2. Расчет удельных выбросов оксидов азота

для пылеугольных котлов

В основу расчета количества топливных оксидов азо га было положе­но лабораторное исследование, проведенное сотрудниками ВТИ им. Дзержинского [41, в сочетании с большим числом промышленных исследований, в которых устанавливалась связь между конструктив­ными особенностями горелок и топочных устройств, с одной стороны, и параметрами факельного процесса горения, с другой. В результате было получено выражение [114]

^О₂=^тЧ^Зг^5см. (5-9)

где k — коэффициент; N_T — приведенное содержание азота в исходном топливе, кг/ГДж:

N_T = iON7ef; (5-Ю)

здесь N^r — содержание азота в рабочей массе топлива, %. Далее в фор­муле следует ряд коэффициентов, характеризующих влияние различ­ных конструктивных и режимных параметров. Каждый из этих пара­метров влияет не только на образование оксидов азота, но и на разви- 120

тие процессов воспламенения и горения топлива, поэтому их выбор при проектировании котла требует учета всего комплекса проблем, стоящих перед конструктором (обеспечение надежности котла, эконо­мичности топочного процесса при переменных нагрузках и т. д.) .

Все приведенные в (5.9) коэффициенты — безразмерные: они харак­теризуют относительное изменение количества выбросов топливных оксидов азота по сравнению с определенным режимом: горением пред­варительно перемешанного пылевоздушного потока при температуре (1700 ±30) К с коэффициентом избытка воздуха а_г = 1,0 ±0,05. Именно при этих параметрах были проведены основные опыты в [4]. Сжигание на лабораторной установке при вышеупомянутых условиях 22 марок углей с диапазоном содержания азота в горючей массе топлива = - 0,6±3,0% показало, что зависимость удельных выбросов оксидов азо­та от N_T носит линейный характер, а коэффициент к = 0,7 (для указан­ных выше параметров).

На этой же установке при сжигании различных топлив были прове­дены опыты с изменением среднеинтегральной концентрации кислоро­да О₂, %, на начальном участке факела (путем разбавления воздуха инертными газами или снижения начального избытка воздуха). Оказа­лось, что концентрация NO_X в продуктах сгорания (при почти постоян­ном значении температуры) возрастает при увеличении О₂ по квадра­тичному закону.

В разное время сотрудниками ВТИ, НПО ЦКТИ, Сибтехэнерго, КазНИИЭ и других организаций проводилось измерение полей газового состава в поперечных сечениях факела при сжигании различных углей в котлах с вихревыми и прямоточными горелками. Анализ_этих экспе­риментальных данных позволил установить зависимость О₂ (средне­интегральной концентрации кислорода на участке интенсивного обра­зования NO_X) от коэффициента избытка воздуха в горелке а_г. В диа­пазоне 0,9 < а_г < 1,30 была получена линейная зависимость О₂ от а, причем все значения О₂ для вихревых горелок лежали выше значений О₂ для прямоточных горелок.

На основании этих^ данных с учетом квадратичной зависимости кон­центрации NO_X от О₂ получены формулы для расчета безразмерных коэффициентов, учитывающих влияние коэффициента избытка возду­ха в горелках а_г на образование топливных оксидов азота. Для вихре­вых горелок этот коэффициент

= (0,35 «г + 0,4) ²; (5.11)

Для прямоточных

⁼ (0,53а_г + 0,12) ². (5.12)

В пылеугольном факеле воспламенение и сгорание летучих происхо­дят в первичном воздухе, а вторичный воздух постепенно подмешива­ется к горящей аэросмеси. Поэтому коэффициент подачи первичного 121

воздуха Д] оказывает влияние на образование оксидов азота. На осно­вании результатов измерения концентрации NO_X при изменении 04 от 0,24 до 0,41 был выведен безразмерный коэффициент, учитываю­щий коэффициент подачи первичного воздуха

^=1,73^+0,48. (5.13)

Рециркуляция дымовых газов через горелки оказывает двойное воз­действие на процесс образования оксидов азота: за счет снижения тем­пературного уровня и за счет снижения концентрации кислорода в пер­вичном воздухе (при условии, что газы рециркуляции поступают с пер­вичным воздухом). Последний фактор удалось оценить в опытах на промышленных котлах, на которых представилась возможность менять количество газов рециркуляции без заметного изменения температуры в факеле. Обработка результатов этих опытов дала следующее значение безразмерного коэффициента, учитывающего влияние рециркуляции дымовых газов в первичный воздух:

= 1 — 0,016л/гТ (5.14)

где г — коэффициент рециркуляции дымовых газов, %. Достоверность этой зависимости ограничена проверенным диапазоном: 0 < г < 30%.

