CC BY
23
УДК: 621.182-694.001.573(043)
ЭКСПРЕСС-СПОСОБ СОКРАЩЕНИЯ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА ПУТЕМ СТУПЕНЧАТОГО СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ТОПКАХ КОТЛОВ
К.Т. Баубеков
Павлодаский государственный университет им. С. Торайгырова
Оттьщ-жаиаргы к;урылымыныц реконструкциясыз орындалатын ТГМ-94 жопе ТГМ-84 ^азандарында газды сатылы жагу jKcnpecc-odici бойыниш онеркоатшк зерттеулгр нотижелгр1 келпир'иген. Жану жыри' процесс сатылары бойыита отынды цанта пгарату дорежеа'неи азот oKciu)mcpiniff концентрацияларыныц мелшелерг багыныштылыгы корсепитнген. KipiHuii жопе екшии жану сатыларында азот оксидтерииц панда болу McxamniAti формальды кинетика жагынап ашылгсш жоне газ mopi3()i отынды eKi сатылы жагу арк,ылы азот OKCiidmepinin my3i.nyinin кинетикалык, брутто реакция тецдеучныц iueuii\ti келпиргпген.
Приведены результаты промышленных исследований при внедрении жспресс-способа ступенчатого сжигания газа в топках котлов ТГМ-94 и ТГМ-84, осуществляемого без реконструкции топочно-горелочных устройств. Показана количественная зависимость концентрации оксидов азота от степени перераспределения топлива по ступеням горения, раскрыт с позиции формальной кинетики механизм образования оксидов азота в первой и второй ступенях горения и приведено решение кинетического уравнения брутто реакции образования оксидов азота при двухступенчатом сжигании газообразного топлива.
There have been given the results of industrial researches of the application of the express-method by staged combustion of gas in the boiler's furnaces TGM-94 and TGM-S4 on the production realized without burner-boiler modification. The guantitative dependence of nitrogen oxcide emission on redistribution degree there was shouwn of combustion of fuel. It has been disclosed from the position of investigation of nitric oxides formation cinetic in one-step and two-step combustion process and there has been uncovered the »«chanism of this nitrogen oxide emission. There has been indicated the solu-и OH of cinetic brut to reaction equation of nitrogen oxide emission by steged cunibustionof gaseons fuel
^следования двухступенчатого сжигания газа, осуществляемого путем ^Распределения топлива по горелкам, проводились на котлах ТГМ-94
и ТГМ-84 при сжигании газа с содержанием H2Sä0,08% [1,2,3]. Для осуществления этого способа использовались регулирующие органы, имеющиеся на газопроводах каждого яруса горелок. Распределения расходов газа и их соотношений перед горелками I, II и III ярусов, а также коэффициенты избытка воздуха а, и а2 при организации двухступенчатого сжигания представлены в [2] и в пояснениях к рис.1. При этом все шибера на воздуховодах каждого яруса горелок открыты полностью, а коэффициент избытка воздуха на выходе из топки регулируется и контролируется общим расходом воздуха. Основные исследования проведены на котлах ТГМ-94 в режимах D = 92-149 кг/с, ат = 1,02-1,31, 8 = 0-0,345 и ТГМ-84 в режимах D = 103-108 кг/с, а = 1,02-1,14,5 = 0-0,38.
? j 5 7 ? >
Из рассмотрения рис.1 следует, что на этих котлах концентрация оксидов азота с увеличением условной доли вторичного воздуха существенно снижается, достигая двухкратного снижения при 8 = 0,3.
Данные, приведенные на рис.1, послужили основой для получения эм-перической зависимости:
Cnox = ехр(-2.155)-
Путем совместной обработки экспериментальных данных по котлам ТГМ-94 и ТГМ-84 определены коэффициент корреляции, дисперсия и доверительных интервал:
К = -0,27; S = 0,0092; Ав = ±0,16.
