СО 153-34.02.304-2003 Методические указания по расчету выбросов оксидов азота с дымовыми газами котлов тепловых электростанций

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

.                                 (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 М ассовые концентрации 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/мили мг/м.

В отличие от объемной массовая концентрация зависит от давления и температуры среды, поэтому ее приводят в пересчете на нормальные условия (0 °С, 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/м ) концентрациями устанавливается следующим соотношением:

,                                                             (2.3)

где - коэффициент пересчета, равный

;                                            (2.4)

 - молярная масса -го вещества, г; - его молярный объем, л (в качестве первого приближения за может быть принят объем идеального газа, равный 22,41 л); - температура и - давление газовой пробы перед газоанализатором (последнее приравнивается к фактическому атмосферному давлению). Значения коэффициента пересчета приведены в таблице 2.1.

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

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

________________

* 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 , полученных для сухих газов, на стандартные условия ( ) 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 - 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 топлива (м/кг)

;                   (2.9)

;                             (2.10)

     
               (2.11)

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

для газообразного топлива (м/м)

;     (2.12)

;      (2.13)

,    (2.14)

где , , , , , , - соответственно содержание оксида углерода, диоксида углерода, водорода, сероводорода, углеводородов, азота и кислорода в исходном топливе, % по объему; и - число атомов углерода и водорода, соответственно; - влагосодержание газообразного топлива, г/м.

Химический состав топлива принимается по паспортным данным или из справочной литера

туры.

2.6 Мощность выброса (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 (г/кг или г/м ) представляет собой количество вредного вещества в граммах, образовавшегося при сжигании 1 кг (или м) 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/м).

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

,                                                          (2.17)

где - 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 при нормальных условиях (0 °С, 760 мм рт.ст.), г/м; - объем дымовых газов, м/кг (м/м), определяемый следующим образом:

- если концентрация определена во влажных газах,

;                                     (2.23)

- если концентрация определена в сухих продуктах сгорания,

;                                          (2.24)

,                                                (2.26)

где - 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.

3.1 Исходные данные , необходимые для расчета удельных выбросов:

3.2 Удельные выбросы оксидов азота (в пересчете на ) (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 - топливный коэффициент, равный отношению связанного углерода к выходу летучих на рабочую массу: , где ; a - содержание азота в сухой массе топлива, %.

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

Таблица 3.1 - Значения коэффициентов

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 и отношение 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 1,051,4 и до температуры 2050 К. При 1800 К 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; - энтальпия топлива, МДж/кг; - произведение коэффициента эффективности на суммарную поверхность, ограничивающую зону активного горения, м; - 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).

4.1 Исходные данные, необходимые для расчета:

4.2 Массовая концентрация оксидов азота (в пересчете на ) во влажных продуктах сгорания при коэффициенте избытка воздуха в зоне активного горения (г/м) для нормальных условий (0 °С, 101,3 кПа или 760 мм рт.ст.) определяется по формулам:

при сжигании газа:

       (4.1)

при сжигании мазута:

         (4.2)

где - среднеинтегральная температура продуктов сгорания в зоне активного горения, К; - отраженный тепловой поток в зоне активного горения, МВт/м; - коэффициент избытка воздуха в зоне активного горения; - время пребывания продуктов сгорания в зоне активного горения, с; - коэффициент, учитывающий конструкцию горелочного устройства, определяемый по таблице 4.1; - член, учитывающий количество топливных оксидов азота при превышении содержания азота в составе мазута 0,3%, рассчитываемый как:

,                                         (4.3)

где - объем продуктов сгорания в ЗАГ, определяемый согласно пп.4.19, 4.20 данной методики.

Таблица 4.1 - Значения коэффициента в зависимости от конструкции горелочного устройства

4.3 Среднеинтегральная температура продуктов сгорания в зоне активного горения (ЗАГ):

,                                        (4.4)

где - адиабатная температура горения топлива, К; - средний коэффициент тепловой эффективности поверхностей нагрева, ограничивающих ЗАГ.

4.4 Адиабатная температура горения ( ) рассчитывается методом последовательных приближений:

            (4.5)

где - степень выгорания топлива в ЗАГ, определяемая по таблице 4.2 в зависимости от вида сжигаемого топлива; - теплота сгорания топлива, МДж/кг (МДж/м); - коэффициент, зависящий от способа ввода газов рециркуляции, определяемый по таблице 4.3; и - соответственно теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания, м/кг (м/м); - коэффициент избытка воздуха в месте отбора газов из конвективного газохода на рециркуляцию.

