Разработка способов снижения и метода расчета выбросов оксидов азота при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.16, кандидат технических наук Беликов, Сергей Евгеньевич

• Беликов, Сергей Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Беликов, Сергей Евгеньевич

Содержание

Введение

Глава I. Состояние вопроса и постановка задачи

1.1. Проблема загрязнения атмосферы оксидами азота

1.2. Образование оксидов азота при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах

1.3. Методические проблемы при оценке экологических характеристик промышленных и отопительных котлов

1.4. Постановка задачи

Глава II. Исследование экологических характеристик промышленных и отопительных котлов на природном газе

2.1. Топочно-горелочные устройства и их влияние на образование оксидов азота

2.2. Зависимость выбросов оксидов азота от нагрузки котельных установок

2.3. Зависимость выбросов оксидов азота от избытка воздуха

2.4. Влияние конструкции горелок на образование оксидов

азота при сжигании природного газа

2.5. Нестехиометрическое сжигание, как средство снижения выбросов оксидов азота

Глава III. Исследование технологических методов подавления оксидов азота для промышленных и отопительных котлов на природном газе

3.1. Эффективность рециркуляции дымовых газов при сжигании природного газа

3.2. Эффективность двухступенчатого сжигания природного

газа в промышленных и отопительных котлах

Глава IV. Методика расчета мощности выбросов оксидов азота для действующих и проектируемых котлов

4.1. Расчет мощности выбросов оксидов азота по результатам измерения концентрации ИОх

4.2. Расчетный метод для оценки мощности выбросов

оксидов азота

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка способов снижения и метода расчета выбросов оксидов азота при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах»

Введение

Одной из серьезнейших проблем современности является опасность чрезмерного загрязнения атмосферы токсичными оксидами азота ЫОх, образующимися при сжигании всех видов органического топлива. По общему признанию, основная масса выбросов ЫОх приходится на крупные котлы тепловых электростанций. Однако ТЭС, как правило, расположены на некотором расстоянии от городов и оборудованы дымовыми трубами высотой 120-420 м. Благодаря рассеиванию концентрация ЫОх на уровне дыхания человека снижается в десятки тысяч раз, так как максимальная приземная концентрация прямо пропорциональна массе выбросов МщЯ обратно пропорциональна

квадрату высоты дымовой трубы Я [1].

Котлы промышленных и отопительных котельных потребляют меньше органического топлива, чем тепловые электростанции, однако расположены они в городах и высота дымовых труб составляет, как правило, 30-60 м. В результате этого во многих городах именно небольшие по мощности котельные, наряду с автотранспортом, определяют уровень приземной концентрации оксидов азота.

По сведениям Госкомстата Российской Федерации в 1993 г. в России эксплуатировалось более 219 тыс. таких котлов суммарной тепловой мощностью 988 тыс. МВт (849600 Гкал/ч). В течение года производство тепловой энергии промышленными и отопительными котлами составило 5633 млн. ГДж (1345 млн. Гкал), а общий расход топлива превысил 233 млн.т условного топлива [2].

Только на промышленных предприятиях г. Москва установлено 1840 котлов, суммарная мощность которых составляла 52800 МВт (45400 Гкал/ч), а расход топлива в 1993 г. достиг 16367 тыс.т условного топлива. Понятно, что сжигание такой массы органического топлива на установках, расположенных непосредственно в черте города и не

оборудованных, как правило, средствами очистки дымовых газов создает весьма опасную экологическую проблему.

В последние годы, особенно после принятия Закона об охране атмосферного воздуха, местные органы санитарно-гигиенического надзора, а также контролирующие организации Госкомитета по экологии и охране окружающей среды усилили контроль за соблюдением норм предельно-допустимых выбросов. Это заставляет руководителей предприятий, в состав которых входят котельные, заботиться не только о надежности и экономичности установленных там котлов, но и внедрять природоохранные мероприятия, снижающие выброс токсичных и других загрязняющих веществ в атмосферу.

В большинстве городов Европейской части России основным топливом для промышленных и отопительных котельных является природный газ. В Москве, например, на газе работает 76% всех котельных, в Санкт-Петербурге - 70,5% и т.д. [2].

