CC BY
22
© М.С. Иваницкий УДК 621.311.22
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО УРОВНЯ В ЗОНЕ АКТИВНОГО ГОРЕНИЯ НА СОДЕРЖАНИЕ ОКСИДОВ АЗОТА И БЕНЗ(А)ПИРЕНА В ПРОДУКТАХ СГОРАНИЯ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ. ЧАСТЬ 1. СЖИГАНИЕ КРЕКИНГ-МАЗУТА В ПАРОВОМ КОТЛЕ БКЗ-420-140 НГМ
М.С. Иваницкий
Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Волжском, Россия
mseiv@yandex. гы
Резюме: В статье представлены результаты численного моделирования влияния температурного уровня в зоне активного горения на содержание оксидов азота и бенз(а)пирена в продуктах сгорания крекинг-мазута для котла БКЗ-420-140 НГМ, работающего под наддувом. Получены важные характеристики топочного процесса для регулирования удельного выхода токсичных веществ в дымовых газах. Обработка полученных результатов моделирования позволила получить новые математические соотношения для расчета концентрации бенз(а)пирена в уходящих газах косвенным способом на основе содержания оксидов азота в продуктах сгорания. Разработанные математические соотношения могут применяться в практике проведения пуско-наладочных мероприятий для настройки режимов работы котельных установок с минимальными выбросами вредных соединений в атмосферу.
Ключевые слова: крекинг-мазут, системы теплоснабжения, выбросы бенз(а)пирена.
MODELING THE IMPACT OF TEMPERATURE LEVEL IN THE ZONE OF ACTIVE COMBUSTION IN THE CONTENTS OF NITROGEN OXIDES AND BENZ(A)PYRENE IN THE COMBUSTION PRODUCTS OF BOILER PLANTS HEATING SYSTEMS. PART 1. BURNING CRACKED FUEL OIL IN A STEAM BOILER BKZ-420-140 NGM
M.S. Ivanitskiy
Volzhsky Branch of the National Research University «Moscow Power Engineering Institute», Russia
mseiv@yandex. ru
Abstract: The article presents the results of numerical simulation of the influence of the temperature level in the zone of active combustion in the contents of nitrogen oxides and benz(a)pyrene in the combustion products of cracking offuel oil for the boiler BKZ-420-140 NGM operating under boost. Obtained important characteristics of the combustion process for regulation of the specific release of toxic substances in flue gases. Processing of the obtained simulation results allowed us to obtain new mathematical correlations to calculate the concentration of benz(a)pyrene in exhaust gases in an indirect way based on the content of nitrogen oxides in the combustion products. Developed mathematical relationships can be used in the practice of commissioning actions for configuration of operating modes of boiler plants with minimal emissions of harmful compounds into the atmosphere.
Key words: cracked fuel oil, district heating system, the emissions of benz(a)pyrene.
Введение
В условиях сжигания органического топлива в котлах на тепловых электрических станциях (ТЭС) образуются токсичные продукты сгорания. Известно, что основными марками используемых мазутов на отечественных станциях являются топочные продукты М40 и М100. В последнее время для снижения финансовых издержек производства тепловой и электрической энергии генерирующие компании стремятся снизить расход топлива. Одним из возможных вариантов сбережения является применение более калорийного и дешевого топлива. Приведенный вариант характеризуется непроектным и требует дополнительного обоснования в части обеспечения заданных режимных параметров, экологических показателей работы и предельно допустимых концентраций (ПДК) токсичных соединений в воздухе атмосферы при рассеивании выбросов котельных установок [1-4].
Улучшение топочного процесса в газомазутных котлах организуется использованием малоэмиссионных форсунок и горелочных устройств, регулированием вредных выбросов технологическими первичными мероприятиями, основанными на оптимизации подачи вторичного, третичного воздуха, газов рециркуляции, нестехиометрического горения топлива [5-7]. Данные о влиянии температурных параметров на концентрацию бенз(а)пирена (БП) в уходящих газах энергетических котлов практически отсутствуют, что обуславливает актуальность настоящего исследования.
Для определения возможности использования крекинг-мазута на электростанции с учетом снижения уровня выбросов оксидов азота (N02) и полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), представленных бенз(а)пиреном, в атмосферу выполнено моделирование режимов загрузки газомазутного котла БКЗ-420-140 НГМ Волжской ТЭЦ-2 Волжского производственного подразделения ООО «ЛУКОЙЛ-Волгоградэнерго».
