Проектирование и строительство нормативно-методические документы arrow Объекты энергетического комплекса arrow СО 153-34.02.304-2003  
16.11.2018
    
СО 153-34.02.304-2003

Министерство энергетики Российской Федерации

 

Российское акционерное общество энергетики и электрификации «ЕЭС России»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ ВЫБРОСОВ
ОКСИДОВ АЗОТА
С ДЫМОВЫМИ ГАЗАМИ

КОТЛОВ ТЕПЛОВЫХ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

СО 153-34.02.304-2003

ОАО «ВТИ»
Москва 2005

Разработан Открытым акционерным обществом "Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт" (ОАО «ВТИ»); Государственным образовательным учреждением высшего профессионального образования "Московский энергетический институт (технический университет)" [ГОУВПО МЭИ (ТУ)]

Исполнители Котлер В.Р., Енякин Ю.П., Усман Ю.М., Верещетин В.А. (ОАО «ВТИ»), Росляков П.В., Егорова Л.Е., Ионкин И.Л. [ГОУПВПО МЭИ (ТУ)]

Утвержден Министерством энергетики Российской Федерации, приказ Минэнерго России № 286 от 30.06.2003

Министр энергетики                                                                                            И.Х. Юсуфов

Ключевые слова: энергетика, тепловые электростанции, котлы паровые, котлы водогрейные, выбросы оксидов азота, проектирование, реконструкция.

СТАНДАРТ ОРГАНИЗАЦИИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА С ДЫМОВЫМИ ГАЗАМИ КОТЛОВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

СО 153-34.02.304-2003

Взамен РД 34.02.304-95

Дата введения 2003-07-01

Настоящие Методические указания могут использоваться для расчета выбросов оксидов азота при проектировании новых и реконструкции действующих котлов паропроизводительностью от 75 т/ч и водогрейных котлов мощностью от 58 МВт (50 Гкал/ч) и выше, сжигающих твердое, жидкое и газообразное топливо в факельных горелочных устройствах. Настоящие Методические указания могут также применяться в научно-исследовательских целях.

Настоящие Методические указания предназначены для организаций, эксплуатирующих тепловые электростанции и котельные, а также проектных организаций.

1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сжигание топлива на тепловых электростанциях и в котельных приводит к выбросу в атмосферу продуктов сгорания органического топлива, содержащих токсичные оксиды азота NОх (главным образом монooксид NO и в меньшей степени диоксид NO2).

Количество образующихся оксидов азота зависит от характеристик топлива, режимных и конструктивных параметров топочной камеры. Поэтому на стадии проектирования или реконструкции котлов необходимо провести расчет ожидаемых выбросов оксидов азота и предусмотреть меры по снижению их до величин, не превышающих нормативы удельных выбросов NO, в атмосферу, приведенных в ГОСТ Р 50831-95 "Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования".

В уходящих газах паровых и водогрейных котлов моносксид азота NO составляет 95-99 % общего выброса NОх, в то время как содержание более токсичного диоксида азота NO2 не превышает 1-5 %. После выброса дымовых газов в атмосферу под воздействием природных факторов большая часть NO конвертирует в NO2. Поэтому расчет массовых концентраций и выбросов оксидов азота NОх ведется в пересчете на NO2.

В связи с установленными раздельными ПДК в атмосферном воздухе на монооксид NO и диоксид азота NO2 и с учетом трансформации оксидов азота в атмосфере при расчете загазованности и нормировании выбросов ТЭС суммарные массовые выбросы оксидов азота разделяются на составляющие (с учетом различия в молярной массе этих веществ):

                                                                                                       (1.1)

                                                                  (1.2)

где  и  - молярные массы NO и NO2, равные 30 и 46 соответственно; 0,8 - коэффициент трансформации оксида азота в диоксид. Численное значение коэффициента трансформации может устанавливаться по методике Госкомэкологии России на основании данных фактических измерений местных органов Росгидромета, но не более 0,8.

