авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Разработка и исследование способа сжигания топлив с умеренным контролируемым химическим недожогом

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Плешанов Константин Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА СЖИГАНИЯ

ТОПЛИВ С УМЕРЕННЫМ КОНТРОЛИРУЕМЫМ

ХИМИЧЕСКИМ НЕДОЖОГОМ

Специальность 05.14.14 – Тепловые электрические станции,
их энергетические системы и агрегаты

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Москва 2010

Работа выполнена на кафедре Парогенераторостроения Московского
энергетического института (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Росляков Павел Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Зройчиков Николай Алексеевич

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Тугов Андрей Николаевич

Ведущая организация: Энергетический институт им.

Г.М. Кржижановского (ОАО "ЭНИН")

Защита состоится "23" июня 2010 г. в 14 час. 00 мин. в МАЗе на заседании диссертационного совета Д 212.157.07 в Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 14.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Московский энергетический институт (технический университет), Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан "____" _____________ 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

Д 212.157.07

к.т.н., доц. Ильина И. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современном мире большое внимание уделяется состоянию окружающей среды и её защите. Одним из важных факторов, влияющих на окружающую среду, является качество атмосферного воздуха. ТЭС выбрасывают в атмосферу целый ряд вредных веществ. С учётом разной токсичности и количества этих выбросов наибольший вред окружающей среде при сжигании на ТЭС природного газа наносят оксиды азота. По сравнению с ними урон, наносимый другими вредными веществами, такими как монооксид углерода СО и бенз(а)пирен БП, намного меньше.

В настоящее время на ТЭС применяются многочисленные методы снижения оксидов азота. Они позволяют снизить выбросы оксидов азота в атмосферу до 4090%. Однако практика внедрения технологических (внутритопочных) мероприятий по снижению оксидов азота на действующих котлах выявила ряд негативных моментов, связанных с тем, что старые конструкции топочных устройств не обеспечивали оптимального сочетания условий для подавления образования оксидов азота и полного выгорания топлива. В результате внедрение технологических мероприятий на таких котлах, как правило, сопровождалось снижением КПД (за счет увеличения недожога и температуры уходящих газов), уменьшением надежности работы (из-за увеличения температуры газов на выходе из топки, увеличения интенсивности шлакования) и меньшей эффективностью снижения выбросов NOх по сравнению с новыми котлами. Кроме того, внедрение таких внутритопочных мероприятий, как стадийное, ступенчатое сжигание, рециркуляция продуктов сгорания, на действующих котлах требовало значительного объема реконструкций и, как следствие, высоких материальных затрат.



Большинство котлов, эксплуатируемых в России в настоящее время, вводилось в строй до конца 80-х годов. Они подходят к выработке своего паркового ресурса. Внедрять дорогие способы снижения выбросов оксидов азота на них не рационально. А отсутствие финансового стимулирования делает внедрение природоохранных мероприятий экономически невыгодным. Следовательно, одним из главных факторов внедрения способов снижения NOх в России является их стоимость.

Поэтому перед научно-техническим сообществом поставлена задача разработки и внедрения малозатратных быстрореализуемых экологически безопасных способов сжигания топлив, которые при внедрении на действующем оборудовании не вызывают снижения эффективности и надёжности работы котлов. Вновь разработанные способы снижения оксидов азота должны иметь низкие капитальные и эксплуатационные затраты, быть просты в обслуживании и иметь возможность внедрения силами собственного персонала станции.

Особую актуальность представляют способы сжигания топлив, позволяющие не только значительно снизить эмиссию оксидов азота, но и повысить КПД котла. К таким способам относится сжигание топлив с умеренным контролируемым недожогом, исследованию и внедрению которого и посвящена данная работа.

Цели работы:

  • Разработка и комплексные экспериментальные исследования малозатратного быстрореализуемого экологически безопасного способа снижения NOx при сжигании всех видов топлива.
  • Расчётно-теоретическое исследование механизмов снижения выбросов вредных веществ и определение максимально достижимого уровня снижения оксидов азота.
  • Обобщение и анализ экспериментальных данных и работы котлов для разработки практических рекомендаций по внедрению предложенного способа сжигания и повышению его эффективности.