В перспективе можно ожидать дальнейшего роста использования природного газа во всех секторах промышленности, включая коммунально-бытовой сектор и тепловые электростанции. В работе [3], например, основываясь на материалах 16^ конгресса Мирового Энергетического Совета (Токио, октябрь 1995 г.), авторы приводят следующие цифры прогнозного баланса природного газа по России:

Показатели 1990г 1994г 1997г 2000г 20 Юг

Добыча природного газа, млрд.м3 641 607 655 690 850

Внутренне потребление, млрд.м3 460,5 411,2 420 439 503

В том числе: электростанции и отопление, млрд.м3 278,3 252 251 262 303

бытовой и промышленный сектор, млрд.м3 28,3 38 41 42 40

Важнейшей особенностью природного газа, как органического топлива, является отсутствие в нем твердых примесей и серы. Благодаря этому при сжигании газа в атмосферу выбрасываются только оксиды азота Ы0Х(Ы0+Ы02) и оксид углерода СО. Токсичность последнего в

несколько раз ниже, чем токсичность ЫОх и, кроме того, при нормальном режиме работы котла концентрация СО в дымовых газах остается ничтожно малой (как правило, не выше 0,01% по объему).

Практически единственной экологической проблемой при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах являются оксиды азота, концентрация которых даже на небольших котлах, не имеющих воздухоподогревателя, достигает иногда 300-400 мг/нм3.

Применение установок по очистке дымовых газов от АЮх за котлом, практикуемое в крупной энергетике некоторых стран, считается нецелесообразным по экономическим соображениям как в Российской Федерации, так и в других промышленно развитых странах. Поэтому для защиты атмосферы от выбросов ЫОх в малой энергетике используют главным образом технологические методы подавления выбросов оксидов азота, которые состоят в изменении процесса горения как за счет режимных мероприятий, так и за счет новых конструкторских решений.

Многие технологические методы достаточно подробно исследованы и широко применяются на крупных котлах ТЭС, однако специфика промышленно-отопительных котлов и в первую очередь - размеры их топок, требуют, как правило, особого подхода к решению проблемы подавления оксидов азота. Опубликованные до настоящего времени работы по внедрению природоохранных мероприятий на промышленно-отопительных котлах имеют разрозненный, а иногда и противоречивый характер [4-6].

Другой задачей, стоящей перед энергетиками в области экологии, является правильный учет различных конструктивных и режимных факторов с точки зрения их влияния на образование оксидов азота. Получение такой информации могло бы не только облегчить задачу снижения выбросов АЮх в атмосферу, но и устранить те недостатки, которые пока что не позволяют с достаточной степенью надежности использо-

вать утвержденные в 1985 г. Госкомгидрометом Методические указания по расчетам выбросов оксидов азота для промышленно-отопитель-ных котлов [7].

Целью данной диссертационной работы является:

- Экспериментальное изучение образования оксидов азота при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах;

- Исследование влияния конструктивных и режимных факторов на количество образующихся оксидов азота;

- Проверка в промышленных условиях эффективности малозатратных методов снижения выбросов ЫОх;

- Разработка упрощенной методики расчета выбросов ЫОх по измеренной концентрации оксидов азота;

- Разработка Методических указаний по оценке выбросов N0* для тех случаев, когда отсутствует возможность измерить концентрацию 1Юх в дымовых газах.

Научная новизна работы заключается в установлении зависимости выбросов АЮх от режима работы отопительно-промышленных котлов с разными конструкциями горелок; в разработке основных принципов малозатратных технологических методов для подавления выбросов АЮх на действующих промышленно-отопительных котлах; в создании упрощенной методики расчета массовых выбросов КОх по измеренной концентрации оксидов азота на действующих котлах; в разработке методических указаний для оценки массовых выбросов АЮх при расширении действующих или при сооружении новых котельных.

