5.1.2. Концентрації паливних і швидких оксидів азоту. Сумарна концентрація оксидів в газах

Утворення цього виду оксидів відбувається в діапазоні температур 800—2100 К і найбільшу інтенсивність має у області 1850 К. Вихід паливних оксидів NO у цій зоні сильно залежить від надлишку повітря (у ступені 2), слабо від температури (ступінь 0,33) і вмісту азоту в паливі N^p

Розрахункові формули для двох температурних зон мають наступний вигляд:

при значеннях температури 2100> Тм 1850 К

NO =(0,40-0,1N ^р)N^P ( ) ; (5.12)

при значеннях температури 1850> Тм> 800 К

NO = l,25(0,40-0,lN^p)N^P ( ) . (5.13)

Формули (5.12) і (5.13) враховують одночасно і утворення швидких оксидів азоту.

У результаті максимальна сумарна концентрація оксидів азоту при номінальному навантаженні котла складає:

NO =NO +NO . (5.14)

При будь-якому пониженому навантаженні парового котла сумарний вихід оксидів азоту визначається по формулі

NО₂ = NO (D/D_ном) + NO (D/D_ном)^0,5. (5.15)

Тут D /Dном, — відношення розрахункового навантаження котла до номінального.

При переході на двохступінчасте (нестехіометричне) спалювання палива розрахунок максимальної температури факела Тм розраховується за формулою (5.5) для першої (нижньої) зони горіння палива. Надлишок повітря в пальниках першої зони визначається заданим розподілом надходження повітря по зонах і аналогічним розподілом палива і визначається за формулою:

(5.16)

де - частка повітря, що поступає в другий ступінь тертя: ₁ = B1/B — частка палива, що поступає в першу зону. За наявності скидних пальників з урахуванням ККД циклону ₁=0,88…0,94. Розрахунковий надлишок повітря в пальниках другої зони горіння:

"_гор = н + 0,55 _т. (5.17)

Частка палива, що згоріло в першій (нижній) зоні горіння, визначається відносною кількістю повітря в першій зоні з урахуванням неминучої неповноти згорання:

=0,955 (5.18)

Розрахунок температури Тм здійснюють за (5.5) для значення . Адіабатна температура горіння визначається за (5.1) для повного надлишку повітря на виході з верхньої області горіння, тобто за _гір = _т — 0,55 _т. незалежно від ступінчастої організації спалювання. В інших випадках розрахунок співпадає з висловленим раніше.

5.1.3. Особливості розрахунку оксидів азоту при спалюванні природного газу

Спалювання природного газу характеризується швидшим протіканням реакцій горіння. В результаті скорочується зона активного горіння і росте максимальна температура. Тому в більшості випадків (за інших рівних умов) концентрація оксидів азоту виходить декілька вище, ніж при спалюванні мазуту (приблизно NO = =1,3NO ). Зважаючи на відсутність в природному газі паливного азоту, що входить в радикали, але за наявності вуглеводневих з'єднань при згоранні газу можуть утворюватися тільки швидкі оксиди азоту NO .

При розрахунку термічних оксидів азоту слід виходити з методики в п. 5.1.1. Розрахунок максимальної температури виконується за (5.5), але для обліку підвищеної швидкості реакцій горіння вводиться поправка і розрахункова температура приймається

Т¹_м =1,01Т_м, (5.19)

де Тм – максимальна температура по (5.5),К.

Розрахунок швидких оксидів азоту здійснюється по формулі

NO⁶₂=0,1( )²( )^0,33 (5.20)

Зважаючи на високу реакційну здатність газового палива рециркуляції газів r не враховується у формулі (5.5) при введенні газів через шліци. Сумарна концентрація оксидів азоту складе:

N0⁰₂ = N0^тр₂ + N0⁶₂ .

