Сжигание природного газа характеризуется более быстрым протеканием реакций горения. В результате сокращается зона активного горения и растет максимальная температура. Поэтому в большинстве случаев (при других равных условиях) концентрация оксидов азота получается несколько выше, чем при сжигании мазута (приближенно NOV" = 1,3 NOVа3). Ввиду отсутствия в природном газе топливного азота, входящего в радикалы, но при наличии углеводородных соединений при сгорании газа могут образовываться только быстрые оксиды азота NO1].
При расчете термических оксидов азота следует исходить из методики, изложенной в п. 5.1.1. Расчет максимальной
‘Л
Температуры производится по (5.5), но для учета повышенной скорости реакций горения вводится поправка и расчетная температура принимается
Гм = 1,0Пм, (5.19)
Где Тм максимальная температура по (5.5), К.
Расчет быстрых оксидов азота осуществляется по формуле
NO? =0.1 +-ГЛ (Ь~SW0Y'(5.20)
‘ Н — г ) 10ОО /
Ввиду высокой реакционной способности газового топлива рециркуляция газов г не учитывается в формуле (5.5) при вводе газов через шлицы. Суммарная концентрация оксидов азота составит
N0? = N0ip + N062. (5.21)
Пример 5.1. Определить ожидаемый выход оксидов азота из котла Пп-1000-25-545 К (ТПП-312А) при сжигании донецкого ГСШ с жидким шлакоудалением и природного газа. При расчете принять следующие исходные данные:
Донецкий ГСШ Природный і ач
Теплота сгорания………………………….. =20.47 МДж/кг 37.3 МДж/м’
Температура юрячего воздуха…………………….. 384 С 370 С
Доля рециркуляции газов………………………………… — 0,1
Избыток воздуха на выходе из топки… 1,15 1,10
То же в газах рециркуляции……………………………. — 1,17
Температура газов на выходе из топки… 1190 С 1210 С
Тепловое напряжение сечения………………….. (/, -4,86 МВт м2
Периметр топочной камеры……….. //=51.9 м
Присос холодного воздуха в гонку Ахг~ 0,1
Решение. По исходным данным из табл. ГІ1 и П2 приложения находим: для твердого топлива V = 6,28 м3 /кг. Уп —5,83 м’кг; для природного газа У= 1 1,16 м»м3. F° = 9,96 м3/м3;
1. Энтальпия горячего воздуха — по (4.22):
Для твердого топлива R = 0,95 • 3030.7 = 2879 кДж/кг, при этом принят присос холодного воздуха в пылесистеме А у, [1л =0,1, тогда избыток юрячего воздуха составит агв= 1,15-0,1-0,1 =0,95;
Для природного газа Q,.B~ 1,0-4992 = 4992 кДж/м3; физическую теплоту топлива не учитываем из-за ее незначительности.
2. Расчет оксидов азота при сжигании донецкого ГСШ: ожидаемая адиабатная температура горения топлива по
(5.4а)
Q; = 20,47 • 10-Ч 2879 = 23 349 кДж/кг; = +0,2335) = 2018 С;
Теплоемкости газов и воздуха при
£, = (2018-1200)/1000 = 0,818; влажности топлива = 8%
И приведенной И7" = 8/20,47 = 0,39; тогда
Гг = (1,59 + 0,004 ■ 0,39) + 0,14 • 0,818 = 1,706 кДж/(м3 • К);
Св= 1,46 + 0,092 -0,818 = 1,535 кДжДм3 • К);
Расчетная адиабатная температура
23 349
Т = —————————————- + 273 = 2010 + 273 = 2283 К.
