Об экологическом обосновании установки вторичного излучателя в цилиндрической топке водогрейного котла Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 662.61.502.36

В. Р. Ведрученко, Н. В. Жданов

ОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОМ ОБОСНОВАНИИ УСТАНОВКИ ВТОРИЧНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ТОПКЕ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА

В статье предложена методика экологического обоснования установки вторичного излучателя в цилиндрической топке водогрегшого котла. Такое техническое решение позволяет снизить концентрацию оксидов азота в дымовых газах.

Роль вторичного излучателя, устанавливаемого в цилиндрической топке водогрейного газотрубного котла типа КВСА производства ООО ПФ «Октан» (г. Омск), состоит в том, что, воспринимая тепло от высокотемпературных продуктов сгорания и имея, в отличие от газов, непрерывный спектр излучения, он переизлучает воспринятое тепло с большей интенсивностью, чем газы, на радиационные поверхности нагрева топки. Интенсификация радиационной составляющей теплообмена приводит к снижению максимальной температуры газов в ядре факела Гтах, т. е. в зоне наиболее активного образования термических оксидов азота ЫОх, составляющих основную долю в общем объеме выхода оксидов азота при сжигании газа в котлах малой мощности. Поскольку зависимость концентрации термических ЫОх от температуры имеет экспоненциальный характер, то даже незначительное уменьшение Ттах может дать существенный эффект в снижении концентрации ЫОх.

В работе [1] А. Г. Блохом предложено выражение для определения Гтах:

Т

Т =

тах

(1)

3^-^пах)

в,

(т Л

а

грП

где Га - адиабатная температура горения, К;

Т" - температура продуктов сгорания в выходном сечении топки, К; £т - степень черноты топочной среды;

В0 - критерий Больцмана;

Хтах - параметр, характеризующий расположение максимума температур факела в топке.

= ^ • (2)

СТ

где - поверхность, расположенная ниже поперечного сечения, соответствующего ядру факела, м2;

7—1 2

гст - полная лучевоспринимающая поверхность топки, м .

С использованием выражения (1) авторами получена графическая зависимость

= / {в) (рисунок 1) от относительной тепловой нагрузки котла КВСА-3 при установке

вторичного излучателя с относительной площадью поверхности у = 0,03; 0,06; 0,09 и без него. Вторичный излучатель в виде горизонтальной пластины устанавливается в цилиндрической топке котла КВСА-3.

06301360

Рисунок 1 - Зависимость максимальной температуры продуктов сгорания в топке ^тах КОТла КВСА-3 от режима работы с установкой вторичного излучателя при а = 1,05,105/80 °С

Количество выбросов оксида азота за котлом MNO , г/с, рассчитывается по концентра-

'NO х

MNo2=BvVCTcN02, (3)

о

ции оксидов азота в дымовых газах cNO , г/м , при 273,15 К и 101,3 Па по формуле:

где Вр - расчетный расход топлива, м/с;

3 3

Усг - объем сухих дымовых газов, м /м .

При определении концентрации оксидов азота в дымовых газах воспользуемся методикой САФ ВНИИПромгаза, которая, по мнению В. Р. Котлера, дает хорошую сходимость при сопоставлении расчетных и экспериментальных результатов [2]. Эта методика, как и многие

о

другие, основана на принципе аддитивности топливных и воздушных оксидов азота, г/м :

с -сТ1Ш +свзд (4Л

где с™ - концентрация топливных оксидов азота, образующихся при разложении оксидов

азотосодержащих компонентов органической части топлива, г/м3;

с'";' - концентрация воздушных (или термических) оксидов азота, образующихся при

N02

О

горении в результате окисления воздуха при высокой температуре, г/м . При сжигании природного газа с™^ = 0.

Для расчета второй составляющей - воздушных оксидов азота - авторы предложили уравнение:

= Аккк0, (5)

,взд

'NOо р к Q'

=ИВНЕСТИЯ Транссиба 65

Транспортная энергетика

где А = 0,35<2д'18 - коэффициент, зависящий от номинальной тепловой мощности топки ()н, МВт;

к - коэффициент, учитывающий конструктивные параметры топки;

кО =

Г \1,25

- коэффициент, учитывающий отклонение нагрузки котла от номинальной;

- коэффициент, учитывающий режимные параметры топки,

/ ч 0,01Г -16,5 / ч 2 0,02Т -33

£р =0,21 + 0,208(ат-1)г тах -0,024(ат-1) е тах . (6)

В диапазоне ат = 1,01-И, 12 и Гтах =1800^-2100^ уравнение (6) дает отклонение от экспериментальных данных в пределах ±10% [2].