ПРИКЛАДИ

Приклад 5.1. Визначити очікуваний вихід оксидів азоту з котла Пп-1000-25-545 К (ТПП-312А) при спалюванні донецького ГСШ з рідким шлаковидаленням і природного газу. При розрахунку прийняти наступні початкові дані:

Донецький ГСШ Природний газ

Теплота згорання …………… Qpн=20,47 МДж|кг Qpн =37,3 МДж/м³

Температура гарячого повітря ….... 384 °С 370° С

Частка рециркуляції газів …………… - 0,1

Надлишок повітря на виході з топки .... 1,15 1,10

Те ж в газах рециркуляції…………….. - 1,17

Температура газів на виході з топки ...... 1190° С 1210° С

Теплова напруга перетину …………… q f = 4,86 МВт/м²

Периметр топкової камери…………..... П= 51,9 м

Присос холодного повітря в топку.. ат = 0,1

Рішення. За початковими даними з табл. П1 і П2 додатка знаходимо: для твердого палива V⁰г= 6.28 м³/кг; V° = 5,83 м³/кг^; для природного газу V⁰г = 11,16 м³/м³,V° =9,96 м³/м³;

1. Ентальпія гарячого повітря - за (4.22):

для твердого палива Qг.в = 0,95 3030,7 = 2879 кДж/кг, при цьому прийнятий присос холодного повітря в пило системі пл = 0,1, тоді надлишок гарячого повітря складе гв= 1,15-0,1 -0,1 =0,95;

для природного газу Qг.в =1,00 4992 = 4992 кДж/м³; фізичну теплоту палива не враховуємо через її незначність

2. Розрахунок оксидів азоту при спалюванні донецького ГCШ: очікувана адіабатна температура горіння палива за (5.4а)

Q¹т= 20,47 10³ + 2879 = 23 349 кДж/кг; t_a = (1 +0,2335) = 2018° C;

теплоємності газів і повітря при kt = (2018-1200)/1000 = 0,818; вологості палива W ^р = 8% і приведеної Wп = 8/20,47 = 0,39; тоді

сг = (1,59 + 0,004-0,39) + 0,14-0,818=1,706кДж/(м^3∙К);

св =1,46 + 0,0922 0,818 = 1,535 кДж/(м³ К);

розрахункова адіабатная температура

Т¹_а= +273=2010+273=2283К

Максимальна температура в зоні горіння приймається при сг = 0,965, оскільки топка з рідким шлаковидаленням, екрани топки в зоні горіння на висоту 5,5 м футеровані карборундової масою. Середня теплова ефективність зони визначається по п. 4.1.9. Умовний коефіцієнт забруднення футерованої частини екранів: = 0,53-0,255 =0,22;

= =0,273;

Тм = 0,9655 2283(1-0,273) ^0,25 = 2030 К;

температурний інтервал реакції утворених оксидів азоту

ТР == = 64,9 с;

розрахунковий час реакції в топці

преб= = 2,3 с

середня температура газів в топці

=0,84(20304+14634)^0,25 = 1810 К,

тоді

= 2,3=0,164 с;

теоретичний час досягнення рівноваги

= 0,024 ехр (54 290/2030 - 23) = 1,01 с;

концентрація термічних оксидів азоту

СО₂= = 0,025 кг

NO^тр₂=7030 0,25^0,5exp(-10860/2030) =0,84г/м ³

паливні і швидкі оксиди азоту; вміст азоту в паливі Np ⁼ l%

NO^тр₂ =(0,40-0,1 1)1(1,1)²( )^0,33=0,30г/м ³

сумарний вихід оксидів азоту при рідкому шлаковидаленні

N ⁰₂⁼ 0,84 + 0,30 = 1,14 г/м³.

3. Розрахунок виходу оксидів азоту при спалюванні природного газу:

Очікувана адіабатна температура горіння (без врахування рециркуляції газів: Q ¹_т = 37,3 103 +4992 = 42292 кДж/м³;

_гор=1,1-0.5 0,1 = 1,05;

ta= (1+0,36 0,423) = 2135 °С;

теплоємності газів і повітря:

kt = =0,935; с_г =1,57 + 0,1344 0,935=1,695 кДж/(м³ К)

с_в=1,46 + 0,092 0,935 = 1.546кДж/(м³ К);

розрахункова адіабатна температура

Т¹а == +273=2147+273=2420К.