Практическая ценность работы заключается в проверке на промышленных котлах режимных мероприятий, позволяющих в 1,5-2 раза снижать выбросы оксидов азота без дополнительных капитальных затрат; в разработке и проверке на большом числе котлов малозатрат-

ных реконструктивных мероприятий, позволяющих при сжигании газа в 2-6 раз уменьшать выбросы АЮх практически без снижения экономичности котельных установок; в создании упрощенной методики расчета мощности выбросов АЮх по измеренной концентрации оксидов азота для действующих котлов; в разработке методических указаний для оценки выбросов оксидов азота при отсутствии работающих котлов или при невозможности измерить концентрацию МОх.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены:

1. На Всероссийском совещании "Совершенствование структуры и управления коммунальным энергетическим хозяйством" (2728.08.92 г., г. Липецк);

2. На семинаре-совещании "Совершенствование работы и подготовка к зиме предприятий коммунальной энергетики. Снижение вредных выбросов в окружающую среду". (1-4 июня 1993 г., г. Москва);

3. На IV конференции стран СНГ "Проблемы экологии и эксплуатация объектов энергетики" (9-12 сентября 1996 г., г. Севастополь); Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 9 статей и монография (в соавторстве).

Автор защищает:

- результаты промышленных исследований по внедрению методов подавления оксидов азота на промышленно-отопительных котлах при сжигании природного газа;

- упрощенную методику расчета мощности выбросов оксидов азота по измеренной концентрации ЫОх для действующих котлов;

- методические рекомендации по расчету удельных выбросов и мощности выбросов ЫОх при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах.

Экспериментальная часть работы выполнена в промышленных и

отопительных котельных на предприятиях г. Москвы и Московской области. Аналитическая часть работы выполнена в Московском Государственном открытом Университете и во Всероссийском Теплотехническом научно-исследовательском институте.

Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям работы - профессору МГОУ Е.М. Марченко и ведущему научному сотруднику ВТИ В.Р. Котлеру, а также коллективу НПП "Импульс" за помощь в проведении экспериментальной части работы.

Заключение диссертации по теме «Технические средства и методы защиты окружающей среды (по отраслям)», Беликов, Сергей Евгеньевич

Выводы

1. Обширные исследования, проведенные на большом числе про-мышленно-отопительных котлов производительностью от 300 кВт до 116 МВт позволили установить зависимость концентрации и мощности выбросов оксидов азота от основных режимных и конструктивных параметров при сжигании природного газа. Исследовано влияние нагрузки, избытка воздуха и присосов в топочную камеру на образование ЫОх.

2. Показано, что котлы, оборудованные напорными (дутьевыми) и инжекционными горелками, имеют разную зависимость удельных выбросов АЮх при изменении нагрузки, избытка воздуха и других параметров топочного процесса. Котлы, оборудованные инжекционными горелками, имеют значительно большие выбросы АЮх> чем котлы с напорными горелками.

3. Проведено исследование "нестехиометрического сжигания", которое позволяет в 1,5 раза снизить выбросы оксидов азота без затрат на реконструкцию топочного устройства. Метод нестехиометрического сжигания внедрен на трех котлах при сжигании природного газа, а также при сжигании газа совместно с торфом.

4. Исследованы особенности и эффективность упрощенной схемы рециркуляции дымовых газов, которая позволяет на отопительно-промышленных котлах в 2-4 раза снизить выбросы АЮх без установки дымососа рециркуляции. Метод внедрен на шести котлах производительностью от 4 до 35 т/ч.

5. Показано, что для организации эффективного двухступенчатого сжигания, снижающего выбросы ЫОх в 2-3 раза, требуется подавать часть воздуха в определенную зону топочной камеры с параметрами, обеспечивающими перемешивание этого воздуха с продуктами неполного сгорания. Присосы через неплотности топочной камеры не обеспечивают ступенчатость сжигания. Метод двухступенчатого сжигания внедрен на пяти котлах паропроизводительностью от 4 до 10 т/ч

6. Разработана упрощенная методика для расчета мощности выбросов оксидов азота Мщ (г/с) по измеренной концентрации ЫОх в дымовых газах сШг (ррт) и концентрации Ог (%). Составлена номограмма для практического использования упрощенной методики операторами и наладчиками котельных установок.

7. Сопоставление экспериментальных результатов с мощностью выбросов АЮх, рассчитанной по Методическим указаниям 1985 г., показало недостаточную надежность последних даже в тех случаях, когда на котле не реализуются какие-либо мероприятия, снижающие выбросы ЫОх. Расчет по Методическим указаниям 1985 г. Завышал фактическую мощность выбросов при сжигании природного газа в 1,5-2,0 раза.