Источниками оксидов азота является молекулярный азот воздуха, используемого в качестве окислителя при горении, и азотсодержащие компоненты топлива. В связи с этим принято делить оксиды азота на воздушные и топливные. Воздушные, в свою очередь, можно разделить на термические, образующиеся при высоких температурах за счет окисления молекулярного азота воздуха, и так называемые «быстрые» оксиды азота, образующиеся во фронте факела при сравнительно низких температурах в результате реакции углеводородных радикалов с молекулой азота.

2 ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЫБРОСОВ

Для количественной характеристики газообразных выбросов котлов используют объемные и массовые концентрации вредных веществ, а также их удельные или валовые (массовые) выбросы.

2.1 Объемные концентрации СV представляют собой отношение объема, занимаемого данным газообразным веществом, к объему всей газовой пробы. Объемные концентрации СV могут измеряться в % об или ppm. Единица измерения 1 ppm (part per million) представляет собой одну миллионную часть объема:

1 ppm = 10-6 = 10-4 % об = 1 см33.                                                                          (2.1)

Важным преимуществом измерения содержания газовых компонентов в объемных концентрациях является то, что объемные концентрации не зависят от давления и температуры среды и, следовательно, расчетные или опытные результаты газового анализа, выраженные в % об или ppm, не требуют приведения к каким-либо заданным условиям по температуре и давлению.

2.2 Массовые концентрации Сm характеризуют количество (массу) данного вещества в одном кубическом метре продуктов сгорания. С их помощью оценивается содержание в продуктах сгорания как твердых, так и газообразных компонентов. Массовые концентрации измеряются в г/м3 или мг/м3.

В отличие от объемной массовая концентрация зависит от давления и температуры среды, поэтому ее приводят в пересчете на нормальные условия (0 °С, р0 = 760 мм рт. ст. = 101,3 кПа), для чего используется следующее выражение:

                                                                                            (2.2)

где  - массовая концентрация, полученная опытным путем при температуре  и давлении  газовой пробы.

2.3 Связь между объемными (ppm) и массовыми (г/м3) концентрациями устанавливается следующим соотношением:

                                                                                                               (2.3)

где ki - коэффициент пересчета, равный

                                                                                    (2.4)

 - молярная масса i-го вещества, г;

 - его молярный объем, л (в качестве первого приближения за  может быть принят объем идеального газа, равный 22,41 л);

 - температура и рг - давление газовой пробы перед газоанализатором (последнее приравнивается к фактическому атмосферному давлению). Значения коэффициента пересчета ki приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Значения коэффициента пересчета для реальных газов при нормальных условиях (0 °С; 101,3 кПа)

Вещества

Молярная масса Mi, г

Молярный объем , л

Коэффициент пересчета ki

NO

30,0061

22,39

1,34·10-3

NO2

46,0055

22,442

2,05·10-3

2.4 Для корректного сопоставления опытных и расчетных данных полученные массовые или объемные концентрации пересчитываются на стандартные условия 1), в качестве которых приняты следующие: αуx = 1,4 в сухих дымовых газах при нормальных условиях [0 °С и 101,3 кПа (760 мм рт. ст.)].

_____________

1) ГОСТ Р 50831-95 "Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования".

В зависимости от применяемых методов измерения и расчетных методик определение содержания газовых компонентов производится во влажных или сухих продуктах сгорания. При этом под сухими продуктами сгорания (сухие газы) подразумеваются дымовые газы, в которых произошла конденсация образовавшихся в процессе горения топлива водяных паров из-за их остывания до температур ниже температуры насыщения. Поэтому для пересчета расчетных и опытных концентраций на стандартные условия используются разные формулы:

при пересчете концентраций С, полученных для сухих газов, на стандартные условия (Сст.у) для сухих газов:

                                                                                      (2.5)

                                                                (2.6)

при пересчете концентраций, полученных для влажных газов, на стандартные условия для сухих газов:

                                                                            (2.7)

                                                     (2.8)

где α - расчетный или опытный коэффициент избытка воздуха в сечении отбора газовой пробы; ,  - теоретические объемы соответственно воздуха и влажных газов;  - теоретический объем сухих газов.