6,28 -1,706+ 1,016(1,1 — 1)5,83 ■ 1,535
Максимальная температура в зоне горения принимается при Per = 0,965, поскольку топка с жидким шлакоудалением, экраны топки в зоне горения на высоту 5,5 м футерованы карборундовой массой. Средняя тепловая эффективность зоны определяется по п. 4.1.9. Условный коэффициент загрязнения футерованной части экранов:
1230
^ = 0,53-0,25—————————— = 0,22:
-ф 1000
. 0.22 •■285,5 +149,6(0,2 + 0,45) ‘
V/, і ——————————————————— = 0,273;
Y 285,5 + 2-149,6
Гм = 0,965-2283 (1 -0,273)0 25 = 2030 К; температурный интервал реакции образования оксидов азота
20302•10 5 (Щ4 + 0,0203 расчетное время реакции в топке
273-0,8 0,155 • 18І(Г0Д784- 1,15 средняя температура газов в топке
Тт = 0,84 (20304 + 14634) 2 5 = 1810 К,
Тогда
|
…….. с; |
|
Т — =________ —:_ :______ — у 3 с- "■прео л І г г — 1 11) л и по, , ^ |
|
,5 |
|
Тр = ——————————— — 2,3 = 0,164 с; Р 2283 —1463 у 300 J Теоретическое время достижения равновесия Т о = 0,024 ехр (54 290/2030 — 23) = 1,01 с; |
64,9 /4,86 • 51,9°’;
Концентрация термических оксидов азота
0,21 -5.83 0,1 ■ 1,428 /л ^ ,
6,28 + 0,1-5,83
NOIя — 7030 ■ 0,0250,5 ехр (- 10860/2030) — 0,84 гум3;
Топливные и быстрые оксиды азота; содержание азота в топливе Np = l%;
, /2100 —2030°-33 ,
NOV1 = (0,40 — 0,1 • 1) 1 (1,1)2(——- ——- ) = 0,30 г/м ;
125
Суммарный выход оксидов азота при жидком шлако — удалении
N05 = 0,84 + 0,30=1,14 г/м3.
3. Расчет выхода оксидов азога при сжигании природного газа:
Ожидаемая адиабатная температура горения (без учета рециркуляции газов: Q =37,3 ■ 103 +4992 = 42 292 кДж/м3;
Агор= 1,1 -0,5 0,1 = 1,05; л, = -—(1+0,36-0,423) = 2135" С;
‘ 1,05 V теплоемкости газов и воздуха: 7135—Р00 ‘
К, = -~—— — = 0.935; £-,. = 1,57 + 0,134-0,935= 1,695 кДж/(м3-К);
‘ 1000
Св — 1,46 + 0,092-0,935= 1,546 кДжДм3 К); расчетная адиабатная температура
7; =———— —-2 292————— — +273 = 2147+273 = 2420 К.
11,16 -1,695 +1,016(1,05 — 1)9.96- 1,546
Максимальная температура в зоне горения-—по (5.5). При сжигании природного газа происходит некоторое выгорание футеровки стен. Принимается тепловая эффективность стен в зоне футерования v|/cl. = 0.3, тогда расчетная эффективность зоны горения
0,3-285,5 + 10.2 + 0,45) 149,6
Иг, , =————————— ————— = 0,313;
584,7
7м = 0,97 -2420(1 -0,3ІЗ)0,2^ (1 —0,11 f 31) = 2030 К; Гм= 1,01 -2030 = 2050 К;
Температурный интервал реакции образования оксидов азота
20502 • 10
АТр = —————- = 66,3 К; rt =0,84(20504 + 14834)0*25 = 1814 К;
Р 0,614 + 0,0205 V 7
Расчетное время реакции в топке:
Преб 0,155- 1814 0,3- 1,1 (1+0,1)
66,3 /4,86 • 51,9Vі’5
2,15 = 0,138 с;
Р 2420 —1483 у 300 J
Теоретическое время достижения равновесия
То = 0,024 ехр (54 290/2050 — 23) = 0,78 с;
Концентрация термических оксидов азота при
0,21-9.96(0,05 + 0,1 0,12)1,428 3
С0 =—————————————————— = 0,0144 кг/м ;
°2 (1 1,16 + 0,05-9,36)-1,1 ‘
0 138
NOT2P = 7030 • 0,01440,5 ехр (- 10 860/2050)-— = 0,735 т/м3;
0,78
Быстрые оксиды азота
, / 1,05 + 0.Л2 /2050- 800°-33 лііо. , NO? =0,11 — =0, 8 т/м3;
1,1 J 1000 J
Суммарный выход оксидов азота при сжигании природного газа с рециркуляцией
NOT =0,735 + 0,118 = 0,853 г/м3.
