Проблема зашиты атмосферного воздуха от вредных выбросов промышленных предприятий становится все более актуальной, особенно в таких промышленных городах, каким является город Дзержинск — крупнейший центр отечественной химической промышленности.
По данным Верхне-Волжского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, несмотря на имеющийся спад производства, концентрация, например, оксидов азота в городе составила в среднем за 1999 год 1.08 ПДК с максимальным разовым ее значением 4.6 ПДК. При этом существенный вклад в загрязнение атмосферы вносят Дзержинская и Игумновская ТЭЦ, работающие на газе и мазуте.
На Дзержинской ТЭЦ в последние 7−8 лет уделяется серьезное внимание защите атмосферного воздуха от выбросов оксидов азота: используется ввод в топку газов рециркуляции, применяется ступенчатое сжигание, в ближайшее время намечен ввод в эксплуатацию каталитического реактора фирмы «Денокс». Значительное подавление оксидов азота достигнуто на одном из котлов Дзержинской ТЭЦ за счет внедрения на нем новой технологии трехступечатого сжигания газа и мазута.
Данная диссертационная работа посвящена разработке, исследованию и результатам внедрения указанной технологии.
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА И МАЗУТА В ТОПКАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ.
Основные результаты промышленных испытаний и расчётов по программе «ТРАКТ» (топливо — мазут) п/п Параметр Обоз. Ед. изм. 20.05.92 20.07.94.
Опыт Расчёт Опыт Расчёт.
1 2 3 4 5 6 7 8.
1. Паропроизводительность по паромеру — уточнённая Дпар Д+ т/ч т/ч 384 389,8 389,8 340 343,7 347,7.
2. Давление перегретого пара Р + гпе кгс/см2 140 139 138,5 138,5.
3. Температура перегретого пара t + 1пе °с 548 548 545 545.
4. Давление в барабане Рб+ кгс/см2 154 148 146 146.
5. Давление питательной воды Р + гпв кгс/см2 180 177 180 177.
6. Расход питательной воды Дпв+ т/ч 398 398 346,9 346,9.
7. Температура питательной воды t + °с 205 205 213 213.
8. Расход продувочной воды Дпрод т/ч 8 8 3,2 3,2.
9. Расход мазута Дмаз т/ч 26,8 26,93 25,4 23,22.
10. Температура мазута t + 1маз °с 115 115 113 113.
11. Температура холодного воздуха t + °с 20 20 31 31.
12. Температура воздуха за калорифером t" + кал °С 145 135 158 158.
13. Температура воздуха за I пакетом ВП °С 175 219 183 227.
14. Температура горячего воздуха tr.B. °С 274 280 277 266.
15. Температура газов за пароперегревателем «'ne °С 680 681 680 668.
16. Температура газов за экономайзером °С 316 314 301 302.
17. Температура уходящих газов °С 195 209 215 217.
18. Содержание кислорода в газах заПП О2 ne % 1,6 — 1,2 1,2.
19. Там же — избыток воздуха апе + - 1,08 1,08 1,08 1,08.
20. Содержание кислорода в газах за ВП О2 ВП %.
21. Там же — избыток воздуха аш — 1,325 1,321 1,32 1,32.
22. Теплопроизводительность Qk Гкал/ч 241,1 208,46.
23. Потери тепла с уходящими газами q2% 8,62 9,46 9,46.
24. Потери тепла в окружающую среду 45% 0,53 0,53 0,62.
25. КПД котла «брутто» Лбр % 90,85 90,01 89,92.
26. Рециркуляция газов + г % 0 0.
27. Температура газов на выходе из топки °С 1437 1409.
28. Впрыск воды Двпр т/ч 78 61,9.
6.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Разработана методика изотермического моделирования аэродинамики реального топочного объема с прямоточными горелками и соплами воздуха при создании е вихревого движения потоков факела^топочном объеме. Обоснованы критерии моделирования габаритных размеров топки и горелочных устройств.
