CC BY
128
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: строительство
Экологическая безопасность строительства
DOI.org/10.5281/zenodo.897002 УДК 621.18
А.В. Лесных, Д.А. Пазников
ЛЕСНЫХ АНДРЕЙ ВИКТОРОВИЧ - старший преподаватель кафедры теплоэнергетики и теплотехники Инженерной школы, e-mail: lesnykh.av@dvfu.ru Дальневосточный федеральный университет Суханова ул., 8, Владивосток, 690091
ПАЗНИКОВ ДЕНИС АЛЕКСАНДРОВИЧ - заместитель главного инженера по эксплуатации Владивостокской ТЭЦ-2, e-mail: paznikov-da@dvgk.rao-esv.ru Фадеева ул., 47, Владивосток, 690034
Анализ экологического эффекта
перевода Владивостокской ТЭЦ-2 на сжигание природного газа
Аннотация: Зачастую экологическую нагрузку энергетических объектов на окружающую среду удается снизить переводом станций на сжигание более экологически чистого топлива, например природного газа. На примере Владивостокской ТЭЦ-2, частично переведенной на сжигание природного газа в связи с проведением саммита АТЭС-2012, рассмотрены конструкция и технико-экономические показатели работы котла паропроизводительностью 210 т/ч до и после реконструкции (перевод с твердого на газообразное топливо). Реконструкцией удалось снизить выбросы газообразных вредных веществ в атмосферу в среднем в 2,5-4 раза. Из всех вредных выбросов выделяются оксиды азота в связи с тем, что при горении окисляется в первую очередь азот воздуха. Анализ созданной математической модели показал наилучшие режимы эксплуатации котлов, переведенных на газообразное топливо. Выявлены зоны образования оксидов азота, показана динамика их изменения на различных режимах работы горелок котла. На некоторых режимах удается добиться снижения выбросов оксидов азота практически в 2 раза за счет перераспределения воздуха между горелками и соплами третичного дутья. Предложены некоторые варианты подавления оксидов азота при горении.
Ключевые слова: горелочные устройства, котлы, выбросы оксидов азота, экология.
Состояние котельного оборудования до перевода на природный газ
Анализируя влияние работы ТЭК на окружающую среду и на человека, Б.А. Ревич показывает снижение экологической нагрузки в некоторых регионах России и ЕС за счет перевода пыле-угольных станций на сжигание природного газа [6]. В работе [2] также рассматривается экологический эффект перевода котельного оборудования г. Набережные Челны на сжигание природного газа, который показывает практически двукратное сокращение вредных выбросов. Стоит отметить, что количество вредных выбросов после реконструкции переводом на природный газ изменяется в меньшую сторону, но на разные величины. Немаловажную роль при этом играет применяемая технология реконструкции.
При эксплуатации котельного оборудования атмосфера загрязняется веществами различных классов опасности. Наиболее опасными являются оксиды азота и серы, содержащиеся в уходящих газах котельных установок, они весьма токсичны, кроме того, при взаимодействии с влагой
© Лесных А.В., Пазников Д.А., 2017
О статье: поступила: 05.07.2017; финансирование: бюджет ДВФУ.
воздуха образуют кислоты, которые разрушают инженерные сооружения, вредят сельскому хозяйству и живым организмам. Для каждого из выбрасываемых вредных веществ должно соблюдаться условие по токсичной кратности С/ПДК < 1, где С - приземная концентрация вредного вещества,
3 .....
мг/м (данные о ПДК различных загрязняющих веществ приведены в [3]).
Наибольшее количество выбросов наблюдается на тепловых электрических станциях, работающих на твердом топливе [1]. Например, Владивостокская ТЭЦ-2, по данным экологических служб, при работе на буром угле за год выделяет в окружающую среду следующее количество загрязняющих веществ: оксиды азота NOx - 1594,6-1836,5 т/г; оксиды серы SOx - 1094,5-1260,6 т/г; сажистые частицы - 156,9-172,6 т/г; бензапирен С20Н12 - 0,019-0,02 т/г; оксид углерода ТО -19352,1-22287,8 т/г; неорганическая пыль - 13464,6-15507,13 т/г.
