Снижение выбросов оксидов азота при ступенчатом сжигании топлива Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

вании биомассы [Тексту учеб. пособие / В.В. Сергеев, A.A. Калютик, В.Н. Моршин, J1.П. Стешен-ков.— СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2004.— 60 с.

3. Зысин, Л.В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Часть 1: Возобновляемые источники энергии [Тексту учеб. пособие /

Л.В. Зысин, В.В. Сергеев.— СПб.: Изд-во Политехи. ун-та, 2008.— 192 с.

4. Алешина, A.C. Газогенераторная парогазовая установка с высоконапорным котом-утилизатором |TeKCTj / A.C. Алешина, В.В. Сергеев // Теплоэнергетика,- 2011,- №3,- С. 78-80.

УДК 504.06:621.181:622.61 2

А.А. Тринченко

СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА ПРИ СТУПЕНЧАТОМ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА

Выбирая способ снижения выбросов оксидов азота при проектировании паровых котлов, необходимо оценивать их эффективность при работе котла, влияние того или иного способа на КПД установки, сравнивать затраты при внедрении новых технологий.

Наиболее перспективные способы, направленные на снижение вредных выбросов, — технологические, реализуемые на стадии сжигания топлива. Они не требуют значительного увеличения капитальных затрат, а так же сравнительно просты в реализации. Одним из самых эффективных среди них можно считать ступенчатое

Зона догорания:

а = ар

Зона восстановления:

10-25 % топлива, а"„ »0,85-0,98

Основная зона горения: 75-90 % топлива, а} ~ 1

Рис. 1. Схема организации трехступенчатого сжигания

сжигание, сущность которых заключается в ступенчатой (по ярусам горелок) подаче топлива и воздуха в топку. На рис. 1 показана схема трехступенчатого сжигания.

В нижней зоне топки (зона 1) сжигается основная масса топлива (примерно 90 %) при избытке воздуха (— ~ 1), благодаря чему в нижнем ярусе топливо сгорает при недостатке окислителя, что способствует снижению генерации топливной составляющей NOx. На выходе из зоны 1 (зона активного горения) организуется зона 11, в которую подается вторичное топливо (около 10 %) с таким расчетом, чтобы суммарный избыток воздуха в этой зоне составлял —j ~ 0,9— 0,95. В результате этого в зоне 11 образуется восстановительная газовая среда с продуктами химического и механического недожога топлива. В восстановительной среде на углероде кокса вторичного топлива происходит разложение выходящих из зоны 1 оксидов азота с образованием молекулярного азота по реакции

2C+2NO = 2CO+N2. (1)

В зону Ш подается третичный воздух для дожигания продуктов химического и механического недожога топлива в верхней части топки. Ступенчатая подачатоплива позволяет дополнительно несколько уменьшить максимальные температуры в топке, что снижает генерацию термических оксидов азота.

Разработанная методика расчета количества разложившихся оксидов азота на поверхности горящих коксовых частиц основана на диффузионно-кинетической теории горения [1] иучи-

тывает разложение оксидов азота на поверхности коксовых частиц [2]. Константа скорости реакции разложения ЫОх описывается зависимостью Аррениуса [3]

к =А0ехр(—£/(/? 7)),

где А0 — предэкспоненциальный множитель; Е — энергия активации реакции, кДж/моль.

Количество разложившихся оксидов азота ^Оразл рассчитывается по зависимости, учитывающей изменение площади поверхности горящих коксовых частиц (/):

КОразд=2,5Сс+мо12Д\т,

(2)

/7 =

6/77/7

1

РК8

01 1-х

У

(3)

йх

•ехр

360000 ЯГ

164 .г х^у02Лг2ехр

180000 ят

Ь (4)

ЮЛ"''

о;

с,

0,г уппы / ЛМО,

N0,

V,

с.г.

Изменение температуры по высоте факела описано зависимостью, предложенной А.М. Гур-вичем и А. Г. Блохом и адаптированной для случая ступенчатого сжигания:

где Сс+ы0 — расход углерода по реакции (1), моль/м -с; Ат — интервал времени, с; Т7— площадь поверхности коксовых частиц, м2.

Площадь поверхности горящих коксовых частиц определяется выражением

|= е

\' и ) ь1 +

1/4

(6)

где рк — плотность кокса, кг/м ; х = ^/501 — относительный размер самой крупной частицы; У = 80//801 — отношение начального размера частицы /-й фракции к начальному размеру самой крупной частицы; я — показатель полидисперсности; т — параметр, принимаемый равным 6,9 [1].

Время пребывания коксовых частиц в топке приравнено ко времени пребывания в ней газов.

Количество термических оксидов азота определено из известного уравнения Зельдовича— Садовникова—Франк-Каменецкого:

т

02, — концентрация соответственно оксидов азота, азота и кислорода, г-моль/л.