Аэродинамическое экспериментальное моделирование в изотермических условиях подкреплено трехмерным численным моделированием аэродинамики топочного объема. Полученные результаты численного моделирования дополняют и углубляют представления о сложной аэродинамике в условиях прямоточно-фихревого факела.
2. С целью снижения выбросов 1ЧОх в атмосферу произведены разработка и аэродинамическая оптимизация технологии трехступенчатого сжигания мазута и газа в прямоточно-вихревом факеле на котле с призматической топкой.
Новизна технологии защищена патентом РФ и предусматривает:
• организацию в нижней части топки горизонтального вихря, генерируемого в основном энергией свежих струй горелок, которые установлены по встречно-смещенной схеме и подают в зону вихря первичный воздух с долей порядка 50%;
• ввод в нижнюю ветвь вихря вторичного воздуха из фронтальных, задних и подовых сопл с суммарной долей порядка 27%;
• ввод в верхней части топки с большим наклоном вниз струй третичного дутья с долей порядка 23% и номинальной скоростью истечения не менее 53−55 м/с, причем сопла третичного воздуха установлены также по встречно-смещенной схеме по отношению к горелкам противоположных стен.
3. Внедрение технологии осуществлено посредством двухэтапной реконструкции горелочных устройств на котле БКЗ-420ПГМ (ст.№ 4) Дзержинской ТЭЦ ОАО «Нижновэнерго».
Проведенные промышленные исследования с определением характеристик работы котла после первого этапа его реконструкции показали, что при одноступенчатом сжигании мазута в призматической топке с двухярусными прямоточными горелками, установленными относительно высоко над подом по встречно-смещенной схеме и наклоненными вниз на 250 (нижний ярус) и 490 (верхний ярус) имеет место следующий режим работы топки:
• достаточно высокая экономичность процесса сжигания при избытке организованного воздуха, подаваемого через горелки (аорг = 0,94);
• нижняя часть топки не заполнена факелом, тогда как примерно на уровне горелок первого яруса в центральной зоне топки имеет место довольно концентрированное ядро горения, характеризующееся падающими на экраны тепловыми потоками на уровне 525−554 кВт/м .
4. Измеренные значения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания маи зута примерно стабильном режиме работы котла (Д = 380−400 т/ч, а П[1 = 1,08−1,1) имели тенденцию роста во времени от Скох = 255−280 до 500−520 мг/м3 (в пересчете на N02 и, а = 1,4) и зависящими, как показал анализ, от нарастания внутренних отложений в экранных трубах (от Мо = 30−60 г/м в начале работы котла и до Мо = 380−400 у г/м через два года эксплуатации).
5. Выполнен расчет изменения эффективной температуры факела в зоне активного горения с учетом нарастания внутренних отложений в экранных трубах. Расчеты подтвердили, что причиной роста с течением времени уровня образования NOx в топках с одноступенчатым сжиганием высокореакционного топлива является увеличение термического сопротивления слоя внутренних отложений в экранных трубах. В результате этого уже через 2,5−3 года после очередной кислотной промывки котла среднее значение падающего теплового потока увеличилось в 1,25 раз, а эффективная излучающая температура факела возросла с 1430 до 1556 °C. У.
6. Опробование режима двухступенчатого сжигания газа с долей первичного воздуха 45−50% показало, что после I этапа реконструкции котла его максимальная паропроизводительность по условию обеспечения 1-пе = 550−555°С снизилась с 300 т/ч (паспортная величина) до 230 т/ч. Причиной этого явилось существенное превышение температуры газов на выходе из топки по сравнению с расчетным ее значением, что связано с высоким местоположением условного ядра факела и большой долей сжигания газа во второй ступени горения.
7. После перевода котла БКЗ-420ПГМ на трехступенчатое сжигание газа со снижением отметки размещения 4 фронтальных горелок и уменьшением доли сгорания газа в верхней части топки максимальная паровая мощность котла на газе возросла до 340 т/ч.