8. Разработаны рекомендации по расчету мощности выбросов и удельных выбросов оксидов азота для промышленных и отопительных котлов на природном газе, учитывающие характеристики горелок и основные параметры топочного процесса, а также мероприятия, изменяющие топочный процесс для снижения выбросов АЮх. Удовлетворительная сходимость рассчитанных по этим рекомендациям и фактических выбросов МОх позволила утвердить разработанные рекомендации в Госкомитете по охране окружающей среды Российской Федерации для использования их в качестве официальных Методических Указаний.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Беликов, Сергей Евгеньевич, 1999 год

Литература

1. Энергетика и охрана окружающей среды. Под редакцией Залогина Н.Г., Кроппа Л.И. и Кострикина Ю.М. Москва, "Энергия", 1979 г. С. 352

2. Беликов С.Е., Котлер В.Р. Малые котлы и защита атмосферы. Москва, Энергоатомиздат, 1996 г.,с. 128

3. Рогинский О.Г., Краузе Н.П., Шанькова А.А. Определение предельных норм концентраций оксидов азота в продуктах сгорания природного газа. //Законодательная и прикладная метрология. 1996 г. №5. С. 36-40

4. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Д.: Недра, 1988, с. 312

5. Гаврилов А.Ф. Уменьшение вредных выбросов при очистке паровых котлов. Москва. Энергоатомиздат, 1992 г..

6. Кормилицын В.И., Марченко Е.М., Шеренешева Н.И. Бензапирен в продуктах сгорания природного газа и мазута // Известия АПЭ, 1996, №1-2. с. 14-17.

7. Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ при сжигании топлива в котлах производительностью до 30 т/ч. Москва. Гидрометеоиздат, 1985 г. 24 с.

8. McCullough. Industry's view of NOx control policy and its implementation. "Air Pollut. Nitrogen Oxides. Proc. US-Dutch Int. Symp. Maastricht, May 2428, 1982". Amsterdam e.a., 1982, 961-971.

9. Фотохимические окислители. Гигиенические критерии состояния окружающей среды (вып. 7), Женева; ВОЗ, 1981, 64 с.

10. Pierre M.J., Pitblado A., Roger J. Les pluies acides. "Agriculture" (Fr.), 1984, № 486, 226-230

11. Anton P. Measures to combat the effects of acid rain in the Federal Republic of Germany. "Mod. Power Syst.", 1984, 4, №9, 19, 21-23.

12. Beck P. Umweltaspecte der Energieumsetzung. "Atomwirt. -Atomtechn." 1985, 30, №2, 96-101

13. Steam. Its generation and use. Babcock &Wilcox, USA, 1992

14. Справочник по осуществлению государственного контроля за охраной атмосферного воздуха. Москва - Санкт-Петербург, Симэк, 1994, 156 с.

15. ГОСТ Р 50591-93. Горелки газовые промышленные. Предельные нормы концентраций NOx в продуктах сгорания. ИПК Издательство стандартов, Москва. 1997.

16. Fenimore С. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flames//13t Symposium Inst. Combustion. Salt-Lake City. Pittsburg, 1970, p. 374-384.

17. Bowman C. Investigation of nitric oxide formation kinetic and technology // Combustion Science and technology. 1971, vol, 3, №2, p. 37-45.

18. Сигал И.Я., Гуревич H.A., Ляскоронский В.Г. Исследование минимального выхода окислов азота в пламенах метана, окиси углерода и водорода. Сборник "Использование газа в народном хозяйстве". ВНИИЭгазпром. М., 1980, №1, с. 23-27.

19. Титов С.П., Бабий В.И., Барбараш, В.М. Исследование образования NOx из азота топлива при горении пыли каменных углей // Теплоэнергетика, 1980, №3, с. 64-67

20. Shoffstall D.P., Larson D.H., Aerodinamic characteristics and pollution emissions from scaled industrial burner // AIChHE Symposium Series. 1975. vol 71, № 148. p.8-18

21. Сборник методик по расчету выбросов в атмосферу загрязняющих веществ различными производствами. Госкомгидромет СССР, ГГО им. Воейкова. С.-Петербург, 1986 г.

