CC BY
56
УДК 620.9:504
Е.С Кузнецова, К.А Штым, С.В. Головатый
КУЗНЕЦОВА Елена Сергеевна - ассистент кафедры теплоэнергетики и теплотехники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: isaeva_es@mail.ru, ШТЫМ Константин Анатольевич - кандидат технических наук, доцент кафедры теплоэнергетики и теплотехники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток), ГОЛОВАТЫЙ Сергей Викторович -аспирант кафедры теплоэнергетики и теплотехники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
© Кузнецова Е.С., Штым К.А., Головатый С.В., 2012
Образование окислов азота в циклонно-вихревом предтопке
Описаны способы образования NO>< при горении. Показаны способы снижения окислов азота при сжигании топлива в циклонно-вихревом предтопке.
Ключевые слова: сжигание, окислы азота, циклонно-вихревой предтопок
Formation of nitrogen oxides in the cyclone-vortex chamber. Elena S. Kuznetsova, Konstantin A. Shtym,
Sergey V. Golovatiy - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
Methods of formation of NOx during combustion are described. Ways to reduce nitrogen oxides during fuel
combustion in the cyclone-vortex chamber are shown.
Key words: combustion, nitrogen oxides, cyclone-vortex chamber.
Все процессы, происходящие в теплогенераторах, можно отнести к внутриютловым (превращения рабочего тела) и внутритопочным (превращения топлива и продуктов сгорания). Внутрикотловые и топочные процессы, опирающиеся на фундаментальные исследования и законы гидродинамики, тепло-массопереноса и физической химии, могут быть математически описаны сложными комплексами взаимозависимых физико-химических уравнений и представлены в виде математической модели для уточнения характеристик и проведения расчетов.
Теплохимические превращения по газовому тракту котельного агрегата связаны с генерацией вредных выбросов и коррозией. Эти процессы определяют эксплуатационные характеристики котлов и в целом объектов энергоснабжения.
В настоящее время топливная политика страны предусматривает развитие местных угольных месторождений, тем не менее доля мазута и газа высока и продолжает расти.
Сжигание мазута и газа имеет ряд существенных преимуществ в сравнении со сжиганием твердого топлива: они практически полностью сгорают при близком к стехиометрическому количестве воздуха. Коэффициент полезного действия газомазутных парогенераторов на 1-5% выше, чем парогенераторов на твердом топливе.
Вместе с тем сжигание мазута связано с рядом трудностей, обусловленных главным образом присутствием в нем серы, а также других примесей, в частности ванадия и натрия. Практическая реализация глубокого охлаждения газов сделала бы реальным доведение к.п.д. нетто этого процесса до 95-96%, как на газе, чему препятствует сернокислая коррозия низкотемпературных поверхностей нагрева.
Кроме того, сжигание мазутов связано с образованием определенного количества вредных веществ, предельно допустимая концентрация которых в окружающей среде регламентируется законодательством [2-4].
К веществам, в наибольшей степени загрязняющим атмосферу при сжигании мазута, относятся окислы серы (Б02, Б03) и окислы азота (N0, N0^, а в случае неполного сгорания мазута - бенз(а)пирен(С20Н12) и сажа.
При оценке уровня токсичности продуктов сгорания (отношение концентрации данного вещества к максимально разовой предельно допустимой концентрации его в атмосферном воздухе) видно, что основную его долю составляют окислы серы и азота, а при сжигании мазута последний на 49-52% определяет общий уровень токсичности:
(1)
Выход окислов серы определяется серосодержанием мазута. Если для данной электростанции принять его неизменным, то уровень токсичности выбросов парогенератора может быть снижен в основном за счет окислов азота, образование которых зависит в первую очередь от организации топочного процесса.
Известно три различных механизма реакций образования окислов азота при горении топлива, в соответствии с этим выделяют три группы окислов.
К первой группе относятся окислы азота, образующиеся во фронте пламени. Время их образования очень мало, поэтому иногда их называют «быстрыми». Ко второй - окислы азота за фронтом пламени, так называемые термические окислы, механизм образования которых был разработан более 30 лет назад [1]. Источником образования оксидов азота становится кислород, не израсходованный на реакции горения водорода и углерода и являющийся избыточным для рассматриваемого процесса.
Сделав ряд в дальнейшем подтвердившихся допущений, Я.Б. Зельдович получил следующее кинетическое уравнение:
Отсюда видно, что выход «термических» окислов азота определяется исходными концентрациями кислорода и азота, температурой и временем пребывания в зоне генерации.
