Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

4.2. Теоретические основы эксергетического анализа эффективности способов снижения вредных выбросов от котельных агрегатов ТЭС

Как известно, эксергия системы является показателем, характеризующим максимальную работоспособность этой системы в обратимом процессе. В то же время, эксергия является формой неограниченно превратимой энергии, которая потребляется во всевозможных технологических процессах [9, 13, 17].

Эксергетический метод анализа позволяет вести сравнение различных энергетических систем на основе эксергетического баланса, который обладает более высокой точностью в сравнении с классическим тепловым.

Поскольку, паровой котел является неотъемлемым объектом современных энергетических систем, действие которого направлено на непосредственное преобразование энергии топлива в энергию рабочего тела, то объективное определение КПД котельного агрегата в наибольшей степени оказывает влияние на правильность определения совершенства и эффективности всей энергетической системы, в состав которой он входит.

На основании «классического» термодинамического анализа данной составной единицы системы установлено, что паровые котлы имеют достаточно высокий уровень эффективности. Тем не менее, с позиций анализа, основанного на эксергетическом подходе к оценке эффективности паровых котлов, многими исследователями сделан вывод, опровергающий данный факт и доказывающий, что в составе действующих электростанций именно в котельном агрегате имеют место наибольшие потери эксергии. И это связано, главным образом, с дополнительным учетом в методике эксергетического анализа величины составляющих потерь эксергии от необратимости процессов горения топлива и теплообмена в элементах котла.

Совместное рассмотрение эксергетического и энергетического анализов эффективности паровых котлов подвигает современных исследователей к переоценке совершенства котельных агрегатов с точки зрения термодинамики.

Исходя из этого, анализ методов снижения вредных выбросов основывается на рассмотрении суммарного абсолютного приращения эксергии потоков, составляющих баланс котельного агрегата, выраженное в виде относительных потерь эксергии в котельной установке, на которой используется какой-либо способ снижения вредных выбросов:

92.wmf (4.2)

где ?Eпол.исп – изменение полезно-использованной эксергии; Eподв – подведенная (располагаемая) эксергия; ?Eпара – изменение эксергии пара; ?Eвт.прод – изменение эксергии побочных химических продуктов, получаемых при работе котельного агрегата; Eтопл – эксергия топлива; ?Eпот – изменение потерь эксергии; 93.wmf – сумма абсолютных потерь эксергии в элементах котельного агрегата.

При этом необходимо сопоставлять величину суммарного абсолютного приращения эксергии потоков, составляющих баланс котельного агрегата, с изменением величины эксергетического КПД котла, обусловленным применением на нем газоочистных технологий. В данном случае, для определения удельных и абсолютных потерь эксергии необходимо использовать стандартный метод вычисления потоков эксергии рассматриваемого котла:

94.wmf (4.3)

где Eух.г – эксергия уходящих газов; Eгв – эксергия горячего воздуха;
Eшл – эксергия шлака; Eун – эксергия уноса; 95.wmf – потери эксергии от необратимости процесса горения топлива; 96.wmf – потери эксергии от необратимости теплообмена; 97.wmf – потери эксергии в окружающую среду; 98.wmf – потери эксергии из-за присосов воздуха.

Поскольку для эксергии характерно свойство аддитивности, то для каждого из представленных потоков, величина эксергии будет определяться как сумма физической и химической эксергий этого потока:

99.wmf (4.4)

Эксергию топлива Eтопл можно определить различными способами в зависимости от вида топлива и наличия данных о его составе. При этом все эти способы являются приближенными, т.к. основаны на описании процесса горения топлива в атмосфере чистого кислорода или воздуха. В общем случае удельное значение химической эксергии твердого топлива может быть найдено с помощью выражения [17]:

100.wmf (4.5)

здесь буквы в квадратных скобках обозначают массовые доли элементов; Vзол – содержание золы в 1 кг топлива; 101.wmf – удельная энтропия золы.

