Исследование условий снижения выбросов окислов азота и повышения энергоэффективности при применении впрыска влаги в зоне действия акустических колебаний

Ведение и задачи исследования. Применение интегральнокомплексных технологий для котлов типа ДЕ основывается на технологии впрыска влаги в область горения газового топлива в зоне действия акустических колебаний [1-7].

В задачу исследований, которые были проведены на котле типа ДЕ, входило:

• -    выявление эффективности воздействия впрыска влаги в область горения в зоне действия акустических колебаний;

• -    выявление максимально возможного содержания влаги без снижения КПД котла;

• -    выявление частоты накладываемых акустических колебаний на область горения на процент снижения выбросов окислов азота.

Исследование и его результаты. Для решения указанных выше задач была смонтирована опытно-промышленная установка на базе парового котла типа ДЕ 16-14 ГМ. В качестве генератора акустических колебаний использована акустическая форсунка, в основе конструкции которой был использован стержневой генератор акустических колеба ний типа Гартмана. Акустическая форсунка была установлена 54

на базу штатной форсунки в горелочном устройстве ГМ 7. Котел был оборудован всеми необходимыми приборами для проведения балансовых испытаний. На рисунке 1 показаны результаты исследований, из которых видно четкое снижение выбросов оксидов азота. Изменение КПД приведено на рисунке 2.

М ад» - f ( Д к) (исходное состояние)

М пох - - 60 * 45 Д к

НГО

М n

§

260 -

■S9.1X28S71 - 21S8S71O-X

4        6        8        10       12       14       16        18

паэотэолаэодлтег ь-оль ютга тлэс

Рисунок 1 - Снижение выбросов окислов азота в базовом режиме и режиме подавления выбросов оксидов азота (котел типа ДЕ-16-14 ГМ)

Анализ графиков (рисунок 1) показал, что при максимальной паропроизводительности в пересчете на нормальный пар в базовом режиме выброс составляет 660 мг/сек, в режиме работы интегрально -комплексного метода составляет 260 мг/сек. Тенденция изменения массового выброса оксидов азота имеет линейную характеристику и описывается линейным уравнением для базового режима:

MN0x= - 60 + 45 Дк, при работе интегрально-комплексного метода:

M nox = - 89,1429 + 21,2857 Дк.

Процент уменьшения выбросов окислов азота меняется от 80 % при 37,5 % нагрузке до 60,61 % при 100 % нагрузке котла.

В числовом выражении данные значения имеют следующие значения: при нагрузке котла 6 т/час (37,5 %) массовый выброс оксидов азота в базовом режиме составляет 200 мг/сек против 40 мг/сек при работе технологии интегрально-комплексного метода. При дальнейшем увеличении нагрузки на котле происходит рост массового выброса оксидов азота как в базовом режиме, так и в работе установки в режимах интегрально-комплексного метода. Тенденция снижения выбросов окислов азота сохраняется.

кпд%

паропроизводительностькотла

Рисунок 2 - Изменение КПД котла в зависимости от тепловой мощности:

1 - КПД котла в базовом режиме; 2 - КПД котла при работе по интегрально-комплексной технологии

Анализ графиков (рисунок 2) позволяет сделать выводы об эффективности применяемого интегрально-комплексного подхода. Кривая 1 соответствует КПД котла в базовом режиме, кривая 2 - режиму работе котла при использовании интегрально-комплексного подхода. В среднем наблюдается четкое увеличение КПД котла. Увеличение КПД носит нелинейный характер, и по мере увеличения тепловой мощности котла его КПД возрастает значительно больше при работе котла по методу интегрально-комплексного подхода по сравнению с работой котла в базовом режиме.

Для выявления максимально возможного процента снижения выбросов оксидов азота были проведены серии опытов по исследованию влияния величины водотопливного соотношения на процент снижения выбросов оксидов азота при применении акустических колебаний. Основная задача при проведении данных опытов - определить максимально возможное водотопливное соотношение, при котором КПД котла не снижается. Результаты проведенных исследований приведены на рисунке 3.

ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЦЕНТА СНИЖЕНИЯ N0х от Gв/Gг

Величина водотопливного соотношения,Gв/Gг

Рисунок 3 - Влияние величины водотопливного соотношения на величину процентного снижения выбросов

N0х, %, без снижения КПД котла

Зависимость процентного снижения выбросов оксидов азота в зависимости от величины водотопливного соотношения имеет нелинейный характер и описывается квадратичным уравнением:

N0x = 55,607 – 75,1833 X + 1134,4444 X2.

При значении водотопливного соотношения 0,1 снижение выбросов оксидов азота составляет 58 %, дальнейшее увеличение водотопливного соотношения влечет за собой увеличение процента снижения выбросов оксидов азота, и при значении водотопливного соотношения 0,19 снижение выбросов оксидов азота составляет 83 %. Данная точка является критической с точки зрения изменения КПД котла. При данном значении величины водотопливного соотношения увеличение КПД котла не происходит. Дальнейшее увеличение водотопливного соотношения приводит к снижению КПД котла.

Для выявления максимальной величины подачи влаги в зону горения в зоне действия акустических колебаний были проведены серии опытов, в которых было определено максимальное значение водяных паров, при котором увеличения КПД котла не происходит. Дальнейшее увеличение влаги приводит к снижению КПД котла и появлению химического недожога (рисунок 4).

Ge=f (Gr)

Расход топлива, м3/час

Рисунок 4 - Влияние расхода топлива на количество влаги, впрыскиваемой в газовый факел

Максимальное количество влаги, которое впрыскивалось в газовый факел, соответствовало 19 %, причем на всех тепловых режимах. Зависимость имеет вид кривой второго порядка и описывается уравнением:

Gв = 13,3133 + 0,1517 × Gгаза + 2,9095 × 10¹⁵ G²газа.

Очень важным для выявления максимизации выбросов окислов азота является уточнение частоты колебаний для воздействия на факел при применении системы впрыска влаги в область горения топлива. Частота колебаний генератора изменялась путем изменения размеров элементов (деталей) и соотношения между элементами акустического генератора (рисунок 5). Собранные акустические генераторы проверялись на холодном стенде, а далее на реально действующем котле с определением выбросов оксидов азота. Методика приведена в [3].

Зависимость %сниж. N0х=f ( f )

Рисунок 5 - Изменение характера подавления выбросов оксидов азота в зависимости от величины частоты накладываемых колебаний

Из анализа рисунка 5 следует, что наибольший эффект снижения выбросов оксидов азота достигается при воздействии на подготовку топливно-воздушной смеси и в дальнейшем при воздействии на факел сжигаемого топлива колебаний частотой 12-13 кГц.

Выводы. Проведенные исследования позволили определить следующие параметры в технологии интегрально-комплексного подхода:

• -    Процент уменьшения выбросов окислов азота меняется от 80 % при 37,5 % нагрузке до 60,61 % при 100 % нагрузке котла.

• -    В среднем наблюдается четкое увеличение КПД котла от 0,4 % при режимной нагрузке 50 % от тепловой мощности до 2,4 % при 100 % нагрузке котла. Увеличение КПД носит нелинейный характер.

• -    При значении водотопливного соотношения 0,1 снижение выбросов оксидов азота составляет 58 %, дальнейшее увеличение водотопливного соотношения влечет за собой увеличение процента снижения выбросов оксидов азота, и при значении водотопливного соотношения 0,19 процент снижения выбросов оксидов азота составляет 83 %. Данная точка является критической, так как дальнейшее увеличение водотопливного соотношения ведет к снижению КПД котла.

• -    Наибольший эффект снижения окислов азота при сжигании газового топлива наблюдается при частоте накладываемых колебаний

в диапазоне 12-13 кГц.

The article presents the results of application of integrated-complex technology which is based on moisture injection in the area of combustion in range of the acoustic oscillations. The results of the increase in the efficiency of the boiler plant and reduce emissions of nitrogen oxides are showed. Data on the effect of the oscillation frequency on the value of nitrogen oxides reducing emissions are given.