2.5 Значения , ,  принимаются по справочным данным или рассчитываются по химическому составу сжигаемого топлива:

для твердого и жидкого топлива3кг)

                                                 (2.9)

                                                                    (2.10)

                (2.11)

где , , , ,  - соответственно содержание углерода, серы (органической и колчеданной), водорода, кислорода и азота в рабочей массе топлива, % по массе; Wr - влажность рабочей массы топлива, % по массе;

для газообразного топлива33)

                                   (2.12)

                                      (2.13)

                              (2.14)

где СО, СO2, Н2, H2S, CmHn, N2, O2 - соответственно содержание оксида углерода, диоксида углерода, водорода, сероводорода, углеводородов, азота и кислорода в исходном топливе, % по объему; m и n - число атомов углерода и водорода, соответственно; dг.тл - влагосодержание газообразного топлива, г/м3.

Химический состав топлива принимается по паспортным данным или из справочной литературы.

2.6 Мощность выброса М (г/с) - это количество вредного вещества, выбрасываемого в атмосферу с уходящими газами в единицу времени (за 1 с). Мощность выброса вредного вещества за определенный период времени (месяц, квартал, год) называется валовым выбросом (например, т/год).

2.7 Удельный массовый выброс т (г/кг или г/м3) представляет собой количество вредного вещества в граммах, образовавшегося при сжигании 1 кг (или м3) топлива

                                                                                                           (2.15)

Часто этот показатель пересчитывают на единицу массы условного топлива (г/кг усл. топл. или кг/т усл. топл.) и тогда он рассчитывается как:

                                                                                          (2.16)

где  - теплота сгорания условного топлива, равная 29,31 МДж/кг (7000 ккал/кг);

 - низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг (МДж/м3).

2.8 Удельный выброс (по теплу) К (г/МДж) - количество вредного вещества в граммах, отнесенного к 1 МДж освобожденной в топке котла химической энергии топлива:

                                                                                                               (2.17)

где Вр - расчетный расход топлива (кг/с).

2.9 Для пересчета указанных параметров используются следующие соотношения:

                                                                                                    (2.18)

                                                                                                         (2.19)

                                                                                                                            (2.20)

                                                                                                                          (2.21)

                                                                                                                                  (2.22)

где  - массовая концентрация NO2 при нормальных условиях (0 °С, 760 мм рт. ст.), г/м3;

Vг - объем дымовых газов, м3/кг (м33), определяемый следующим образом:

- если концентрация  определена во влажных газах,

                                                                                       (2.23)

- если концентрация  определена в сухих продуктах сгорания,

                                                                                                   (2.24)

                                                                                                            (2.26)

где α - коэффициент избытка воздуха для условий, при которых производилось определение концентрации .

Удельные выбросы вредных веществ являются основными параметрами, которые контролируют с целью проверки соблюдения утвержденных нормативов выбросов и оценки результатов внедрения природоохранных мероприятий.

3 РАСЧЕТ УДЕЛЬНЫХ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА ДЛЯ ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ КОТЛОВ

3.1 Исходные данные, необходимые для расчета удельных выбросов:

Ar, Wr и Nr - зольность, влажность и содержание азота в топливе, % на рабочую массу.

 - теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Тип горелок - вихревые, прямоточные, с подачей пыли высокой концентрации.

Vdaf - выход летучих на горючую массу, %.

αГ - коэффициент избытка воздуха в горелках.

α1 - доля первичного воздуха по отношению к теоретически необходимому.

R - степень рециркуляции дымовых газов через горелки, %.

w2/w1 - отношение скорости вторичного воздуха на выходе из внутреннего канала (ближайшего к первичному) к скорости первичного воздуха.