Пример 5.2. На том же котле (см. пример 5.1) сжигание донецкого ГСІІІ произвести с подачей пыли в горелки горячим воздухом, а сушильный агент в количестве гс, а = 0.2 поступает в сбросные горелки на боковых стенах топки, что обеспечивает условно ступенчатую схему сжигания топлива. Определить образование оксидов азота для этой схемы, приняв для сравнения все другие параметры одинаковыми.
Решение. Избыток воздуха в зоне горения до смешения с потоком из сбросных горелок (условно 1 ступень сжигания) составит
, 1,15-0.05-0,2 ос ГОр =- = 0,994; принять КПД циклона 0,9, тогда.
0,9
|
— 5 |
Я. = 0,9;
= 0,95 -0,994 = 0,944.
6-2065
Значение Т’а = 2283 К. Расчетная максимальная температура
Гм = 0,944-2283(1-0,273)°’25 = 1990 К.
Температурный интервал реакции
19902 • 10′ 5
ДГ =——————————————- = 62,5 с.
|
0,5 |
|
Tp = __J__( J 2,3 = 0,158 с. |
р 0,614 + 0,02
Расчетное время реакции в топке
62,5 /4,86-51,9′ 2283— 1463 у 30(Г
Теоретическое время достижения равновесия
То = 0,024 ехр (54 290/1990 -23) = 1,73 с.
Концентрация остаточного кислорода в первой зоне
0,21-5,83-0,02-1,428 Л, ,
С о =—————————————— — = 0,0055 кг/м3.
2 6,28 + 0,02-5,83
Расчетная концентрация термических оксидов азота N0^ = 7030-0,0055Ol5exp(-10860/1990)^^ = 0,203 г/м3.
Топливные и быстрые оксиды азота
/2100- 1990 °’33 NOr = (0,40-0J)(0,994)2/^T^^j =0,278 г/м3.
Суммарный выход оксидов азота NO° = 0,203 + 0,278 = 0,481 г/м3.
Выход N02 По сравнению с исходным вариантом (одноступенчатое сжигание) составляет 0,481/1,14 = 0,422, или снизился в 2,37 раза.
Пример 5.3. Сравнить ожидаемый выход оксидов азота из газомазутного котла Пп-1000-25-545ГМ (ТГМП-314А) при сжигании мазута с рециркуляцией газов 5 и 15% через шлицы под горелки и в кольцевой канал горелки. При расчете принять следующие исходные данные:
Теплота сгорания мазута……………………………………………. 39,08 МДж кг
TOC o "1-3" h z Температура горячего воздуха…………………………………….. 325 С
Избыток воздуха на выходе из топки…………………………….. 1,03
Присосы в топке……………………………………………………… 0,05
Температура газов на выходе из топки…………………………… 1180 С
Тепловое напряжение сечения……………………………………… 5,12 МВт. м2
Сечение топочной камеры…………………………………………… 17,3×8,77 м;
Периметр /7= 52,14 м
Тепловое напряжение топочного объема…………………………. 194 кВт./’м3
Решение. 1. По исходным данным из приложения, находим = 10,98 м3 кт, = 10,28 м3/кг; теплота горячего воздуха Qr В = (1,03 — 0.05) • 4502 =4411.8 кДж/кг; Q= 39,08 ■ 103 + 4411,8 = = 43491,8 кДж/кг; а, ор = 1,03 — 0,5 ■ 0,05 = 1,005;
= (1 + 0,36 • 0.435) = 2244 С: к(= (2244 — 1200)/1000 =
— 1,044;’ с, = 1,58 4-0,122 • 1.044 = 1,707 кДж’їм3 ■ К); св = 1,46 + 1,044 • 0,092 = 1,556 кДж/(м3 ■ К і. 2. Расчетная адиабатная температура
43 492
Г =
10,98 ■ 1.707+1,016(1,005- Г) 10,28 ■ 1.556 + 273 = 2221+273=2494 К.