В результате наладочных мероприятий по повышению скоростей истечения струй воздуха интенсивность перемешивания топлива и воздуха улучшилось, что позволило при любой комбинации работающих газовых и мазутных горелок иметь невысокий избыток организованного воздуха (аорг = 1−1,01), несмотря на сравнительно небольшую долю первичного воздуха (~ 50%).
Оптимизация аэродинамики факела за счет трехступенчатого сжигания топлива снизила неравномерность тепловыделения по стенам топки более чем в 2 раза, при умеренном значении максимального падающего теплового потока (я &bdquo-ад = 414−440 кВт/м2).
8. Усовершенствована программа выполнения позонного теплового расчета топки и методика согласования позонного расчета и расчета топки в целом применительно к организации ПВФ. Введен учет конвективной составляющей теплообмена, учет доли внутренней рециркуляции газов между соседними зонами при вихревом движении. Для ступенчатого сжигания топлива уточнено определение степени заполнения объема зоны светящимся факелом шз и метод расчета значения т для топки в целом при известных значениях шз. Для топок с ПВФ предложена формула расчета коэффициента местоположения условного ядра факела М, учитывающая распределение воздуха по ярусам горелок и сопл, а также их высоту установки и угол наклона.
9. На основе позонного и поверочного тепловых расчетов топки, а также теплового расчета котла БКЗ-420ПГМ в целом, выполненных на ПЭВМ, произведен расУ четный анализ тепловых режимов работы топки указанного котла при одноступенчатом и трехступенчатом сжигании топлив. Выявлена достаточно хорошая сходимость расчетных и экспериментальных значений падающих тепловых потоков по высоте топочной камеры. Показано значительное выравнивание уровня тепловых штоков в топке с трехступенчатым сжиганием топлив.
10. С учетом методики МЭИ для расчета образования оксидов азота при ступенчатом сжигании топлив и экспериментальных значений Смох, полученных на котле БКЗ-420ПГМ, разработан метод расчета образования ЫОх в котле для условия нарастания во времени внутренних отложений в экранных трубах, имеющий хорошую сходимость с опытными данными.
11. Выполнены измерения концентрации Ж) х в продуктах сгорания котла БКЗ-420ПГМ после второго этапа реконструкции. Осредненные значения Сшх в режиме л работы котла на природном газе при нагрузке Д = 340 т/ч составили 75 мг/м. В случае сжигания смеси природного газа и мазута при Д = 420 т/ч они составили: 115, 142 и 171 мг/м3 соответственно при тепловой доле газа в смеси 75, 50, 25. Данные результаты оказались ниже соответствующих международных стандартов.
При сжигании мазута в диапазоне Д = 360−420 т/ч с использованием рециркуляции газов (г = 12−5%) измеренная концентрация NOx составила 183−200 мг/м соответственно, что достаточно близко значению международного стандарта (185 мг/м3).
12. Экспериментально выявлено, что при трехступенчатом сжигании топлива увеличение выхода оксидов азота с течением времени работы котла (от роста внутри-трубных отложений) практически не происходит. Это определяется относительно низкой температурой и недостатком кислорода в зоне активного горения топлива, а также сравнительно невысокими падающими тепловыми потоками.
13. Измерения концентраций SO3 уходящих газах показали сравнительно высокий их уровень. При увеличении доли сжигания мазута в диапазоне 25−100% концено о трации SO3 увеличивалась от 1−10″ до 3,4−10″ % соответственно. Выявлено, что ступенчатый «по вертикали» характер сжигания мазута при относительно высоком местоположении мазутных горелок и сопл третичного воздуха приводит к затягиванию горения факела непосредственно до входа в ширмовой пароперегреватель. Это фактически исключает разложение SO3 до выхода из топки и создает более высокую их концентрацию, чем на реконструированных котлах БКЗ-160−100ГМ Ефремовской ТЭЦ с ПВФ и организацией ступенчатого сжигания «по горизонтали», где плотные языки пламени заканчиваются ниже уровня аэродинамического выступа.
