трембовля В.И., Фингер Е.Д., Авдеева Л.А. Теплотехнические испытания котельных установок. М.: Энергия, 1977. 296 с.
4. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. М.: Энергоатомиздат, 1986. 208 с.
УДК 621.311.181
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ МУФЕЛЬНОЙ РАСТОПКИ И ПОДСВЕТКИ ФАКЕЛА НА КОТЕЛЬНОМ АГРЕГАТЕ ТП-81 СТ. № 7 ТЭЦ-11 ОАО «ИРКУТСКЭНЕРГО»
Е.А. Клыш1, Р.А. Клыш2, В.А. Бочкарев3
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Для снижения расхода мазута и обеспечения устойчивой работы котла ТП-81 на пониженных нагрузках была реализована система муфельной растопки и подсветки факела (СМРП). В данной работе приводится описание системы пылеприготовления, характеристики угольной пыли, сжигавшейся в муфеле, результаты холодных продувок СМРП с целью определения оптимальной скорости первичного воздуха и данные пуско-наладочных испытаний. Рассмотрен пуск СМРП в режиме растопки котла из холодного состояния. Ил. 3. Табл. 2. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: муфельная горелка; система муфельной растопки и подсветки факела; топливо; растопка; стабилизация горения; котельный агрегат ТП-81.
1Клыш Егор Александрович, аспирант, тел.: 89246105646, e-mail: [email protected] Klysh Egor, Postgraduate, tel.: 89246105646, e-mail: [email protected]
2Клыш Роман Александрович, аспирант, тел.: 89041374544 Klysh Roman, Postgraduate, tel.: 89041374544
3Бочкарев Виктор Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики, тел.: (3952) 405393. Bochkarev Victor, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Heat and Power Engineering, tel.: (3952) 405393.
