И степени рециркуляции

 

Для расчетного определения выбросов оксидов азота, а также для получения эколого-экономических характеристик необходимо располагать математической моделью зависимости массового выброса оксидов азота m от основных влияющих факторов: паровой нагрузки котла D и степени рециркуляции r. Третий влияющий фактор – коэффициент избытка воздуха – принимается равным значениям, предписанным режимной картой.

В связи с тем, что определяемый массовый выброс оксидов азота будет использован в дальнейшем для целей оперативного управления выбросами, целесообразно определять его за короткий промежуток времени, например, в мг/с или в г/с.

Выбросы оксидов азота с дымовыми газами m, мг/с, рассчитываются по формуле

m (r,D) = C_NOx (r,D) V _г B, (1.2)

где C_NOx (r, D) – концентрация оксидов азота в дымовых газах на выходе из котла как функция атмосфероохранного воздействия r и паровой нагрузки D, мг/м³ при нормальных условиях; B - расход топлива, м³/с (для мазута кг/с); V _г – объем дымовых газов, образующихся при сгорании 1 м³ топлива, м³/м³ при нормальных условиях.

Значение V _г определяется по [59] как функция коэффициента избытка воздуха α, теплотворной способности топлива Q _н^р (МДж/кг) и влажности W ^р(%):

V _г = V _г⁰ + 1.016(α-1) V _в⁰ ,

где V _в⁰ – теоретический объем воздуха, м³/м³ (м³/кг), определяется по формуле

V _в⁰ = 0.263 Q _н^р + 0.007 W ^р ,

V _г⁰ – теоретический объем продуктов сгорания (в той же размерности),

V _г⁰ = bQ _н^р + 0.02 W ^р ,

где b – приведенный объем газов при горении сухой массы топлива, м³/МДж. Его величина для мазута составляет 0.281, для газа 0.300.

Начиная с 70-х годов прошлого века было предложено много способов моделирования механизма образования оксидов азота в топках паровых и водогрейных котлов [60-65]. Как правило, полученные формулы предназначались для расчетного определения массового выброса, используемого затем для отчетности и расчета платежей за выбросы. Во времена, когда единственным доступным прибором для измерения концентрации оксидов азота в дымовых газах был «Эвдиометр-1», позволявший делать измерения не чаще одного раза в 15 мин. с погрешностью ±10 %, расчетные методы были повсеместно востребованы. В последние годы для расчетного определения выбросов NO_x котельными установками ТЭС используются методические указания, разработанные ВТИ [66]. В соответствии с этой методикой концентрация оксидов азота, мг/м³, при работе на газе определяется по формуле

C_NOx = С_исх·К_гв·К_α·К_r·К _зг^0.88 ·К_ст·К_нс·К_вл·К_N;

где С _исх и коэффициенты К_i учитывают различные факторы, влияющие на генерацию оксидов азота и рассчитываются в свою очередь по соответствующим формулам.

В Московском энергетическом институте разработана методика расчетного определения выбросов оксидов азота [67], более полно учитывающая степень тепловой эффективности поверхностей нагрева и время пребывания продуктов сгорания в зоне активного горения (ЗАГ). Сравнение концентраций NO_x, полученных опытным путем и рассчитанных по методике МЭИ для восьми энергетических котлов, работающих на газе, и одиннадцати, работающих на мазуте, показало, что максимальная относительная погрешность расчета не превышает ±15 % [68].

Для получения эколого-экономических характеристик котлов такой точности недостаточно. Рассмотренные выше расчетные методики слишком универсальны, применимы для широкого круга котлов различного типа, разной производительности и работающих на разном топливе. За универсальность нужно платить.

В настоящее время тепловые электростанции и наладочные организации имеют возможность использовать приемлемые по цене импортные или отечественные электрохимические газоанализаторы. На московских ТЭЦ широко используется многокомпонентный газоанализатор КГА-8С, на основе которого создана «Система оптимизации процесса горения, контроля и учета вредных выбросов в атмосферу СОВ-1» с передачей информации в ОАО «Мосэнерго» по сети Интернет. Относительная погрешность измерения концентрации оксидов азота прибором КГА-8С составляет ±10 %.

Для целей получения исходной информации, используемой для разработки ЭЭХ, такая точность лежит на границе приемлемости.

В данной работе, с целью дальнейшего использования для определения ЭЭХ, используется расчетно-экспериментальная методика определения массового выброса NO_x, более полно учитывающая индивидуальные особенности котла, более трудоемкая, но позволяющая получить требуемую модель с существенно меньшей погрешностью.

В формуле (1.2) наиболее важная составляющая С_NOx (r,D) определяется экспериментально, V _г – рассчитывается по характеристикам топлива,

В – измеряется штатными приборами котла.

Аналитическое выражение зависимости C_NOx (r,D) получено путем аппроксимации экспериментальных кривых рис. 1.1. Структура аппроксимирующего выражения выбиралась таким образом, чтобы учесть характерные закономерности, отмеченные при анализе экспериментальных данных табл. 1.1 [69]:

, (1.3)

, (1.4)

где D - текущая паровая нагрузка котла, т/ч; D ₀- номинальная нагрузка котла, т/ч; C ₀(r) - зависимость концентрации оксидов азота от степени рециркуляции при номинальной нагрузке; C ₀ ^{r= 0} - концентрация оксидов азота при номинальной нагрузке при отключенной (r = 0) рециркуляции; n - эмпирический коэффициент, учитывающий влияние нагрузки на концентрацию оксидов азота; L - эмпирический коэффициент, учитывающий снижение экологической эффективности рециркуляции дымовых газов при уменьшении нагрузки; k, s - эмпирические коэффициенты.

В методических указаниях [70] приведена методика определения коэффициентов n, L, k, s в модели (1.3), (1.4). Для исходных данных, представленных на рис, 1.1, их значения равны:

n = 0.95; L = 0.80; k = 2.92; s = 0.90. (1.5)

Показано также, что для исходных значений, представленных в виде таблицы опытных данных, относительные отклонения значений C_NOx (r,D), рассчитанных по модели (1.3), (1.4), не превышают ±1.1 %.