3. Тепловая эффективность стен зоны горения (на 1,5 м выше верхнего яруса горелок)
357.2-0.55+151,7(0,1+0.55)
У, г =———————————— v——— -0.447.
Y 357,2 + 2-151.7
4. Максимальная температура горения: при рециркуляции 5% через шлицы
Ты1 =0,98-2494(1 -0,447)0,25(І -0,05і 46-5 О О5) = 2070 К;
При рециркуляции 15%
Тм2 = 2110(1 -0,15′ + 6’5 15) =—2060 К;
Разность Гм1 — Гм2 = 10 К;
|
О/ /о |
При вводе 5% рециркуляции газов в горелку Гм3 = 2110(1 -0.05′ + 3 0 °5) = 2043 К;
При рециркуляции 15
Гм4 = 2110(1 — 0,15і+ 3 0 !5)— 1975 К.
Разность Гм3 — Гм4 = 68 К.
Как видно, ввод газов рециркуляции непосредственно в горелки более заметно снижает расчетную максимальную температуру факела и более заметно проявляется влияние степени рециркуляции на изменение оксидов азота. 5. Температурный интервал реакции
Л „ 20702 — 10 5
0.614 + 0,020
В остальных случаях: АГР,=66,8 С; АГр3 = 63,2"С; АГР+ = 61,5 С.
6. Средняя температура газов в топке:
Тг1 =0.84(20704+ 14534)°"25 = 1836 К; = 1825 К: Г, , = 1800 К;
Т 4 = 1769 К.
7. Расчетное время реакции в топке тр:
273 • 0.8
ХПпрй і =—————————————— = 1,89 с; тПГ1Сг, -> = 1,87 с;
Преб1 0,194-1836-0,3 ■ 1,05 -1,05 npt ~
Т^пребз= 1,83 с; тиреб4 = 1,79 с;
Р 2494-1453 у 300 ) Тр2 — 0,118 с; тр3=0,125с; тр4 = 0,133 с.
8. Теоретическое время достижения равновесия:
Тої = 0,024ехр(54290/2070 — 23) = 0,605 с: тО2 = 0,69 с: Тоз = 0,86 с: т04 = 2,13 с.
9. Концентрация избыточного кислорода в зоне горения по (5.11):
(Со2)і.2 =0,0061 кг./м3; (Со2)зч = 0,0058 кг/м
10. Концентрация термических оксидов азота
(N07)i = 7030 • 0,00610’5 ехр (- 10 860/2070)°—5 = 0,55 І хг:
(NO7)2=0,478 г/м3; (N07)3 = 0,382 г/м3; (N07)4 = 0,137 г/м3.
11. Топливные, и быстрые оксиды азота. Содержание азота в топливе Np = (),3%;
/ ~ , /Л _________________ ^ 1,005 + 0,052 /2100 —2070°-33 _ ,
(N07)i = (0,40 —0,03) 0,3 ( ——— j (—— 125— I =0,07г/м3;
(N07)2 = 0,08 г/м3; (N07)3 = 0,088 г/м3; (Ж>гл)4 = 0,112 г/м3.
12. Суммарный выход оксидов азота:
(N02)I = 0,55+0,07 = 0,62 г/м3; (NO^)2 =0,478 + 0,08 = 0,558 г/м3;
(N0^=0,382 + 0,088 = 0,47 г/м3; (N0^ = 0,137 + 0,112 = 0,249 г/м3. В результате: снижение выхода N02 с увеличением рециркуляции от 5 до 15% при вводе газов через шлицы происходит в 0,62/0,558 = 1,11 раза, т. е. всего на 11,0%, а в случае ввода в горелки —в 0,47/0,249=1,887 раза.
