Определение вредных выбросов при сжигании газообразного

топлива в промышленных установках

Лебедев А.Н., Гинкул С.И., Казанцев Е.И., Лебедев К.А.

Значительная часть высокотемпературных теплотехнологических установок работают на газообразном топливе. При его сжигании образуются вредные вещества, которые затем выбрасываются в атмосферу. В связи с интенсификацией промышленного производства количество оксидов углерода, азота и серы в выбросах предприятий постоянно увели­чивается, что создает угрозу для состояния окружающей среды. Так, по данным Европейской Экономической Комиссии стационарными и мобильными установками только Украины ежегодно в атмосферу выбрасывается около 1 млн. тонн оксидов азота и такое же количество оксидов серы. В связи с этим в рамках этой комиссии была принята Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния, основными задачами которой является выработка рекомендаций по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу, оценка возможностей и затрат на их реализацию. Внедрение разработанных мероприятий в некоторых европейских странах привело к значительному уменьшению количества оксидов азота в выбросах на вводимых в строй тепловых электростанциях (до 1,5..3 раз) по сравнению с существующими.

Решение поставленных задач требует разработки математических моделей образования вредных веществ и их переноса на большие расстояния, что в конечном итоге позволит оценить влияние технологических факторов на этот процесс.

Настоящая работа посвящена термодинамическому анализу процесса образования оксидов азота при сжигании природного, коксового и доменного газов. Изучали влияние состава топлива, коэффициента расхода воздуха и температуры на количество NО_х, а также с использованием методов оптимизации предложен режим нагрева металла в промышленных печах, реализация которого позволяет осуществить этот процесс с минимально возможными выбросами оксидов азота.

Для определения количества вредных веществ решалась система нелинейных алгебраических уравнений для констант равновесия реакций образования компонентов продуктов сгорания [1]. Решение системы осуществлялось методом итераций. В результате расчетов установлено, что количество NО_х зависит от температуры, химического состава топлива и коэффициента расхода воздуха. Зависимость содержания оксидов азота в продуктах сгорания исследованных видов топлива от температуры при коэффициенте расхода воздуха α=1,05 представлена на рис.1. Из приведенных данных видно, что наименьшее количество этого оксида образуется при сжигании доменного газа: при температуре 900 °С -29 мг/м³, при t~1400°С – 470 мг/м³. При сжигании природного газа при тех же температурах образуется соответственно 56 и 893 мг/м³. Для оценки влияния содержания азота в топливе на количество его оксидов в продуктах сгорания были выполнены термодинамические расчеты для двух видов искусственного топлива, составы которых отличались только концентрациями азота и оксида углерода (соответственно 57,5 и 11% N₂ и 11 и 57,5% СО₂). В результате моделирования установлено, что для топлива c большим содержанием азота количество NO_х в продуктах сгорания составляет 660 мг/м³, для второго топлива –  530 мг/м³. Это подтверждает факт влияния содержания азота в топливе на количество его оксидов в выбросах.

Рисунок 1 – Зависимость содержания NO_x от температуры для различных газов

(коэффициент расхода кислородоносителя α = 1,05) 1-природный газ, 2-коксовый газ, 3-доменный газ)

На рис.2 представлены результаты расчетов процесса образования оксидов азота в зависимости от температуры и коэффициента расхода воздуха α. С увеличением величины α и температуры, количество оксидов увеличивается. Так, при сжигании природного газа с α = 1,005 и температуре 700°С количество образовавшихся оксидов составляет 2,6 мг/м³, а при той же температуре и  α = 1,2 NO_x = 15 мг/м³. Но уже при температуре 1700 ^оС количество NО_х   изменяется  от 1181 мг/м³ при α = 1,005 до 4545 мг/м³ при α = 1,2, а при температуре 3000°С и α = 1,2 содержание NO_x увеличивается на порядок по сравнению с t = 1700°С.

Полученные зависимости могут быть использованы для выработки рекомендаций по выбору параметров техноло­гических процессов с целью уменьшения вредных выбросов.

Большой интерес представляет разработка режимов тепловой обработки материалов в дейтствующих промышленных печах для обеспечения минимально возможных выбросов вредных веществ, когда невозможны коренное изменение конструкции горелочных устройств и переход на топлива с низким содержанием азота.

При разработке режима нагрева металла в промышленных печах с одновременным минимальным выбросом вредных веществ в атмосферу применили методы линейного программирования. Математическая формулировка задачи и ограничения аналогичны примененным нами при расчете нагрева металла по минимуму окалинообразования [2]. Отличие представляет лишь функция цели, которая в данном случае – количество образовавшихся оксидов азота. Тогда цель разрабатываемого режима нагрева может быть сформулирована следующим образом: необходимо за требуемое время t необходимо нагреть цилиндрический слиток до заданной температуры, получив при этом заданное качество нагрева и минимальное количество NO_x в продуктах сгорания. Исходные данные: время нагрева – 3 часа, радиус слитка – 0,28 м., марка стали – сталь 20.

Рисунок 2 – содержание NО­_х, при сжигании природного газа в зависимости от коэффициента

расхода кислородоносителя и температуры (цифры под линиями))

Результаты расчета такого режима нагрева цилиндрического слитка представлены на рис.2. Из приведенного графика видно, что для получения минимального количества оксидов азота в продуктах сгорания природного газа температура печи должна выдерживаться как можно большее время минимальной, когда практически не образуется NO_x, а затем быстро увеличиваться до максимально допустимой для обеспечения требуемого качества нагрева.

Таким образом, в результате математического моделирования изучено влияние технологических параметров на количество оксидов азота, образующихся при сжигании различных видов газообразного топлива, и предложен способ использования полученных закономерностей при разработке режимов работы промышленных печей, обеспечивающих при их существующей конструкции минимально возможный выброс вредных веществ в атмосферу.

1. Лебедев А.Н., Казанцев Е.И., Гинкул С.И. Исследование окислительных свойств продуктов сгорания различных видов топлива. // Известия вузов. Черная металлургия.- 987.-№5.-c.53-54.

2. Гинкул С.И., Лебедев А.Н., Казанцев Е.И. Разработка режимов нагрева слитков по минимуму окалинообразования. // Известия вузов. Черная металлургия. - 990.-№12.-c.64-66.