Диссертация (Низкотемпературный вихревой метод защиты окружающей среды от вредных выбросов тепловых электростанций), страница 3

Кнорре, Л.Н. Хитрини др.), теплопередачи (В.В. Митор, Г.Л. Поляк и др.), движения одно- и двухфазных потоков (Г.Н. Абрамович, Л.А. Вулис и др.), процессов генерациивредных веществ (И.Я. Сигал, Н.В. Залогин, В.Р. Котлер и др.).Как альтернативу пылеугольному факелу можно использовать низкотемпературный вихревой (НТВ) метод сжигания грубоизмельченного (вплотьдо дробленого) твердого топлива, разработанный и исследованный в ЛПИ(ныне  СПбПУ Петра Великого) под руководством доктора техническихнаук, профессора В.В. Померанцева [4...15], который на сегодняшний деньудовлетворяет многим основным положениям Энергетической стратегииРоссии.

Концепция НТВ-метода была предложена профессоромВ.В. Померанцевым на рубеже 70-х годов прошлого века и получила дальнейшее развитие в работах его учеников – Ю.А. Рундыгина, С.М. Шестакова,Д.Б. Ахмедова,А.П. Парамонова,В.Е. Скудицкого,К.А. Григорьева,Г.В. Альфимова, Ф.З. Финкера и др., исследования которых, наряду с освоением НТВ-сжигания, позволили накопить огромный экспериментальный материал и подтвердить эффективность этого метода. В НТВ-топке топливопреимущественно выгорает в нижней вихревой зоне, где организована многократная принудительная циркуляция частиц топлива, что позволяет выровнять температурное поле в топочном объеме и снизить температурный уровень в топке (в среднем на 100...150 K).

Метод НТВ-сжигания открываетбольшие возможности для сокращения габаритов котлов и уменьшения затрат металла вследствие повышения интенсивности процессов сжигания итепломассообмена [16...20]. НТВ-сжигание опробовано при сжигании широкой гаммы топлив: фрезерного торфа (Wr = 50…58 %, Ar = 4…9,5 %) [21...24];сланцев (Wr = 11…14 %, Ar = 40…45 %, СО2к = 15…18 %) [25...27]; бурых углей (Wr = 25…60 %, Ar = 6…26 %) [28...37]; каменных углей (Wr = 10…14 %,Ar = 20…28 %) [38...40]; лигнине (Wr = 50…60 %, Ar = 2 %) [41...44]. Теплотасгорания этих топлив (Qri ) колеблется от 7,5 до 17,6 МДж/кг, выход летучих10(Vdaf) – 40…80 %. В работах [45, 46] проведено обоснование возможностейНТВ-сжигания для использования отходов переработки сахарного тростника багассо (Wr = 48...52 %, Ar = 1,5...2,5 %), а в [47] получен положительныйопыт низкотемпературного вихревого сжигания мазута.Применение метода НТВ-сжигания позволяет устанавливать новые котлыв существующие строительные ячейки с одновременным увеличением мощности установки [48], что особенно важно при замене изношенного оборудования ТЭЦ при их модернизации [49...56].

Организация многократной циркуляции частиц в топке и создание устойчивой зоны воспламенения топлива позволили перейти к сжиганию топлива угрубленного помола [57...60], что исключило опасность взрыва системы пылеприготовления [61...63] и повысилонадежность работы котельной установки в целом. Использование НТВ-методапозволило организовать эффективное сжигание и дробленого топлива [64],полностью ликвидировав таким образом систему пылеприготовления [34].Сжигание топлива в НТВ-топке происходит с высокой эффективностью приполном исключении использования жидкого топлива для подсветки факела.При этом уменьшается температура газов в топочной камере и практическиполностью решаются проблемы шлакования [65...68] поверхностей нагрева,снижается вероятность протекания высокотемпературной коррозии экранов[69...73] за счет снижения температурного уровня и уменьшения концентрациикислорода в топке [74, 75] , а ступенчатый подвод окислителя к факелу приводит к снижению генерации токсичных оксидов азота, образованию восстановительных зон и разложению образовавшихся оксидов азота на поверхностигорящих коксовых частиц [76...79].

