15 мая 2016г.
Введение. В данной работе рассматриваются вопросы распределения температуры и падающих тепловых потоков на экранные поверхности нагрева котлов ТГ-104 при работе на Уренгойском газе и тепловой эффективности топок для снижения образования окислов азота. Измерение первичных параметров работы котлов проводилось по методике [1]. Для оценки выбросов разработана программа расчета [2,3]. Температура продуктов сгорания измерялась оптическим методом и с помощью термопар контактным методом. Падающие тепловые потоки измерялись радиометром полного излучения. Сжигалось топливо – природный газ по ГОСТ 30319.1-96 с низшей теплотой сгорания 35146 кДж/м3.
Результаты экспериментов данной работы могут быть использованы для организации топочных процессов с целью снижения выбросов окислов азота. Нормативными документами удельные выбросы окислов азота ограничиваются предельным значением для котлов паропроизводительностью до 400 т/ч: при сжигании природного газа -255 мг/нм3, при сжигании мазута- 290 мг/нм3,при сжигании каменных углей- 570 мг/нм3.
Для котла ТГ-104, номинальная паропроизводительность которого 640 т/час, такие нормативы не разработаны.
Описание котла ТГ-104. Котел ТГ-104 однокорпусный и имеет П-образную компоновку поверхностей нагрева. Ширина фронта котла по осям колонн составляет 20,3 м, с учетом крайних ферм каркаса 26,7 м, глубина котла в осях колонн составляет 21,95 м. Наивысшая отметка котла по перепускным, трубам 37,5 м. Топочная камера имеет призматическую форму, в плане представляет собой прямоугольник, с размером в осях труб по фронту 18,624 м и по глубине 7,232 м. Объем топки 2640 м3, удельное теплонапряжение (до ширмового пароперегревателя) 208 кВт/м3. Проектное теплонапряжение сечения топки равно 7070 кВт/м2. Стены топки полностью экранированы трубами наружным диаметром 60 мм и толщиной стенки 6 мм из стали 20 с шагом 64 мм. Под топки образован панелями заднего экрана, имеет наклон к горизонту 15° и защищен от излучения факела слоем огнеупорной кладки. На фронтовой стене топки установлены в 2 яруса (на отметке 11,1 м и 14,1 м) 12 газомазутных горелок – по шесть в каждом ярусе. Горелки 4,5 т/ч по мазуту и 4500 нм3 /ч по природному газу - вихревые, двухпоточные со смешанной подачей газа. В центральной трубе горелки установлена мазутная форсунка паромеханического распыливания и запальное устройство типа ЗЗУ4. Газ подается как в центральную часть горелки, так и в периферийную. Воздушный канал разделяется на два потока, между которыми имеется возможность перераспределения воздуха.
Методы подавления образования окислов азота. Методы подавления окислов азота в топке энергетических котлов используются на АО ТКЗ "Красный котельщик" на находящихся в эксплуатации котлов ТПЕ-429 на Кировской ТЭЦ-5 с участием "Уралтехэнерго", на Казанской ТЭЦ-3 и Ульяновской ТЭЦ-2 с участием НПО ЦКТИ по направлениям [2]:
-снижение избытка воздуха в топке снизить выход окислов азота на 15-20%.
-применение двухступенчатого сжигания пылевоздушной смеси со сбросом части воздуха в топку выше горелок снижает выход окислов азота на 25-30%.
-оптимальным по снижению выбросов окислов азота является трехступенчатое сжигание («ребининг- процесс»), которое предусматривает восстановление окислов азота, образовавшихся в факеле, путем ввода в топку над горелочным поясом (либо получением непосредственно в топочном объеме) реагентов-восстановителей. Этот процесс организуется независимо от конструкции горелок и вида топлива. При этом в топке выделяется 3 зоны:
-в первой зоне сжигается основная масса топлива (около 8 %) при небольшом избытке воздуха;
-во второй зоне сжигается остальная часть топлива при недостатке воздуха и генерируется среда, восстанавливающая окислы азота до элементарного азота;
- в третьей зоне производится дожигание топлива и продуктов неполного горения за счет ввода недостающего воздуха.
Для получения восстановительной среды может быть основное или вспомогательное топливо (при сжигании угля применяется природный газ).
Параметры излучения, влияющие на образование окислов азота. Излучательные характеристики факела определяются при заданных температурах составом факела пламени, который зависит от вида сжигаемого топлива и способа сжигания. Газ можно сжигать в виде несветящегося или светящегося факела. В первом случае получается наиболее простой вид факела, который для случая полного горения состоит из смеси трехатомных продуктов сгорания, азота и кислорода при избытке воздуха больше единицы. Излучательные характеристики такого факела определяются содержащимися в нем водяными парами и углекислым газом. Поэтому степень черноты несветящегося факела можно рассчитать по степеням черноты сухих трехатомных газов и водяных паров. На прак- тике однако для случая несветящегося факела степень черноты определяется со значительными отклонениями от действительных величин вследствие неизотермичности факела, неравномерной концентрации СО2 и Н2О в различных частях объема факела и сильной зависимости степени черноты СО2 и Н2О от температуры. В практике расчетов обычно учитывают не только излучение СО2, но также СО и SO2 общей суммой RO2, излучение которой принимается по излучению СО2, так как содержание СО и SO2 в топочных газах обычно небольшое.
Результаты экспериментов по образованию окислов азота.
Максимальная нагрузка котла ТГ-104 при опытах составляла 680 т/час при расходе газа 52 тыс. м3/час (Табл.1).
Таблица 1
Выбросы окислов азота при сжигании газа Уренгойского месторождения с теплотой сгорания 35146 кДж/м3 в котле ТГ-104 без рециркуляции продуктов сгорания
|
Нагрузка, т/час
|
Расход газа, тыс. м3/час
|
Тепловое напряже- ние, МВт/м2
|
Избыток
воздуха на выходе из топки
|
Темпера-тура на выходе из топки, °С
|
Суммарный
выброс окислов азота NO2 , г/нм3
|
|
550
|
49
|
3,57
|
1,07
|
1231
|
0,159
|
|
616
|
50,5
|
3,68
|
1,06
|
1300
|
0,166
|
|
680
|
52
|
3,79
|
1,05
|
1362
|
0,173
|
При поперечном сечении топки 133,9 м2 и теплоте сгорания газа 35146 кДж/м3 максимальное тепловое напряжение равно 3,79 МВт/м2. Выбросы при этом составляют 0,173 г/нм3, то есть не превышают допустимых значений при сжигании газа 0,255 г/нм3.
Список литературы
1. Таймаров М.А. Лабораторный практикум по курсу «Котельные установки и парогенераторы», Казань, КГЭУ, 2004. -108 с.
2. Таймаров М.А. Разработка методов снижения выбросов окислов азота котлами ТЭС. Казань, КГЭУ, 2013. 69 с.
3. Таймаров М.А., Чикляев Д.Е. Образование термических окислов азота при сжигании газа. Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2013. - Т.16, N 23. С.73-75.
