Расчёт технологических выбросов и экологических показателей рабочего процесса котельной

По мере снижения температуры газов происходит явление рекомбинации, когда образовавшиеся в результате диссоциации горючие  газы СО и Н₂ получают возможность вступить в реакцию с О₂ и вновь образуют  СO₂ и H₂О с выделение ранее затраченной на диссоциацию теплоты.

В топочных камерах выделяют три характерные  температуры газовой среды: теоретическую  температуру горения, максимальную и температуру газов на выходе из топки.

Теоретическая (адиабатная) температура T_a  подсчитывается при условии, что вся выделяемая в топке теплота расходуется только на подогрев продуктов сгорания (при отсутствии отвода теплоты к экранам). Условно считается, что всё тепловыделение происходит на выходе из горелок на уровне их установки в топке. В реальных условиях процессы тепловыделения (горение) и отвода теплоты к экранам топки за счет излучения происходят одновременно. На начальном этапе горения температура горящей газовой смеси после воспламенения быстро повышается, растет и интенсивность теплоотвода. Максимальная температура факела  устанавливается в ядре горения. По мере приближения к выходу из топки температура газов падает и достигает конечного значения. В последнее время находит применение новый для энергетики способ сжигания топлива в так называемом кипящем слое. Этот способ представляет собой дальнейшее развитие  слоевого способа сжигания. Находящееся на решетке измельченное топливо с частицами размером 1-6 мм продувается снизу потоком воздуха с такой скоростью, что частицы «всплывают» над решеткой и совершают возвратно-поступательные движения в вертикальной плоскости. Более мелкие и частично выгоревшие частицы поднимаются в верхнюю часть кипящего слоя, где скорость потока снижается, и там сгорают. Аэродинамика кипящего слоя характеризуется установлением равновесия для частиц горящего топлива; вес каждой частицы уравновешивается силой давления набегающего снизу газовоздушного потока.  Наибольшую скорость поток имеет у основания слоя (на выходе из-под распределительной решётки), затем по мере  разрыхления слоя скорость снижается и над ним может быть в несколько раз меньше начальной. Это обеспечивает поддержание во взвешенном состоянии частиц разных размеров. Однако весьма мелкие частицы могут выноситься из кипящего слоя и создавать  основной источник недожога топлива. Кипящий слой характеризуется высокой плотностью горящего топлива. Поскольку горение топлива сосредоточено в достаточно узкой зоне, появляется возможность ввода в зону кипящего слоя твердых размолотых присадок для нейтрализации образующихся в процессе горения окислов серы. Основные трудности промышленного освоения кипящего слоя связаны с большими размерами площади кипящего слоя топлива для мощного котла и неравномерностью распределения воздуха по слою, заметным  износом трубной поверхности внутри слоя, трудностями удаления накапливающихся шлаков из горящего слоя и достаточно высоким недожогом топлива, требующим создания системы возврата уноса вновь в кипящий слой.

3. Место и роль твердого топлива  в энергетики России

 

В прошедшие  десятилетия в России осуществлялось преимущественное развитие промышленности и интенсивно росло потребление природного газа на тепловых электростанциях. Следует заметить, что газ в РФ является самым дешёвым и экологически чистым топливом.

Однако  в условиях прогнозируемого падения  добычи газа необходимо в ближайшие  годы переориентировать отечественную  промышленность, и прежде всего энергетику, на уголь как на основной энергоресурс. Поскольку ТЭС, в последние годы потреблявшие около 80% всего природного газа, сжигаемого в отрасли, расположены в европейской части России, то именно здесь наиболее остро встанут экономические, технические и экологические проблемы при замещении газа твердым топливом.

При сжигании мазута и газа проблема золоулавливания  из дымовых газов отсутствует: она  становится актуальной при сжигании в топках твердого топлива – каменного, бурого углей и горючих сланцев.

В 1997 г. РФ введены новые нормативы удельных выбросов загрязняющих веществ в  атмосферу для вновь создаваемых  котельных установок (ГОСТ Р 50837-95). Они ориентированы на современный уровень научно-технического прогресса.