Научная новизна полученных автором результатов заключается в следующем:

  1. Показано, что сжигание топлив с умеренным недожогом позволяет обеспечить снижение выбросов оксидов азота на 2040 %; при этом, несмотря на увеличение концентрации продуктов недожога топлива, суммарная вредность продуктов сгорания снижается в 1,3-2 раза в зависимости от вида сжигаемого топлива.
  2. С помощью расчётно-теоретических исследований выявлено, что снижение выбросов оксидов азота происходит в результате уменьшения скоростей реакций образования NO по расширенному механизму Я.Б. Зельдовича за счёт снижения концентрации О2 в зоне горения. Максимальная теоретически возможная степень снижения эмиссии NOx в случае идеального перемешивания достигает 65%.
  3. Определено, что сжигание топлив с умеренным недожогом приводит к увеличению эффективности работы котла за счёт увеличения КПД брутто на 0,5-1 % и снижению затрат на собственные нужды на 0,01-0,05 %.
  4. Показано, что данный способ сжигания не ухудшает надёжность работы поверхностей нагрева котла.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечиваются применением широко апробированных программных продуктов, удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных данных, тщательной тарировкой и калибровкой измерительных средств, использованием современных методов обработки и обобщения экспериментальных данных.

Практическая ценность работы.

  1. Предложен способ сжигания, позволяющий снизить NOx на 2040 %.
  2. Способ апробирован и внедрён на различных котлах паропроизводительностью от 75 до 500 т/ч при сжигании различных видов топлива. Его реализация не требует больших капитальных и временных затрат, может быть произведена силами собственного персонала ТЭС.
  3. Разработаны практические рекомендации по внедрению способа при сжигании на паровых и водогрейных котлах при использовании различных видов топлива.
  4. Внедрение данного способа при сжигании природного газа даёт экономию средств в 0,5-2 млн. руб. в год на каждые 100 т/ч паропроизводительности котла.
  5. Показано, что для эффективного внедрения способа необходимо оснащение котла системой непрерывного анализа компонентов продуктов сгорания.

Личный вклад автора заключается в:

  • разработке предложенного способа сжигания топлив;
  • выполнении расчётно-теоретических и экспериментальных исследований;
  • проведении анализа и обобщении результатов численных и натурных экспериментов;
  • разработке практических рекомендаций по внедрению сжигания топлив с умеренным контролируемым недожогом на газомазутных и пылеугольных котлах.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на:

  1. XIV-XVI Международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»; МЭИ, Москва, 2008 - 2010 г.
  2. XXXVII неделе науки СПБГПУ «Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов»; Санкт-Петербург, 2008.
  3. На заседаниях кафедры Парогенераторостроения МЭИ (ТУ), 2009 и 2010 г.

По результатам выполненных исследований опубликованы 3 статьи и 4 доклада на научных конференциях.

Автор защищает результаты теоретических и экспериментальных исследований, их обобщение и практические рекомендации по внедрению сжиганию топлив с умеренным контролируемым недожогом.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы, включающего 122 наименования. Общий объём диссертации составляет 154 страницы. Работа содержит 63 рисунка и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации говорится об актуальности работы, дана общая характеристика исследуемых проблем, сформулированы задачи и цели, дано краткое описание работы.

В первой главе приведен обзор литературных источников, посвященных механизмам образования оксидов азота в топках котлов. Произведено описание характерных особенностей традиционного сжигания топлив, вызывающих повышенное образование NOx. Показаны проблемы снижения выбросов оксидов азота в котлах, заканчивающих вырабатывать свой парковый ресурс.

Выполнен обзор различных технологических способов снижения выбросов оксидов азота. Отмечено, что внедрение внутритопочных мероприятий по снижению NOx на старых котлах может привести к снижению КПД котла за счёт повышения температуры уходящих газов и повышению содержания продуктов химического и механического недожога топлива. Вместе с этим возможно снижение надёжности работы поверхностей работы котла, вызванное повышением температуры на выходе из топочной камеры, которое происходит за счёт затягивания процесса горения топлива.

Приведены результаты внедрения отдельных мероприятий на различных котлах. Показано, что эффективность одних и тех же мероприятий для разных котлов может заметно отличаться. Отмечено, что наиболее привлекательными для ТЭС, в сложившейся экономической ситуации, являются малозатратные воздухоохранные мероприятия.