Δα3 - третичный воздух, подаваемый в топку помимо горелок.

Δαсбp - сбросной воздух (сушильный агент) при транспорте пыли к горелкам горячим воздухом.

Т"ЗАГ - температура на выходе из зоны активного горения, К.

Вр - расчетный расход топлива, кг/ч.

3.2 Удельные выбросы оксидов азота (в пересчете на NO2)

   (г/МДж) складываются из топливных  и воздушных  оксидов азота:

                                                                                                     (3.1)

3.3 Топливные оксиды азота подсчитывают по формуле:

                                                                    (3.2)

где  - безразмерный коэффициент, учитывающий характеристики топлива

                                                                                                                        (3.3)

Здесь FR - топливный коэффициент, равный отношению связанного углерода к выходу летучих на рабочую массу: где Ссв = 100 - Wr - Аr - Vr; а Nd - содержание азота в сухой массе топлива, %.

Значения других коэффициентов из формулы (3.2) приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 - Значения коэффициентов

Фактор, который учитывается коэффициентом

Зависимость

Диапазон пригодности зависимости

Влияние коэффициента избытка воздуха в вихревой горелке

(0,35·αГ + 0,4)2

0,9 ≤ αГ ≤ 1,3

Влияние коэффициента избытка воздуха в прямоточной горелке

(0,53·αГ + 0,12)2

0,9 ≤ αГ ≤ 1,3

Влияние доли первичного воздуха в горелке

1,73·α1 + 0,48

0,15 ≤ α1 ≤ 0,55

Влияние рециркуляции дымовых газов в первичный воздух (без учета снижения температуры в зоне активного горения)

(0 ≤ R 30) %

Влияние максимальной температуры на участке образования топливных оксидов азота

1250 К ≤  ≤ 2050 К

Влияние смесеобразования в корне факела вихревых горелок

0,4-(w2/w1)2+0,32

1,0 ≤ w2/w1 1,6

Влияние смесеобразования в корне факела прямоточных горелок

0,98·w2/w1 - 0,47

1,4 ≤ w2/w1 4,0

3.4 При подаче в горелки пыли высокой концентрации значение , подсчитанное по формуле (3.2), умножают на коэффициент 0,8. При этом долю первичного воздуха α1 и отношение w2/w1 принимают равными тем значениям, которые были бы выбраны при обычной подаче пыли к горелкам первичным воздухом.

3.5 Воздушные оксиды азота образуются в зоне максимальных температур, то есть там, где поля концентраций, скоростей и температур отдельных горелок уже выровнялись. Следовательно,  определяется в основном не особенностями горелок, а интегральными параметрами топочного процесса.

Для подсчета  используют зависимость, учитывающую известное уравнение Зельдовича:

                                                                               (3.4)

где  - коэффициент избытка воздуха в зоне активного горения, условно принимаемый как сумма организованно подаваемого воздуха через горелки и присосов через нижнюю часть топочной камеры, т.е.

                                                                                                                             (3.5)

 - температура на выходе из зоны активного горения, К.

Уравнение (3.4) справедливо в диапазоне коэффициентов избытка воздуха 1,05 ≤  ≤ 1,4 и до температуры  = 2050 K. При  < 1800 K значением  можно пренебречь.

Температуру на выходе из зоны активного горения  рассчитывают в соответствии с тепловым расчетом котельных агрегатов.

Для случая, когда рециркуляция дымовых газов через горелки отсутствует, температура на выходе из зоны активного горения  °С, рассчитывается так:

                              (3.6)

где  - теплосодержание воздуха, поступающего через горелки, МДж/кг;

 - средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива, МДж/(кг·°С);

 - степень выгорания топлива в зоне активного горения;

iтл - энтальпия топлива, МДж/кг;

ψF - произведение коэффициента эффективности на суммарную поверхность, ограничивающую зону активного горения, м2;

εт - степень черноты топки в зоне максимального тепловыделения.