Для изучения закономерностей образования оксидов азота и выгорания топлива в газовом факеле при одно- и двухступенчатом сжигании газа проведено зондирование топки действующего котла ТГМ-94 (ст. №3) вдоль геометрической оси через горелки второго (слева) ряда на каждом ярусе, а также через боковую левую стенку (рис.2) [4]. Результаты зондирования при одноступенчатом сжигании показали, что активное выгорание газа начинается внутри амбразуры при больших концентрационных неравно-мерностях топливо-воздушной смеси. Уже на расстоянии Ьф/с1а= 0,24 от торца газового насадка степень выгорания топлива составляет ß = 0,51, а температура достаточно высока - (1720-1730) К. В дальнейшем по оси горелок происходит уменьшение темпа выгорание топлива и соответственно - более медленный темп роста температуры. В поперечном сечении факела также имеются неравномерности концентрационных и температурных полей: на расстоянии Lifi/da = 2,1 степень выгорание топлива составляет ß = 0,765 на оси факела и увеличивается к периферии, составляя при Яф / da = 0,3; 0,6; 0,9; 1,2 соответственно 0,814; 0,918; 0,967; 0,986. а температура, имеющая наибольшее значение Т =1835 К на оси факела, понижает-
Са/Ол
г--— У f-- >Л <J is -1 (В<+Вг)/2В. j
1 I- 0,89 0,36 I 0,82 -d
■ I 1 I» „■! I
1 1,22 /,28 oi2
СШх = ^N04 / ^ЫОх
• - ТГМ-94 Сыо°х = 680 мг / м}; Э/Оо = 0,9-1,0
А - ТГМ-84 сГо°х =340 мг / м3 а = 1,02-1,14
На нижней дополнительной шкале приведены (при ат - 1,08, Дат = 0,08 ) для оптимальных и рекомендуемых режимов соотношения расходов газа, коэффициенты избытка воздуха в горелках двух нижних ярусов а, и верхнего яруса а2.
Рис.1. Влияние условной доли вторичного воздуха 5 на относительное снижение Сыох при переходе с одно- на двухступенчатое сжигание газа
а)
Ссс,Си,СМг>
СбгХсог% /2
с'ю,» Гю
400 9
ъоо 6
200 *
10С 2
0
ДО
/600
ОА ОЛ и 2.0 2,4 2,2Ь<р,м
Сса, % /2
б)
ю
9
500 о
гоо- 4
юо- г
0 о
£ —*
С" / > /
У
ХТ" 7
¿г ЛИ к* — в- •9—
ноо 1600
О* /.2 (,6 2.0 2.4 2.3
В)
те
% ¡2
/О 3
300
200\ 4 /00 о
ч» гш Л Ч ТФ л. ф—
& Л- Щ
А 1?
*
т 1с.
\ У* Лт.
ТрК
1700 1бОО
о* ОЛ Лг Сб 2,0 2.* ¿"Р'»
а) при одноступенчатом сжигании газа (в горелке № 2.2);
б) при двухступенчатом сжигании газа (при а <1, в нижней горелке № 2.2);
в) при двухступенчатом сжигании газа (при при а >1, в верхней горелке № 3.2);
Рис.2. Изменения концентраций и температуры продуктов сгорания по длине
газового факела
ся к периферии факела и на расстоянии Яф/с1( = 1,2 составляет 1611 К. Концентрация оксидов азота в начальной части факела Ьф/с1а- 0,24 составляет ~ 37 мг/м3. По оси факела наиболее интенсивное образование оксидов азота происходит на расстояние Ьф/с1а от 1,1 до 3,0, где Сш увеличивается с 65 до 475 мг/м3. В поперечном сечении факела на расстояние Ьф/с/ = 2 Сш от оси факела существенно увеличивается к периферии (от 292 до 483 мг/м3). Кривая изменения температуры факела по оси горелки имеет пологий характер. Можно полагать, что высокие значения температуры в начальной части достигаются вследствие наличие развитых зон обратных токов к корню факела, находящемуся внутри амбразуры. Результаты выполненного зондирования, а также ранее полученные данные по определению температурных полей и полей распределения химического недожога позволяет считать, что высокотемпературная зона газового факела для каждого яруса горелок находится примерно на уровне горелок.