Таблица 4.2 - Зависимость степени выгорания топлива от коэффициента избытка воздуха в ЗАГ

Таблица 4.3 - Значения коэффициента в зависимости от способа ввода газов рециркуляции в ЗАГ

4.5 Теплота, вносимая в зону активного горения с топливом (учитывается при сжигании мазута, при сжигании газа принимается 0), МДж/кг:

.                                                              (4.6)

Теплоемкость мазута, МДж/(кг·°С)

 ,                                          (4.7)

где - температура мазута, °С.

4.6 Тепло, вносимое в зону активного горения паровым дутьем через форсунку (при сжигании жидкого топлива), МДж/кг:

,                                                        (4.8)

где - удельный расход пара через форсунку на 1 кг мазута, кг/кг; - энтальпия пара, подаваемого на распыл, МДж/кг.

Параметры пара, поступающего на распыл мазута, обычно составляют 0,3-0,6 МПа, 280-350 °С, при номинальной нагрузке равен 0,030,05 кг/кг мазута.

4.7 Теплота, вносимая в зону активного горения с воздухом, МДж/кг (МДж/м):

,                                   (4.9)

где - избыток воздуха в горелке при наличии присосов воздуха в топку; и - энтальпии теоретически необходимого количества воздуха при температуре горячего и холодного воздуха, МДж/кг (МДж/м).

4.8 Теплота, вносимая в зону активного горения с газами рециркуляции, МДж/кг (МДж/м)

.                                       (4.10)

Здесь - коэффициент, зависящий от способа ввода газов рециркуляции, определяемый по таблице 4.3; - доля рециркуляции дымовых газов; - энтальпия газов рециркуляции, подаваемых в ЗАГ, МДж/кг (МДж/м), вычисляемая как:

,                                    (4.11)

где - коэффициент избытка воздуха в месте отбора газов из конвективного газохода на рециркуляцию (обычно ); и - соответственно энтальпии газов рециркуляции и теоретически необходимого количества воздуха при температуре газов рециркуляции (МДж/м), рассчитываемые в соответствии с тепловым расчетом котельных агрегатов.

4.9 Теплота, вносимая в зону активного горения при подаче воды или пара, МДж/кг (МДж/м),

,                                     (4.12)

где - водотопливное отношение, определяемое в зависимости от вида сжигаемого топлива:

                         (4.13)

, , - соответственно расход влаги, мазута и газа, кг/с; - плотность сухого природного газа при 0 °С и 101,3 кПа (760 мм рт.ст.); - энтальпия влаги (воды или пара), поступающей в зону активного горения, МДж/кг (МДж/м); - теплота парообразования (при подаче воды в зону активного горения 2,512 МДж/кг; при подаче пара

0).

4.10 Избыток воздуха в зоне активного горения :

.                                             (4.14)

4.11 Средняя теплоемкость продуктов сгорания , МДж/(м·°С):

при сжигании природного газа

;                                    (4.15)

при сжигании мазута

,                                 (4.16)

где - температурный коэффициент изменения теплоемкости; - ожидаемая адиабатная температура, °С.

4.12 Теплоемкость воздуха при высоких температурах, МДж/(м·°С)

,                                         (4.17)

где - температурный коэффициент изменения теплоемкости.

4.13 Теплоемкость водяных паров , МДж/(м·°С)

                            (4.18)

4.14 Средний коэффициент тепловой эффективности поверхностей нагрева, ограничивающих ЗАГ , :

,                     (4.19)

где , , - соответственно полная поверхность экранированных стен ЗАГ (рисунок 4.1), площадь поперечного сечения топки, ограничивающего ЗАГ сверху и снизу, м; , - соответственно площадь участка стены ЗАГ, м, и тепловая эффективность этого участка; - коэффициент, характеризующий отдачу теплоты излучением в вышерасположенную зону:

- для топок, работающих на газе, 0,1;

- для топок, работающих на мазуте, 0,2.

4.15 Отраженный поток в зоне активного горения , МВт/м,

.                                        (4.22)

4.16 Теплонапряжение зоны активного горения , МВт/м,

,             (4.23)

где - расчетный расход топлива, кг/с (м/с), (при наличии в топке двусветного экрана принимается на одну ячейку).

4.17 Полная поверхность зоны активного горения , м,

,                                (4.24)

где , - соответственно ширина фронта и глубина топочной камеры, м, [при наличии в топке двусветных экранов принимается ширина одной ячейки , - число двусветных экранов].

