Основы современной малой энергетики

Расчет выбросов оксида азота NOх

Во всех существующих методиках расчет суммарного выброса оксидов азота NOx = NO + NO2 пo сложившейся традиции ведут в пересчете на NO2. В настоящее время существует несколько методик, позволяющих рассчитать концентрации или массовый выброс оксидов азота для паровых и водогрейных котлов в зависимости от их производительности, вида сжигаемого топлива, режимных и конструктивных условий. В связи с установленными раздельными ПДК на оксид NO и диоксид NO2 азота и с учетом трансформации оксидов азота в атмосферном воздухе суммарные выбросы оксидов азота разделяются на составляющие (с учетом различия в молекулярной массе этих веществ):

,

,

где и – молекулярные веса NO и NO2, равные 30 и 46 соответственно; 0,8 – коэффициент трансформации оксида азота в диоксид.

Численное значение коэффициента трансформации может устанавливаться по методике Госкомэкологии России на основании данных наблюдений организаций Госкомгидромета, но не более 0,8.

Методические указания по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов тепловых электростанций

(РД 34.02. 304 - 95)

Настоящие методические указания распространяются на паровые котлы паропроизводительностью от 75 т/ч и водогрейные котлы мощностью от 58 МВт (50 Гкал/ч) и выше, сжигающие твердое, жидкое и газообразное топливо в факельных горелочных устройствах, и устанавливают порядок и методы расчета выбросов оксидов азота при проектировании новых и реконструкции действующих котлов.

а) Расчет удельных выбросов оксидов азота для пылеугольных котлов

Исходными данными для расчета являются:

Np – содержание азота в топливе, в % на рабочую массу;

– теплота сгорания топлива, МДж/ кг;

тип горелок (вихревые, прямоточные, с подачей пыли высокой концентрации);

αг – коэффициент избытка воздуха в горелках;

α1 – доля первичного воздуха по отношению к теоретически необходимому;

r – степень рециркуляции дымовых газов через горелки, %;

W2/W1 – отношение скоростей вторичного и первичного воздуха в выходном сечении горлок;

Δαт – присосы в топке;

Δαз – третичный воздух, подаваемый в топку помимо горелок;

Δαсбр – сбросный воздух (сушильный агрегат) при транспорте пыли к горелкам горячим воздухом;

– температура за зоной активного горения, К.

Удельные выбросы оксидов азота КNO2 (г/МДж) складываются из топливных и воздушных оксидов азота:

.

Топливные оксиды азота подсчитывают по формуле:

,

где Nt – удельное содержание азота в топливе, г/МДж

.

Значения коэффициентов формулы приведены в табл. 1.5.

При транспортировке пыли к горелкам высокой концентрации значение, подсчитанное по формуле умножают на коэффициент 0,8. При этом долю первичного воздуха α1 и отношение W2/W1 принимают равными тем значениям, которые были бы выбраны в соответствии с Руководящими указаниями «Проектирование топок с твердым шлакоудалением» (Л.: НПО ЦКТИ, вып. 42, 1981) при обычной подаче пыли к горелкам первичным воздухом.

Таблица 1.5

Воздушные оксиды азота образуются в зоне максимальных температур, т. е. там, где поля концентраций, скоростей и температур отдельных горелок уже выровнялись. Следовательно, определяется в основном не особенностями горелок, а интегральными параметрами топочного процесса.

Для подсчета используют зависимость, учитывающую известное уравнение Зельдовича:

,

где – коэффициент избытка воздуха в зоне активного горения, условно принимаемый как сумма организованно подаваемого воздуха через горелки и присосов через нижнюю часть горелочной камеры, т. е.

,

где – температура на выходе из зоны активного горения, К.

Это уравнение справедливо в диапазоне коэффициентов избытка воздуха и до температуры = 2050 К. При < 1800 К величиной можно пренебречь.

Температуру в конце зоны активного горения рассчитывают по руководящим указаниям «Проектирование топок с твердым шлакоудалением» (Л.: НПО ЦКТИ, вып. 42, 1981).