Численное исследование и моделирование
Концентрация оксидов азота, -3
рассчитывалась по выражению [8]
NOM, г/м3
в продуктах сгорания мазута
NOM = 2,05 х 10-3 Kr
24,3 х exp
ТЗаг -1650 0,19 х заг
100
-12,3
exP (Сгр )-1
^15,1-131,7(азаг -1,09)4 +72,3(азаг -1,09)3 +73,0(азаг -1,09)2 + 2,8(азаг -1,09))хтзаг +
+дда™л
(1)
где Кг - коэффициент, характеризующий конструкцию горелочного устройства; Тзаг - среднеинтегральная температура продуктов сгорания в зоне активного горения (ЗАГ), К; д^аТ' — отраженный тепловой поток в ЗАГ, МВт/м2; а - коэффициент избытка
воздуха; тзаг — время пребывания продуктов сгорания в ЗАГ; ДК02 учитывающее количество топливных оксидов азота.
тпл
- слагаемое,
X
Температура на выходе из зоны активного горения Тзаг, К, находилась методом последовательных приближений по уточненному выражению [9]:
^заг =-^-Г^ , (1)
-о
1+МБй0,3
С0^е тТад
ФВр (Кс)Г
или в безразмерной форме:
0"1 = МВй0'3
Бо
0,6
+ 1 , (2)
где Тад - адиабатическая температура горения крекинг-мазута, К; М — параметр,
учитывающий влияние на интенсивность теплообмена относительного уровня расположения горелок, степени забалластированности топочных газов; Би — эффективное
значение критерия поглощательной способности Бугера; Со = 5,67 х10-11 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, кВт/(м2К4); - произведение коэффициента эффективности экранов на суммарную поверхность, ограничивающую ЗАГ, м2; 8т -коэффициент теплового излучения топки в ЗАГ; ф - коэффициент сохранения тепла; Вр -
расчетный расход топлива, кг/с; (Ро)г - суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг
топлива, МДж/(кг-0С); 0 — безразмерная температура уходящих газов на выходе из топки; Бо - критерий радиационного теплообмена Больцмана.
Горючие характеристики крекинг-мазута, соответствующие СТО 001 48599-0232010, равны: W=3,0%, А=0,3%, 8=1,2%, С=81,2%, Н=11,1%, 0+М=3,2%, теплотворная способность топлива 41,22 МДж/кг.
В процессе моделирования рассмотрены различные нагрузки котла с реализацией режимно-технологических мероприятий по ограничению выбросов N02 и БП посредством использования рециркуляции продуктов сгорания и подвода пара в топочную камеру котла. Определение концентраций N02 и БП в уходящих газах котлоагрегата выполнялось в соответствии с нормативными документами [8, 10]. Расчетные значения удельного выхода оксидов азота и БП в дымовых газах котла БКЗ-420-140 НГМ представлены в табл. 1. Показатели, приведенные в табл. 1 через дробь рассчитывались в условиях использования доли газов рециркуляции Я=10 %, степени парового распыла §=0.
Полученные результаты, представленные в табл.1 , характеризовали значимую степень воздействия рециркуляции продуктов сгорания и парового распыла мазута. Для режима работы котла с а = 1,06, концентрация N02 в уходящих газах снизилась на
33,4 %, при дальнейшем росте до а = 1,15 общая степень уменьшения выхода оксидов азота составила 32%.
На рис. 1 -4 показаны результаты моделирования режимных характеристик топочного процесса парового котла БКЗ-420-140 НГМ для параметров степени рециркуляции газов Я = 0-10 %, паротопливного соотношения g = 0 - 0,05, коэффициента избытка воздуха в топке а = 1,01-1,15, относительной паровой нагрузки О = 0,5 —1,0, что в абсолютных значениях составляет от 210 до 420 т/ч.