Котельное оборудование спроектировано для сжигания местных низкосортных бурых углей ((=9130 кДж/кг; ^г=19,6%; ^"=41,5%; Р^=58%). В процессе выработки пластов топлива качество поставляемого угля постоянно ухудшалось, содержание внешнего балласта топлива составило 52-58% от рабочей массы топлива. Каждый из 14 установленных на электростанции барабанных котлов БКЗ 210-140 (Е-210-13,8-565 БТ) оборудован системой прямого вдувания с молотковыми мельницами. Котлы вертикальные, водотрубные П-образной компоновки, топочная камера с твердым шлакоудалением. Топка оборудована четырьмя прямоточными пылеугольными горелками, расположенными тангенциально. Пароперегреватель котла радиационно-конвективного типа. Регулирование температуры перегрева пара осуществляется впрыском питательной воды и собственного конденсата. Водяной экономайзер и трубчатый воздухоподогреватель расположены в опускном конвективном газоходе в рассечку по две ступени (рис. 1). Как известно, природный газ является наиболее экологически чистым видом органического топлива. Реконструкция переводом на сжигание природного газа подразумевает большие капиталовложения. Удаленность же станций от магистральных газопроводов делает это мероприятие невозможным. В связи с проведением саммита АТЭС-2012 во Владивостоке все крупные энергоисточники города были переведены на сжигание природного газа.
Рис 1. Общий вид котлов, установленных на ВТЭЦ-2.
Эффективность перевода Владивостокской ТЭЦ-2 на сжигание природного газа
В результате реконструкции топочная камера была оснащена шестью газомазутными вихревыми горелками, расположенными встречно (на боковых стенах топки) треугольником с вершиной, направленной вниз. Четыре щелевые пылеугольные тангенциальные горелки демонтированы. В конструкцию топки добавлены по два воздушных сопла третичного дутья над горелками, расположенными на боковых стенах. В реконструируемой топочной камере задняя стена топки в верхней части образует аэродинамический выступ. В связи с этим организуется система подвесок задней стены топки для передачи весовых нагрузок на верхние коллекторы. Частично реконструирован потолочный пароперегреватель над топкой у фронтового экрана. Частично реконструированы каркасы топочных блоков в местах установки горелок (рис. 2).
Рис. 2. Общий вид топки котла после реконструкции.
После реконструкции, которую проводила Хабаровская энерготехнологическая компания совместно с авторами данной работы, на котле БКЗ 210-140 ст. № 7 осуществлялись режимно-наладочные мероприятия по общепринятой методике [5]; сравнительные данные работы котла см. в табл. 1.
Таблица 1
Результаты режимно-наладочных испытаний котла ст. № 7
Наименование Размерность Котел ст. № 7
До реконструкции После реконструкции
Диапазон нагрузок при испытаниях % 50-100 30-110
Избыток воздуха за котлом - 2,3-1,95 1,68-1,21
Температура уходящих газов оС 145-178 115-138
КПД, % % 89,4-87,6 94,1-92,8
Удельный расход условного топлива кг у.т/Гкал 159,7-163,08 151,8-153,9
Удельный объем дымовых газов тыс. м3/Гкал 5,08-4,86 1,94-2,8
Анализируя результаты испытаний, мы выявили следующее: избыток воздуха в уходящих газах снизился в среднем в полтора раза во всем диапазоне нагрузок, что способствовало снижению потерь тепла с уходящими газами. При работе на природном газе отсутствуют потери тепла с механическим недожогом и физическим теплом шлака. В среднем перевод на газообразное топливо способствовал повышению КПД котла на 5% и снижению удельного расхода условного топлива на 8 кг у.т/Гкал. Как иллюстрирует табл. 1, снизились и удельные объемы дымовых газов во
всем диапазоне нагрузок. При номинальной нагрузке удельный объем уходящих газов снизился
3 /,
с 4,86 тыс. до 2,8 тыс. м /Гкал, что наглядно демонстрирует не только тепловой эффект перевода, но и возможность сокращения удельных затрат электроэнергии.