При переходе с одно на двухступенчатый режим сжигания газа на нижних ярусах горелок, куда подается избыток топлива (-14%), вследствие снижения С0 уменьшается степень выгорания, но температура факела остается примерно такой же, как и при одноступенчатом сжигании. Горение богатой топливовоздушной смеси идет при высокой температуре Т. - (181 1-1884) К, недостатке кислорода и на расстоянии Ьф/с/а= 3,0 С0 что приводит к меньшему образованию Сн0 . Таким образом, в данной модификации ступенчатого сжигания в первой ступени горения решающими факторами, влияющими на торможение образования Сш , являются не температура факела, а недостаток кислорода и наличие продуктов недожога (СО, Н?, СН4), участвующих в восстановлении образовавшегося N0.
На верхнем ярусе (куда топливо подается с недостатком -28%), вследствие избытка О,, степень выгорания топлива выше, а температура факела на (70-5-150) К ниже, чем при одноступенчатом сжигании, что и определяет меньшее значение Сы0 . Следовательно, во второй степени решающим фактором, влияющим на снижение образование N0^ является относительно низкий уровень температуры факела.
Концентрация N0, образовавшаяся в зоне максимальной температуры факела, может быть рассчитана по кинетическому уравнению брутто-ре-акции образования окиси азота:
/
\
V ч ;
где I, и {2~ начальный и конечный моменты пребывание дымовых газов в зоне, с;
С0 , Тф - переменные значения концентраций (%) кислорода и азота и температуры (К), зависящие от {.
Расчет концентрации N0 и оценка времени перемещения газов между определенными точками на оси горелки выполнена с использованием следующих допущений: по аналогии с ранее полученными данными, основная часть концентраций N0 образуется в зоне максимальных температур, которой соответствует условный промежуток времени Ат = т2-т,, поэтому образовавшаяся здесь концентрация N0 близка к измеренной в данной точке факела; во всем промежутке времени Ат поддерживаются средние для него значения температуры факела Тф и концентрации 02 и Ы2; поскольку в уравнения (1) входит не абсолютное значение времени пребывания газов в топке т, а промежуток времени Ат, в течение которого компоненты дымовых газов перемещаются в газовом факеле от одной точки зондирования до следующей, то, не искажая физического смысла, можно принять, что скорость дымовых газов пропорциональна температуре факела.
Результаты расчета скорости образования N0 в газовом факеле в режимах одноступенчатого и двухступенчатого сжигание газа показали что максимальная скорость образования оксида азота при одноступенчатом сжигании имеет место при тк = 0,217 с (в этот момент времени (1СЫ0/с1т достигает максимума). При двухступенчатом сжигании в условиях аг< 1 ткм= 0,215 с (т.е. практически совпадает с ткрпри одноступенчатом сжигании ). а в условиях а >1 т = 0,125 с.
' г кр
Также выполнена проверка согласования с измеренными значения результата расчета концентрации N0 по уравнению (1) с константой К = 2-Ю12 (%-с )-', у=0,9, у2=0,8, Е/Я=69000 К, в комплексе с полученными значениями Ах. Отсутствие хорошего согласования, по-видимому, объясняется тем, что константы, входящие в (1), были выделены в условиях прямоструйного факела, а в условиях данного опыта имела место зона обратных токов на оси факела, вследствие чего была внутренняя рециркуляция газов, в том числе и N0, в эту область. Кроме того, это может быть частично обусловлено и наличием Н,8 в составе топлива. В связи с этим нами было выполнено уточнение значения константы Е/Л уравнения (1), которая для данных условий при одноступенчатом сжигании газа приняла значение Е/11=65600 К.