4.18 Высота зоны активного горения , м,

,                                                 (4.25)

где - высота зоны активного горения без учета ввода в нее газов рециркуляции и влаги, м; - объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 кг жидкого (1 м газообразного) топлива в ЗАГ, м/кг (м/м); - объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 кг жидкого (1 м газообразного) топлива при вводе в ЗАГ газов рециркуляции и влаги, м/кг (м/м).

При настенной компоновке горелок высота определяется из геометрических характеристик топки (см. схемы на рисунке 4.1):

- при обычном сжигании

;                                         (4.26а )

- при ступенчатом сжигании

,                          (4.26б )

где - расстояние между осями горелок по высоте между ярусами, м; - количество ярусов; - расстояние между осями горелок верхнего яруса и сопел вторичного дутья, м; - диаметр амбразуры горелок, м.

При подовой компоновке горелок единичной мощностью от 50 до 95 МВт 7,5 м, а горелок мощностью от 96 до 160 МВт 10 м. При двухступенчатом сжигании принимается равной расстоянию между подом и осями сопел вторичного дутья

.

4.19 Объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 кг жидкого (1 м газообразного) топлива в ЗАГ , , м/кг (м/м):

.                       (4.27)

4.20 Объем продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании 1 кг жидкого (1 м газообразного) топлива в случае ввода в ЗАГ газов рециркуляции и/или влаги, , м/кг (м/м):

        (4.28)

4.21 Время пребывания продуктов сгорания в зоне активного горения (с) определяется как

,                                 (4.29)

где - коэффициент заполнения топочной камеры восходящими потоками газов:

- при фронтальном расположении горелок 0,75;

- при встречном расположении горелок 0,8;

- при подовой компоновке 0,9.

4.22 Пересчет массовой концентрации оксидов азота (см. п.4.2) на стандартные условия (сухие продукты сгорания и 1,4), г/м:

.                      (4.30)

5.1 При проектировании новых котлов , рассчитанных на сжигание угля и природного газа или угля и мазута, расчет выбросов оксидов азота должен выполняться для случая работы котла с номинальной нагрузкой полностью на худшем в экологическом отношении топливе. Приведенное содержание азота на 1 ГДж у всех марок углей выше, чем у мазута, а у природного газа связанный азот вообще отсутствует. Следовательно, для котлов, которые проектируются на несколько видов топлива, включая уголь, расчет выбросов оксидов азота следует выполнять по формулам раздела 3 настоящих Методических указаний.

5.2 В действующих котлах , в которых в ряде случаев сжигаются одновременно уголь и мазут или уголь и газ, расчет массовой концентрации оксидов азота (г/м) проводится для твердого топлива в соответствии с разделом 3 настоящих Методических указаний, а затем значение полученной концентрации нужно умножить на поправочный безразмерный коэффициент , который определяется по следующим формулам:

- при сжигании газа вместе с углем:

;                                                (5.1)

- при сжигании мазута вместе с углем:

,                                               (5.2)

где и - доли газа или мазута по теплу.

Рис.П.2.

1 - Схема ЗАГ котла ТГМП-204ХЛ

Таблица П.2.1 - Расчет концентрации оксидов азота для котла ТГМП-204ХЛ

В третьем варианте доля воздуха, подаваемого во вторую ступень, составляет 0,33, а коэффициент избытка воздуха в горелках первого и второго ярусов (при 1,05) рассчитывается следующим образом.

Действительный объем воздуха, подаваемого в топку, м/с, при равном количестве горелок в ярусах представляет собой сумму

,                                  (П.2.1)

где - объем воздуха, подаваемого в первые два яруса горелок; - объем воздуха, подаваемого в третий ярус горелок.

Коэффициент избытка воздуха определяется как

,                                                (П.2.2)

где - теоретическое количество воздуха, необходимого для полного сжигания топлива (1).

Коэффициент избытка воздуха в двух первых ярусах горелок

,                                    (П.2.3)

где (исходя из условия 1,05).

Таким образом, избыток воздуха в горелках первых двух ярусов при долях воздуха, подаваемого в первую ступень горения 0,67 и во вторую ступень горения (третий ярус горелок) 0,33, составляет примерно 0,7.

Текст документа сверен по:
/ Минэнерго РФ; РАО "ЕЭС России". -
М.: ОАО "ВТИ", 2005