Для случая, когда рециркуляция дымовых газов через горелки отсутствует, формула для расчета температуры в конце зоны активного горения ,° С имеет вид

,

где Qв – теплосодержание воздуха, поступающего через горелки, МДж/кг; (Vc)r – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива, МДж/(кг оС); – степень выгорания топлива в зоне активного горения; iтл – энтальпия топлива; ψF – произведение коэффициента эффективности на суммарную поверхность, ограничивающую зону активного горения, м2; ат – степень черноты топки в зоне максимального тепловыделения.

Приведенное уравнение решается методом последовательных приближений, так как в его правую часть входит . Если расчетное значение по этой формуле будет более чем на 50 оС отличаться от предварительно выбранной величины , то необходимо сделать 2-е приближение.

При наличии рециркуляции дымовых газов расчет следует выполнять по руководящим указаниям «Проектирование топок с твердым шлакоудалением».

Величина воздушных оксидов азота может быть снижена за счет уменьшения , причем эффективность любых мероприятий в этой области будет тем больше, чем выше исходное значение температуры.

Снижение величины топливных оксидов азота может быть осуществлено путем изменения нескольких параметров, влияние которых учитывают приведенными выше безразмерными коэффициентами (см табл. 1.5).

Соотношение между удельными выбросами и концентрацией оксидов определяют по формуле

,

где СNO2 – концентрация оксидов азота в пересчете на NО2 (г/м3) в сухих продуктах сгорания при стандартных условиях и при определенном избытке воздуха а (в соответствии с ГОСТ Р 50831-95 рекомендуется все расчеты концентрации NО2 пересчитывать на α = 1,4); Vсг – объем сухих газов при определенном избытке воздуха α.

б) Расчет концентрации оксидов азота при сжигании газа и мазута

Исходные данные, необходимые для расчета концентрации оксидов азота в дымовых газах энергетических котлов:

Dн – номинальная паропроизводительность котла, кг/с;

D – фактическая паропроизводительность котла, кг/с;

– низшая рабочая теплота сгорания топлива, МДж/м3 (МДж/кг );

Вр – расчетный расход топлива, м3/с (кг/с);

q1 – доля топлива или воздуха, поступающая через каждый ярус горелок, от, общего количества топлива (воздуха), поступающего через все горелки (при организации нестехиометрического сжигания за счет разбаланса соответственно по топливу или воздуху);

ni – доля горелок в каждом ярусе от общего количества горелок;

атп – ширина топки (в свету), м (при наличии двусветного экрана - ширина одной ячейки);

bтп – глубина топки (в свету), м;

Zяp – число ярусов горелок;

hяр – расстояние между ярусами горелок, м;

ξг – коэффициент, учитывающий степень выгорания топлива в факелах горелок в пределах зоны активного горения, зависящий от конструкции горелок:

– унифицированные и оптимизированные горелки ξг = 1;

– двухпоточные горелки стадийного сжигания ξг = 0,7;

– многопоточные горелки стадийного сжигания ξг = 0,58;

– многопоточные горелки стадийного сжигания с подачей части топлива в инертные газы ξг = 0,42;

Тв – температура воздуха перед горелками, К;

α – коэффициент избытка воздуха в конце топки;

r – степень рециркуляции дымовых газов, %;

т – показатель, зависящий от вида топлива:

– для газа – 0,5;

– для мазута – 0,47;

арец – коэффициент, зависящий от способа ввода газов рециркуляции:

– в под топки – 0,005;

– в шлицы под горелки – 0,02;

– снаружи воздушного потока горелки – 0,14;

– в дутьевой воздух – 0,16;

– между воздушными потоками горелки – 0,19;

δ – доля воздуха от теоретически необходимого, подаваемого в топку помимо горелок (вторичный воздух), %;

aзг – коэффициент, зависящий от места расположения ввода вторичного воздуха относительно зоны горения:

– ниже или в пределах зоны активного горения – 0;

– выше зоны активного горения – 0,01;

аст – коэффициент, учитывающий способ подачи воздуха:

– навстречу факелу – 0,015;

– под горелками – 0,007;

– над горелками – 0,018;

μ – степень перераспределения топлива или воздуха по ярусам горелок, % (при нестехиометрическом сжигании топлива за счет разбаланса соответственно по топливу или воздуху):

,

На основании геометрических размеров топки определяют тепловую нагрузку qтп (МВт/м2) лучевоспринимающей поверхности зоны активного горения:

.