На рис.3 показаны измеренные и рассчитанные концентрации оксидов азота при уточненном значении Е/Я. Из рис.3 видно, что в режимах одно-
См, иг/и3
Сыо, чг!** т
МО
/оо
о 0,5 /,0 /5 То ^ в) 0 46 /2 /.4 Я4
а) одноступенчатое сжигание газа;
б) двухступенчатое сжигание газа (нижний ярус горелок, а <1);
в) двухступенчатое сжигание газа (верхний ярус горелок, аг>1); 1 " Ско °пш' 2 " Сморас" ПРИ константе Е / Я =69000 К;
3 - С расч при константе Е / Я = 65600 К
Рис.3. Изменения измеренных (1) и рассчитанных (2,3) концентраций оксида азота по длине факела при различных режимах сжигания газа
ступенчатого и двухступенчатого сжигания на верхнем ярусе горелок (при аг> 1) получена хорошая сходимость между Сыо0,1ЫТ и СЧ0расч. В режимах двухступенчатого сжигания на нижних ярусах горелок (при аг< 1) получено резкое различие между Схораеч и СРч!0опыт(рис.3). Указанное различие говорит о том, 410 и в высокотемпературной восстановительной зоне (а <1) образуется большое количество N0, которое, однако, затем частично восстанавливается находящимися в достаточном количестве продуктами недожога (Н2,СО).
На основании проведенных экспериментальных исследований и обобщения их результатов разработан экспресс-способ ступенчатого сжигания газа, заключающийся в перераспределении топлива по ярусам горелок при равномерном распределении воздуха по горелкам, позволяющий на действующих котлах с однофронтовой многоярусной компоновкой горелок без реконструкции топочно-горелочных устройств сократить примерно в 2 раза выбросы оксидов азота при минимальных эксплуатационных затрат [3].
Промышленные исследования разработанного экспресс-способа сокращения выбросов оксидов азота проведены на котлах ТГМ-94 (ст.№ 3, 4, 8, 9) и ТГМ-84 (ст. № 7 и 10). Основные результаты опытов по выявлению влияния ступенчатого сжигание газа на изменения режимных и экологических показателей работы котлов ТГМ-94 приведены в [1,2,4].
Кроме оксидов азота, изучались выбросы другой группы токсичных веществ (бенз(а)пирена и других полициклических ароматических углеводородов - ПАУ), зависимости образования которых от коэффициента избытка воздуха и других режимных условии носят противоположно направленный характер. В уходящих газах котла ТГМ-94 (ст. № 3) в режимах одно- и двухступенчатого сжигания газа, помимо бенз(а)пирена, определено 6 канцерогенных и 10 неканцерогенных ПАУ [4]. Доля концентрации бенз(а)пирепа от суммарных концентрации ПАУ и канцерогенных ПАУ составляет (1,0-1,2)% и (10-20)% соответственно, а доля концентрации канцерогенных ПАУ от суммы концентрации ПАУ - (6-13)%. В режиме двухступенчатого сжигания при двухкратном сокращении выбросов оксида азота от котлов ТГМ-94 концентрации бенз(а)пирена и сумма концентраций канцерогенных ПАУ увеличивается соответственно в 1,34 и 1,30 раза при аг = 1,05-1,07, однако остаются на уровне более низком, чем концентрации этих веществ при практическом полном сжигании мазута.
ЛИТЕРАТУРА
1. Цирульников Л.М., Баубеков К.Т., Васильев В.П. и др. Снижение выбросов гкислов азота на котле ТГМ-94 / Электрические станции - 1985 - № 11.— С.33-35.
2. Цирульников Л. М., Баубеков К. Т., Соколова Я.И. и др. Опыт длительной эксплуатации котлов ТГМ-94 и ТГМ-84 в режиме двухступенчатого сжигания серово-зородсодержаидего газа / Электрические станции.- 1988 - № 5- С. 19-22.
3. Цирульников Л.М., Валиходжаев А., Баубеков К.Т. и др. (СССР). Авторское зндетельство 1208412 (СССР). Способ работы призматической топки/№3732111/ 24-06; заявлено 26.04.84; опубл. 30.01.86 // Открытия. Изобретения - 1986 -№ 4-С.220.
4. Баубеков К. Т. Разработка экспресс-способа сокращения выбросов оксидов азота путем ступенчатого сжигания природного газа в топках котлов с однофрон-товой многоярусной компоновкой горелок: Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. паук - М.: МЭИ, 1989 - 20 с.