В конце главы дается постановка задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке способа сжигания топлив с умеренным недожогом и проведения комплексных экспериментальных исследований, включающих в себя определение взаимосвязи оксидов азота с продуктами недожога топлив на натурном оборудовании и определения влияния способа сжигания на экологическую безопасность работы котла.

В работе производились исследования сжигания топлив с умеренным недожогом на различных паровых котлах паропроизводительностью от 75 до 500 т/ч БКЗ-75-3,9ГМ, ЦКТИ-75-3,9, ТП-150, ТГМ-84Б, ТПЕ-430, ТГМ-96Б и водогрейных котлах КВГМ-180-150 и ПТВМ-100 при сжигании природного газа. Исследования способа сжигания жидкого топлива с умеренным химическим недожогом проводились на котлах БКЗ-75-3,9ГМ, ЦКТИ-75-3,9 и ТПЕ-430. Сжигание твёрдого топлива с химическим недожогом осуществлялось на котле ЦКТИ-75-3,9. Для корректного сравнения результатов экспериментов в данной работе концентрации измеренных веществ приводились к стандартным условиям в пересчете на сухие газы: температура 0 С, давление 101,3 кПа и избыток воздуха в газах =1,4.

Реализация способа сжигания топлив с умеренным недожогом является логическим продолжением способа сжигания с малыми избытками воздуха и реализуется путем снижения количества организованно подаваемого воздуха в топку. Как известно, с уменьшением количества кислорода в факеле происходит подавление образования термических и топливных оксидов азота. По этой же причине будет наблюдаться рост концентраций продуктов химического недожога.

Уменьшение избытка воздуха одновременно сопровождается снижением потерь теплоты с уходящими газами q2 и увеличением потерь теплоты с химическим q3 и механическим q4 недожогом. В результате КПД котла в зависимости от уровня недожога может увеличиваться или уменьшаться.

Известно, что концентрации различных примесей в продуктах сгорания самым тесным образом связаны между собой. Изменение режима сжигания топлив приводит к увеличению содержания одних примесей при одновременном снижении эмиссии других. На рис. 1 приводится результаты практических внедрений сжигания топлив с химическим недожогом на работающем оборудовании при сжигании различных видов топлива. Представленные данные показывают устойчивое снижение концентрации оксидов азота в уходящих газах котлов при снижении коэффициента избытка воздуха.





Степень снижения оксидов азота NOx, % определялась следующим образом:

, (2.1)

где начальная концентрация оксидов азота в продуктах сгорания, мг/м3; концентрация оксидов азота после внедрения способа снижения оксидов азота, мг/м3.

Для каждого из исследованных котлов NOx была различной. В большинстве случаев при снижении избытка воздуха от режимных (по режимной карте) реж до критических значений кр (избытка воздуха, при котором появляется химический недожог, т.е. начинает наблюдаться СО в продуктах сгорания) NOx составляет 1020%. Дополнительное уменьшение , при котором концентрация СО в продуктах сгорания повышается до 300 мг/м3, что допускается ГОСТ Р 50831-95 (см. рис. 1) даёт дополнительное снижение выхода NOx ещё на 1020%. Для большинства котлов итоговое снижение концентрации оксидов азота лежит в пределах 2040%. Последнее зависит от множества факторов: коэффициента избытка воздуха, при котором осуществлялось сжигание топлива, технического состояния котла, теплонапряжения топочного сечения qF, нагрузки котла и многого другого.

Значительное снижение эмиссии NOx (до 65%) при сжигании природного газа с умеренным недожогом на котле ТПЕ-430 (см. рис. 1б), скорее всего, связано со значительными колебаниями нагрузки котла. Во время проведения испытания она изменялась в пределах 30 т/ч, что составляет значительную величину.

Общим для всех приведенных случаев является наличие продуктов химического недожога, контролируемых по концентрации СО в дымовых газах. Поэтому в качестве одного из показателей эффективности метода можно принять концентрацию СО в уходящих газах котла. Изучение влияния продуктов химнедожога топлив на концентрацию оксидов азота происходило путем рассмотрения взаимосвязи концентраций NOx и СО, представленной на рис. 1 для исследованных котлов.

