70 УДК 614.715.621.311.22 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЗОНЫ РЕГУЛИРУЕМОГО ХИМНЕДОЖОГА Канд. техн. наук, доц. НАЗАРОВ В. И., асп. МАЛАФЕЙ В. Г. Белорусский национальный технический университет Постоянный рост цен на энергоносители ставит перед учеными Респуб- лики Беларусь задачи по повышению эффективности сжигания топлива в ТЭС. Так, около 90 % закупаемого газа в России идет на выработку теп- ловой и электрической энергии. Не менее важна задача улучшения эколо- гической обстановки на территории республики за счет снижения вредных выбросов от промышленных предприятий. Среди вредных выбросов теп- ловых электростанций в окружающую среду одними из наиболее опасных веществ являются оксиды азота [1]. Поэтому для увеличения экологиче- ской чистоты сжигания природного газа в первую очередь необходимо снижать эмиссию NOx. Решить поставленные задачи возможно при широ- ком внедрении энергосберегающих и экологически чистых технологий, причем в первую очередь таких, которые при минимальных капитальных вложениях имеют относительно высокую эффективность. К ним относится технология сжигания топлива в котельных агрегатах при малых избытках 71 воздуха, при которой одновременно с экологическим эффектом (снижение выбросов оксидов азота на 25–30 %) удается повысить КПД котла [1–3]. Заданный избыток воздуха, в том числе и минимальный, как правило, поддерживается изменением расхода воздуха. Ввиду этого на газовых и мазутных котлах широкое распространение получила схема подачи общего воздуха по принципу «топливо – воздух». Недостаток данной схемы – необходимость ручной корректировки про- цесса подачи общего воздуха при резких изменениях нагрузок и неста- бильности теплоты сгорания топлива, а также неизбежных в процессе экс- плуатации изменениях состояния котла, вызывающих смещение оптималь- ного коэффициента избытка воздуха. Поэтому для повышения эффектив- ности процесса сжигания топлива применяется коррекция в режимном се- чении котла: по концентрации либо О2, либо СО2, либо СО в уходящих газах; либо О2 совместно с СО. Широкое распространение получила коррекция схемы «топливо – воз- дух» по содержанию кислорода, которая однозначно определяет избыток воздуха независимо от характеристик топлива [1, 2]. Однако эта схема имеет ряд недостатков. При появлении присосов, а также при нарушениях равномерной подачи воздуха и топлива критическое значение избытка воз- духа повышается, в связи с этим изменяется оптимальное значение его из- бытка, что может привести к снижению КПД котла. Повышение избытка воздуха на 10 % приводит к увеличению расхода топлива на 1 %, а также к значительному росту выбросов оксида азота [4]. По указанным выше причинам применимость оценки качества процесса горения по кислороду ограничена. В свою очередь из физической химии известно, и это фундаментальная закономерность, что с ростом избытка воздуха содержание в продуктах сгорания («водяном газе») СО и Н2 уменьшается, но не исчезает полностью [1]. На всех газомазутных котлах химический недожог появляется только при избытке воздуха, ниже некоторого свойственного данному котлу αкр. Кроме того, координаты максимума КПД αорt практически совпадают с αкр [1, 5]. Поэтому процесс регулирования подачи воздуха нужно вести с мак- симально возможным приближением к αкр справа, т. е. на грани появления химнедожога. Корректировка по химнедожогу имеет важное преимуще- ство и заключается в том, что присосы воздуха по конвективному газоходу приводят лишь к незначительному снижению концентраций СО и Н2. Режим горения газомазутного топлива с регулируемым остаточным химнедожогом необходимо рассматривать комплексно с учетом экономи- ческих и экологических факторов. Оптимального КПД котла можно до- стигнуть в том случае, когда потери, обусловленные неполным сгоранием, по своему действию равны потерям теплоты с уходящими газами. Необхо- димо также отметить различную степень токсичности выбросов оксидов углерода и окислов азота. Наиболее токсичными являются окислы азота. Если проводить экологическую оптимизацию токсичности уходящих ды- мовых газов, то можно записать суммарную токсичность в виде суммы Y∑ = YNOx + YСO, (1) где YNOx – степень токсичности окислов азота; YСO – то же оксидов углерода. Поддержание оптимального соотношения «топливо – воздух» с коррек- цией по химнедожогу возможно лишь при наличии непрерывного контроля 72 химнедожога в технологических газах. В последние годы создан ряд пер- спективных электрохимических анализаторов, позволяющих осуществлять непрерывный анализ уходящих газов с высокой точностью и быстродей- ствием. Анализаторы имеют погружные датчики, которые находятся непо- средственно в потоке анализируемого газа, что исключает