Изменение количества и динамика вредных выбросов
На тепловых электрических станциях, как правило, проводится мониторинг за выбросом вредных веществ. На Владивостокской ТЭЦ-2 в 2007 г. была организованна экологическая служба, которой проводился мониторинг вредных выбросов с 2007 по 2014 г. На основании данных экологической службы ВТЭЦ-2 авторами проведен анализ изменения количества вредных выбросов и составлена диаграмма их динамики, приведенная на рис. 3.
Рис. 3. Динамика изменения различных вредных выбросов от Владивостокской ТЭЦ-2
с 2007 по 2014 г.
С 2007 по 2010 г. станция эксплуатировалась на бурых углях различных месторождений, обладающих разными тепловыми и качественными показателями. До 2010 г. наблюдается тенденция увеличения всех рассматриваемых вредных выбросов, что связано с увеличением в доли сжигаемого топлива низкосортных бурых углей (Q;r=9130 кДж/кг; ^r=19,6%; W=41,5%; Vdf=58%), и, соответственно, увеличение расхода топлива. С 2007 по 2010 г. выброс вредных веществ изменялся следующим образом: оксиды азота NOx увеличились на 241,9 т/г.; оксиды серы SOx - на 166 т/г.; сажистые частицы - на 23,8 т/г.; бензапирен С20Н12 - на 0,0028 т/г.; оксид углерода СО - на 2042,6 т/г.; неорганическая пыль - на 2935,7 т/г. В 2011 г. два котла были переведены на природный газ, о чем свидетельствует снижение всех вредных выбросов на 15%. К концу 2014 г. двенадцать из четырнадцати котлов были переведены на природный газ, и выбросы вредных веществ по итогам года сотавили: NOx - 858,6 т/г.; оксиды серы SOx - 301,2 т/г.; сажистые частицы - 24,85 т/г.; бензапирен С20Н12 - 0,011 т/г.; оксид углерода СО - 3183,6 т/г.; неорганическая пыль - 3824,12 т/г. После 2014 г. работы по реконструкции не проводились, и отделом ПТО Владивостокской ТЭЦ-2 подтверждается, что выбросы от станции в целом остаются примерно на одном уровне.
Численное исследование режимов горения с целью снижения эмиссии оксидов азота
В программном пакете Ansis на основе чертежей из проекта реконструкции котлов мы построили упрощенные твердотельные модели топки котла, горелок с газораздающими трубками и без них [4]. При разработке всех твердотельных моделей была использована вспомогательная геометрия для увеличения плотности сетки сеточной модели в тех местах, где это влияет на точность расчета. Часть вспомогательной геометрии была построена на основе тестовых расчетов. Задача решалась в стационарной постановке [7]. Течение потоков окислителя и топлива рассматривалось как однофазное. Рассматривалась смесь, состоящая из следующих газов: O2, N2, H2O, CH4, CO2. Эффекты турбулентности течения вводились с помощью модели RNG k-e. В качестве модели горения была выбрана Модель транспорта химических веществ (Species Transport). Учитывались объемные реакции с турбулентным смешиванием химических веществ. Для учета переноса тепла излучением была использована Модель дискретных ординат (Discrete Ordinates). При моделировании образования оксидов азота использовалось уравнение суммарных термических оксидов азота, включающая расширенную модель Зельдовича (1). Данные для моделирования и расчетов были заимствованы из [1].
