При проектировании нового и модернизации действующего теплоэнергетического оборудования тепловой электрической станции (ТЭС) необходима теоретическая оценка его экологического воздействия на окружающую среду, позволяющая быстро и с достаточной точностью определять допустимое загрязнение атмосферного воздуха и степень снижения вредных выбросов при внедрении природоохранных технологий.

Первым этапом в разработке аналитической модели образования вредных выбросов в факеле энергетической установки является исследование физико-химических механизмов образования вредных выбросов, в частности одного из наиболее токсичных компонентов в составе дымовых газов – оксидов азота (NO_x) при сжигании различных видов топлива.

В рамках данной разработки проведено теоретическое исследование возможности образования термических, «быстрых» и топливных оксидов азота на различных уровнях прохождения дымовых газов по тракту энергетической установки, а также факторов, влияющих на количественную характеристику выхода оксида азота при сжигании топлива.

Из проведенного анализа установлено, что преобладающее влияние на формирование концентраций NO_x в зоне активного горения оказывают термические оксиды азота, для снижения, образования которых целесообразно регулировать температурный уровень и концентрацию свободного кислорода, что, возможно, осуществлять путем ввода влаги в топочные процессы.

Разработана аналитическая модель исследования образования вредных выбросов с учетом ввода влаги в зону горения. В основу данной модели положен макрокинетический закон протекания брутто-реакции образования оксидов азота в зоне высоких температур. Методика отражает закономерности образования NO_x в основном по термическому механизму Я.Б.Зельдовича, исходя из избирательного воздействия дополнительно вводимой влаги преимущественно на термические оксиды азота. В методике определено влияние, оказываемое на образование оксидов азота температурного уровня, концентрации реагирующих веществ и время нахождения их в зоне высоких температур.

При разработке модели образования оксидов азота с учетом ввода влаги использовались известные положения, изложенные в работах Я.Б. Зельдовича [1], И.Я. Сигала [6], Т.Б. Эфендиева [8] и ряда других авторов [4, 5].

Для определения концентраций оксидов азота, образующихся в процессе горения в использовался метод разложения экспоненты, согласно которому концентрация NO находится из выражения:

, (1)

где – скорость реакции образования оксидов азота при максимальной температуре факела Т_m , % об./с; – условное время реакции, с.

С учетом макрокинетического закона выход оксидов азота будет описываться уравнением:

, (2)

где К_II – константа скорости реакции, ( % об./с)-1; С_O2 и С_N2 – объемные концентрации соответственно атомарного кислорода и молекулярного азота в зоне максимальной температуры Т_m , % об.

Концентрация атомарного кислорода зависит от максимальной температуры в зоне горения. При температурах выше 1800 –2000К ее можно найти из условия равновесия при горении с избытком окислителя по формуле

, (3)

где [К] – константа равновесия, (% об./с)^-0,5; – концентрация кислорода в продуктах сгорания, % об.

Константы К_II и [К] могут быть определены по выражениям:

К_II = 6,1·10⁷ · exp [–], (4)

[К]= 0,75 · 10⁴ · exp [], (5)

где R – универсальная газовая постоянная (R=8,326 Дж/моль · К ); Т_m – максимальная температура факела, К.

Подставив выражения (3) – (5) в формулу (2), получим следующее соотношение для определения скорости образования оксидов азота:

, (6)

Концентрации кислорода и азота в зоне реакции определяются согласно принятому в методике допущению при окислении азота воздуха. При этом указанные концентрации зависят от параметров, характеризующих режимы работы горелок и топки котла, а также от возможного их изменения за счет ввода добавочной влаги.

, (7)

, (8)

где – коэффициент избытка воздуха в горелках; – присосы воздуха в топке; и – теоретические объемы соответственно продуктов сгорания и воздуха, м3/м3 (м3/кг); – удельный объем пара м3/кг; – водотопливное отношение кг воды/м3 топлива (кгводы/кгтоплива).

Подставляя (7) – (8) в (6) и сделав ряд преобразований, получим зависимость изменения скорости образования оксидов азота от количества вводимой влаги:

, (9)

где (10)

, (11)

, (12)

При расчете уровня максимальных температур Т_m с учетом ввода влаги в зону горения использовалась методика, в основу которой положено определение адиабатической температуры в топке и критерия Больцмана.

Адиабатическая температура горения рассчитывается по известной зависимости, когда все тепловыделение в топке воспринимается продуктами сгорания с учетом поправки на дополнительно вводимую влагу.

Получены зависимости адиабатической температуры горения , критерия Больцмана и максимальной температуры дымовых газов в ядре факела Т_m от условий теплообмена и с учетом влияния ввода влаги.

В итоге получены аналитические зависимости для определения концентраций оксидов азота (г/м3), учитывающая ввод дополнительной влаги в топку котла и коэффициента выхода оксидов азота при сжигании топлива также с учетом ввода влаги.

, (13)

Используя зависимость (13) можно оценить коэффициент выхода оксидов азота при сжигании топлива с вводом влаги:

, (14)

Расчетная оценка аналитических зависимостей (13) и (14) выполнена для энергетического котла БКЗ-320-140 ГМ, для которого также проводились опытные замеры концентраций оксидов азота с впрыском влаги в тракт горячего воздуха. Опытные исследования влияния ввода влаги на изменение концентраций оксидов азота выполнены сотрудниками Саратовского технического университета в рамках хозяйственного договора на выполнение научно-технических исследований [2, 3, 7].

Результаты расчета теоретической зависимости образования оксидов азота от количества вводимой влаги в топку котла представлены в табл. 1.

Таблица 1

Расчет теоретической зависимости образования оксидов азота от количества вводимой влаги в топку котла

Экспериментальная зависимость изменения концентраций оксидов азота в зависимости от количества вводимой влаги в топку котла приведена в табл. 2 (по данным [8]).

Таблица 2

Экспериментальная зависимость изменения концентраций оксидов азота в зависимости от вводимой влаги в топку

Как видно из анализа табл. 1-2, получена достаточная сходимость экспериментальных результатов и теоретических данных, рассчитанных по предлагаемой методике. Максимальная величина отклонений расчетной величины концентрации NO2 от экспериментальных значений не превышает 1,5 %.

Для учета реальных условий эксплуатации котлов аналитическая модель дополнена математической моделью расчета процесса горения и расчета топочной камеры.

В математической модели представлен сложный комплекс процессов, происходящих при факельном горении, включая аэродинамику топочной камеры и теплообмен с поверхностями нагрева. В данной модели производится позонный расчет максимальной температуры горения, скорости изменения температуры горения с учетом всех возможных режимов работы топочной камеры, что позволяет проследить влияние темпов охлаждения, начального и конечного состава продуктов сгорания, регулируемых путем ввода активных добавок (воды) с целью снижения концентраций вредных выбросов.

Разработан программный комплекс макрокинетической модели снижения образования выбросов при проектировании природоохранных мероприятий, учитывающий совместно аналитическую (кинетическую) модель расчета образования вредных выбросов в топке котла и математическую модель расчета процесса горения и расчета топочной камеры. С помощью программы можно оперативно произвести определение выбросов оксидов азота котельными установками.

Выводы

Предложена аналитическая модель исследования образования выбросов с учетом ввода влаги в зону горения.

Максимальная величина отклонений расчетной величины концентрации N_O2 от экспериментальных значений не превышает 1,5 %.