14. При разработке компоновочных схем ступенчатого сжигания следует, по возможности, снижать местоположение последней ступени горения и обеспечивать более раннее перемешивание реагентов. Опыт наладки реконструированного котла БКЗ-420ПГМ показал, что увеличение скорости истечения наклоненных вниз струй третичного дутья заметно уменьшает уровень концентрации SO3 за счет снижения положения ядра факела.
15. Расчет температуры точки росы (tp) дымовых газов по измеренным значениям концентрации SO3 показал, что tp лишь на 5−10°С выше минимальной температуры стенки труб воздушного подогревателя. Таким образом, уменьшать существующий уровень калориферного подогрева воздуха (130−140°С) при снижении мазута нецелесообразно.
Проблема высокой концентрации 80з в уходящих газах (а следовательно, и 1: р) более остро стоит на котле БКЗ-420ПГМ (ст.№ 5), который оборудован вихревыми горелками. На этом котле при Д = 420 т/ч и 100%-ном сжигании мазута концентрация БОз составила около 410″ 3%. Это объясняется окончанием горения мазута в пределах ширмового пароперегревателя при аорг — 1 (несмотря на одноступенчатый режим сжигания мазута).
16. Совместное использование методов экспериментального и численного моделирования, а также тепловых вариантных расчетов котла дает возможность проведения более глубокого анализа работы действующих котлов и прогнозирования параметров работы новых котлов.
17. Для дальнейшего усовершенствования указанного комплексного подхода следует:
• при экспериментальном моделировании обеспечить стабильность метода фотографической визуализации потоков в объеме модели, дополнив его измерением скоростей, в том числе малых;
• при численном моделировании за счет использования более высокоскоростных ЭВМ производить расчеты полей скорости по всей ширине и высоте топки;
• на основе получения надежных данных экспериментального и численного моделирования скорректировать методику выполнения позонного и поверочного расчетов топки с определением местоположения условного ядра факела с учетом конвективной теплопередачи и интенсивного рециркулирования потоков из зоны в зону.
18. Произведено измерение концентраций Н^ в пристенной зоне одного из боковых экранов топки котла БКЗ-420ПГМ при работе в режиме трехступенчатого сжигания мазута с долей рециркуляции газов порядка 5%. В зоне вихревого факела концентрация НгЭ превышает коррозионно-опасный уровень (0,01%) и составляет 0,0140,046%. Расчетная оценка температуры металла экранных труб в зоне активного горения при максимальном падающем тепловом потоке q ^ - 524 кВт/м2 (что имело место после I этапа реконструкции котла) показала, что при наличии внутренних отлоо жений в количестве более 250 г/м она может превысить коррозионно-опасный уровень (1СТ > 450 °С).
Снижение максимальных теплонапряжений в зоне ядра горения (при трехступенчатом сжигании) Япад = 430 кВт/м2 привело к тому, что накопление внутритрубных отложений (по условию получения 1: ст > 450 °C возможно до значения 360 г/м2 (при сохранении такого же водного режима).
19. Для усовершенствования разработанной технологии трехступенчатого сжигания топлив на котле БКЗ-420ПГМ рекомендовано:
• произвести уплотнение топки, снизить присосы воздуха на участке топка-пароперегреватель до нормативного значения (5−6%), что позволит укоротить языки догорания топлива и снизить концентрацию БОз в продуктах сгорания при сжигании мазута;
• осуществить отбор воздуха, идущего на задние горелки, задние сопла вторичного воздуха и на охлаждение подовых сопл, из воздуховодов после воздушного подогревателя, что позволит на 10−12° снизить температуру уходящих газов за счет лучшего использования воздушного подогревателя;
• применить более экономичную схему рециркуляции газов с отбором газов из промежуточной точки конвективной шахты и сбросом их в топку через горелки и сопла вторичного воздуха;
• снизить местоположение и увеличить угол наклона вниз сопл вторичного воздуха.
20. Разработанная технология трехступенчатого сжигания мазута и газа с учетом указанных рекомендаций может быть использована при проектировании новых и реконструкциях действующих котлов.