Приведенное уравнение решается методом последовательных приближений, т.к. в его правую часть входит . Если расчетное значение  по формуле (3.6) будет более чем на 50 °С отличаться от предварительно выбранной величины , то необходимо сделать второе приближение.

При наличии рециркуляции дымовых газов расчет  следует выполнять в соответствии с проектированием топок с твердым шлакоудалением.

Определение концентраций и массовых выбросов оксидов азота производится по формулам, приведенным в разделе 2 настоящих Методических указаний.

Примеры расчетов выбросов оксидов азота в котлах разных типов при сжигании различных видов твердого топлива приведены в приложении 1 к настоящим Методическим указаниям. Для некоторых котлов показано влияние подсветки факела газом или мазутом (см. раздел 5 настоящих Методических указаний).

4 РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКСИДОВ АЗОТА ПРИ СЖИГАНИИ ГАЗА И МАЗУТА

Настоящие Методические указания позволяют рассчитывать концентрации оксидов азота при различных способах сжигания газа и мазута в котлах в следующих диапазонах изменения основных режимных параметров:

нагрузка котла, D/Dном

0,5-1,0;

коэффициент избытка воздуха в зоне активного горения (ЗАГ) αЗАГ

0,7-1,4;

доля газов рециркуляции, подаваемых в ЗАГ, R

0-0,35;

доля влаги, вносимой в ЗАГ, g

0-0,35;

доля воздуха, вводимого во вторую ступень горения при ступенчатом сжигании, δ

0-0,33.

Пример расчета концентрации оксидов азота в дымовых газах котла ТГМП-204ХЛ при сжигании природного газа приведен в приложении 2 к настоящим Методическим указаниям.

4.1 Исходные данные, необходимые для расчета:

а) конструктивные параметры

аТ

- ширина топки (в свету), м; при наличии двусветного экрана принимается ширина одной ячейки;

bT

- глубина топки (в свету), м;

hяр

- расстояние между осями соседних (по высоте) горелок, м; при неравенстве расстояний между ярусами (при Zяр ≥ 3) определяются расстояния между первым и вторым ярусами горелок h1,2, вторым и третьим h2,3 и т.д.;

hδ

- расстояние между осью верхнего яруса и осью сопел вторичного дутья (в случае двухступенчатого сжигания топлива);

тип горелок

- унифицированные и оптимизированные;

- двухпоточные стадийного сжигания;

- многопоточные стадийного сжигания;

- многопоточные стадийного сжигания с подачей части топлива в инертные газы;

Dа

- диаметр амбразуры горелок, м;

nГ

- количество горелок;

dэ

- диаметр экранных труб поверхностей нагрева в топке, мм;

s

- шаг экранных труб, мм;

Zэ

- число двусветных экранов.

б) характеристики топлива

- теплотворная способность топлива, МДж/кг (МДж/м3);

- содержание азота в топливе на рабочую массу %;

- теоретическое количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива при α = 1,0, м3/кг (м33);

- объем продуктов сгорания, образовавшихся при стехиометрическом (α = 1,0) сжигании топлива, м3/кг (м33);

- объем трехатомных газов, полученных при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, м3/кг(м33);

- теоретический объем азота, полученный при полном сгорании топлива с теоретически необходимым количеством воздуха, м3/кг (м33);

в) режимные параметры

Bp

- расчетный расход топлива, кг/с (м3/с); при наличии двусветного экрана Bp принимается на одну ячейку;

tтл

- температура топлива (при сжигании мазута), °С;

gф

- удельный расход форсуночного пара, идущего на распыл мазута, кг пара / кг мазута;

tф

- температура пара, поступающего в форсунку на распыл мазута, °С;

pф

- давление пара, поступающего в форсунку на распыл мазута, МПа;

'>

Документ сокращен, так как он очень большой. Для просмотра полной версии этого документа пройдите по ссылке Бесплатный заказ нужного документа

 
< Пред.   След. >
Полезное: