ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ» ИНСТИТУТ ТЕПЛОВОЙ И АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ КАФЕДРА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ПО ТЕМЕ «ОБРАЗОВАНИЕ ГАЗООБРАЗНЫХ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА, МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ СНИЖЕНИЯ ИХ ВЫБРОСОВ, КОНТРОЛЬ ВЫБРОСОВ» Группа: ТФ-01-21 Студент: Хоботов А.А.. А. подпись фамилия и инициалы подпись фамилия и инициалы Преподаватель: асс. Мухаметов А.Б...В. МОСКВА, 2024 г. 1. Цель работы 1. Получить практические навыки по экспериментальному определению концентрации оксидов азота в дымовых газах котлов и по определению выбросов 𝑁𝑜𝑥 при различных режимах работы котлов. 2. Изучить методы, направленные на снижение образования оксидов азота при сжигании органического топлива в энергетических установках. 3. Изучить методику расчета приземных концентраций от выбросов вредных веществ из дымовых труб ТЭС 4. Изучить вопросы нормирования выбросов и приземных концентраций вредных веществ. 2. Содержание работы 1. Выполнить расчёт концентрации оксидов азота в дымовых газах котлов и определить выбросы 𝑁𝑜𝑥 по измерительному методу. 2. Выполнить расчёт выбросов 𝑁𝑜𝑥 по расчетному методу. 3. Построить зависимости изменения выбросов NOx от доли воздуха подаваемого помимо основных горелок при ступенчатом сжигании топлива. 3. Образование оксидов азота в топках паровых котлов Оксиды азота, образующиеся в топках энергетических котлов, разделяют на два типа – топливные и воздушные (термические и быстрые). Азотосодержащие соединения, входящие в состав твердых и жидких топлив, являются источником образования топливных оксидов азота. Содержание азота в мазуте составляет 0,25…0,35 %, а в угле – 0,4…2,0 %. Образование топливных оксидов азота происходит в два этапа: 1. При газификации выделяются азотосодержащие соединения типа CN, CHN, NH, NH2 и др.; 2. Происходит частичное окисление этих соединений по реакции: 𝑅𝑁 + 𝑂2 ⇔ 𝑁𝑂 + 𝑅𝑂 Топливные оксиды азота (как и быстрые) образуются на начальной стадии факела за короткий промежуток времени. Из-за меньшей энергии диссоциации связей C-N по сравнению с N-N, процесс образования NO из азота топлива происходит при более низких температурах ( t≥900 °C). Образование топливных оксидов сильно зависит от концентрации кислорода в зоне горения и сравнительно слабо зависит от температуры. Увеличение содержания азота в топливе приводит к росту образования топливных оксидов азота, но эта зависимость не линейная. При малом содержании азота в топливе он практически весь переходит в оксиды азота. 