Магистерская работа

тема: "Оптимизация теплового режима котла ДЕ-25-14 ГМ"

В настоящее время топливно - энергетический комплекс Украины находится в кризисном положении. В ближайшие 20 лет национальная экономика будет оставатися энергодефицитной. При ежегодном потреблении 150-170 млн. тонн уловного топлива их потребность удовлетворяется за счет собственного производства всего лишь на 45 %, что требует ежегодного импорта топливно - энергетических ресурсов. Именно поэтому, целесообразно использовать вторичные энергоресурсы - искусственные горючие газы, образующиеся в процессе технологической переработки твердого топлива.

Объектом исследования был выбран котел ДЕ-25-14 ГМ, установленный в котельной Донецкого коксохимцеха ОАО "Донецккокс" и отапливаемый коксовым газом - побочным продуктом коксования.

Цель работы: оптимизировать тепловой режим работы котла отапливаемого коксовым газом; исследовать влияние коэффициента избытка воздуха на экономичность работы и эмиссию вредных компонентов продуктов сгорания котлоагрегата при сжигании коксового газа.

1. Построение математической модели для оптимизации теплового режима котла

С целью оптимизации теплового режима был использован метод центрального композиционного ортогонального планирования полного факторного эксперимента.

Математическая статистика при решении экстремальных задач использует активные эксперименты, которые ведутся по специально разработанному плану. Методы математической статистики призваны обеспечить оптимальное управление экспериментом с тем, чтобы при минимально необходимых затратах труда, средств и времени получить модель процесса, которая должна стать основой алгоритма управления им. По результатам активного эксперимента была построена модель парокотельного агрегата.

Исходными данными для построения модели котла стали проведенные эколого - теплотехнические испытания.

Для построения модели были произведены: выбор факторов и отклика, области изменения каждого фактора; выбор вида уравнения; проведение эксперимента; оценка его результатов; определение коэффициентов уравнения; определение их значимости; проверка адекватности полученной модели исследуемому объекту.

Уравнение регрессии имеет вид:

Факторами для получения математической модели были приняты: расход коксового газа (Х1), коэффициент избытка воздуха (Х2), температура подогрева питательной воды (Х3) и температура уходящих продуктов сгорания (Х4); откликом - производительность котла. Y=f(X1;X2;X3;X4). Для каждой точки факторного пространства определялись четыре значения отклика Y. Была построена план - матрица полного факторного эксперимента.

Предварительно были проведены следующие проверки: однородности измерений во всех точках плана; построчных дисперсий и однородности значений.

Был произведен расчет средних значений отклика в отдельных точках факторного пространства и проверка значимости их различия. Различие между значениями отклика в различных точках плана оказалось существенным.

Были расчитаны значения коэффициентов выбранной модели.

С помощью критерия Стьюдента была проведена проверка значимости коэффициентов уравнения регрессии, в ходе которой незначимые коэффициенты были отброшены. Таким образом статистически значимыми коэффициентами оказались b0, b1, b2, b3, b4, b7.

Таким образом окончательное уравнение регрессии приняло вид:

Адекватность модели экспериментальным данным была проверена с помощью критерия Фишера. При 5 %-ном уровне значимсти расчетное значение критерия Фишера меньше табличного, т. о. адекватность модели была доказана.

2. Исследование влияния коэффициента избытка воздуха на экономичность работы и эмиссию вредных компонентов продуктов сгорания котлоагрегата при сжигании коксового газа.

При сжигании коксового газа в котлах в атмосферу поступает значительное количество токсичных веществ, среди которых основные: оксиды азота (NO и NO2), оксиды серы (SO2 и SO3), а также в меньших количествах оксид углерода (СО).

В ходе проведенных исследований были рассчитаны равновесные концентрации оксидов азота в продуктах сгорания коксового газа при различной температуре в зоне горения и коэффициенте расхода воздуха.

Для выбора оптимального значения коэффициента избытка воздуха были проведены теплотехнические испытания, в ходе которых был определен процентный состав продуктов сгорания до и после водяного экономайзера.

Используя данные состава продуктов горения, по кислородной формуле был рассчитан коэффициент избытка воздуха.

В процессе исследования были определены концентрации вредных веществ рассчитанные за экономайзером.

3. Методы снижения оксидов серы в продуктах сгорания в котле при сжигании коксового газа

Серьезным препятствием для сжигания коксовального газа в топках котлов является наличие сероводорода в его составе с массовой концентрацией 3,5 г/м3, в результате чего в продуктах сгорания образуются оксиды серы SO2, вызывающие генерацию производных соединений, коррозию и загрязнение рабочих поверхностей, приводящие в конечном итоге к выходу из строя котельного оборудования.

В зависимости от температуры и концентрации кислорода часть образующегося SO2 может переходить в SO3. Серный газ (SO3), взаимодействуя с парами воды, может образовывать серную кислоту (H2SO4).

Таким образом, в котле при охлаждении продуктов сгорания ниже точки росы имеет место низкотемпературная кислотная коррозия, которая отрицательно влияет на состояние хвостовых поверхностей.

Цель работы: разработать способ отопления коксовальным газом, позволяющий снизить образование кислот в продуктах сгорания.

С этой целью разработан тепловой режим отопления котла, предусматривающий следующие мероприятия:

- сжигание топлива осуществлять с коэффициентом избытка воздуха меньше 1,1, это растягивает зону горения, т. е. снижается максимальная температура в ядре и температурный градиент, что способствует уменьшению концентрации атомарного кислорода и препятствует окислению SO2 до SO3;

- обеспечить минимальные присосы по топочной камере и конвективному газоходу в пределах 1,1- 1,2 путем уплотнения дымового тракта котла;

- для связывания SO2 в CaSO3 (CaSO4) вводят в топочную камеру карбонаты (CaCO3, MgCO3, FeCO3, MnCO3)или оксиды кальция и магния (СаО, МgО);

- эффект десульфурации дымовых газов главным образом зависит от температуры и концентрации вводимых карбонатов, процесс разложения которых происходит при температурах СаСО3 - 910-960 градусов Цельсия, МgCO3 - 680-1100; а при вводе оксидов кальция и магния температура должна быть 600- 1200;

- для интенсивного взаимодействия карбонатов и окислов с SO2 необходимо обеспечить турбулизацию потока путем подачи потока воздуха с реагентом в центральную часть факела, причем направление крутки факелов соседних горелок должны быть противоположны при встречном расположении горелок.

Установлено:

- вводить в топочную камеру известняк со стандартной степенью измельчения в соотношении Са/S = 2

- температурный интервал процесса 910 - 960 градусов Цельсия;

- время взаимодействия частиц с газом должно составлять около 2- 4 секунд, за этот промежуток времени реакция связывания SO2 в CaSO4 протекает наиболее полно.