Абсолютная величина эксергии топлива определяется по формуле:

102.wmf (4.6)

Эксергия пара Eпара, производимого котельным агрегатом, определяется с помощью выражения эксергии для теплового потока, выходящего из системы [17, 18]:

Eпара = D•eпп = D•[iпп – i0 – T0 (Sпп – S0], (4.7)

где D – расход пара, кг/с; iпп – энтальпия перегретого пара, кДж/кг;
i0 – энтальпия окружающей среды, кДж/кг; Sпп – энтропия перегретого пара, кДж/кг·К; S0 – энтропия окружающей среды, кДж/кг·К;
T0 – температура окружающей среды, К.

Потери эксергии от необратимости процесса горения 103.wmf представляют собой долю эксергии топлива, теряемую в процессе передачи теплоты от топлива к поверхностям нагрева, расположенным в топке, а также из-за механического (и/или химического) недожога топлива вследствие несовершенства организации процесса горения и могут быть определены как:

104.wmf (4.8)

где T0 – абсолютная температура окружающей среды, К; Sтоп – энтропия продуктов сгорания, соответствующая средней температуре по высоте топки, кДж/кг·К; Sпвс – энтропия пароводяной смеси, находящейся в экранных трубах котла, соответствующая ее средней температуре, кДж/кг·К; 105.wmf – объем продуктов сгорания, соответствующий коэффициенту избытка воздуха в топке, м3/кг.

Потери эксергии от необратимости теплообмена определяются аналогично потерям эксергии от необратимости горения топлива, а именно:

106.wmf (4.9)

где T0 – абсолютная температура окружающей среды, К; 107.wmf – энтропия продуктов сгорания, соответствующая средней температуре уходящих газов в последней (по ходу) поверхности нагрева рабочей среды, кДж/кг·К; 108.wmf – энтропия нагреваемой среды (пара), соответствующая ее средней температуре в последней (по ходу) поверхности нагрева, кДж/кг·К; 109.wmf –объем продуктов сгорания, соответствующий коэффициенту избытка воздуха в рассматриваемой поверхности нагрева, м3/кг.

Потери эксергии в окружающую среду пропорциональны количеству теплоты q5, рассеиваемой от котла в окружающую среду:

110.wmf (4.10)

где q5 – доля теплоты, отводимой в окружающую среду излучением от наружной поверхности котла, %.

Потери эксергии из-за присосов воздуха 111.wmf зависят от количества воздуха, поступающего в газовый тракт котельного агрегата через неплотности и могут быть поределены по формуле:

112.wmf (4.11)

где 113.wmf – энтальпия воздуха при средней температуре наружной поверхности котла; 114.wmf – энтропия воздуха при средней температуре наружной поверхности котла; 115.wmf – теоретический объем воздуха, необходимый для горения 1 кг топлива, м3/кг; 116.wmf – суммарная доля присосов воздуха по газовому тракту котельного агрегата.

Поскольку пределы рассматриваемой системы «котельный агрегат – окружающая среда» ограничиваются окружающей средой, доля потерь эксергии из-за присосов равна нулю (в силу равенства параметров окружающей среды и воздуха присосов).

Эксергия уходящих газов является суммой физической (тепловой) и химической составляющих [17, 5, 4]:

117.wmf (4.12)

Физическая составляющая эксергии уходящих газов 118.wmf зависит как от объема уходящих газов (следовательно, от расчетного расхода топлива), так и от вида топлива и его месторождения, и определяется в соответствии с выражением:

119.wmf (4.13)

где iух.г – энтальпия уходящих газов, кДж/кг; i0 – энтальпия окружающей среды (воздуха), кДж/кг; Sух.г – энтропия уходящих газов, кДж/кг·град.

Энтропия уходящих газов может быть определена с достаточной точностью с помощью формулы:

120.wmf (4.14)

где ni – доля i-го компонента в единице объема уходящих газов; Si – энтропия i-го компонента, соответствующая температуре уходящих газов.

При этом доля основных компонентов в продуктах сгорания может быть определена с учетом условия [3]:

121.wmf (4.15)

где 122.wmf – теоретический объем продуктов сгорания, м3/кг; 123.wmf – теоретический объем водяных паров, м3/кг, определяемый по (2.13);
124.wmf – теоретический объем трехатомных газов, м3/кг, определяемый по (2.11).