Рис.1. Зависимость эмиссии оксидов азота и монооксида углерода от коэффициента
избытка воздуха: а котёл БКЗ-75-3,9ГМ (станц. №14 ТЭЦ ЧМЗ г. Глазова) при
сжигании природного газа, D=75 т/ч; б котёл ТПЕ-430 (Е-500-140-560КТ) при
сжигании природного газа, D=390-420 т/ч; в котёл ТГМ-96Б (Е-480-13,8-560ГМ)
при сжигании природного газа, D=485 т/ч; г1 котёл ЦКТИ-75-3,9 при сжигании
каменного угля, D=73 т/ч

Из приведенных зависимостей NOx=f(СО) видно, что основное снижение концентрации оксидов азота происходит при умеренном недожоге при уровне концентраций СО в уходящих газах до 100 мг/м3. С появлением продуктов недожога в дымовых газах влияние СО на NOx претерпевает значительные изменения. С ростом концентрации СО в дымовых газах можно заметить тенденцию к последующему уменьшению NOx.

Как известно, СО не является единственным продуктом неполного горения топлива. В дымовых газах котлов могут присутствовать и другие вредные для человека и окружающей среды продукты недожога топлива. К ним относится довольно большая группа, состоящая из полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) – веществ, которые обладают канцерогенной и мутагенной активностью. Ниже проводится исследование содержания этих веществ в дымовых газах при сжигании топлив с химическим недожогом, которые контролируются по содержанию бенз(а)пирена БП, принадлежащего к I классу опасности.

Часто из-за сложностей инструментальных измерений БП о его содержании на практике косвенно пытаются судить по концентрациям оксида углерода СО, поскольку оба вещества являются продуктами химического недожога топлива. Считается, что при отсутствии СО (или его незначительной концентрации в пределах 10 мг/м3) в уходящих газах котлов содержание БП в них пренебрежимо мало. В этой связи, необходимо убедиться в том, что при сжигании топлив с умеренным недожогом при концентрации СО в уходящих газах до 300-400 мг/м3 не произойдёт резкого увеличения концентрации вредных ПАУ.

Результаты экспериментальных исследований влияния сжигания топлива с умеренным недожогом на концентрацию бенз(а)пирена в уходящих газах котла ЦКТИ-75-3,9 приведены на рис. 1г при сжигании каменного кузнецкого угля. В целом, эти результаты повторяют полученные данные при сжигании с умеренным недожогом природного газа и мазута.

Результаты экспериментов показали отсутствие прямой зависимости между выходом СО и БП (рис. 2). При росте концентрации монооксида углерода в продуктах сгорания рост концентрации бенз(а)пирена происходит нелинейно. При начальном росте концентрации СО в уходящих газах от 0 до 20-30 мг/м3 наблюдается скачкообразное увеличение выхода БП. После этого рост концентрации БП в продуктах сгорания замедляется и становится незначительным. И в определённом диапазоне значений концентраций СО (до 300-400 мг/м3) в уходящих газах содержание БП остаётся примерно на одном уровне, который зависит от вида сжигаемого топлива и конструктивных особенностей котла.

Результаты исследований зависимости NOx от БП, проводившихся при сжигании мазута на котле ЦКТИ-75-3,9 приводятся на рис. 3. Из результатов исследований видно, что основное снижение эмиссии оксидов азота до 250 мг/м3 (около 45%) происходит при значении концентрации БП в уходящих газах меньше чем 15 нг/м3. При этом концентрация монооксида углерода не превышает 20-50 мг/м3.

В результате проведённых экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что реализация на котлах способа сжигания топлив с умеренным недожогом, при которых концентрация СО в уходящих газах котла находится в пределах, установленных ГОСТ Р 50831-95, не вызывает существенного роста концентрации бенз(а)пирена. При этом концентрация БП находится на уровне ниже 100 нг/м3. Это подтверждают результаты, полученные при исследованиях сжигания топлив в пределах умеренного недожога (см. рис. 1г и 3). Из них видно, что основное снижение NOx происходит при незначительном росте концентрации БП.

Рис.2. Зависимость концентрации БП от СО в сечении РВЭ котлаТПЕ-430
(Е-500-140-560КТ) при сжигании природного газа, D=365-375 т/ч

Рис.3. Зависимость концентрации NOx от БП в уходящих газах ЦКТИ-75-3,9 при сжигании мазута, D=75 т/ч



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.