В 1999 г. был  принят Федеральный закон «Об  охране атмосферного воздуха». Однако в настоящее время нормативы  выбросов для действующих котельных  установок в РФ ещё не установлены. В отрасли дополнительно к  государственному законодательству по нормированию выбросов загрязняющих веществ  в атмосферу с 1981 г. действуют  ведомственные требования, предписывающие выбор для ТЭС золоулавливающего  оборудования с предельной степенью очистки газов, которая устанавливается  в зависимости от приведенной  зольности топлива, мощности и типа электростанций (ТЭЦ или КЭС). Ведомственные  требования являются частью норм технологического проектирования электростанций и тепловых сетей.

Поскольку требования к оборудованию, введённому до 1981 г. и находящемуся в настоящее  время в эксплуатации, не отвечают современному уровню развития техники, задачей отрасли является поэтапная  модернизация и во многих случаях  замена устаревшего оборудования на современное высокоэффективное.

В нормы  технологического проектирования введены  требования к вновь вводимому  оборудованию, которые соответствуют  ГОСТ Р 50832-95.

4. Снижение  выброса золовых частиц из топок котлов конструктивными и технологическими методами

 

Объем выброса  золовых частиц из топок котлов для твердого топлива существенно зависит от типа топочного устройства.

Наибольшие  выбросы летучей золы имеют место  при пылеугольных камерных топках с  твердым гранулированным шлакоудалением (при «холодной» воронке), при пылеприготовлении  в шаровых барабанных тихоходных мельницах, где обеспечивается тонкий помол углей, или при пылеприготовлении  в валовых и шаровых среднеходных мельницах. Немного меньше выброс летучей  золы из топок при молотковых быстроходных мельницах или мельницах-вентиляторах, где происходит более грубый помол  угля.

При топках с жидким шлакоудалением выбросы  летучей золы из топки в конвективную шахту и далее в дымовые  трубы существенно меньше, чем  при твердом шлакоудалении, поскольку  в этом случае часть золы расплавляется  в топке и оседает в шлаковую ванну.

При слоевом  сжигании твердого топлива на механических цепных решётках с различными типами подвижных колосников и при других многочисленных типах слоевых механических топок, применявшихся много лет  назад на котлах с твердым топливом малой производительности, выброс летучей  золы из топок был относительно невелик. В топках с циркулирующим кипящим  слоем (ЦКС), получающих в настоящее  время в мировой энергетики всё  большее применение в связи с  проблемами экологии, выброс золовых частиц в атмосферу в некоторых случаях не меньше, чем в пылеугольных топках традиционной конструкции, из-за добавки в слой известняка. Наиболее радикальным способом сокращения выброса золовых частиц в атмосферу является газификация твердого топлива.

5. Золоулавливание  и типы золоуловителей

 

При золоулавливании  приходится иметь дело с частицами  размером от 1мм до 1 мкм. Более тонкие частицы так называемые аэрозоли при пылевидном сжигании топлива в продуктах сгорания, как правило, отсутствуют или присутствуют в очень ограниченном количестве.

Для золоуловителей имеют значение следующие параметры летучей золы:

• размер частиц;
• физические, химические и электрические свойства золы.

Для золоулавливания  применяют преимущественно следующие  способы, основанные на использовании:

• гравитационных и инерционных сил;
• молекулярных сил сцепления частиц золы с пленкой воды или её струями;
• электростатических сил электрического поля;
• фильтрования через матерчатую перегородку.

В прошлом  на ТЭС в ряде случаев ограничивались простыми в обслуживании циклонными золоуловителями.

6. Циклонные (инерционные) золоуловители

 

Очищаемый от пыли (летучей золы) газ тангенциально входит в цилиндрическую оболочку (корпус), переходящую внизу в конус. Благодаря вращательному движению потока центробежные силы отбрасывают частицы пыли к периферии, ударяясь о стенку, последние теряют скорость и вдоль стенки падают в нижнюю часть конуса, а затем удаляются из потока газов через воронку. Выход газов вниз заполнен золой, и поэтому поток газов, вращаясь, поворачивает вверх в центральный патрубок и удаляется из корпуса золоуловителя, освобождаясь от большей части летучей золы.