Величина теоретического объема трехатомных газов , представляет собой сумму теоретических объемов диоксида серы и диоксида углерода, т.е.:

125.wmf (4.16)

Доля диоксида серы и диоксида углерода в составе трехатомных газов может быть определена на основе соотношения атомных масс этих соединений в единице массы трехатомных газов:

126.wmf (4.17)

где 127.wmf – теоретический объем азота, м3/кг, определяемый по (2.9).

Вместе с тем, теоретический объем азота является суммой (смесью) атомарного азота N2 (128.wmf) и оксидов азота, в пересчете на диоксид азота NO2 (129.wmf):

130.wmf; (4.18)

Объем оксидов азота в пересчете на NO2 (131.wmf) может быть определен с помощью методики [19], устанавливающей следующий порядок и методы расчета выбросов оксидов азота при проектировании новых и реконструкции действующих котлов. Данная методика является применимой для паровых котлов производительностью от 75 т/ч и водогрейные котлы мощностью от 58 МВт (50 Гкал/ч) и выше, сжигающих твердое, жидкое и газообразное топливо в факельных горелочных устройствах.

Исходными данными для расчета удельных выбросов оксидов азота для пылеугольных котлов (г/МДж) являются: Np – содержание азота в топливе, в % на рабочую массу;

132.wmf – теплота сгорания топлива, МДж/кг; тип горелок (вихревые, прямоточные, с подачей пыли высокой концентрации);

?г – коэффициент избытка воздуха в горелках;

?1 – доля первичного воздуха по отношению к теоретически необходимому;

r – степень рециркуляции дымовых газов через горелки, %;

Wi/W – отношение скоростей вторичного и первичного воздуха в выходном сечении горелок;

??т – присосы в топке;

??3 – третичный воздух, подаваемый в топку помимо горелок;

??сбр – сбросной воздух (сушильный агент) при транспорте пыли к горелкам горячим воздухом;

149.wmf – температура за зоной активного горения, К.

Удельные выбросы оксидов азота 133.wmf (г/МДж) складываются из топливных 134.wmf и воздушных 135.wmf оксидов азота:

136.wmf (4.19)

Топливные оксиды азота подсчитывают по формуле:

137.wmf (4.20)

где Nт – удельное содержание азота в топливе, г/МДж

138.wmf (4.21)

При транспорте пыли к горелкам высокой концентрации значение 134.wmf умножают на коэффициент 0,8.

139.wmf – коэффициент, учитывающий избыток воздуха в вихревой горелке. Данный коэффициент справедлив в диапазоне 0,9 < = ?г < = 1,3;

140.wmf – коэффициент, учитывающий избыток воздуха в прямоточной горелке. Данный коэффициент справедлив в диапазоне 0,9 < = ?г < = 1,3;

141.wmf – коэффициент, учитывающий влияние воздуха в горелке. Данный коэффициент справедлив в диапазоне 0,15 < = ?г < = 0,55;

142.wmf – коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов в первичный воздух (без учета снижения температуры в зоне активного горения). Данный коэффициент справедлив в диапазоне 0 < = r < = 30 %;

143.wmf – коэффициент, учитывающий влияние максимальной температуры на участке образования топливных оксидов азота и серы. Данный коэффициент справедлив в диапазоне 1250 < = 149.wmf < = 2050;

144.wmf – коэффициент, учитывающий влияние смесеобразования в корне факела вихревых горелок. Данный коэффициент справедлив в диапазоне 1,0 < = W2/W1 < = 1,6;

145.wmf – коэффициент, учитывающий влияние смесеобразования в корне факела прямоточных горелок. Данный коэффициент справедлив в диапазоне 1,4 < = W2/W1 < = 4,0;

Для подсчета используют зависимость, учитывающую известное уравнение Зельдовича [19]:

146.wmf (4.22)

где 147.wmf – коэффициент избытка воздуха в зоне активного горения, условно принимаемый как сумма организованно подаваемого воздуха через горелки и присосов через нижнюю часть горелочной камеры, т.е.

148.wmf (4.23)

где 149.wmf – температура на выходе из зоны активного горения, К.

