Розділ п'ятий розрахунки шкідливих викидів з продуктами згорання

5.1. Розрахунки утворення оксидів азоту

У топках парових котлів при горінні палива утворюються оксиди азоту двох типів - оксид NO і діоксид NO_2, причому на виході з димарів оксид NO складає до 95% суми оксидів NO_x = NO+NO₂. . Доокислення NO до NO₂ відбувається в атмосфері в процесі розповсюдження димового факела вільним киснем (озоном) повітря. Тому масовий викид оксидів азоту з котлів розраховується по NO₂. У газових викидах ТЕС їх концентрація складає 0,2—1,2 г/м³.

Оксиди азоту утворюються при згоранні палива в ядрі факела трьома можливими шляхами:

паливні — утворюються при температурі газового середовища 800—2100 К за рахунок азоту, що входить в паливо (N р);

термічні — утворюються при високих температурах факела (більше 1600 К) за рахунок окислення азоту повітря;

швидкі — утворюються при контакті проміжних вуглеводневих з'єднань палива (при спалюванні газу і мазуту) з азотом поступаючого в пальники повітря в початковій зоні горіння факела при температурах вище 1000 К.

По вказівках п. 5.1.1 і 5.1.2 визначають оксиди азоту при спалюванні твердого палива і мазуту, особливості розрахунку оксидів азоту з природного газу висловлені в п. 5.1.3.

5.1.1. Утворення термічних оксидів азоту

Визначальними характеристиками при утворенні термічних оксидів є максимальна температура факела Тм і температурний інтервал реакції ТР. Розрахункове значення Тм залежить від умовної адіабатной температури в зоні тертя Т'а;

Т'а = +273, (5.1)

де = 103 + Qг.в + Qтл — тепловиділення в зоні горіння, кДж/кг; — теплота згорання, МДж/кг; сг і св — теплоємності газу і повітря, одержані при очікуваній адіабатній температурі, кДж/(м³ К); гор — надлишок повітря в зоні горіння; приймається за наявності присосів повітря в топку _т. наступним: гор= _т -0,55 _т, для газощільних котлів _гір = т.

Ефект рециркуляції газів на температурний рівень враховується при розрахунку максимальної температури факела Тм.

Середня теплоємність продуктів згорання і повітря визначається за формулами:

при спалюванні твердого палива

сг =(1,59 + 0,004W ^п)+ 0,14kt; (5.2а)

при спалюванні природного газу

сг = 1,57 + 0,134kt; (5.26)

при спалюванні мазуту

c_г=l,58 + 0,122kt (5.2в)

де W^п = W^р/ — приведенна вологість палива, % кг/МДж; kt = (ta-1200)/1000 -температурний коефіцієнт зміни теплоємкості ; ta - очікувана адіабатна температура, ºС. Теплоємність повітря при високих температурах

cв = l,46 + 0,092/kt. (5.3)

Очікувану адіабатну температуру для розрахунку теплоємностей знаходять по формулах:

для твердого палива

ta= (5.4а)

для мазуту і природного газу

ta = (1+0,36 -10-5⁵ ). (5.4б)

Допустима розбіжність між заздалегідь прийнятою ta і одержаним по (5.1) значенням (Т'а—273) не повинне перевищувати 50 ºС , інакше необхідно прийняти нове tа = Т'а-273 і уточнити значення сг і св.

Максимальну температуру зони горіння знаходять по формулі з урахуванням відведення теплоти до екранів, степеня вигоряння палива і вплив рециркуляції газів:

Т_м= Т'_а(1- з.г) (1-r^{1+ nr} )мг , (5.5)

де .- частка згорілого палива на ділянці від виходу з пальника до завершення інтенсивного високотемпературного горіння; значення _сг, приймати: для твердих палив 0,95- 0,97 (великі значення для реакційних палив), для природного газу і мазуту 0,97—0,99; зг — коефіцієнт теплової ефективності екранів в зоні ядра факела (див. § 4.1), при необхідності усереднення теплосприйняття екранів приймати верхню межу зони горіння на 1,5 м вище за верхній ярус пальників; r - доля рециркуляції газів в зону горіння; п- коефіцієнт, що враховує спосіб введення рециркулюючих газів в топку: n= 6,5 — при введенні через сопла під пальниками; п = 5,0 - при введенні через кільцевий канал навколо пальника; n= 3,0 – при змішуванні газів з гарячим повітрям до пальника або введенні між центральним і периферійним каналами пальника; мг — коефіцієнт, що враховує тип пальника: мг - 1 - для вихрових настінних пальників; мг = 0,95(25/wв) 0,2-для прямоточних настінних пальників, де wв - швидкість повітря на виході з пальника, м/с; мг = 0,985—для подових пальників з прямоточно-вихровою подачею повітря.

Теоретичний час досягнення рівноважної концентрації оксиду азоту NO при температурі реакції Tм

=024 ехр (54 290/Т_м-23), (5.6)

Розрахунковий час реакції утворення оксидів азоту в топці

== (( )) , (5.7)

де Тр - температурний інтервал активної реакції утворення оксидів азоту, К, залежить від значення Тм і визначається з виразу:

== (5.8)

= середня теплова напруга перетину топкової камери, МВт/'м²; П = =2ат+2bт. - розрахунковий периметр стін призматичної топкової камери, м (за наявності двосвітного екрану додається його подвоєна ширина); Tт" - абсолютна температура газів на виході з топки, К, береться з теплового розрахунку котла; - час перебування газів в топковій камері, з

= , (5.9)

де qv= теплова напруга топкового об'єму, МВт/м ; =0,84 [(Тм)⁴+ +(Тт")]^0,25 — середня розрахункова температура газів в топковому об'ємі, К; — питомий приведений об'єм газів при =1, м³/МДж; у розрахунках слід приймати для антрациту і напівантрациту = 0,273 м³/МДж, для решти твердих палив = 0,278 + 0,001 Wп, для мазуту 0,281 м³/МДж; для природного газу 0,3 м³/МДж^; - коефіцієнт заповнення перетину топки висхідним потоком газів, при зустрічних вихрових грілках = 0,8, те ж саме для однофронтального розташування 0,75, для тангенціального розташування прямоточних пальників 0,70, для подових пальників 0,90. Концентрація оксидів азоту, що утворюються за рахунок термічної реакції в зоні ядра факела, в перерахунку на діоксин азоту NO , г/м³, визначається по формулі:

NO = 7,03 10³C exp(-10 860/ Т_м) , (5.10)

де C02 — концентрація залишкового (надмірного) кисню в зоні реакції, кг/м³, визначається по формулі:

C0₂ = , (5.11)

де - надлишок повітря в газах рециркуляції; =1,428 кг/м³ - щільність кисню при атмосферному тиску. У випадках, коли значення _гop-1 виявиться менше 0,02, умовно приймати його постійним і рівним 0,02.