Таблица 1
Удельный выход N0 и БП в дымовых газах парового котла БКЗ-420-140 НГМ в условиях доли газов рециркуляции Д=10 % и парового распыла g = 0,03
Параметр / тип котла Газомазутный, под наддувом
Коэффициент избытка воздуха, а 1,04 1,06 1,08 1,10 1,12 1,15
Объем мокрых продуктов сгорания, м3 / кг 11,55/ 9,94 11,75/ 10,13 11,96/ 10,34 12,15/ 10,54 12,36/ 10,75 12,66/ 10,95
Концентрация N0 в уходящих газах, мг/м3 284/ 428 269/ 404 256/ 382 245/ 363 234/ 346 221/ 325
Удельный выход N0, 2, мг/МДж 1,220/ 1,855 1,180/ 1,778 1,140/ 1,712 1,110/ 1,655 1,090/ 1,605 1,050/ 1,543
Концентрация БП в уходящих газах, мкг/м3 0,382/ 0,202 0,231/ 0,159 0,141/ 0,097 0,085/ 0,059 0,052/ 0,036 0,024/ 0,017
Удельный выход БП, ^ , (104), 11,490 7,212 4,519 2,828 1,769 0,873
нг/МДж
Среднеинтегральная температура в зоне активного горения, т , К заг 1767/ 1961 1745/ 1933 1723/ 1906 1702/ 1879 1682/ 1854 1652/ 1817
Адиабатическая температура горения крекинг-мазута, Т , К 2034/ 2257 2008/ 2225 1983/ 2193 1959/ 2163 1935/ 2133 1902/ 2091
Время пребывания газов в топке, т , с заг 1,192/ 1,074 1,187/ 1,072 1,182/ 1,069 1,178/ 1,067 1,173/ 1,065 1,166/ 1,061
Обсуждение результатов
На рис. 1 показана зависимость удельного выхода БП в уходящих газах котла БКЗ-420-140 НГМ от времени пребывания газов в топочном устройстве.
Анализ рис. 1 показал, что для исследуемых условий горения крекинг-мазута в
результате увеличения тзаг от 1,073 до 2,146 с выход БП в продуктах сгорания снизился на 27,8 % и равен 6,576 10-4 нг/МДж.
Обработка полученных результатов позволила аппроксимировать графическую зависимость КБп = / (т заг), приведенную на рис. 1, степенной функцией с коэффициентом
корреляции Я2 = 1 вида
Кбп =9,414тз£г47 . (3)
Рост Тзаг в топке котла способствовал уменьшению содержания БП в уходящих
газах на 0,55 %. Максимальный отраженный тепловой поток в ЗАГ ^¡ш? составил 0,287 МВт/м2, для номинального режима работы котла, в условиях нагрузки котлоагрегата, равной б = 0,5 , не более 0,144 МВт/м2.
Время пребывания газов в топке, с Рис. 1. Зависимость изменения удельного выхода БП от времени пребывания газов в топке котла БКЗ-420-140 НГМ для переменных режимов работы в диапазоне нагрузки от 0,5В до Б .
Расчеты показали, что максимальная приземная концентрация БП в воздухе атмосферы составляет не более 19 нг/м3, что значительно превышает ПДК, установленную на уровне 1 нг/м3.
График влияния среднеинтегральной температуры в ЗАГ на содержание БП в продуктах сгорания крекинг-мазута в условиях к = 10%, § = 0,03 показан на рис. 2.
Повышение температуры от 1652 до 1767 К приводило к увеличению концентрации БП в уходящих газах на 93,7%, что в абсолютных величинах роста составило от 0,024 до 0,382 мкг/м3. При этом в случае сгорания топлива без применения рециркуляции продуктов сгорания и парового распыла мазута содержание БП в дымовых газах увеличивалось от 0,017 до 0,202 мкг/м3, что для условий сжигания с а = 1,15, характеризовалось снижением выхода всей группы ПАУ, включая БП, в 1,89 раза (табл. 1).
I температур
Рис. 2. Влияние среднеинтегральной температуры в ЗАГ на концентрацию БП в уходящих
газах при Д=10 %, g = 0,03
По результатам обработки полученных результатов моделирования топочных характеристик графическая зависимость Сбп = f (Тзаг), показаная на рис. 1,
аппроксимирована полиномом 3-ей степени с коэффициентом корреляции Я2 = 0,999 вида
СБП = 2х10"7Тз3аг -0,001Тз2аг +1,827Тзаг -1014 .
(4)
Отметим, что при снижении коэффициента избытка воздуха в топке до значений, близких к стехиометрическому горению, концентрация БП и N02 существенно возрастает.
Максимальное содержание БП для режимных условий Я = 10%, g = 0,05, а = 1,01 составило 713 нг/м3 (табл. 2.).
Таблица 2
Удельный выход N0, и БП в уходящих газах парового котла БКЗ-420-140 НГМ в условиях Я=10 %, g=0,05
Параметр / тип котла Газомазутный, под наддувом
Коэффициент избытка воздуха, а 1,00 1,01 1,02 1,03
Объем сухих продуктов сгорания, м3 / кг 9,53 9,63 9,73 9,83
Концентрация N0 в уходящих 489 472 456 442
газах, мг/м3
Удельный выход N0, Кш, 2,043 1,991 1,943 1,897
мг/МДж
Концентрация БП в уходящих газах, СБП, мкг/м3 0,713 0,555 0,432 0,337
Удельный выход БП, КБП, (104), 2,912 2,309 1,811 1,451
нг/МДж
Среднеинтегральная температура в 2021 2005 1990 1976
зоне активного горения, Т , К
Адиабатическая температура горения крекинг-мазута, Т , К 2325 2308 2291 2274
Время пребывания газов в топке, т , с заг ' 1,079 1,078 1,076 1,075
Выявлено, что в приведенных условиях моделирования характеристик топочной камеры время пребывания продуктов сгорания в ЗАГ изменилось в пределах от 1,061 до 1,079 с. Для режимов стехиометрического горения а «1 время пребывания газов в топке практически постоянное, причем концентрация БП изменилась от 337 до 555 нг/м3, содержание N02 в уходящих газах в процессе роста тзаг повысилось на 9,6 % (табл. 2.).
На рис. 3 показана зависимость удельного выхода БП от удельного содержания N02 в уходящих газах котла БКЗ-420-140 НГМ. Установлена нелинейная взаимосвязь удельных выбросов Кбп = /(Кздэ2). Приведенная характеристика процесса сжигания крекинг-
мазута может быть использована в условиях проведения промышленных пуско-наладочных
мероприятии и для настроики режимов горения в котельных установках с низкими выбросами токсичных соединении.
Анализ рис. 3 показал, что в условиях повышения удельного выхода N02 содержание БП в дымовых газах возросло на 23,9 %. Таким образом, увеличение выхода оксидов азота на 1% способствовало возрастанию содержания БП в уходящих газах на 0,52 %.
Графическая зависимость = f (К^02), показанная на рис. 3, аппроксимирована
2
полиномом 2-ой степени с коэффициентом корреляции Я = 1 вида
КБП = -0,6зКо2 + 4,299%03 + 3,314 .
(5)
Удельнын выход 1
Рис. 3. Зависимость удельного выхода БП от удельного содержания N02 в уходящих газах котла БКЗ-420-140 НГМ при Я=0 %, я=0,03, а=1,05, Тзаг=1947 К
График зависимости удельного содержания N02 от адиабатической температуры горения крекинг-мазута в ЗАГ для параметров Я = 0%, g = 0 показан на рис. 4.
Адиабатическая температура горения крекинг-] Рис. 4. Удельный выход N0 в зависимости от адиабатической температуры в ЗАГ при
Я=0 %, §=0 62
Увеличение адиабатической температуры в ЗАГ от 2091 до 2257 К характеризовало повышение удельного выхода NO2 от 1,543 до 1,855 мг/МДж, что в концентрационном выражении составило рост от 325 до 428 мг/м3. Вследствие того, что конверсионные процессы, связанные с догоранием NO2, заканчиваются в топочной камере, концентрация оксидов азота в продуктах сгорания для приведенных режимов работы котла превышает нормативный удельный выброс, соответствующий 250 мг/м3.
Выводы
В условиях моделирования топочного процесса горения крекинг-мазута в котле БКЗ-420-140 НГМ получены важные характеристики зоны активного горения для управления технологическим процессом генерирования электрической и тепловой энергии с минимальным выходом NO2 и БП. Выявлено, что в результате стехиометрического сжигания крекинг-мазута среднеинтегральная температура дымовых газов в ЗАГ топочной камеры достигает значений более 2000 К, что позволяет находить существенные резервы в сокращении выхода всей группы ПАУ, включая БП.
Определена степень воздействия доли газов рециркулирующих газов и парового распыла крекинг-мазута на повышение интенсивности образования БП в диапазоне изменения относительной паровой нагрузки котла D = 0,5-1,0.
Установлена взаимосвязь между удельными выходами БП и NO2 в продуктах сгорания крекинг-мазута, получены математические зависимости для определения удельного выхода БП от времени пребывания газов, концентрации БП от среднеинтегральной температуры в ЗАГ топки котла БКЗ-420-140 НГМ.
Литература
1. Липов Ю.М., Самойлов Ю.Ф., Виленский Т.В. Компоновка и тепловой расчет парового котла: Учебное пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1988. 298 с.
2. Иваницкий М.С., Грига А.Д., Фокин В.М. и др. Физико-химические процессы механизмов образования бенз(а)пирена при сжигании углеводородного топлива // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. 2012. №27(46). С. 28 - 33.