Эти уравнения справедливы в диапазоне коэффициентов избытка воздуха 1,05–1,4 и до температуры 2050 К. При температуре < 1800 К величиной 135.wmf можно пренебречь.

Для случая, когда рециркуляция дымовых газов через горелки отсутствует, формула для расчета температуры в конце зоны активного горения 150.wmf, °С, имеет вид [19]:

151.wmf (4.24)

где Qв – мтеплосодержание воздуха, поступающего через горелки, МДж/кг; (Vc)г – средняя суммарная теплоемкость продуктов сгорания 1 кг топлива, МДж/(кг·°С); ?сг – степень выгорания топлива в зоне активного горения; iтл – энтальпия топлива; ?•F – произведение коэффициента эффективности на суммарную поверхность, ограничивающую зону активного горения, м2; aт – степень черноты топки в зоне максимального тепловыделения.

Приведенное уравнение решается методом последовательных приближений, так как в его правую часть входит 152.wmf. Если расчетное значение 153.wmf будет более чем на 50 °С отличаться от предварительно выбранной величины 154.wmf, то необходимо сделать 2-е приближение.

Соотношение между удельными выбросами 155.wmf и объемным (валовым) выбросом 156.wmf оксидов азота определяют по формуле [19]:

157.wmf (4.25)

где Bр – расчетный расход топлива, кг/с; Vг – объем дымовых газов, м3/кг;

Определение химической эксергии уходящих газов может быть разделено на две категории: химическая эксергия веществ, не содержащихся в атмосферном воздухе стандартного (нормального) состава и химическая эксергия веществ, содержащихся в атмосферном воздухе, удельное значение эксергии для которых в соответствии с классической теорией нахождения эксергии равна нулю. Тогда, химическая составляющая эксергии уходящих газов может быть представлена как сумма химической эксергии не воздушных и воздушных компонентов, соответственно:

158.wmf (4.26)

Нахождение химической эксергии не воздушных компонентов производится в соответствии с законом Гюи-Стодолы с помощью известных значений (удельной) эксергии химических соединений для этих компонентов. В этом случае химическая составляющая эксергии уходящих газов 159.wmf определяется аналогично физической составляющей и, как правило, сопоставима с ней по ве-
личине [4, 17]:

160.wmf (4.27)

Представленная формула позволяет находить значения эксергии компонентов, которые не содержатся в атмосферном воздухе стандартного (нормального) состава. Для этих веществ процесс выброса сопровождается непосредственным воздействием на параметры окружающей среды (речь идет о том, что концентрация рассматриваемого компонента в окружающей среде не остается равной нулю, а происходит ее нарастание по мере выброса), которое оказывает сам процесс.

Расчет химической эксергии веществ, содержащихся в атмосферном воздухе 165.wmf основан на предположении, что компоненты атмосферного воздуха стандартного (нормального) состава содержат в себе некоторое количество энергии и являются работоспособными, не смотря на то, что удельные значения химической эксергии этих веществ в рамках первого подхода равны нулю. При этом химическая эксергия, именуемая в ряде источников как концентрационная, для таких компонентов представляет собой величину, получаемую на основании формулы для определения работы физических изотермических изменений, и есть ни что иное, как эксергия, связанная с разностью содержания компонентов в уходящих газах и окружающей среде. Эта величина должна учитываться только для компонентов выбрасываемых в составе продуктов сгорания, которые не были получены ранее в результате химических реакций между компонентами атмосферного воздуха (диоксид углерода CO2, диоксид азота в пересчете на NO2 и диоксид серы SO2), т.к. в этом случае возможно привести компоненты рабочего тела к состоянию термодинамического равновесия со всеми распространенными компонентами окружающей среды с помощью простых физических процессов. В настоящей работе величина концентрационной составляющей эксергии, необходимой для снижения концентрации компонентов уходящих газов, рассчитывалась при условии доведения мольных концентраций SO2 и NO2 до уровня предельно допустимой концентрации, равной 0,5 и 0,2 мг/м3, соответственно, CO2 до концентрации в атмосфере равной 0,0003 мг/м3.

В случае необходимости величина концентрационной составляющей эксергии может рассчитываться при условии доведения мольных концентраций SO2, NO2 и CO2 до уровня, принятого в качестве начала отсчета в зависимости от задачи, стоящей перед исследователем.