При наличии в топке двусветного экрана Bр принимается на одну ячейку.

Для топок с одноярусным расположением горелок (единичной мощностью от 30 до 60 МВт) . При подовой компоновке горелок - единичной мощностью от 50 до 9S МВт , для горелок мощностью 96÷160 МВт – .

При сжигания газа исходную концентрацию оксидов азота (мг/м3), определяемую конструкцией топочной камеры и горелочных устройств , с учетом масштабного коэффициента тепловой производительности Км при номинальной нагрузке и α = 1,02 рассчитывают по формуле:

При сжигании мазута концентрация складывается из двух составляющих:

Второй член учитывает количество NOx, образующееся при отклонении содержания азота в мазуте от среднего уровня, равного Nр = 0,25 %.

Масштабный коэффициент Км вычисляют по формуле

Расчетную концентрацию оксидов азота (мг/м3) определяют:

– для газа:

– для мазута:

Полученные результаты по исходной концентрации оксидов азота дополняют коэффициентами, учитывающими:

– температуру воздуха, поступающего в горелки:

– коэффициент избытка воздуха, – для газа и мазута и – для мазута:

;

;

– ввод рециркуляции дымовых газов, Кr:

;

– тепловую мощность зоны активного горения при ступенчатом сжигании, Кзг:

;

– организацию схемы ступенчатого сжигания, Кст:

;

– нестехиометрическое сжигание по ярусам горелок, Кнс:

;

– подачу влаги, Квл:

;

– действительную нагрузку котла, КN:

.

Пример расчета концентрации оксидов азота приведен в приложении 1.

в) Расчет удельных выбросов или концентраций при совместном сжигании угля с мазутом или газом

При проектировании новых котлов, рассчитанных на сжигание угля и природного газа или угля и мазута, расчет выбросов оксидов азота должен выполняться для случая работы котла с номинальной нагрузкой полностью на худшем в экологическом отношении топливе. Приведенное содержание азота на 1 ГДж у всех марок углей выше, чем у мазута, а у природного газа связанный азот вообще отсутствует.

В действующих котлах часто сжигаются одновременно уголь и мазут или уголь и газ. В этом случае расчет концентрации оксидов азота (г/м3) проводится по формулам (для твердого топлива, а затем полученную концентрацию нужно умножить на поправочный безмерный коэффициент:

– при сжигании газа вместе с углем:

– при сжигании мазута вместе с углем:

где и – доля газа или мазута по теплу.

Доли газа и мазута по теплу рассчитывают по формуле

,

где – расчетный расход газа или мазута, м3/с (кг/с); – теплота сгорания газа или мазута, МДж/м3 (МДж/кг); Вру и – то же, для угля, кг/с и МДж/кг.

Объем сухих дымовых газов и теплоту сгорания при сжигании угля с мазутом рассчитывают по формулам

;

,

где – доля мазута по теплу; , соответственно, объем сухих дымовых газов (нм3/кг), образующихся при полном сгорании мазута при α =1,4 и теплота сгорания мазута (МДж/кг).

При сжигании угля совместно с газом расчет выполняется условно на 1 кг твердого топлива с учетом количества газа, приходящегося на 1 кг yгля:

;

,

где х - количество газа на 1 кг твердого топлива, м3/кг.

Если смесь топлив задана долями тепловыделения каждого топлива (δу и δг ), то количество газа, приходящееся на 1 кг твердого топлива, составляет:

.