3. Иваницкий М.С., Грига А.Д., Грига С.А. и др. Построение модели для определения концентрации бенз(а)пирена при сжигании углеводородного топлива в котельных установках систем теплоснабжения // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. 2012. №28(47). С.143 - 150.
4. Иваницкий М.С., Грига А.Д. Определение концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах котельных установок и способ автоматического регулирования процесса горения // Энергосбережение и водоподготовка. 2013. №3(83). С. 52 - 56.
5. Зройчиков Н.А., Лысков М.Г., Прохоров В.Б. и др. Оптимизация режимов сжигания мазута в топках котлов большой мощности // Теплоэнергетика. 2007. №6. С. 23 - 26.
6. Таймаров М.А., Егоров В.А. Исследование схем сжигания мазута на котле ТГМ-84Б с использованием механических форсунок // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15, № 10. С. 96 - 97.
7. Таймаров М.А., Кувшинов Н.Е., Чикляев Д.Е. и др. Регулирование выбросов окислов азота при сжигании мазута в котлах // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2016. № 3-4. С. 40 - 44.
8. РД 153-34. 02. 304-2003. Методические указания по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов тепловых электростанций. М.: ОАО «ВТИ», 2003.
9. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод)/ Издание третье, переработанное и дополненное. Санкт-Петербург, 1998. 257 с.
10. РД 153-34. 1-02. 316-2003. Методика расчета выбросов бенз(а)пирена в атмосферу паровыми котлами электростанций. М.: ОАО «ВТИ», 2003.
Автор публикации
Иваницкий Максим Сергеевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника» филиала «Национального исследовательского университета «МЭИ» в г. Волжском. E-mail: mseiv@yandex.ru.
References
1. Lipov Ju.M., Samojlov Ju.F., Vilenskij T.V. Komponovka i teplovoj raschet parovogo kotla. Uchebnoe posobie dlja vuzov. M.: Jenergoatomizdat, 1988. 298 s.: il.
2. Ivanickij M.S., Griga A.D., Fokin V.M. i dr. Fiziko-himicheskie processy mehanizmov obrazovanija benz(a)pirena pri szhiganii uglevodorodnogo topliva // Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2012. №27(46). S. 28 - 33.
3. Ivanickij M.S., Griga A.D., Griga S.A. i dr. Postroenie modeli dlja opredelenija koncentracii benz(a)pirena pri szhiganii uglevodorodnogo topliva v kotel'nyh ustanovkah sistem teplosnabzhenija // Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2012. №28(47). S. 143 - 150.
4. Ivanickij M.S., Griga A.D. Opredelenie koncentracii benz(a)pirena v dymovyh gazah kotel'nyh ustanovok i sposob avtomaticheskogo regulirovanija processa gorenija // Jenergosberezhenie i vodopodgotovka. 2013. №3(83). S. 52 - 56.
5. Zrojchikov N.A., Lyskov M.G., Prohorov V.B. i dr. Optimizacija rezhimov szhiganija mazuta v topkah kotlov bol'shoj moshhnosti // Teplojenergetika. 2007. №6. S. 23 - 26.
6. Tajmarov M.A., Egorov V.A. Issledovanie shem szhiganija mazuta na kotle TGM-84B s ispol'zovaniem mehanicheskih forsunok // Vestnik Kazanskogo tehnologicheskogo universiteta. 2012. T. 15, № 10. S. 96 - 97.
7. Tajmarov M.A., Kuvshinov N.E., Chikljaev D.E. i dr. Regulirovanie vybrosov okislov azota pri szhiganii mazuta v kotlah // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Problemy jenergetiki. 2016. № 3 - 4. S. 40 - 44.
8. RD 153-34. 02. 304-2003. Metodicheskie ukazanija po raschetu vybrosov oksidov azota s dymovymi gazami kotlov teplovyh jelektrostancij. M.: OAO «VTI». 2003.
9. Teplovoj raschet kotlov (Normativnyj metod). Izdanie tret'e, pererabotannoe i dopolnennoe. Sankt-Peterburg, 1998. 257 s.
10. RD 153-34. 1-02. 316-2003. Metodika rascheta vybrosov benz(a)pirena v atmosferu parovymi kotlami jelektrostancij. M.: OAO «VTI». 2003.
Author of the publication
Ivanitskiy Maxim Sergeevich - Cand. Sci. (Techn.), Assoc. prof. of the department «Heat and power engineering and thermal engineering» (HPETE), Branch of the National Research University «Moscow Power Engineering Institute» (MPEI).
Поступила в редакцию 03 июля 2017 г.