2 Термические и быстрые оксиды азота образуется из азота воздуха. Основное количество термических оксидов азота образуется в узком диапазоне температур в зоне активного горения (ЗАГ). В связи с высокой энергией активации реакций образования термических оксидов азотов их генерация происходит при высоких температурах ( t ≥ 1500 °C). Так как время пребывания в зоне горения мало, то равновесные концентрации не достигаются. Термические оксиды азота образуются за фронтом пламени, где основная масса топлива уже сгорела. Я.Б.Зельдовичем была разработана цепная схема окисающего азота, в которой активную роль играют свободные атомы кислорода и азота: 𝑂2 + 𝑀 = 𝑂 + 𝑂 + 𝑀 (инициирование цепи) 𝑂 + 𝑁2 = 𝑁𝑂 + 𝑁 𝑂2 + 𝑁 = 𝑁𝑂 + 𝑂 𝑂 + 𝑂 + 𝑀 ⇨ 𝑂2 + 𝑀 (обрыв цепи) При этом концентрация атомарного кислорода остается неизменой, а скорость процесса определяются второй реакцией. Энергетический барьер состоит из двух составляющих: - энергия, которая необходима для образования одного атому кислорода; - энергия активации реакции атому кислорода с молекулой азота. Основными факторами, влияющими на выход термических оксидов азота, являются: максимальная температура в зоне генерации NOx, концентрация избыточного кислорода. В связи с высокой энергией активации реакций образования NO эмиссия оксидов азота происходит при температуре, превышающей 1500 ℃. Проведенные в начале 70-х годов исследования показали, что при сжигании углеводородных топлив измеренная скорость образования NO в зоне горения была существенно выше, чем скорость образования термических оксидов азота в послепламенной зоне. При этом вблизи зоны горения наблюдались значительные количества цианида водорода НСN. Такое ускоренное образование NO в корневой части факела было названо "быстрым". «Быстрые» оксиды азота образуются в узкой зоне фронта пламени в результате аномально быстрых реакций взаимодействия молекулярного азота воздуха с углеводородными радикалами, образующимися в промежуточных реакциях горения: 𝑁2 + 𝐶𝐻 = 𝐻𝐶𝑁 + 𝑁 3 𝑁 + 𝑂𝐻 = 𝑁𝑂 + 𝐻 Эти реакции происходят во фронте пламени при более низких температурах (900÷1300℃), когда образование термических NOx практически не происходит. Так же, как и в случае термических оксидов азота, зависимость образования быстрых NO от избытков воздуха имеет экстремальный характер. 4. Основные расчетные формулы Расчет по измерительному методу До начала проведения измерений заготовить журнал наблюдений. Концентрация оксидов азота определяется с помощью автоматического переносного газоанализатора в вертикальном газоходе, расположенном после конвективной шахты котла. Газоанализатор состоит из газоотборного зонда, анализатора и выносного блока управления. Газоотборный зонд соединен с анализатором через пятиметровый неопреновый шланг и влагосборник. Для проведения измерений газоотборный зонд прибора помещается в газоход, в котором проводятся измерения. При включении прибора пробы дымовых газов с помощью специального насоса от газоотборного зонда поступают на датчики анализатора. При этом из газов