Генерация топливных оксидов азота опреде-ляетя моделью Котлера [4] при условии, что топливные оксиды азота образуются на стадии выхода и сгорания летучих:

где г — относительное расстояние от места ввода топлива; гтах — положение максимума температуры в топочной камере; а и р — опытные коэффициенты; А = 1 — 9д ; 90 — безразмерная температура на входе в топку.

На основе предложенной модели составлены методика, алгоритм и программа расчета горения топлива и разложения N0 на углеродных частицах при ступенчатом сжигании с возможностью определять оптимальные характеристики процесса горения: снижение генерации оксидов азота, уменьшение механического недожога топлива д4 и др. Разработанная программа имеет блочный характер построения. Это дает возможность отключать некоторые из имеющихся блоков или подключать новые, что делает ее универсальной.

По разработанной методике проведены расчеты выгорания полифракционного пыле-уголыюго факела и оценка степени разложения оксидов азота на углероде кокса вторичного топлива при организации ступенчатого сжигания смеси кузнецких углей марок Д и Г для кот-лаТПЕ-214, установленного на Новосибирской ТЭЦ-5 [5]. Для организации трехступенчатого сжигания сотрудниками СибКОТЭС установлены восемь сопел третичного дутья на боковых стенах топки с тангенциальным расположением и противокруткой по отношению к основным горелкам. Кроме того, снижена доля вторичного воздуха через верхний ярус горелок путем установки дополнительных вставок в выходные окна каждого «полуканала» вторичного топлива. Продольный разрез котла ТПЕ-214

400

ООО

570

100

000

500

000

150

В05

500

.28

500

яв

530

23

воо

.22

ООО

.20

100

500

900

900

900

000

Рис. 2. Продольный разрез котла ТПЕ-214

Рис. 4. Профиль температур в топке котла:

--расчетные данные;

- ---опытные данные |4]

Рис. 3. Эскиз топки котла ТПЕ-214

и расчетный эскиз его топки представлены соответственно на рис. 2 и 3 .

Схема трехступенчатого сжигания на котле №5 НТЭЦ-5 реализована следующим образом: одна пылесистема выделена для приготовления пыли и обеспечения работы горелок ступени восстановления. Транзит пыли через эту ступень осуществляется сушильными инертными газами на четыре тангенциально расположенные го-

релки восстановительной ступени, размещенные на 8 метров выше верхнего яруса рабочих горелок. Готовая угольная пыль с тонкостью помола Яп доп = 7 %, что значительно выше, чем у основного топливаосн = 25 %), транспортируется сушильным агентом по четырем пылепро-водам к горелкам нижнего или верхнего яруса. В восстановительные горелки подается 14 % топлива от общего количества.

----- - 41.8

1 \ \ I \ \ \ X \ \ \ \ \ \

l" / / 1 1 1 1 -—' \ \ \ \ / \ / \ / \ ' h\„ Г + Is f ) i \ 1 / ^ * I

f

Концентрация оксидов азота, ш/мЗ

Рис. 5. Изменение концентрации ]\10ч по высоте топки:

— расчетные данные;

— опытные данные|4]

На котле ТПЕ-214 сотрудниками СибКО-ТЭС были проведены опыты, результаты которых опубликованы в [5,6]. Профиль температур по высоте топки, рассчитанный по зависимости (6), по характеру изменения совпадает с профилем, полученным в ходе опытов (рис. 4), однако реальные температуры факела оказались ниже

расчетных. Это объясняется тем, что в опытах подача пыли в топку производилась с помощью инертных сушильных газов, атакже тем, что при расчете учтена подача первичного топлива через один основной ярус горелок. Изменение концентрации оксидов азота показано на рис. 5. Отличия в характере образования оксидов азота на начальном участке факела от опытных данных появляются вследствие принятого расчетного механизма образования ЫОх.

По результатам опытов [5] суммарный выход оксидов азота составил при одноступенча-

о

том сжигании 800—900 мг/м\ С внедрением трехступенчатого сжигания авторам удал ось добиться снижения концентрации оксидов азота до 350-420 мг/м3.

Расчетное значение концентрации оксидов азота (431 мг/м3) выше на 15 % усредненного опыт-

о

ного значения (375 мг/м") и весьма удовлетворительно (с погрешностью около 3 %) согласуется с

о

верхним пределом результатов замеров (420 мг/м"). Погрешность объясняется так: время пребывания частиц в топке согласно расчетной модели определяется в предположении, что частицы движутся в потоке со скоростью газов (прямоточный пылеугольный факел). Экспериментальные исследования [5] проведены на котле с тангенциальными горелками, где время пребывания частиц в топке, а следовательно, реагирования их с оксидами азота увеличивается, вследствие чего растет и количество разложившихся N Ох. Погрешность в расчеты вносят и более высокие значения температур в топке, полученные расчетным путем.