Пример 5.4. Сравнить ожидаемый выход оксидов азота из прямоточного котла Пп-1000-25-545ГМ (ТГМП-314) и барабанного котла Е-160-9,8-560 ГМ (БКЗ-160-100 ГМ) при сжигании мазута с рециркуляцией газов 5% через шлицы под горелками. Принять исходные данные топлива, избытки воздуха на обоих котлах одинаковыми и соответствующими условиям примера 5.3. Дополнительные данные по барабанному котлу Е-160- 9,8-560 ГМ (БКЗ-160-100 ГМ) (D = 160 т/ч): 100
Температура газов на выходе из топки…………………………………… 1150 С
Сечение топочной камеры……………………………………………………. 7,1х 4,4 м;
Периметр /7=23 м
Тепловое напряжение сечения………………………………………………… 3,36 МВт/м2
Тепловое напряжение топочного объема…………………………………. 250 кВт/м3
Решение. На основании исходных данных:
Адиабатная температура……………………………………………………… Т’.л = 2494 К
Максимальная температура горения……………………………………… ГМ = 2070 К
Температурный интервал реакции………………………………………….. Д71р = 67,5 С
Средняя температура газов в гопке:
Прямоточного котла……………………………………………………….. 1836 К
Барабанног о котла………………………………………………… …….. 1829 К
Расчетное время пребывания тпре6:
Прямоточный когел……………………………………………………….. 1,89 с
Барабанный котел…………………………………………………………. 1,47 с
Расчетное время реакции в топке тр:
Прямоточный котел………………………………………………………… 0,115 с
67,5 /3,36 ■ 23’5
Барабанный котел——————————- 1,47 = 0,047 с
2494-1423 300 /
Теоретическое" время достижения равновесия………………………… т0 = 0,605 с
Концентрация избыточного кислорода…………………………………….. Со2 = 0,0061 кг/м3
Концентрация термических оксидов азота:
Прямоточный котел………………………………………………………… NC>2P =
0,115
= 2,893——————————————————————————————— =
0,605 = 0,55 г/м3
Барабанный котел………………………………………………………….. NC>2P=-
= 0,225 г’/м3
Концентрация топливных оксидов азота…………………………………. НС>2Л = 0,07 г/м3
Суммарный выход оксидов азота:
Прямоточный котел………………………………………………………… NO2 = 0,62 г/м3
Барабанный котел………………………………………………………….. NO° = 0,295 г/м3
На котле БКЗ-160 значительно меньшей производительности, чем ТГМП-314, в равных условиях организации сжигания топлива выход N02 снижается примерно в 2 раза, главным образом за счет сокращения времени реакции образования N02 в силу более интенсивного охлаждения газов, так как на БКЗ-160 отношение периметра топки 77, м, к сечению топочной камеры j—aTbТ в 2,14 раза больше, чем на ТГМП-314.
Задана 5.1. Для когла Е-160-9,8-560-ГМ (БКЗ-160-100 ГМ) при сжигании мазута определить выход оксидов азота при замене вихревых на прямоточные горелки с тангенциальным направлением горелочных струй в сечении топки. Принять избытки воздуха в топке и присосы, температуру горячего воздуха по условиям примера 5.3 и расчетные данные топки котла из примера 5.4. Расчет произвести без учета рециркуляции газов в топку, скорость воздуха на выходе из горелок 45 м/с.
Задана 5.2. Для котла ІІИ-1000-25-545-ГМ (ТГМП-314 А) в соответствии с условиями примера 5.3 определить выход N02 при сжигании природного газа с Qt= 36.3 МДжм и вводе газов рециркуляции в горячий воздух в количестве 5%. Тепловую эффективность стен зоны горения принять по мазуту. Избыток — воздуха на выходе из топки принять ot,= 1,05, температура газов ни выходе из гонки 1230 С. остальные данные по коглу принимаются без изменений.
Задача 5.3. Для котла Пп-1000-25-545 К (ТПП-312 А) (пример 5.1) определить концентрацию оксидов азота, при сжигании донецкого ГСШ, но с твердым шлакоудалением. Принять те же исходные данные, кроме xjr, г = 0,45 и :>, ; 0 С.