Влияние температуры на образование топливных NO_X достаточно подробно исследовалось в [4]. На основании опытов, проведенных в диапазоне температур от 1350 до 1800 К, было найдено, что концен­трация оксидов азота зависит от максимальной температуры на участке образования NO_X в степени 1/3. Анализ многочисленных промышлен­ных исследований с определением полей температур в поперечных се­чениях пылеугольного факела показал, что максимальная температура на участке образования топливных оксидов азота равна примерно 0,97'.'_г, где Та _г — температура за зоной активного горения, рассчиты­ваемая по [110]. На основании этого была выведена формула для без­размерного коэффициента, учитывающего влияние температуры на образование топливных оксидов азота^VI,

^=0,llv^z7'”_r- 1100. (5.15)

Интенсивность подмешивания вторичного воздуха к аэросмеси зави­сит от крутки факела (для вихревых горелок), от соотношения скоро­стей потоков вторичного и первичного воздуха на выходе из горелки и других факторов. При сжигании донецкого ГСШ, кузнецкого Т и экибастузского углей на крупных котлах с горелками, имеющими два канала вторичного воздуха, менялось соотношение скоростей аэросме-

си и прилегающего к ней потока вторичного воздуха (избыток воздуха в горелке оставался на прежнем уровне благодаря изменению расхода по наружному каналу вторичного воздуха). Измерение концентрации оксидов азота в этих опытах позволило вывести значение безразмер­ного поправочного коэффициента, учитывающего интенсивность смеше­ния на начальном участке факела за счет соотношения скоростей:

= 0,4 (w₂/_Wl)² +0,32, (5.16)

где и»! и и’₂ — скорости аэросмеси и примыкающего к ней потока вто­ричного воздуха в выходном сечении вихревых горелок, м/с. Диапазон применимости (5.16) 1 < w₂/w_r < 1,5.

При сжигании кузнецких каменных углей в котле с тангенциальной топкой был получен аналогичный коэффициент для прямоточных горе­лок в виде линейной зависимости £_см от соотношения скоростей:

?_cⁿP^M=0,98(w₂/w₁) -0,47. (5.17)

Диапазон применимости (5.17) : 1,5 < w₂/w_x < 2,4.

На котлах при сжигании экибастузского угля и на крупном огневом стенде проводились опыты с изменением крутки факела за счет измене­ния положения закручивающих лопаток на вторичном воздухе. Опыты показали наличие максимума зависимости концентрации NO_X от пара­метра крутки горелки п_г, однако изменение концентрации NO_X при изменении крутки в диапазоне 1,2 < п_г < 3,3 невелико, поэтому до на­копления экспериментальных данных можно не учитывать влияние крутки факела на образование топливных оксидов азота.

Таким образом, удельный выброс топливных NO_X можно рассчитать по (5.9), причем для вихревых горелок коэффициенты и £_см следует брать по формулам (5.11) и (5.16), а для прямоточных горелок — по формулам (5.12) и (5.17). Коэффициент к следует брать равным 0,7. Для приближенной оценки можно воспользоваться номограммами (рис. 5.4 и 5.5).

При расчете количества термических оксидов азота за основу было взято известное уравнение скорости образования оксида азота, получен­ное Я. Б. Зельдовичем и сотрудниками при сгорании перемешанных газовоздушных смесей [17]. Если в уравнении (2.5) пренебречь ско­ростью обратной реакции (что вполне оправдано для уровня температур топочных камер) и принять постоянными значения максимальной тем­пературы и концентрации кислорода на участке максимальных темпера­тур, то можно записать:

Рис. 5.4. Номограмма для расчета выбросов и концентраций топливных оксидов азота при установке вихревых горелок (обозначения - см. на рис. 5.3)

Здесь а_{а г} — коэффициент избытка воздуха за зоной активного горения, который можно принять равным сумме организованно поданного в топ­ку воздуха (через работающие и ’’холостые” горелки, а также через сопла третичного дутья) и присосов через нижнюю часть топки:

^аа.г^—аорг⁺ 1/2До_т; (5.19)

Та'.г ^— температура за зоной активного горения, К, рассчитываемая по [110]. Температура Т^'.г является параметром, зависящим от способа подготовки угольной пыли, ее качества, конструктивных особенностей топочной камеры, теплонапряжения зоны активного горения. Безраз­мерный коэффициент А учитывает отличие постоянных значений Т_{а т} И V («а.г ~ 1)/«_а.г ^от переменных температуры и концентрации кисло­рода в зоне образования термических оксидов азота, а также время пре­бывания в этой зоне. Значение этого коэффициента было определено экспериментально на ряде котлов с жидким шлакоудалением при сжига­нии донецких и кузнецких каменных углей и составляет 1,54-10¹⁶.

Уравнение (5.18) справедливо в диапазоне изменения параметров: 1,05 < а_{а г} < 1,40 и Г_а'_г до 2050 К. При _г < 1800 К, как уже отмеча­лось выше, величиной можно пренебречь. Для приближенной оценки А^³о₂ можно воспользоваться номограммой, приведенной на рис. 5.6.

Сравнение экспериментальных результатов, полученных на большом числе пылеугольных котлов при определении концентрации оксидов

5.6. Номограмма для расчета выбросов и концентраций воздушных оксидов ^азота (обозначения - см. на рис. 5.3)

Рис. 5.7. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений концен­трации оксидов азота в дымовых га­зах котельных установок:

О - П-57, экибастузский СС; ф _ ТП-109, кузнецкий СС; ® - ТП-81 кузнецкий СС; □, Д - БКЗ-210-14о’ березовский Б 2, две серии опытов-' в - БКЗ-320, кузнецкий Г; ф- ТП-109 донецкий ГСШ; • - ПК-39, экибастуз-’ ский СС

азота в соответствии с Временной контрольной методикой^VII, и расчетных значений по вышеприведенным формулам показало их удовлетворитель­ную сходимость. В большинстве опытов (рис. 5.7) среднеквадратичное отклонение расчетных значений от экспериментальных не превышало ± 20%. При этом следует учитывать, что точность экспериментального определения концентрации NO_X по контрольной методике составляет ± 10%.