В третью группу входят «топливные» окислы азота, получающиеся при окислении азотосодержащих соединений, входящих в состав топлива.
Внимание к топливному азоту было привлечено работами, в которых рассматриваются результаты исследования выхода окислов азота при сжигании предварительно перемешанных этилено-кислородно-азотных или аргоновых смесей. В качестве азотосодержащих добавок использовались пиридин, метиламин и аммиак. Показано, что выход окиси азота при этом превышал равновесный термический, а степень превращения (отношение концентрации NO к концентрации азота топлива) уменьшалась с ростом содержания азота в топливе.
Согласно [5], некоторые азотосодержащие соединения топлива могут выделять окислы азота и за счет прямого выделения в процессе разложения топлива. Установлено, что топливные №Ох образуются в области сравнительно низких температур (<1000° К), выход их весьма слабо (в степени 0,33) зависит от температуры и очень сильно (в степени 2) - от содержания молекулярного кислорода в зоне горения:.
Циклонно-вихревой способ сжигания газа или мазута, рассматриваемый в данной работе, имеет принципиальное отличие в части тепловых напряжений, так как рабочая поверхность камеры сгорания охлаждается воздухом, подающимся на горение. Заложенное в конструкцию распределение воздуха четко согласовано с распределением топлива и исключает возникновение возможных зон генерации окислов азота. Расчеты, проведенные для математической модели, которая работает относительно рассматриваемых выше механизмов образования N0^ позволяют на стадии конструирования решить эту задачу, так как в предтопках процессы смесеобразования и газификации горения практически полностью завершаются, и в топочную камеру поступают догорающие газы с минимальным содержанием продуктов недожога. При такой схеме организации топочного процесса существенно снижаются максимальные локальные тепловые потоки на экраны, что также снижает вероятность образования N0 в топке котла.
Существует большое многообразие способов подавления N0^ посредством различных конструктивных (тепловое напряжение, геометрические формы топочной камеры и размещение горелок, степень и характер экранирования, формы горелок и форсунок и т.п.) и режимных (избыток воздуха, распределение воздуха, режим работы форсунок, подогрев воздуха, нагрузка) факторов. К наиболее эффективным относятся рециркуляция дымовых газов в зону горения, двухстадийное сжигание, впрыск воды или пара в зону горения.
При проведении испытаний по снижению окислов азота на котлоагрегатах КВГМ-100 для снижения концентрации N0x использован впрыск воды через 13-сопловую форсунку с давлением воды от 0,5 до 1,5 кгс/см2 с расходом воды до 600 кг/ч.
Подавление окислов азота на котле КВГМ-100, показанное на рисунке, достигается впрыском небольшого количества воды через форсунку резервного топлива, что способствует ее охлаждению и снижению
(2)
.
(3)
Зависимость концентрации окислов азота от нагрузки котлов
окислов азота. Моделирование впрыска воды в циклонную камеру является очень сложной задачей, поэтому был проведен натурный эксперимент.
Снижение концентрации КОх на котле ПТВМ-100 (см. рисунок) происходит путем проведения наладочных мероприятий - корректировкой объемов газа между осевым, торцевым и тангенциальным вводами на различных нагрузках.
Анализируя результаты измерений, проведенных на котлах КВГМ-100, ПТВМ-100 при сжигании природного газа, можно сделать вывод о необходимости точного регулирования в процессе пуско-наладочных мероприятий расходов газа через сопла, расположенные тангенциально в камере сгорания, и тем самым добиваться минимального выхода МОх в определенном диапазоне нагрузок от 70 до 100 %.
Для глубокого подавления окислов азота рекомендуется использовать наладочные мероприятия с впрыском воды в предтопок. В дальнейшем предполагается рассмотреть рециркуляцию дымовых газов с введением их в зону максимальных температур, т.е. в среднюю обечайку предтопка, где образование МОх максимально, что приводит дополнительно к его снижению на 15-20%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменицкий Д.А. Окисление азота при горении. М.: АН СССР, 1946.145 с.
2. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. ОНД-86. Госкомгидромет. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.
3. Об охране атмосферного воздуха. Федеральный закон. 04.05.1999 г. № 96-ФЗ.
4. Об охране окружающей среды. Федеральный закон. 10.01.2002 г. № 7-0ФЗ.
5. Соор К.Ю. Исследование образования окислов азота из топливного азота в процессе горения жидкого топлива: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Таллин, 1980. 17 с.