Максимальна температура в зоні горіння за (5.5). При спалюванні природного газу відбувається деяке вигорання футеровки стін. Приймається теплова ефективність стін в зоні футерування _ст=0,3, тоді розрахункова ефективності зони горіння

= = 0,313;

Тм = 0,97 2420 (1-0,313) ^0,25 (1 -0,11 ) = 2030К;

Т'м = 1,01 2030 = 2050К;

температурний інтервал реакції утворення оксидів азоту

= =66,3К;T_г =0,84(20 504 + 14834) ^0,25 = 1814К;

розрахунковий час реакції в топці:

= =2,15 c;

= (( ) ^0,5∙2,15 = 0,138 с;

теоретичний час досягнення рівноваги

= 0,024 ехр (54 290/2050 - 23) = 0,78 с;

концентрація термічних оксидів азоту при

C = = 0,0144 кг/м³;

NO^тр₂= 7030 0,0144^0,5exp(-10860/2050) = 0,735 г/м³;

швидкі оксиди азоту

NO^б₂ =0,1( )² ( )^0,33=0,118 г/м ³;

сумарний вихід оксидів азоту при спалюванні природного газу з рециркуляцією

N0 ⁰₂ = 0,735 + 0,118 = 0,853 г/м³.

Приклад 5.2. На тому ж котлі (див. приклад 5.1) спалювання донецького ГСШ виконати з подачею пилу в пальники гарячим повітрям, а сушильний агент в кількості rса = 0,2 поступає в скидні пальники на бічних стінах топки, що забезпечує умовно ступінчасту схему спалювання палива. Визначити утворення оксидів азоту для цієї схеми, прийнявши для порівняння всі інші параметри однаковими.

Розвязок. Надлишок повітря в зоні горіння до змішування з потоком з скидних пальників (умовно I ступінь спалювання) складе

= =0,994; прийняти ККД циклону 0,9, тоді

= 0,9;

= 0,95 0,994 = 0,944.

Значення Т'а = 2283 К. Розрахункова максимальна температура:

Тм = 0,944 2283 (1-0,273) ^0,25 = 1990 К.

Температурний інтервал реакції:

= = 62,5 с.

Розрахунковий час реакції в топці

= 2,3=0,158 с.

Теоретичний час досягнення рівноваги

= 0,024ехр(54290/1990-23)=1,73 с.

Концентрація залишкового кисню в першій зоні:

C0₂ = = 0,0055 кг/м3 .

Розрахункова концентрація термічних оксидів азоту:

NO = 70300 0,00550,5ехр(-10860/1990) = 0,203 г/м³.

Паливні і швидкі оксиди азоту:

NO = (0,40-0,1)(0,994) ²² =0,278г/м³.

Сумарний вихід оксидів азоту

N0 = 0,203 + 0,278 = 0,481 г/м³.

Вихід NO₂ в порівнянні з початковим варіантом (одноступінчате спалювання) складає 0,481/1,14 = 0,422, або знизився в 2,37 рази.

Приклад 5.3. Порівняти очікуваний вихід оксидів азоту з газомазутного котла Пп-1000-25-545ГМ (ТГМП-314А) при спалюванні мазуту з рециркуляцією газів 5 і 15% через шліци під пальники і в кільцевий канал пальника. При розрахунку прийняти наступні початкові дані:

Теплота згорання мазуту . .. 39,08 МДж/кг

Температура гарячого повітря …3250 ºС

Надлишок повітря на виході з топки .. 1,03

Присоси в топці …0,05

Температура газів на виході з топки .. 11800 М

Теплова напруга перетину .. 5,12 МВт/м2

Перетин топкової камери 17,3x8,77 м;

периметр

П= 52,14 м Теплова напруга топкового об'єму 194 кВт/м³.

Розвязок 1 .За початковими даними з додатку, знаходимо V = 10,98 м³/кг, V = 10,28 м³/кг; теплота гарячого повітря Q г.в = (1,03-0,05)) 4502 = 4411,8 кДж/кг; Q '_т = 39,088 103 +4411,8 = 43491,8 кДж/кг; гор= 1,03-0,55 0,05= 1,005; ta = = (1+0,36-0,435)=2244 ⁰С;k_t =(2244-1200)/1000=1,044; с г =1,58+0,122 1.044 = =1,707 кДж/(м³ К); св ₌ 1,46 + 1,0444 0,092 = 1,556 кДж/(м³ К).

2. Розрахункова адіабатна температура:

== +

+ 273 = 2221+273 = 2494 К.

3. Теплова ефективність стін зони горіння (на 1,5 м вище за верхній ярус пальників)

== =0,447.

4. Максимальна температура горіння; при рециркуляції 5% через шліци

Т_м1= 0,98-2494(1-0,447) ^0,25(1-0,05 ) = 2070 К;

при рециркуляції 15%

Т_м2 = 2110(1-0,15 ) = 2060 К;

різниця Тм1 - Тм2 =10 К;

при введенні 5% рециркуляції газів в пальник

Т_м3 = 2110(1 -0,05 ) = 2043 К;

при рециркуляції 15%

Т_м4 = 2110(1-0,15 )=1975 К.

Різниця Тм3 -Тм4 = 68 К.

Як видно, введення газів рециркуляції безпосередньо в пальники помітніше знижує розрахункову максимальну температуру факела і помітніше виявляється вплив ступеня рециркуляції на зміну оксидів азоту.

5. Температурний інтервал реакції

== = 67,5;

у решті випадків: ₂=66,8°С; ₃ = 63,2°С; ₄₌ 61,511 °С.

6. Середня температура газів в топці:

Тг1 =0,84(2070 ⁴+ 14534)^0,25 = 1836 К; Тг2 = 1825 К; Тг3 = 1800 К; Тг4 =1769 К.

7. Розрахунковий час реакції в топці р:

преб1₌= =1,89с; преб2=1,87с; р2 = 0,118с; р3 = 0,125с; p4 = 0,133c.

8. Теоретичний час досягнення рівноваги:

01 = 0,024ехр(54290/2070-23)= 0,605 с; 02 = 0,69 с; _оз=0,86 с; 04 = 2,13 с.

9. Концентрація надмірного кисню в зоні горіння за (5.11):

(C_О2)_1,2 = 0,0061 кг/м³; (С_{О2) 3,4} = 0,0058 кг/м^3.

10. Концентрація термічних оксидів азоту

(NO )₁= 7030 0,0061^0,5 ехр (-10 860/2070) =0,55

(NO )₂ = 0,478 г/м³; (NO )₃ =0,382 г/м³; (NO )₄ = 0,137 г/м³.

11. Паливні, і швидкі оксиди азоту. Вміст азоту в паливі N^P= 0,3%;

((NO )=(0,40-0,03)0,3 =0,07 г/м³.

(NO )₂ = 0,08 г/м³; (NO )₃ = 0,088 г/м³; (NO )₄ = 0,112 г/м³.

12. Сумарний вихід оксидів азоту:

(NO )₁ =0,55 + 0,07 = 0,62 г/м³; (NO )₂ =0,478 + 0,08 = 0,558 г/м³;

(NO )₃=0,382+0,088=0,47 г/м³; (NO )₄ = 0,137 + 0,112=0,249 г/м³.

В результаті: зниження виходу NO₂ із збільшенням рециркуляції від 5 до 15% при введенні газів через шліци відбувається в 0,62/0,558 = 1,11 рази, тобто всього на 11,0%, а у разі введення у пальники - в 0,47/0,249 = 1,887 рази.