(1)
/7Г1ЧГП1 38370 4680 450
—-] = (1.8 • 108 • /~[O][N2 ]) + (1.8 • 104 • T • i~[N][O2 ]) + (7.1107 • e~T[N] [OH]) -
dt
425 20280 24560
-(3.8 • 107 • e [NO] [N]) - (3.81103 • T • e~[NO] [O]) - (1.7 • 108 • e~~[NO] [H]) Введя условия стационарности, получаем (2):
f 425 20280 ^
(3.8-107 • e^) • (3.81 • 103 • T • e~~ )[NO]2
1 38370 4680
-[NO] s -— I 2-1.8-10s • e ^[N2]-1.8-104 • T• e"[O2], LO = 2T.8T08 • e [O][N2]^--, (2)
3.8•Ю7 • e T [NO]
1 +
38370 _450
24.8•108 • e ~[O2] + 7.1 •Ю7 • [OH]
У ^ ^ ^ " I- 2 ^
где все константы прямых реакций (+) и обратных (-) вычислены для реакций (3)-(5):
1) O - -N2 _ ^ N + NO;
2) N - bO2 _ ^ O + NO;
3) N - vOH <_ _ H + NO
(3)
(4)
(5)
В процессе моделирования для анализа рассматривались следующие варианты работы го-релочных устройств: в работе 4 горелки верхнего яруса без третичного дутья (режим 1), в работе 4 горелки верхнего яруса с третичным дутьем (режим 2), в работе 6 горелок без третичного дутья (режим 3), в работе шесть горелок с третичным дутьем (режим 4). По результатам предварительных расчетов были проработаны варианты с распределением сопловых вводов третичного дутья на фронтовой и задний экраны в зонах расположения горелок.
Контуры массовых долей NO, совмещенные с распределением температуры в вертикальной плоскости, приведены в работах [4, 8]. Рисунки выполнены на основании анализа математической модели, разработанной авторами (рисунки 4, 5).
Режим 1
Режим 2
Рис. 4. Контур массовой доли оксидов азота N0, совмещенный с контуром полей распределения температуры, при работе четырех горелок верхнего уровня.
Режим 3
Режим 4
Рис. 5. Контур массовой доли оксидов азота N0, совмещенный с контуром полей распределения
температуры, при работе 6 горелок.
В режиме 1 концентрация оксидов азота, приведенная к коэффициенту избытка воздуха а=1,4, составила 73,8 мг/м , при этом максимальная температура достигла значения 2177 °С. Наблюдаются зоны локального перегрева, которые можно подавить включением в работу сопел третичного дутья (режим 2). При анализе режима 2 концентрация оксидов азота снижается по сравнению с режимом 1 до 50,2 мг/м3, а максимальная температура - до 2052 °С. При этом концентрация кислорода на выходе из топки в режиме 1 составляет 3,82%, а в режиме 2 - 4,45%. Максимальные тепловые потоки через стенки, полученные в работе [5], составляют соответственно 0,250 и 0,289 МВт/м2.
Температура газов на выходе из топки составляет 971 °С в первом режиме и 1001 °С -во втором. С включенными соплами третичного дутья суммарный тепловой поток, воспринятый в топочной камере, повышается незначительно - с 94,12 до 94,26 МВт.
Моделирование режимов работы горелок котла
Как мы убедились, с повышением нагрузки и включением в работу горелок нижнего яруса (режим 4) наблюдаются обширные зоны образования оксидов азота по длине факела. Концентрация оксидов азота достигает значения 114 мг/м , а максимальная температура повышается до 2308 °С. При переходе в режим 4 (включение сопел третичного дутья) наблюдается снижение концентрации оксидов азота а=1,4 до уровня 55,3 мг/м , максимальная температура при этом составляет 2086 °С. Концентрация кислорода на выходе из топки в режиме 3 составляет 4,26%, в режиме 4 -3,96%, а максимальные тепловые потоки через стенки - соответственно 0,259 и 0,256 МВт/м .