Циклоны просты в изготовлении, надежны в  эксплуатации при высоких давлениях  и температурах, обеспечивают фракционную  эффективность очистки на уровне 80..95% от частиц пыли размером более 10 мкм. Циклоны в основном рекомендуются  использовать перед высокоэффективными аппаратами пылеочистки (тканевыми фильтрами и электрофильтрами). В ряде случаев циклоны обеспечивают эффективность очистки, достаточную для выброса газов или воздуха в атмосферу.

В России и СНГ для циклонов принят стандартизированный  ряд внутренних диаметров D:200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2400 и 3000 мм. Для всех одиночных циклонов бункеры выполняются цилиндрическими с коническим днищем. Диаметр бункера принимают 1,5 D для цилиндрических и 1,1…1,2 D – для конических циклонов. Высота цилиндрической части бункера принимается 0,8 D, угол конусности стенок днища – 60.

Циклоны делятся на циклоны большой производительности и циклоны высокой эффективности. Первые имеют обычно большой диаметр  и обеспечивают очистку значительных количеств воздуха. Вторые сравнительно небольшого диаметра (до 500…600 мм) и  обеспечивают высокую степень очистки. Очень  часто применяют групповую  установку этих циклонов, соединенных  параллельно по воздуху.

В промышленности применяется большое число различных  типов циклонов, которые отличаются друг от друга формой, соотношением размеров элементов и т.д.

С уменьшением  диаметра  циклона скорость потока возрастает, и степень очистки  газов  от летучей золы повышается. В связи с этим  в энергетике нашли применение небольшие по диаметру циклоны, объединяемые в параллельные группы для обеспечения требуемого расхода газов через них. Они  получили название батарейных, или  мультициклонов. 

В настоящее  время  применяют циклонные элементы с тангенциальным подводом газов  при внутреннем диаметре 230 мм. Батарейные циклоны обеспечивают улавливание до 94% летучей золы, их используют на котлах производительностью до 170 т/ч.  На более мощных котлах их применяли лишь в качестве первой ступени золоулавливания в комбинации золы в газах. Возрастающие требования к качеству очистки дымовых газов от летучей золы привели в дальнейшем к вытеснению из энергетики батарейных циклонов и к замене их на более совершенные установки.

Недостатки  работы сухих циклонов была вероятность  вторичного захвата осевшей на стенках  золы, что снижало эффективность  таких аппаратов. Для предотвращения вторичного уноса золы со стенок было использовано смачивание поверхности  корпуса стекающей пленкой воды. В этом случае практически все  золовые частицы, достигшие стенок, удалялись вместе с водой в золовой бункер.

 

Расчетная часть

1.  Исходные данные

 

1. Расчетные характеристики твердого топлива

 

Месторождение топлива	Марка класса	С1г	Нг	Nг	Ог	Sорг	Sколг	Sобщ	Асрс	Wсрс	Vг
Экибастузское	ССР	85,5	5,6	2,4	5,8	0,7	0,7	0,6	18,5	6	38

 

,МДж/кг	, МДж/кг
34,4	26,2

 

 

2)Исходные данные для расчета

Тг	ТВ	Cф				Котлы, шт	А	υ, м/с	Загрязняющее вещество
0С	0С	пыли	CO	SO2	NO2	1	200	11	NO2
78	20	0,20	4,3	0,20	0,075

 

 

 

          3) ПДК (пыли) = 0,5 мг/м³ 

  ПДК  (СО) = 5 мг/м³

  ПДК (SO₂) = 0,5 мг/м³ 

  ПДК (NO₂) = 0,085 мг/м³

 

4) Исходные характеристики для  расчета котельной установки.  Наименование характеристик:

 

1. Расчетный расход топлива на один котел (B^* = 500 г/с)
2. Температура отходящих газов из устья трубы (Т_Г = 150 ⁰С)
3. Коэффициент избытка воздуха перед дымовой трубой ( =1,75)
4. Потери теплоты с уносом от механической полноты сгорания топлива

(= 1%)

5. Потери теплоты неполноты сгорания топлива: