сотрудник с 01.01.1972 по настоящее время
Россия
сотрудник с 01.01.2001 по настоящее время
Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова (Кафедра океанотехники и энергетических установок)
аспирант с 01.01.2017 по настоящее время
Россия
В составе мероприятий по охране воздушного бассейна при работе судовых котлов и тепловых электрических станций крайне важно учитывать и применять способы снижения выбросов оксидов азота. Подавление оксидов азота возможно с помощью технологических (первичных, режимных) мероприятий. Рециркуляция дымовых газов (РДГ) является самым распространенным способом подавления образования оксидов азота в газомазутных котлах, средством снижения температурного уровня и концентрации оксидов азота в дымовых газах. Рециркуляция продуктов сгорания вместе с экологическим действием оказывает немаловажное влияние на технико-экономические показатели котла, понижая его коэффициент полезного действия (КПД), вследствие чего применение этого метода достаточно ограничено. Рассматривается вариант организации схемы РДГ в судовых вспомогательных котлах с целью использования РДГ для снижения выбросов оксидов азота и для повышения КПД топочного устройства. Предложено совместить паровую и углекислотную конверсию топлива продуктами рециркуляции с энергетическим горением и термохимической регенерацией теплоты. Приведено термодинамическое обоснование целесообразности рециркуляции продуктов сгорания в судовом вспомогательном котле. Проиллюстрирована возможность конвертирования топлива при совместном вводе его и газов рециркуляции в восстановительную зону горения топочной камеры на основе энергетического и стехиометрического анализов процессов горения условного жидкого топлива. Рассчитаны соотношение подачи кислорода воздуха в восстановительную и окислительную зоны горения, степень рециркуляции дымовых газов, изменение КПД топки при термохимической регенерации теплоты. Результаты исследования предложено использовать при нестехиометрическом и ступенчатом сжигании топлива
судовой котел, рециркуляция дымовых газов, энергетический и стехиометрический анализ, конверсия топлива, термохимическая регенерация теплоты
Введение
Известны стандарты, ограничивающие выхлоп главных дизелей, однако эти нормативные документы не имеют силы при оценке качества продуктов сгорания в котлах, установленных на судне. В то же время выхлоп котельных установок вносит значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха, т. к. масса сжигаемого в них топлива соизмерима с потреблением главной установки [1].
Вне акватории морского или речного порта главные двигатели являются самым основным источником загрязнения воздушного бассейна, а если рассмотреть территорию порта, то здесь уже наибольший экологический вред наносит котельная установка, т. к. она является основным потребителем топлива. Например, на судах типоразмера Suеzmаx потребление топлива вспомогательными котельными установками составляет в среднем до 180 тыс. т. Мощность таких вспомогательных котельных установок – около 38,8 МВт, а производимость пара достигает 55 т/ч, что практически соответствует характеристикам главных котельных установок [1].
Наиболее токсичными неорганическими веществами, образующимися при сжигании топлива, являются оксиды азота. При обследовании действующих корабельных паровых котлов было выявлено, что содержание оксидов азота превышает нормы в 3–5 раз при бездымном горении и незначительном (0,02–0,04 %) выделении СО [2].
Наиболее экологичный режим работы судового котла рекомендуется [2] осуществлять путем регулирования коэффициента избытка воздуха a в пределах 1,15–1,25; в работе [1] предлагается увеличить значение a до 1,9.
В настоящее время на основе различных подходов обсуждаются аналитические обоснования коэффициента полезного действия (КПД) судовых энергетических установок (СЭУ), но в литературе практически не проводится оценка энергетической эффективности СЭУ на основе коэффициента полезного действия.
Можно заметить, опираясь на практику, что удельный расход топлива на СЭУ в целом наиболее часто применяется в качестве показателя энергетической эффективности СЭУ. При работе на различных режимах в течение срока эксплуатации этот показатель рационально использовать для оценки сравнительной эффективности установки. Впрочем, удельный расход топлива однозначно связан и с КПД СЭУ, и с КПД судового котла, поэтому вопросы о КПД и экологической безопасности судовых котлов остаются актуальными [3, 4].