Соотношение между удельными выбросами и концентрацией оксидов азота в дымовых газах имеет вид:

Кыох=сыо/С.т!0:и (7)

где О- - низшая теплота сгорания рабочей массы топлива, МДж/м3.

Выполним сравнительные расчеты количества выбросов оксида азота Мш за котлом

КВСА-3 для четырех вариантов: I вариант - без установки вторичного излучателя в топке котла; II вариант - с установкой вторичного излучателя, с относительной площадью поверхности у = 0,03 ; III вариант - то же, у = 0,06; IV вариант - то же, у = 0,09.

Расчеты выполнены для номинального режима работы котла, поэтому коэффициент к0= 1. Коэффициент, учитывающий конструктивные параметры топки, кК принят равным единице.

Значения максимальной температуры в топке /П1а\ Для каждого варианта приняты из ранее выполненных расчетов при номинальном режиме работы котла, результаты которых

приведены на рисунке 1. Теплота сгорания рабочей массы топлива <2н и объем сухих дымовых газов Ус г, рассчитанный при коэффициенте избытка воздуха в топке ат, равном 1,05, приняты для природного газа Тевризского газоконденсатного месторождения и соответственно равны: - 35,84 МДж/м3 и ¥сг - 10,054 м3/м3. Расход природного газа Вр принят при номинальном режиме работы для котла без вторичного излучателя и составляет 0,0919м3/с.

Расчеты выполнены по приведенной выше методике. Полученные результаты приведены в таблице.

На рисунке 2 графически представлено снижение выбросов оксидов азота АЮх в зависимости от относительной площади вторичного излучателя у.

Результаты расчетов

Вариант расчета Г °с 'тах? ^ кр сно2 > г/м' ^0г,г/МДж МЖ2 , г/с

I 1739 0,623 0,266 0,075 0,246

II 1643 0,546 0,232 0,065 0,214

III 1579 0,415 0,177 0,050 0,164

IV 1535 0,348 0,148 0,042 0,138

66 ИЗВЕСТИЯ ТранссЗШ^^И!!!

06301360

Транспортная энергетика

у -►

Рисунке 2 - Снижение выбросов оксидов азота КОх в зависимости от относительной площади

вторичного излучателя

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

1. Установка вторичного излучателя в цилиндрической котельной топке с относительной площадью у = 0,09 позволяет снизить образование оксидов азота на 44 % - до значения 148 мг/м , что немного больше регламентированного ГОСТ Р 50591-93.

2. Близкие концентрации оксидов азота ЫОх имеют место и при работе газотрубных котлов, оборудованных низкотоксичными горелочными устройствами. Результаты испытаний таких котлов приведены в литературе [3 - 5].

3. Техническая новизна предлагаемого решения (конструкция вторичного излучателя и его установка) подтверждается патентом РФ, полученным авторами [6].

Список литературы

1. Блох, А. Г. Тепловое излучение в котельных установках [Текст] / А. Г. Блох. - Л.: Энергия, 1967.-240 с.

2. Котлер, В. Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов [Текст] / В. Р. Котлер. - М.: Энер-гоатомиздат, 1987,- 144 с.

3. Беликов, С. Е. Экологические характеристики зарубежных промышленно-отопительных котлов, работающих на природном газе [Текст] / С. Е. Беликов, В. Р. Котлер // Промышленная энергетика. 2001. - № 3. - С. 53 - 55.

4. Беликов, С. Е. Газомазутная горелка К-ЮДВ™ для промышленных и отопительных котлов - эффективное средство подавления выбросов оксидов азота [Текст] / С. Е. Беликов, В. Р. Котлер // Промышленная энергетика. - 1998. - № 4. - С. 37 - 40.

5. Ведрученко, В. Р. Интенсификация теплообмена в неэкранированной топке водогрейного котла с применением дополнительных излучателей [Текст] / В. Р. Ведрученко, Н. В. Жданов, Е. Е. Жданова // Промышленная энергетика. 2009. - № 11. - С. 33-38.

6. Пат. 76103 Российская Федерация, МПК Б 22 В 7/20. Котельная топка [Текст] / В. Р. Ведрученко, Н. В. Жданов (Россия); заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения . - № 2008114980; заявл. 16.04.08; опубл. 10.09.08, Бюл. - № 25. - 3 с. : ил.

№ 2(6) 2011