необходимость в системах отбора и подготовки газа для анализа. Для определения оптимального режима работы котла в условиях при- менения коррекции по химнедожогу были проведены эксперименты на двух котлоагрегатах: БКЗ-75-39 Барановичской ТЭЦ и ГМ-50-14 Жодин- ской ТЭЦ. Эксперимент проводился при трех нагрузках для котла БКЗ-75- 39 и двух нагрузках для котла ГМ-50-14. Возмущающие воздействия наносились топливом и воздухом ±10 % от предусмотренных базовым режимом котла. Испытания проводились после достижения установившегося режима. Завершение переходного процесса в установившийся режим контролировалось по соответствующим контроль- ным параметрам. Расход топлива, паропроизводительность котла, давление и температура пара определялись по щитовым приборам, расход воздуха – по давлению перед горелками. Концентрация химнедожога и NOx измерялись синхронно в режимном сечении перед пароперегревателем. Газовый анализ на химнедожог и NOx осуществлялся с помощью газоанализатора Тesto. Результаты эксперимента подтверждают возможность сокращения вы- бросов оксида азота за счет организации режима горения с умеренным остаточным химнедожогом (рис. 1, 2). Эффективное снижение концентра- ции окислов азота на 25–30 % достигается при содержании СО в дымовых газах режимного сечения на уровне 150–200 млн–1 для котла БКЗ-75-39 и 30–45 млн–1 – для котла ГМ-50-14. Что же касается потерь с химической неполнотой сгорания q3, то они совпадают со значением q3, соответству- ющим оптимальной величине КПД котлоагрегата. Режим работы с содер- жанием СО в дымовых газах на уровне менее 150 и 30 млн–1 для этих кот- лов характеризуется более высоким выходом NOx и является менее эколо- гически чистым. Режимы работы с большим недожогом (более 200 и 45 млн–1) cоответственно характеризуется большим выходом оксидов углеро- да и большим расходом топлива, что экономически невыгодно. 20 40 60 80 0 80 160 1 2 3 0 80 СО, млн–1 160 Рис. 1. Зависимость концентрации NOx от концентрации СО в котле БКЗ-75-39: 1 – Dпп = 67 т/ч; 2 – 61 т/ч; 3 – 56 т/ч 0 24 48 1 2 0 24 СО, млн–1 48 N O x, м лн –1 N O x, м лн –1 120 100 80 60 40 20 120 100 80 60 40 1 2 3 73 Рис. 2. Зависимость концентрации NOx от концентрации СО в котле ГМ-50-14: 1 – Dпп = 43 т/ч; 2 – 35 т/ч Также в результате проведения эксперимента отмечено увеличение па- ропроизводительности обоих котлов при уменьшении коэффициента из- бытка воздуха топки αт без увеличения расхода топлива (рис. 3, 4). 1,0 1,2 αт 1,4 Рис. 3. Зависимость паропроизводительности котла БКЗ-75-39 от коэффициента избытка воздуха: 1 – Dпп = 67 т/ч; 2 – 61; 3 – 56 т/ч 1,0 1,2 αт 1,4 Рис. 4. Зависимость паропроизводительности котла ГМ-50-14 от коэф- фициента избытка воздуха: 1 – Dпп = 43 т/ч; 2 – 35 т/ч В Ы В О Д Ы 1. Сжигание топлива в котельных агрегатах с умеренным остаточным хим- недожогом является малозатратной энерго- и экологосберегающей техно- логией. 2. Для внедрения режима сжигания топлива с умеренным остаточным химнедожогом необходимо иметь приборы непрерывного контроля NOx и СО. 3. При сжигании природного газа наиболее экологически чистыми яв- ляются режимы с умеренным контролируемым недожогом. Суммарный показатель вредности таких режимов в 1,5–2,0 раза ниже, чем при обычном сжигании природного газа в соответствии с режимной картой. 4. При концентрации оксида углерода на уровне 150–200 млн–1 в ре- жимном сечении для котла БКЗ-75-39 и 35–40 млн–1 для котла ГМ-50-14 возможно снижение выбросов оксида азота на 25–30 % . Л И Т Е Р А Т У Р А 1. В н у к о в, А. К. Теплохимические процессы в газовом тракте паровых котлов / А. К. Внуков. – М.: Энергоиздат, 1981. – 296 с. 2. С п е й ш е р, В. А. Повышение эффективности использования газа и мазута в энер- гоустановках. – 3-е изд., перераб. и доп. / В. А. Спейшер, А. Д. Горбатенко. – М.: Энерго- атомиздат, 1991. – 184 с. 3. А х м е д о в, Р. Б. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. – 2-е изд. перераб. и доп. / Р. Б. Ахмедов, Л. М. Цирюльников. – Л.: Недра, 1984. – 238 с. 4. К о т л е р, В. Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов / В. Р. Котлер. – М.: Энерго- атомиздат, 1987. – 144 с. 5. Ц и р ю л ь н и к о в, Л. М. О возможности оптимизации топочного процесса в газо- мазутных котлах / Л. М. Цирюльников // Теплоэнергетика. – 1979. – № 6. 6. Р о с л я к о в, П. В. Реализация нестехиометрического сжигания мазута с целью снижения выбросов оксидов азота / П. В. Росляков, А. В. Вершинин, А. Э. Зелинский // Электрические станции. – 1991. – № 3. 7. Р а з р а б о т к а рекомендаций по снижению выбросов оксидов азота для газомазут- ных котлов ТЭС / П. В. Росляков [и др.] // Электрические станции. – 1991. – № 9. 1 2 3 D пп , т /ч 1 2 D пп , т /ч 75 60 45 50 45 40 35 30