Многократная циркуляция топливных изоловых частиц способствует связыванию оксидов серы минеральной частьютоплива (компонентами золы СаО и MgO) [80...84], а дополнительное введение в топочную камеру присадок СаО содержащих (известь, известняк и др.)[85, 86] в ряде случаев позволяет добиться нормативного содержания оксидовсеры в уходящих дымовых газах [87, 88].Проведенные ранее исследования, направленные на изучение образованияоксидов азота и других загрязнителей в НТВ-топках и разработку рекомендаций по их снижению, носили в основном экспериментальный характер,а разработанные расчетные методики не учитывали резервы повышения экологических показателей низкотемпературного вихревого сжигания (таких, какразложение оксидов азота на коксовых частицах в процессе горения, связывание оксидов серы минеральной частью топлива и присадками), что не позволя-11ет достоверно прогнозировать концентрации токсичных компонентов в дымовых газах реконструируемых и вновь проектируемых котельных установках.Отмеченные выше факторы и проблемы подчеркивают актуальность темы диссертационной работы и позволяют выявить противоречие, обуславливающее необходимость проведения исследования.Противоречие заключается:в недостаточности научно обоснованных принципов организации методаНТВ-сжигания твердого топлива (по гранулометрическому составу сжигаемого топлива, способам ввода нижнего и третичного дутья, по вводу рециркуляции топочных газов и пр.) для дальнейшего совершенствования НТВметода и снижения выбросов вредных веществ в атмосферу;в отсутствии расчетных методов, алгоритмов и методик, позволяющихдостоверно оценить выбросы газообразных загрязнителей (прежде всего оксидов азота и серы) на стадиях проектирования или разработки предложений по модернизации котлов, обоснования проектов и выдачи рекомендаций по дальнейшему снижению выбросов с целью защиты окружающейсреды при работе ТЭС.Наличие данного противоречия предопределяет выбор объекта и предмета исследования, что в свою очередь позволяет сформулировать научнуюпроблему, цель и задачи исследования.Объектом исследования являются: метод низкотемпературного вихревого сжигания органического топлива, процессы горения, образования и взаимодействия оксидов азота и серы с топочными продуктами при работе котлов.Предметом исследования выступают: физико-химические процессыперехода химически связанной энергии топлива в тепловую энергиюпри НТВ-сжигании, процессы образования вредных оксидов азота и серы,их дальнейшие преобразования в топочной камере и в котельной установкев целом.Научная проблема связана с разработкой научно обоснованных принципов организации метода НТВ-сжигания топлива для его дальнейшего совершенствования и внедрения, а также расчетных методов, алгоритмов и методик, позволяющих оптимизировать режимы работы котлов с целью защитыокружающей среды от вредных выбросов при работе ТЭС.Отмеченные выше факторы и проблемы подчеркивают актуальностьтемы диссертационной работы и позволяют сформулировать цель исследования.12Целью исследования является защита окружающей среды от вредныхвыбросов тепловых электростанций за счет низкотемпературного вихревогометода.Для достижения цели исследования сформулированы и решены следующие научно-технические задачи:на основе анализа физико-химических процессов перехода химическисвязанной энергии топлива в тепловую и образования газообразных загрязнителей при сжигании топлива, разработаны и апробированы методика, алгоритм и математическая модель процесса горения, учитывающие генерацию ипреобразование газообразных оксидов азота и серы в топках котлов;с использованием результатов теоретических и экспериментальныхисследований разработанная методика адаптирована к условиям низкотемпературного вихревого сжигания, определена ее достоверность, проведенотестирование;на основе математического моделирования апробирован путем сравненияс опытными данными метод расчета генерации в низкотемпературных вихревых топках газообразных оксидов азота и серы, учитывающий их дальнейшеевзаимодействие с продуктами топочного процесса;с использованием расчетных результатов достоверно спрогнозированыдля реконструируемых котлов выбросы оксидов азота и серы, а также сформулированы и реализованы рекомендации, позволившие повысить эффективностьвихревого сжигания низкореакционных бурых углей, торфа, обеспечить высокоэффективное сжигание каменных углей с одновременным выполнением требований нормативных документов по защите окружающей среды;универсальность подходов, заложенных в разработанную методику, позволила адаптировать ее к условиям прямоточного пылеугольного факела,провести отладку и тестирование с использованием экспериментальных данных других авторов.Научная новизна работы заключается в следующем:1.

Впервые с учетом процессов генерации и преобразования вредныхвеществ в процессе горения органического топлива при низкотемпературномвихревом сжигании (разложение оксидов азота на горящих коксовых частицах, связывание оксидов серы минеральной частью топлива) разработан иапробирован новый методологический подход к расчету и исследованиюпроцесса горения в НТВ-топках.2. Разработана математическая модель процесса горения полидисперсного топлива, учитывающая генерацию и преобразование газообразных ок-13сидов азота и серы в топочных газах, позволяющая достоверно определитьуровень выбросов этих загрязнителей при работе котлов.3. Получены новые расчетные и экспериментальные характеристикинизкотемпературных вихревых топок при различных режимных (гранулометрический состав топлива, скорости и соотношения скоростей горелочноговоздуха и нижнего дутья и др.) и конструктивных (оформление сопел нижнего дутья, ввод третичного дутья и др.) параметрах.Практическая ценность работы определяется следующим:1.

Разработаны, внедрены в промышленность и запатентованы конструктивные схемы топок с низкотемпературным вихревым сжиганием, позволяющие снизить выбросы вредных веществ, повысить надежность работыкотлов и экономичность сжигания топлива.2. Разработаны методология, алгоритм, математические модели и реализованы в авторском пакете прикладных программ инженерные методики расчета горения органического топлива при НТВ-сжигании, учитывающиемеханизмы генерации и преобразования загрязнителей в топочных газах,обеспечивающие необходимую точность расчетов, позволяющие провестидетальный анализ процесса горения полифракционного топлива в условияхмногократной циркуляции, и на этой основе выявить пути снижения вредныхвыбросов в окружающую среду.3.

Внедрение полученных результатов позволило снизить выбросы оксидов азота и серы при модернизации котельных установок паропроизводительностью от 75 до 800 т/ч на широкой гамме твердых топлив (бурые угли(в том числе низкореакционные и сильношлакующие), торф, каменные углимарок Т, СС, Г и Д).4. Разработана и внедрена эффективная технологическая схема многотопливной НТВ-топки, позволяющая в пределах одного топочного устройства свысокой экономичностью и низкими вредными выбросами сжигать твердые(торф и уголь) и газообразное топлива.5. Внедренные в промышленность и проверенные практикой технологические решения могут использоваться при реконструкции действующего исоздании нового котельно-топочного оборудования, на других марках твердого топлива, а апробированные расчетные методики могут быть распространены на другие технологии сжигания (прямоточный пылеугольный факел; слоевое сжигание  кипящий и циркулирующий кипящий слой), при исследовании и совершенствовании протекающих в них процессов.14Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается иподтверждается: применением современных методов математического моделирования, физической обоснованностью разработанных математическихмоделей, использованием апробированных методик исследований и сертифицированных измерительных приборов; опытом эксплуатации и результатами испытаний (в т.