удаляются пары воды и твердые частицы. Выносной блок управления показывает измеренные анализатором концентрации и управляет работой анализатора. Кроме оксидов азота прибор автоматически определяет концентрации СО, О2, ЅО2, а также температуру уходящих газов и окружающего воздуха. Массовый выброс Mj загрязняющего вещества j, поступающего в атмосферу с дымовыми газами (г/с), при его определении с помощью измерения концентраций рассчитывается по формуле: (1) 𝑀 =𝐶 ∙𝑉 ∙𝑘 , 𝑗 𝑗 сг п где 𝐶𝑗 – концентрация загрязняющего вещества, мг/м3; 𝑉сг – объемный расход сухих дымовых газов; kп – коэффициент пересчета. Массовая концентрация загрязняющего вещества j при стандартном коэффициенте избытка воздуха и нормальных условиях рассчитывается по измеренной концентрации Сjизм, мг/м3, по соотношению: 4 𝛼изм 𝑇изм , 𝛼0 𝑇0 где 𝑇изм − температура воздуха в месте отбора пробы, 𝛼изм – коэф(2) фициент избытка воздуха в месте отбора пробы: 21 𝛼изм = 21 − 𝑂2 где 𝑂2 − концентрация кислорода в месте отбора пробы, %. Объемный расход сухих дымовых газов, образующийся при сгорании топлива при стандартных условиях (0 = 1,4, t= 0oC) определяется в соответствии с методикой: (3) 𝑉 = 𝐵 [𝑉 0 + (𝛼 − 1,0)𝑉 0 − 𝑉 0 ] , 𝐶𝑗 = 𝐶𝑗изм сг р г 0 𝐻2 𝑂 где 𝑉г0 , 𝑉 0 и 𝑉𝐻02 𝑂 – теоретический объем газов, воздуха, и паров воды, м3/кг (м3/м3 – при сжигании природного газа); 𝐵р – расчетный расход топлива, кг/с (м3/с). В данной лабораторной работе с помощью измерения концентраций загрязняющего вещества будут определяться выбросы оксидов азота, тогда при определении выброса 𝑀𝑁𝑂𝑥 в г/с формула запишется в виде: 𝑀𝑁𝑂𝑥 = 𝐶𝑁𝑂𝑥 ∙ 𝑉сг ∙ 10−3 , (4) где 𝐶𝑁𝑂𝑥 – концентрация оксидов азота в дымовых газах при стандартных условиях мг/м3. С учетом трансформации оксидов азота в атмосфере выбросы NO и NO2 рассчитываются по формулам: (5) 𝑀 =𝐾 𝑀 , 𝑁𝑂2 тр 𝑁𝑂𝑥 𝜇𝑁𝑂 (6) , 𝜇𝑁𝑂2 где 𝐾тр – коэффициент трансформации оксида азота в диоксид в атмосфере (𝐾тр = 0,6-0,8); 𝜇𝑁𝑂 и 𝜇𝑁𝑂2 – молекулярные массы оксида и диоксида азота. При 𝐾тр = 0,8 выбросы NO2 и NO соответственно составят: 𝑀𝑁𝑂 = (1 − 𝐾тр )𝑀𝑁𝑂𝑥 𝑀𝑁𝑂2 = 0,8𝑀𝑁𝑂𝑥 , (7) 𝑀𝑁𝑂 = 0,13𝑀𝑁𝑂𝑥 . (8) Максимальная приземная концентрация загрязняющего вещества, сМ , мг/м , при выбросе из высотного источника для неблагоприятных метеорологических условий и опасной скорости ветра определяется по формуле: 3 5 𝑐м = 𝐴∙𝑀∙𝐹∙𝑚∙𝑛∙𝜂 3 𝑧 ∙√ , 2 ℎ 𝑉г ∙ ∆𝑇 (9) где А – коэффициент, зависящий от температурной стратификации атмосферы и определяющий условия вертикального и горизонтального рассеивания в атмосферном воздухе.; 𝜂 – безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа местности.; h – высота дымовой трубы, м; F – безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в атмосферном воздухе; ΔТ – разность между температурой выбрасываемых газов и температурой воздуха, оС; V – объемный расход выбрасываемых