Температура газов на выходе из топки составляет 915 °С в режиме 3 и 934 °С - в режиме 4. С включенными соплами третичного дутья, суммарное тепловосприятие в топочной камере находится в диапазоне 94,12-94,26 МВт.
С переходом на сжигание природного газа наблюдается снижение всех вредных выбросов практически на 90%, при этом основным загрязняющим веществом являются оксиды азота. Анализ математической модели показывает, что при наладке режимов горения на различных нагрузках можно достичь снижения концентрации оксидов азота в уходящих газах ниже допустимого уровня 125 мг/м при а=1,4. Включение в работу сопел третичного дутья позволяет снизить концентрацию оксидов азота до уровня 55-60 мг/м3 при а=1,4, при этом при анализе математических моделей этих режимов наблюдаются явные очаги генерации оксидов азота (табл. 2).
Таблица 2
Результаты расчетов режимов работы горелочных устройств и сопел третичного дутья
№ п/п Варианты включения в работу горелочных устройств и сопел третичного дутья Концентрация кислорода на выходе из топки, % Максимальная температура в зоне активного горения, °С Температура газов на выходе из топки, °С Концентрация оксидов азота на выходе из топки, приведенная к коэффициенту избытка воздуха а = 1,4, мг/м3
1 6 горелок с верхним дутьем 4,26 2086 932 55,3
2 6 горелок без верхнего дутья 3,96 2308 915 114,6
3 4 горелки сверху с верхним дутьем 4,45 2052 1001 50,2
4 4 горелки сверху без верхнего дутья 3,82 2177 971 73,8
5 4 горелки крест-накрест без верхнего дутья 4 2215 950
6 6 горелок с верхним дутьем по четырем экранам, круглые сопла 0,41 2090 1012 32,8
7 6 горелок с верхним дутьем по четырем экранам, щелевые сопла 0,48 2130 1048 40,4
Помимо вышеупомянутых режимов работы горелочных устройств котлов рассматривались и другие варианты. В таблице 2 приведены тепловые и экологические данные этих режимов.
Выводы
Анализ данных экологической службы Владивостокской ТЭЦ-2 свидетельствует о значительном снижении всех вредных выбросов при переводе на сжигание природного газа: по некоторым веществам удалось достичь восьмикратного сокращения концентрации.
Математическое моделирование показывает возможность снижения выбросов оксидов азота до уровня 50,2 мг/м3. Поэтому мы рекомендуем провести режимную наладку котельного оборудования на станции.
Более существенного снижения выбросов оксидов азота (25-35 мг/м при а=1,4) можно достичь классическими методами: впрыск влаги или рециркуляция дымовых газов в зону активного горения. Также следует рассмотреть вариант распределения воздуха между соплами третичного дутья, изменения их конструкции или размещения на всех стенах топочной камеры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беликов С.Е. Комплексная разработка методов снижения выбросов оксидов азота от ТЭС путем оптимизации процесса горения и способов сжигания топлива: дис. ... д-ра техн. наук. М., 2006. 282 с.
2. Гафаров А.Х., Лаптева Л.И. Мониторинг вредных выбросов при сжигании природного газа предприятий по выработке тепловой энергии в районах РТ // Вестн. Казан. технолог. ун-та. 2010. № 3. С.463-466.
3. Кормилицын В.И. Экологические аспекты сжигания топлива в паровых котлах. М.: МЭИ, 1998. 336 с.
4. Лесных А.В., Штым К.А., Дорогов Е.Ю. Моделирование теплообмена в топке котла БКЗ 210-140 после реконструкции на сжигание природного газа // Научное обозрение. 2013. № 9. С. 303-310.
5. РД 34.26.617-97. Методика оценки технического состояния котельных установок до и после ремонта. М.: СПО ОРГРЭС, 1998.