Приклад 5.4. Порівняти очікуваний вихід оксидів азоту з прямоточного котла Пп-1000-25-545ГМ (ТГМП-314) і барабанного котла E-160-9,8-560 ГМ (БКЗ-160-100 ГМ) при спалюванні мазуту з рециркуляцією газів 5% через шліци під пальниками. Прийняти початкові дані палива, надлишки повітря на обох котлах однаковими і відповідними умовам прикладу.

5.3. Додаткові дані по барабанному котлу E-160-9,8-560 ГМ (БКЗ-160-100 ГМ) (D = 160т/ч):

Температура газів на виході з топки …… …….…1150° З

Перетин топкової камери …………...7,1 х 4,4 м;

периметр

П=23 м

Теплова напруга перетину …………..3,36 МВт/м²

Теплова напруга топкового об'єму …………….250 кВт/м³

Розвязок. На підставі початкових даних:

Адіабатна температура …………... Та1 = 2494 К

Максимальна температура горіння ………….… Т м = 2070 К

Температурний інтервал реакції ………….... Т_Р = 67,5° З

Середня температура газів в топці:

прямоточного котла ………………. 1836 К

барабанного котла ………………. .1829 К

Розрахунковий час перебування преб:

прямоточний котел ……………….. 1,89 с

барабанний котел ……………….. 1,47 с

Розрахунковий час реакції в топці р:

прямоточний котел ………………….0,115 с

барабанний котел …… 1,47 = 0,047 с

Теоретичний час досягнення рівноваги………… про = 0,605с

Концентрація надмірного кисню …………… C_О2 = 0,0061 кг/м³

Концентрація термічних оксидів азоту:

прямоточний котел…………………. NO =0,115= 2,893 = 0,55 г/м3

барабанний котел ……………………….. NO = 2,893 0,225 г/м³

Концентрація паливних оксидів азоту …………NO = 0,07 г/м³

Сумарний вихід оксидів азоту:

прямоточний котел ……………..N = 0,62 г/м³

барабанний котел …………… N = 0,295 г/м³

На котлі БКЗ-160 значно меншій продуктивності, ніж ТГМП-314, в рівних умовах організації спалювання палива вихід NO₂ знижується приблизно в 2 рази, головним чином за рахунок скорочення часу реакції освіти NO₂ через інтенсивніше охолоджування газів, оскільки на БКЗ-160 відношення периметра топкі П, м, до перетину топкової камери fт = aтbт в 2,14 рази більше, ніж на ТГМП-314.

ЗАДАЧІ

Задача 5.1. Для котла Е-160-9,8-560-ГМ (БКЗ-160-100 ГМ) при спалюванні мазуту визначити вихід оксидів азоту при заміні вихрових на прямоточні пальники з тангенціальним напрямом пальникових струменів в перетині топки. Прийняти надлишки повітря в топці і присоси, температуру гарячого повітря за умовами прикладу 5.3 і розрахункові дані топки котла з прикладу 5.4. Розрахунок зробити без урахування рециркуляції газів в топку, швидкість повітря на виході з пальників 45 м/с.

Задача 5.2. Для котла Пн-1000-25-545-ГМ (ТГМП-314 А) відповідно до умов прикладу 5.3 визначити вихід NO₂ при спалюванні природного газу з Q = 36,3 МДж/м і введенні газів рециркуляції в гаряче повітря в кількості 5%. Теплову ефективність стін зони горіння прийняти по мазуту. Надлишок повітря на виході з топки прийняти т= 1,05, температура газів на виході з топки 'т=1230ºС. Решта даних по котлу приймається без змін.

Задача 5.3. Для котла Пп-1000-25-545 До (ТПП-312А) (приклад 5.1) визначити концентрацію оксидів азоту при спалюванні донецького ГСШ, але з твердим шлаковидаленням. Прийняти ті ж початкові дані, окрім з.г = 0,45 і

= 115 0 ⁰С.