Методы исследования
Очень важными среди мероприятий по охране воздушного бассейна как на теплоэлектростанциях (стационарная энергетика), так и в транспортной (судовой) энергетике являются меры по снижению выбросов оксидов азота (NOx). Их возможно подавить с помощью технологических (первичных, режимных) мероприятий. Самым распространенным среди таких мероприятий подавления образования оксидов азота в газомазутных котлах считается рециркуляция дымовых газов (РДГ) – элементарное средство снижения температурного уровня, а значит, и концентрации оксидов азота в дымовых газах (ДГ). Этот метод ограничен, поскольку одновременно с экологическим действием рециркуляция продуктов сгорания значительно влияет на технико-экономические показатели котла, понижая его КПД. Кроме этого, повышенный уровень РДГ может повлечь опасное возрастание концентрации бензапирена. Поэтому уменьшить концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания наиболее рационально можно с помощью снижения избытка воздуха, который подается через горелки. Он эффективно реализуется при многоярусном размещении горелок нестехиометрическим либо ступенчатым сжиганием топлива, сжиганием с умеренным контролируемым химическим недожогом, которые успешно применяются на некоторых газомазутных и пылеугольных котлах [5].
Повысить эффективность системы РДГ можно путем утилизации теплоты продуктов сгорания с организацией соответствующих термических и химических реакций (ТХР) [6], которые уменьшают содержание NOx в выхлопных газах, снижают коэффициент избытка воздуха a и увеличивают термодинамический КПД котла [5, 7].
Рассмотрим термодинамические основы применения ТХР при сжигании жидкого топлива в судовых котлах. Применение первого начала термодинамики достаточно для проведения энергетического анализа (энергетических соотношений для химических реакций) [8, 9]. В качестве условного жидкого топлива судовых котлов в первом приближении можно принять условное котельное топливо (средний состав топлива) с содержанием углерода – 87 %, водорода – 12,6 % и кислорода – 0,4 % [10].
Термохимическое уравнение реакции, которое соответствует полному сгоранию 1 моля условного топлива в стехиометрическом количестве чистого кислорода, имеет вид [8, 9]:
. (1)
При соответствующих условиях РДГ в котле способствует конверсии топлива. Окислительная конверсия условного топлива в синтез-газ (смесь СО и Н2) может быть воспроизведена тремя методами: паровой конверсией, парциальным окислением топлива кислородом и углекислотной конверсией топлива. Эффективность ТХР реализуется совмещением эндотермических и экзотермических реакций [11].
Следующее термохимическое уравнение реакции представляет процесс конверсии топлива газами рециркуляции (паровая и углекислотная конверсия) [11]:
. (2)
Уравнение сгорания конвертированного топлива:
. (3)
Энтальпия образования условного котельного топлива определяется в соответствии с уравнением
. (4)
Тепловой эффект реакции регенерации условного котельного топлива определяется
по стандартным энтальпиям образования:
. (5)
Тепловой эффект реакции сгорания регенерированного топлива:
. (6)
Энтальпия образования условного котельного топлива определяется в соответствии с уравнением
. (7)
В уравнениях (1)–(7) приняты следующие обозначения: – тепловые эффекты реакций горения исходного топлива, регенерации топлива, горения регенерированного топлива;
– стандартные энтальпии образования диоксида углерода, водяных паров, оксида углерода соответственно; k, f, n, h, u, e, t, x, y – коэффициенты, которые определяются по стехиометрическим уравнениям химических реакций;
– высшая теплотворная способность топлива;
– молярная масса условного жидкого топлива.
Величины , определяющие тепловые эффекты реакций горения, рассчитаны в соответствии с зависимостями (4)–(6). Так, величина
составила 640 кДж/моль. Тепловые эффекты реакций горения согласно уравнению Кирхгофа зависят от температуры, но из-за незначительного изменения теплового эффекта от температуры ее влиянием можно пренебречь. К примеру, по данным [8] уменьшение величины
при изменении температуры от 300 до 1 000 К составило 0,2 %. Знаки в величинах
соответствуют эндотермическим или экзотермическим реакциям.
Подвод существенного количества теплоты для процесса конверсии топлива проще всего реализовать в топке котла с помощью частичного сжигания основного топлива. Доля m от 1 кг , которая необходима для поддержания термохимической реакции конверсии, в первом приближении:
. Остальная часть топлива подвергается конверсии. Таким образом, для конвертирования 0,777 кг
необходимо сжечь в топочном объеме 0,223 кг
, при сгорании которого выделяется теплота
. При сгорании конвертированных 0,777 кг
выделится
.