6. Ревич Б.А. К оценке влияния деятельности ТЭК на качество окружающей среды и здоровье населения // Проблемы прогнозирования. 2010. № 4. C. 87-99.
7. Устименко Б.П., Джакупов К.Б., Кроль В.О. Численное моделирование аэродинамики и горения в топочных процессах и технологических устройствах. Алма-Ата: Наука, 1986. 224 с.
8. Штым К.А., Соловьева Т.А., Модернизация котлов КВГМ-100-150 на циклонно-вихревое сжигание газа // Теплоэнергетика. 2015. № 3. С. 48.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
construction
Environmental Safety of Construction
DOI.org/10.5281/zenodo.897002
Lesnykh A., Paznikov D.
ANDREY LESNYKH, Senior Lecture, Department of Thermal Power and Heat Engineering, School of Engineering, e-mail: lesnykh.av@dvfu.ru Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091
DENIS PASNIKOV, Deputy Chief Engineer for Operation, Vladivostokskaya CHPP-2,
e-mail: paznikov-da@dvgk.rao-esv.ru
47, Fadeev St., Vladivostok, Russia, 690034
The study of the environmental effect of the Vladivostok CHPP-2 having been transferred to burning of natural gas
Abstract: The operation of energy facilities produce a constant effect upon the environment. Often, the negative impact may be reduced by transferring heat electropower stations to burning more environmentally friendly fuels, such as natural gas. An interesting case is the Vladivostok CHPP-2 partially transferred to the burning of natural gas in 2012. The paper deals with the design and technical and economic parameters of the operation of the boiler having the steam capacity of 210 tons per hour at the Vladivostok CHPP-2 before and after the latter's reconstruction, when it was transferred from solid fuels to gas e-ous ones. The reconstruction has made it possible to reduce the emissions of harmful gaseous substances into atmosphere by an average of 2.5-4 times. Particularly harmful are emissions of nitrogen oxides due to the fact that, during combustion, it is the air nitrogen that is primarily oxidised. The examination of the created mathematical model has demonstrated the best operating conditions for boilers transferred to gaseous fuels. Also, the areas of occurrence of nitrogen oxides as well as the dynamics of their changes in different operating modes of the boiler burners have been revealed. Certain operation modes enable one to decrease the emissions of nitrogen oxide nearly twice. Some ways to suppress the nitrogen oxides during combustion have been presented as well. Key words: burners, boilers, emissions of nitrogen oxides, ecology.
REFERENCES
1. Belikov S.E. Complex development of methods for reducing nitrogen oxide emissions from TPPs by optimizing the combustion process and methods of burning fuel: dis. ... Doctor of Science, Moscow, 2006, 282 p.
2. Gafarov A. Kh., Lapteva L.I. Monitoring of harmful emissions from the burning of natural gas by thermal power plants in the regions of the Republic of Tatarstan. Bulletin of Kazan Technological University. 2010;3:463-466.
3. Kormilitsyn V.I. Ecological aspects of fuel combustion in steam boilers. Moscow, MEI, 1998, 336 p.
4. Lesnykh A.V., Shtym K.A., Dorogov E.Yu. Modeling of heat exchange in the boiler furnace BKZ-210-140 after reconstruction for natural gas combustion. Scientific Review. 2013;9:303-310.
5. RD 34.26.617-97. Method for assessing the technical condition of boiler plants before and after repair. M., SPO ORGRES, 1998.
6. Revich B.A. To the assessment of the influence of the fuel and energy complex on the quality of the environment and public health. Problems of Forecasting. 2010;4:87-99.
7. Ustimenko B.P., Dzhakupov K.B., Krol V.O. Numerical modeling of aerodynamics and combustion in furnace processes and technological devices. Alma-Ata, Science, 1986, 224 p.
8. Shtym K.A., Solovyova T.A. Modernization of boilers KVGM-100-150 for cyclone-vortex combustion of gas. Thermal Engineering. 2015;3:48.