из дымовой трубы газов, м3/с; М – суммарное количество загрязняющего вещества, выбрасываемого из дымовой трубы; z –число дымовых труб; m и n – безразмерные коэффициенты, учитывающие условия выхода газов смеси из устья дымовой трубы: 1 (10) 𝑚= , 3 0,67 + 0,1√𝑓 + 0,34√𝑓 где 𝑓 – эмпирический коэффициент, определяемый из выражения: 𝑤 2𝐷 (11) 3 0 0 𝑓 = 10 2 , ℎ 𝛥𝑇 где 𝑤0 − скорость газов, м/с; 𝐷0 − диаметр дымовой трубы, м; ℎ − высота дымовой трубы, м; ΔТ – разность между температурой выбрасываемых газов и температурой воздуха, оС. Коэффициент n определяется в зависимости от величины параметра 𝑣𝑀 , который рассчитывается по формуле: 𝑉г ∆𝑇 𝑣м = 0,65 √ , ℎ 3 (12) Если параметр 𝑣𝑀 ≥ 2, то коэффициент n = 1. Объемный расход газов, выбрасываемых из дымовой трубы, складывается из объемных расходов газов котлов, подключенных к дымовой трубе. Объемный расход уходящих газов, м3/с, выбрасываемых из котла, определяется по методике: 𝐵[𝑉г0 + 1,016(𝛼ух − 1)𝑉 0 ](273 + 𝑡ух ) (13) 𝑉г = , 273 Для выполнения нормативов по охране воздушного бассейна должны выполняться условия: (14) 𝑐 + 𝑐 ≤ ПДК , м𝑖 ф𝑖 𝑖 6 где 𝑐м𝑖 и 𝑐ф𝑖 – соответственно максимальная приземная и фоновая концентрация i-го загрязняющего вещества, мг/м3; Расчетный метод Массовый выброс оксидов азота MNOx, поступающего в атмосферу с дымовыми газами (г/с), рассчитывается по формуле: 𝑞4 р (15) 𝑀𝑁𝑂𝑥 = 0,34 ∙ 10−4 𝐵𝑄н 𝐾 (1 − ) 𝛽1 (1 − 𝜀1 𝑟)𝛽2 𝛽3 𝜀2 (1 − 𝜂оч ), 100 р 3 где 𝐵 − расход топлива, м /с; 𝑄н − низшая теплота сгорания топлива, МДж/м3; 𝑞4 − потери тепла от механической неполноты сгорания топлива, %; 𝛽1 − коэффициент, учитывающий влияние качества топлива; 𝜀1 − коэффициент, характеризующий эффективность воздействия рециркулирующих газов; 𝑟 − степень рециркуляции газов, %; 𝛽2 − коэффициент, учитывающий конструкции горелок; 𝛽3 − коэффициент, учитывающий вид шлакоудаления; 𝜀2 − коэффициент, учитывающий ступенчатое сжигание; 𝜂оч − степень очистки газов; 𝐾 − коэффициент, характеризующий выход оксидов азота и рассчитывается по формуле (для энергетических котлов): 7,5𝐷ф 𝐾= 50 + 𝐷ном где 𝐷ф , 𝐷ном − фактическая и номинальная производительность котла, т/ч. 5. Методы снижения выбросов оксидов азота Методы снижения выбросов оксидов азота разделяются на режимнотехнологические (первичные) и очистку дымовых газов (вторичные). Примеры первичных методов: Внедрение рециркуляции газов Организация ступенчатого сгорания Применение малотоксичных горелок Ввод пара/влаги в зону активного горения Сжигание топлива с малым избытком воздуха Примеры вторичных методов: Селективное каталитическое восстановление NOx Селективное некаталитическое восстановление NOx 6. Исходные данные Таблица 1 № Показатель Обозначение Единица измерения 1. Измеренная концентрация оксидов азота Нормированная концентрация оксидов азо- изм 𝐶𝑁𝑂 𝑥 мг/м3 165 норм мг/м3 250 2. 