Значения КПД определяются по уравнениям
(8)
, (9)
где – теплота, которая возвращается в топку рециркуляцией ДГ;
– потери теплоты с уходящими ДГ;
– КПД топки при комбинированном горении;
– КПД топки при стандартном горении.
Результаты исследования
На стехиометрических законах реакций основываются все количественные соотношения при расчете химических процессов [8, 9, 12]. Стехиометрический анализ, который был проведен в соответствии с уравнениями (1)–(3), проиллюстрировал, что одинаковое количество кислорода требуется для обычного и комбинированного сжигания 1 кг
. Однако комбинированное сжигание 1 кг
связано с повышением массы ДГ, полностью возвращающихся на основании уравнения (2) в цикл путем рециркуляции и расходующихся на реализацию конверсии котельного топлива.
Выполним проверочный расчет ТХР для условного котельного топлива с процентным содержанием: С = 87; Н = 12,6; О = 0,4 %. Процессы сгорания котельного топлива, конвертирования и сгорания конвертированного топлива химической регенерации уходящих газов углеводородным топливом описываются уравнениями (1)–(3), где x = 12H / C = 1,74; y = 12O / 16C = 0,003; n = 0,87; f = 0,53; k = 1,53; e = 1,33; t = 1,43.
Допустим, что , а
, тогда величина
, а
. В уравнениях приняты следующие обозначения:
– расчетная масса ДГ при обычном горении, кг/кг;
– расчетная масса ДГ при комбинированном горении, кг/кг;
– масса ДГ, возвращаемая в топку рециркуляцией;
– молярная масса ДГ, кг/кмоль;
– средняя удельная массовая теплоемкость ДГ, кДж/(кг·К);
– разность температур окружающей среды и выхлопных газов;
– разность температур окружающей среды и газов рециркуляции [13]. В этом случае величина КПД топочного устройства, определяемая по уравнениям (8) и (9), составит
соответственно.
Технология совмещения эндотермических реакций конверсии котельного топлива с термическим горением и термохимической регенерацией теплоты в судовом вспомогательном паровом котле представлена на схеме (рис.).
Схемное решение реализации РДГ в судовом котле:
1 – дымосос; 2 – газоход; 3 – дутьевой вентилятор; 4, 8 – топливные горелки;
5, 6 – регулирующая арматура подачи воздуха; 7 – регулирующая арматура подачи ДГ; 9 – топка
Вентилятор 3 необходим для подачи воздуха, нагретого в воздухоподогревателе, в систему топливоснабжения (горелки 4 и 8, топочная камера 9, регулирующие заслонки 5 и 6). Дымосос 1 подает продукты сгорания из газохода 2 в горелки 8 через регулирующую заслонку 7.
В топливные горелки 8 подаются газы рециркуляции и воздух, который необходим для конверсии первичного топлива. В данной зоне горения теплота газов рециркуляции и теплота сгорания части первичного топлива используются для конверсии остальной части первичного топлива. В форсунки 4 поступает воздух с коэффициентом избытка a = 1,05.
В стационарной тепловой энергетике применяются элементы представленной технологии по снижению выбросов оксидов азота. Например, на ряде энергетических котлов апробирован нестехиометрический метод сжигания топлива, который включает в себя организацию в топочной камере раздельных зон горения [14]. В восстановительной зоне протекают эндотермические реакции конверсии котельного топлива продуктами горения при недостатке кислорода, что снижает образование термических и топливных оксидов азота. Образование термических NOx в окислительной зоне ТХР нивелирует путем организации эндотермических процессов и снижения температуры экзотермических реакций. Одним из примеров метода ступенчатого сжигания является котел, горелки которого расположены фронтально. Над горелками устанавливаются форсунки для подачи свежего заряда, а под горелками ставятся устройства для введения газов рециркуляции [7].
Заключение
Котельные установки, в том числе и судовые котлы, которые сжигают органическое топливо, относятся к одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха оксидами азота. На снижение выбросов оксидов азота в настоящее время направлено и успешно внедрено значительное количество самых разных природоохранных технологий. Технологии имеют различия в стоимости их внедрения и эксплуатации, а также в эффективности.