22. Методические указания по расчету выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с дымовыми газами отопительных и отопитель-но-производственных котельных. Москва, 1990 г. АКХ им. Панфилова.

23. Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. Москва, Энер-гоатомиздат, 1987 г., с. 144.

24. J.A. Mulholland and R.E. Hall. Full oil reburning application for NO* control to firetube package boiler//Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1987. vol. 109, No. 4 p. 207-213.

25. Котлер В.P., Гуща В.И. Перспективы снижения выбросов оксидов азота промышленными котлами//Промышленная энергетика, 1988, №6.

26. Снижение выбросов оксидов азота с помощью режимных мероприятий. Котлер В.Р., Беликов С.Е., Ильин A.B., Васильев Б.Н.// Промышленная энергетика, 1994, № 7, с. 63-67.

27. Снижение выбросов оксидов азота при сжигании газа в котле ДЕ-25-14ГМ. Котлер В.Р., Беликов С.Е., Кругляк Е.Д., Васильев Б.Н., Усман Ю.М.// Промышленная энергетика, 1993, № 1, с. 29-32.

28. Упрощенная схема рециркуляции дымовых газов как средство сокращения выбросов оксидов азота. Котлер В.Р., Кругляк Е.Д., Беликов С.Е., Васильев Б.Н.// Энергетик, 1995, № 1, с. 16-18.

29. Использование метода трехступенчатого сжигания для подавления NOx на отопительных котлах. Котлер В.Р., Ахалая Г.А. и др.//Энергохозяйство за рубежом, 1992, №4, с. 17-20.

30. R.C. Christman, S.J. Bortz, D.E. Shore, M. Brecker. The Radian Rapid Mix Burner™ for ultra-low NOx emissions.// Proceedings: EPRI/EPA 1995 Joint Symposium on Stationary Combustion NO* Control, v. 2. EPRI, 1996.

31. Беликов С.E., Котлер В.Р. Газомазутная горелка R-RMB™ для промышленных и отопительных котлов - эффективное средство подавления выбросов оксидов азота.// Промышленная энергетика, 1998 г., №4, с. 37-40.

32. Эффективность уменьшения выбросов оксидов азота при упрощенной рециркуляции газов на котле ДКВр-10-13. Фаткуллин P.M., Егоров А.Ю. и др.// Промышленная энергетика, 1996 г., № 5, с. 45-48.

33. Котлер В.Р., Беликов С.Е. Экологические характеристики отопительных и промышленных котлов малой мощно-сти//Теплоэнергетика, 1998, № 6, с. 38-42.

34. Беликов С.Е., Котлер В.Р. Расчет выбросов оксидов азота при сжигании природного газа в промышленных и отопительных котлах.// Промышленная энергетика, 1999 г., № 2, с.

35. Котлер В.Р., Беликов С.Е. Экологические проблемы промышлен-но-отопительных котлов на природном газе// Теплоэнергетика, 1999г., №6 , с.

36. Эстеркин Р.И. Промышленные котельные установки. Л., Энерго-атомиздат, 1985 г.

37. Очистка продуктов сгорания печей реформинга метана от окислов азота. Кулиш О.Н. и др.// Газовая промышленность, 1985 г., № 1. с. 46-48.

38. Енякин Ю.П., Горбаненко А.Д., Эфендиев Т.Б. Образование и пути снижения концентрации окислов азота в уходящих газах энергетических газомазутных котлов//М., Информэнерго, 1985 г.

39. Методические указания по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов тепловых электростанций. РД.34.02.304-95. Москва. ВТИ. 1996 г. с. 36.

40. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. Москва, "Энергия", 1973.

41. Крутиев В.А. Результаты реконструкции котла КВГМ-100-150 с целью уменьшения образования окислов азота.//Промышленная энергетика, 1997, № 6. с. 42-43.

42. Пермяков А.Б. О снижении выбросов оксидов азота при использовании рециркуляции продуктов сгорания. // Известия Академии Промышленной Экологии, 1996, № 1-2. с. 47-49.

43. Кривоногов Б.М. Повышение эффективности сжигания природного газа и охрана окружающей среды. Л., недра, 1986 г., 280 с.