Вариантные расчеты и анализ полученных результатов показали, что разработанная методика дает удовлетворительное совпадение с опытными данными и может использоваться при расчетах выбросов ЫОх, выборе компоновки горелок, конструкции топочной камеры и параметров топочного процесса (доля, тонкость помола вторичного топлива, избытки воздуха и пр.) с целью достижения максимальной полноты сгорания топлива и повышения эффективности разложения оксидов азота при внедрении ступенчатого сжигания.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Померанцев, В.В. Основы практической теории горения [Тексту Учебное пособие для вузов / В.В. Померанцев, K.M. Арефьев, Д.Б. Ахмедов и

др.; Под ред. В.В. Померанцева.— 2-е изд., пере-раб. и доп.— J1.: Энергоатомиздат, 1986.— 312 с. 2. Tang, B.G. Computer simulation of NO forma-

tion in pulverized coal combustion [Текст] / B.G. Tang, K. Ohtake // International symposium on coal combustion (7- 10 sept. 1987): China, 1987,- S. 1.

3. Тринченко, A.A. Повышение экологических показателей низкотемпературных вихревых топок за счет разложения оксидов азота на коксовых частицах [Текст] / А.А. Тринченко.— Дис. ... канд. техн. наук,- СПбГПУ,- СПб. 2002,- 187 с.

4. Котлер, В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов [Текст] / В.Р. Котлер.— М.: Энергоатомиз-дат, 1987,- 144 с.

5. Серант, Ф.А. Опыт внедрения трехступенчатого сжигания пыли высокореакционных углей [Текст] / Ф.А. Серант, J1.И. Пугач, К.В. Агапов, A.B. Лымарев // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. «Проблемы использования канско-ачинских углей на электростанциях». 21—23 ноября 2000. Красноярск.— Красноярск, 2000.— С. 287-291.

6. Шатиль, A.A. Подавление эмиссии оксидов азота при ступенчатом сжигании высокореакционных углей [Текст] / A.A. Шатиль, Н.С. Клепиков, Е.К.Вешняков [идр.] //Теплоэнергетика.—2009.— № 1,- С. 2-8.

УДК 621.31 1

И.Г. Кудряшева, ЮЛ. Мирошникова

О ЗНАЧЕНИИ ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИХ СТАНЦИЙ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ УКРАИНЫ

В Санкт-Петербургском государственном политехническом университете на кафедре «Возобновляемые источники энергии и гидроэнергетика» (ВИЭГ) выполняются научные исследования по оптимизации режимов работы гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС) в рамках энергосистемы [1—3].

Основными задачами исследований являются:

оптимизация параметров работы энергосистемы;

оценка экономии топлива на тепловых станциях в период работы ГАЭС в пиковом режиме (по сравнению с вариантом использования высокоманевренной тепловой станции с парогазовыми установками (ПГУ));

расчет снижения объема выбросов С02 в атмосферу за счет использования ГАЭС;

оценка повышенного износа оборудования и различных потерь вследствие работы ГАЭС в режиме оказания системных услуг;

учет системного эффекта от работы ГАЭС в тарифах на электроэнергию в качестве премиальной надбавки;

формирование и обоснование нового подхода красчету тарифа на электроэнергию, получаемую от ГАЭС, с учетом затрат станции в штатных режимах и в режимах оказания системных услуг энергообъединению.

Оптимизация работы энергетических систем — одна из важнейших задач, которая должна быть решена для обеспечения качественного бесперебойного электроснабжения потребителей. Рост объема промышленного производства несет риск дестабилизации работы энергообъединения вследствие подключения к сети разнообразной дополнительной нагрузки. Это приводит к увеличению перетоков реактивной мощности, ухудшению уровней напряжения и частоты в энергосистеме. Кроме того, перед энергетиками остро встает вопрос сглаживания графика нагрузки энергосистемы. Недостаток маневренных мощностей может привести к сбоям в работе энергообъединения, уменьшению срока службы тепловых станций, а также повышенным расходам на их эксплуатацию. Интенсивное использование высокоманевренных тепловых станций приводит кувеличению выбросов С02 в атмосферу и не решает полностью проблему заполнения ночных провалов графика нагрузки энергосистемы.

Генерирующую часть энергобаланса обеспечивают следующие типы энергетических объектов: тепловые электроцентрали (ТЭЦ); атомные электростанции (АЭС); тепловые электростанции (ТЭС); гидроэлектростанции (ГЭС, МГЭС); гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС); электростанции на базе возобновляемых источников энергии (ВЭС, биотопливные станции).