С позиций материальных и временных затрат для российской судовой теплоэнергетики самыми интересными являются малозатратные технологии, которые позволяют снизить выбросы
в 1,5–2 раза без особого влияния на технико-экономические показатели работы оборудования.
Рециркуляция ДГ относится к элементарным средствам снижения температурного уровня, а значит, и концентрации оксидов азота в ДГ. Так как рециркуляция продуктов сгорания вместе с экологическим действием оказывает немаловажное влияние на технико-экономические показатели котла, понижая его КПД, то применение этого метода достаточно ограничено. Рассмотренный вариант организации схемы РДГ в судовых вспомогательных котлах предполагает использование РДГ как для снижения выбросов оксидов азота, так и для повышения КПД топочного устройства. Для этого предложено совместить паровую и углекислотную конверсию топлива продуктами рециркуляции с энергетическим горением и термохимической регенерацией теплоты. Представлено термодинамическое обоснование целесообразности рециркуляции продуктов сгорания в судовом вспомогательном котле. На основе энергетического и стехиометрического анализов процессов горения условного жидкого топлива приведена возможность конвертирования топлива при совместном вводе его и газов рециркуляции в восстановительную зону горения топочной камеры. Расчетом установлены соотношение подачи кислорода воздуха в восстановительную и окислительную зоны горения, степень РДГ, изменение КПД топки при термохимической регенерации теплоты. Практическое использование предлагаемого решения возможно в рамках реализации известных способов нестехиометрического и ступенчатого сжигания топлива, успешно применяемых на некоторых стационарных газомазутных и пылеугольных котлах.
1. Панамарев В. Е. Влияние коэффициента избытка воздуха вспомогательной котельной установки на состав отработанных газов // Вестн. Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2013. № 2 (21). С. 44-52. DOI:https://doi.org/10.21821/2309-5180-2013-5-2-44-52.
2. Колпаков С. П. Повышение экологической безопасности судовых паровых котлов путем уменьшения эмиссии оксидов азота // Судостроение. 2002. № 5. С. 29-30.
3. Ле Куок Тиен. Исследование методов оценки эффективности судовых энергетических установок с целью обеспечения безопасности в эксплуатации // Наука, техника и образование. 2017. № 8. С. 28-33.
4. Adamkiewicz A., Bartoszewski M., Kendra M. Analysis of consequences of using gas fuels for running auxiliary ship boilers in the light of contemporary environmental protection requirements // Management Systems in Production Engineering. 2016. Vol. 23. Iss. 3. P. 183-190. DOI:https://doi.org/10.12914/MSPE-07-03-2016.
5. Росляков П. В., Ионкин И. Л. Снижение выбросов оксидов азота на котле ТГМЕ-464 электростанции IRU (Эстония) // Теплоэнергетика. 2015. № 1. С. 45-52.
6. Попов С. К. Методика оценки эффективности применения термохимической регенерации тепловых отходов // Пром. энергетика. 2014. № 8. С. 36-40.
7. Котлер В. Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. М.: Энергия, 1987. 144 с.
8. Гамбург Ю. Д. Химическая термодинамика. М.: Лаборатория знаний, 2016. 237 с.
9. Хейвуд Р. У. Термодинамика равновесных процессов. М.: Мир, 1983. 492 с.
10. Возницкий И. В., Пунда А. С. Судовые двигатели внутреннего сгорания. М.: Моркнига, 2008. Т. 2. 470 с.
11. Арутюнов В. С., Крылов О. В. Органическая химия: окислительные превращения метана. М.: Юрайт, 2017. 371 с.
12. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. А. А. Равделя и А. М. Пономаревой. СПб.: Иван Федоров, 2003. 240 с.
13. Безгрешнов А. Н., Липов Ю. М., Шлейфер Б. М. Расчет паровых котлов в примерах и задачах. М.: Энергоатомиздат, 1991. 241 с.
14. Таймаров М. А., Кувшинов Н. Е., Ахметова Р. В., Сунгатуллин Р. Г., Чикляев Д. Е. Исследование химических процессов образования оксидов азота при сжигании газа и мазута // Вестн. Казан. технологич. ун-та. 2016. Т. 19. № 20. С. 80-83.
