При проектировании нового и модернизации действующего теплоэнергетического оборудования тепловой электрической станции (ТЭС) необходима теоретическая оценка его экологического воздействия на окружающую среду, позволяющая быстро и с достаточной точностью определять допустимое загрязнение атмосферного воздуха и степень снижения вредных выбросов при внедрении природоохранных технологий.
Первым этапом в разработке аналитической модели образования вредных выбросов в факеле энергетической установки является исследование физико-химических механизмов образования вредных выбросов, в частности одного из наиболее токсичных компонентов в составе дымовых газов – оксидов азота (NOx) при сжигании различных видов топлива.
В рамках данной разработки проведено теоретическое исследование возможности образования термических, «быстрых» и топливных оксидов азота на различных уровнях прохождения дымовых газов по тракту энергетической установки, а также факторов, влияющих на количественную характеристику выхода оксида азота при сжигании топлива.
Из проведенного анализа установлено, что преобладающее влияние на формирование концентраций NOx в зоне активного горения оказывают термические оксиды азота, для снижения, образования которых целесообразно регулировать температурный уровень и концентрацию свободного кислорода, что, возможно, осуществлять путем ввода влаги в топочные процессы.
Разработана аналитическая модель исследования образования вредных выбросов с учетом ввода влаги в зону горения. В основу данной модели положен макрокинетический закон протекания брутто-реакции образования оксидов азота в зоне высоких температур. Методика отражает закономерности образования NOx в основном по термическому механизму Я.Б.Зельдовича, исходя из избирательного воздействия дополнительно вводимой влаги преимущественно на термические оксиды азота. В методике определено влияние, оказываемое на образование оксидов азота температурного уровня, концентрации реагирующих веществ и время нахождения их в зоне высоких температур.
При разработке модели образования оксидов азота с учетом ввода влаги использовались известные положения, изложенные в работах Я.Б. Зельдовича [1], И.Я. Сигала [6], Т.Б. Эфендиева [8] и ряда других авторов [4, 5].
Для определения концентраций оксидов азота, образующихся в процессе горения в использовался метод разложения экспоненты, согласно которому концентрация NO находится из выражения:
, (1)
где 
– скорость реакции образования оксидов азота при максимальной температуре факела Тm , % об./с; 
– условное время реакции, с.
С учетом макрокинетического закона выход оксидов азота будет описываться уравнением:
, (2)
где КII – константа скорости реакции, ( % об./с)-1; СO2 и СN2 – объемные концентрации соответственно атомарного кислорода и молекулярного азота в зоне максимальной температуры Тm , % об.
Концентрация атомарного кислорода зависит от максимальной температуры в зоне горения. При температурах выше 1800 –2000К ее можно найти из условия равновесия при горении с избытком окислителя по формуле
, (3)
где [К] – константа равновесия, (% об./с)-0,5; 
– концентрация кислорода в продуктах сгорания, % об.
Константы КII и [К] могут быть определены по выражениям:
КII = 6,1·107 · exp [–
], (4)
[К]= 0,75 · 104 · exp [
], (5)
где R – универсальная газовая постоянная (R=8,326 Дж/моль · К ); Тm – максимальная температура факела, К.
Подставив выражения (3) – (5) в формулу (2), получим следующее соотношение для определения скорости образования оксидов азота:
, (6)
Концентрации кислорода и азота в зоне реакции определяются согласно принятому в методике допущению при окислении азота воздуха. При этом указанные концентрации зависят от параметров, характеризующих режимы работы горелок и топки котла, а также от возможного их изменения за счет ввода добавочной влаги.
, (7)
, (8)
где 
– коэффициент избытка воздуха в горелках; 
– присосы воздуха в топке; 
и 
– теоретические объемы соответственно продуктов сгорания и воздуха, м3/м3 (м3/кг); 
– удельный объем пара м3/кг; 
– водотопливное отношение кг воды/м3 топлива (кгводы/кгтоплива).
Подставляя (7) – (8) в (6) и сделав ряд преобразований, получим зависимость изменения скорости образования оксидов азота от количества вводимой влаги:
, (9)
где 
(10)
, (11)
, (12)
При расчете уровня максимальных температур Тm с учетом ввода влаги в зону горения использовалась методика, в основу которой положено определение адиабатической температуры в топке и критерия Больцмана.