𝐶𝑁𝑂𝑥 7 Значение 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. та Температура воздуха в месте отбора пробы Концентрация кислорода в месте отбора пробы Расход топлива Коэффициент трансформации NO в NO2 Теоретический объём воздуха Теоретический объём водяных паров Теоретический объём продуктов сгорания Высота дымовой трубы Количество дымовых труб Температура уходящих газов Температура наружного воздуха Диаметр дымовой трубы Фоновая концентрация NO2 Фоновая концентрация NO Фактическая производительность котла Номинальная производительность котла Низшая теплота сгорания топлива Избыток воздуха на выходе из топки Cтепень рециркуляции газов Коэффициент, учитывающий конструкции горелок (вихревые) Коэффициент, учитывающий вид шлакоудаления (нет шлакоудаления) Коэффициент, учитывающий ступенчатое сжигание Степень очистки газов 𝑡изм ℃ 27 О2 % 4,5 B м3/ч 4000 𝐾тр — 0,8 𝑉в0 м3/м3(кг) 9,68 𝑉𝐻02 𝑂 м3/м3(кг) 2,1 𝑉г0 м3/м3(кг) 10,88 h м 50 z шт 1 𝑇ух °С 125 𝑡нв °С 25 𝐷0 м 1,4 𝑐ф мг/м3 0,13 𝑁𝑂 мг/м3 0,15 𝐷ф т/ч 50 𝐷ном т/ч 50 𝑄н р ккал/м3 8550 𝛼т𝐼𝐼 - 1,04 r % 0 𝛽2 - 1 𝛽3 - 1 𝜀2 - 1 𝜂оч - 0 𝑁𝑂2 𝑐ф 8 7. Результаты расчетов Измерительный метод Коэффициент избытка воздуха в месте отбора пробы: 21 21 𝛼изм = = = 1,278 21 − 𝑂2 21 − 4,5 Приведем измеренную концентрацию оксидов азота на нормальные условия: 𝛼изм 𝑇изм 1,278 27 + 273,15 мг 𝐶𝑗 = 𝐶𝑗изм = 165 ∙ ∙ = 165,5 3 𝛼0 𝑇0 1,4 273,15 м Сравним с нормативами ИТС 38-2022(ввод оборудования в эксплуатацию с 2001года): мг мг норм 𝐶𝑁𝑂𝑥 = 165,5 3 < 𝐶𝑁𝑂𝑥 = 350 3 м м Концентрация оксидов азота не превышает нормативы ИТС. Объемный расход сухих газов: 𝑉сг = 𝐵р [𝑉г0 + (𝛼0 − 1,0)𝑉 0 − 𝑉𝐻02 𝑂 ] = 4000 м3 [10,88 (1,4 = + − 1)9,68 − 2,1) = 13,9 3600 𝑐 Массовый выброс оксидов азота: г 𝑀𝑁𝑂𝑥 = 𝐶𝑁𝑂𝑥 ∙ 𝑉сг ∙ 10−3 = 165,5 ∙ 13,9 ∙ 10−3 = 2,3 𝑐 С учетом трансформации оксидов азота в атмосфере выбросы NO и NO2: г 𝑀𝑁𝑂2 = 0,8𝑀𝑁𝑂𝑥 = 0,8 ∙ 2,3 = 1,84 𝑐 г 𝑀𝑁𝑂 = 0,13𝑀𝑁𝑂𝑥 = 0,13 ∙ 2,3 = 0,3 𝑐 Максимальная приземная концентрация загрязняющего вещества: 𝑐м = 𝐴∙𝑀∙𝐹∙𝑚∙𝑛∙𝜂 3 𝑧 ∙ √ ℎ2 𝑉г ∙ ∆𝑇 где 𝐴 = 140, 𝐹 = 1, 𝜂 = 1, 𝑧 = 1, ℎ = 50 м, 𝑀 = 2,3 г/с. Определим остальные значения: Объемный расход газов : 𝐵[𝑉г0 + 1,016(𝛼ух − 1)𝑉 0 ](273 + 𝑡ух ) 𝑉г = = 273 1.11[10,88 + 1,016(1,278 − 1)9,68](273 + 125) м3 = = 22 273 𝑐 9 Коэффициент n определяется в зависимости от величины параметра 𝑣𝑀 : 3 22 ∙ (125 − 25) 3 𝑉 ∆𝑇 г 𝑣м = 0,65 √ = 0,65 √ = 4,3 ≥ 2 ⇨ 𝑛 = 1 ℎ 50 Скорость газов: 𝑤0 = 4𝑉г 4 ∙ 22 м 2 = 𝜋 ∙ 1,42 = 14,3 с 𝜋𝐷0 Коэффициент f: 𝑤02 𝐷0 14,32 ∙ 1,4 𝑓 = 10 2 = 10 = 1,145 502 ∙ (125 − 25) ℎ 𝛥𝑇 Коэффициент m: 1 1 𝑚= = = 0,883 3 3 0,67 + 0,1√𝑓 + 0,34√𝑓 0,67 + 0,1√1,145 + 0,34√1,145 Получаем: 3 𝑐м𝑁𝑂𝑥 = = 3 𝐴∙𝑀∙𝐹∙𝑚∙𝑛∙𝜂 3 𝑧 ∙ = √ ℎ2 𝑉г ∙ ∆𝑇 140 ∙ 2,3 ∙ 1 ∙ 0,883 ∙ 1 ∙ 1 3 1 √ ∙ = 0,0087 мг/м3 2 50 22 ∙ 100 С учетом трансформации оксидов азота в атмосфере