Адиабатическая температура горения рассчитывается по известной зависимости, когда все тепловыделение в топке воспринимается продуктами сгорания с учетом поправки на дополнительно вводимую влагу.
Получены зависимости адиабатической температуры горения 
, критерия Больцмана и максимальной температуры дымовых газов в ядре факела Тm от условий теплообмена и с учетом влияния ввода влаги.
В итоге получены аналитические зависимости для определения концентраций оксидов азота 
(г/м3), учитывающая ввод дополнительной влаги в топку котла и коэффициента выхода оксидов азота при сжигании топлива также с учетом ввода влаги.
, (13)
Используя зависимость (13) можно оценить коэффициент выхода оксидов азота при сжигании топлива с вводом влаги:
, (14)
Расчетная оценка аналитических зависимостей (13) и (14) выполнена для энергетического котла БКЗ-320-140 ГМ, для которого также проводились опытные замеры концентраций оксидов азота с впрыском влаги в тракт горячего воздуха. Опытные исследования влияния ввода влаги на изменение концентраций оксидов азота выполнены сотрудниками Саратовского технического университета в рамках хозяйственного договора на выполнение научно-технических исследований [2, 3, 7].
Результаты расчета теоретической зависимости образования оксидов азота от количества вводимой влаги в топку котла представлены в табл. 1.
Таблица 1
Расчет теоретической зависимости образования оксидов азота от количества вводимой влаги в топку котла
|
Расчетные параметры |
Водотопливное отношение gвпр, % |
|||||
|
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
|
|
Максимальная температура факела Tm, 0К |
2010 |
1997 |
1983 |
1969 |
1956 |
1942 |
|
Объемная концентрация атомарного кислорода СО2, % об. |
1,3170 |
1,3030 |
1,2890 |
1,2750 |
1,2639 |
1,2470 |
|
Объемная концентрация молекулярного азота СN2, % об. |
71,602 |
70,575 |
69,547 |
68,520 |
68,150 |
66,465 |
|
Скорость образования оксидов азота (dCNO2/dτ), % об. |
0,1577 |
0,1272 |
0,0966 |
0,0661 |
0,0585 |
0,0049 |
|
Концентрация оксидов азота в топке СNO2 , г/м3 |
0,2500 |
0,2040 |
0,1580 |
0,1392 |
0,1204 |
0,1114 |
Экспериментальная зависимость изменения концентраций оксидов азота в зависимости от количества вводимой влаги в топку котла приведена в табл. 2 (по данным [8]).
Таблица 2
Экспериментальная зависимость изменения концентраций оксидов азота в зависимости от вводимой влаги в топку
|
Расчетные параметры |
Водотопливное отношение gвпр, % |
|||||
|
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
|
|
Концентрация оксидов азота в топке СNO2, г/м3 |
0,2530 |
0,2065 |
0,1600 |
0,1410 |
0,1220 |
0,1130 |
Как видно из анализа табл. 1-2, получена достаточная сходимость экспериментальных результатов и теоретических данных, рассчитанных по предлагаемой методике. Максимальная величина отклонений расчетной величины концентрации NO2 от экспериментальных значений не превышает 1,5 %.
Для учета реальных условий эксплуатации котлов аналитическая модель дополнена математической моделью расчета процесса горения и расчета топочной камеры.
В математической модели представлен сложный комплекс процессов, происходящих при факельном горении, включая аэродинамику топочной камеры и теплообмен с поверхностями нагрева. В данной модели производится позонный расчет максимальной температуры горения, скорости изменения температуры горения с учетом всех возможных режимов работы топочной камеры, что позволяет проследить влияние темпов охлаждения, начального и конечного состава продуктов сгорания, регулируемых путем ввода активных добавок (воды) с целью снижения концентраций вредных выбросов.
Разработан программный комплекс макрокинетической модели снижения образования выбросов при проектировании природоохранных мероприятий, учитывающий совместно аналитическую (кинетическую) модель расчета образования вредных выбросов в топке котла и математическую модель расчета процесса горения и расчета топочной камеры. С помощью программы можно оперативно произвести определение выбросов оксидов азота котельными установками.
Выводы
Предложена аналитическая модель исследования образования выбросов с учетом ввода влаги в зону горения.
Максимальная величина отклонений расчетной величины концентрации NO2 от экспериментальных значений не превышает 1,5 %.