концентрации NO и NO2: 𝑐м𝑁𝑂2 = 0,8𝑐м𝑁𝑂2 = 0,8 ∙ 0,0087 = 0,00696 мг/м3 𝑐м𝑁𝑂 = 0,13𝑐м𝑁𝑂 = 0,13 ∙ 0,0087 = 0,00113 мг/м3 Проверим с предельно допустимыми концентрациями: мг 𝑐м𝑁𝑂 + 𝑐ф𝑁𝑂 = 0,00113 + 0,15 = 0,15113 3 ≤ ПДК𝑁𝑂 = 0,4 мг/м3 м 𝑁𝑂2 𝑁𝑂2 𝑐м + 𝑐ф = 0,00696 + 0,13 = 0,13696 мг/м3 ≤ ПДК𝑁𝑂2 = 0,2 мг/м3 Можно заметить, что максимальная приземная концентрация много меньше фоновой концентрации. Это происходит, так как станция очень маленькая – маленький расход топлива и дымовая труба высотой 50 м обеспечивает достаточное рассеивание. А так же фоновая концентрация довольно высокая, так как в Лефортово находится другая крупная станция – ТЭЦ 11. Расчетный метод Выбросы оксидов азота: 𝑞4 р 𝑀𝑁𝑂𝑥 = 0,34 ∙ 10−4 𝐵𝑄н 𝐾 (1 − ) 𝛽 (1 − 𝜀1 𝑟)𝛽2 𝛽3 𝜀2 (1 − 𝜂оч ) 100 1 10 Низшая теплота сгорания топлива: ккал р 𝑄н = 8550 3 = 35,8 МДж/м3 м Коэффициент, характеризующий выход оксидов азота: 7,5𝐷ф 7,5 ∙ 50 𝐾= = = 3,75 50 + 𝐷ном 50 + 50 𝑀𝑁𝑂𝑥 = 0,34 ∙ 10−4 ∙ 1,11 ∙ 35,8 ∙ 3,75 ∙ 0 ∙ (1 − ) 0,9(1 − 0)1 ∙ 1 ∙ 1(1 − 0) = 4,56 г/𝑐 100 С учетом трансформации оксидов азота в атмосфере выбросы NO и NO2: г 𝑀𝑁𝑂2 = 0,8𝑀𝑁𝑂𝑥 = 0,8 ∙ 4,56 = 3,65 𝑐 г 𝑀𝑁𝑂 = 0,13𝑀𝑁𝑂𝑥 = 0,13 ∙ 4,56 = 0,59 𝑐 Сравнение методов расчета выбросов оксидов азота Тип оксида азота 𝑀𝑁𝑂х 𝑀𝑁𝑂2 𝑀𝑁𝑂 По измерительному методу 2,3 1,84 0,3 Таблица 2 По расчетному методу 4,56 3,65 0,59 Можно сделать вывод, что измерительный метод является более точным. Так как для измерительного метода мы используем концентрацию и температуру измеренные по месту. Погрешность в данном случае определяется погрешностью средств измерения. В расчетном методе множество эмпирических коэффициентов, которые учитывают различные факторы, и определены с меньшей точностью. Определим зависимость выбросов оксидов азота при ступенчатом сжигании топлива от доли воздуха, подаваемого помимо основных горелок, изменяем долю от 5 до 20 %. Расчет был произведен в математической среде MathCAD, результаты расчета представлены в таблице 3. Результаты расчета при ступенчатом сжигании топлива. Таблица 3 Доля воздуха подаваемого помимо основных горелок 𝛿, % 5 10 15 20 Коэффициент, учитывающий ступенчатое сжигание 𝜀2 0,82 0,67 0,57 0,4 Массовый выброс NOX, г/с Массовый выброс NO2, г/с Массовый выброс NO, г/с 3,743 3,058 2,602 1,826 2,994 2,447 2.081 1,461 0,487 0,398 0.338 0,237 11 4 3,5 Массовый выброс, г/c 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 5 10 15 20 Доля воздуха 𝛿 NOx NO2 NO Рисунок 1. Зависимость выбросов оксидов азота при ступенчатом сжигании топлива от доли воздуха подаваемого помимо основных горелок. Как видно на рис.1 - с увеличением доли подаваемого воздуха, уменьшается выброс оксидов азота в атмосферу. Организация ступенчатого сгорания топлива с долей подаваемого воздуха 20 %, позволяет снизить выбросы оксидов азота NOx практически в 2 раза. 12