При выполнении расчетов химической эксергии сложных веществ, основываясь первым подходом, их допускается рассматривать как механические смеси. В этом случае, зная удельные величины химических эксергий элементов, входящих в состав рассматриваемого вещества, можно получить значение химической эксергии конечного соединения по формуле [7]:

161.wmf (4.28)

где ?z – доля z-го химического соединения в единице рассматриваемого вещества; ez – удельная химическая эксергия z-го со-
единения.

Согласно методике расчета химической эксергии веществ В.С. Степанова [4, 7] эксергия любого соединения x может быть определена по формуле:

162.wmf (4.29)

здесь mj – количество j-го элемента, моль; 163.wmf – химическая эксергия j-го элемента (элементарного вещества), входящего в состав вещества x; 164.wmf – стандартная свободная энтальпия (энергия Гиббса) образования вещества x.

Кроме того, все потоки эксергии при расчете составляющих эксергетического баланса котельного агрегата рационально приводить к единому знаменателю (например, относить к 1 кг топлива).

Поскольку эксергетический метод используется для анализа существующих способов снижения вредных выбросов, рассмотрение эксергии уходящих газов необходимо вести отдельно для вредных составляющих (таких как оксиды серы SO2, оксиды азота NOX, оксид углерода CO), из которых после вывода из цикла газоочистки могут быть получены побочные химические продукты (серная, азотная кислоты и прочее) и отдельно для остальных составляющих продуктов сгорания.

Таким образом, химическая составляющая эксергии для компонентов уходящих газов, не содержащихся в атмосферном воздухе нормального состава, в общем виде может быть представлена как:

166.wmf (4.30)

где 167.wmf – удельная химическая эксергия оксидов серы, кДж/кг; 169.wmf – удельная химическая эксергия оксидов азота, кДж/кг; 170.wmf – удельная химическая эксергия оксидов углерода, кДж/кг.

Величина химической эксергии 165.wmf для компонентов, не являющихся продуктами химических реакций между компонентами атмосферного воздуха, может быть определена из выражения для определения доли эксергии, практически используемой в ходе химических реакций:

171.wmf (4.31)

где R ? 8,31 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная; Viв – объемная концентрация компонента в уходящих газах (выбросах), м3/м3; n – количество молей компонента в выбросах; 172.wmf – допустимая (нормативная) объемная концентрация ингредиента в атмосферном воздухе, м3/м3; 173.wmf – количество молей компонента в выбросах;
b – константа Ван-дер-Ваальса, характеризующая собственный объем молекул, м3/моль. Для двуокиси углерода b = 19,05•10–4 м3/моль [20].

Значение b может быть взято из справочных таблиц, либо вычислено по термодинамическим параметрам в критической точке [21]:

174.wmf (4.32)

где Tc – критическая температура, К; Pc – критическое давление, атм.

Если известно объемное содержание компонентов влажных продуктов сгорания, то концентрационная составляющая эксергии дымовых газов 165.wmf, Дж/кг, может быть найдена из выражения [9, 16]:

175.wmf (4.33)

где [NO2], [SO2], [CO2] – мольные содержания компонентов в продуктах сгорания, образующихся при сгорании 1 кг топлива, моль/кг; 176.wmf, 177.wmf, 179.wmf – объемное содержание NO2, SO2, CO2, в уходящих газах, м3/м3.

В табл. 4.1. представлены результаты расчета эксергии уходящих газов, образующихся при сжигании углей Харанорского (1Б) и Привольнянского (Д) месторождений.

По данным табл. 4.1. становится очевидным, что с увеличением содержания в топливе серы и углерода и снижении его влажности, происходит увеличение воздушной составляющей химической эксергии продуктов сгорания и снижение не воздушной.

Химическая эксергия золы и шлака (золошлаковых продуктов) может быть рассчитана с помощью выражений:

180.wmf (4.34)

181.wmf (4.35)

здесь aун – доля (расход) летучей золы, уносимой дымовыми газами, %; aшл – доля (расход) золы, удаляемой из котла в форме шлака, %; eзолы – удельная химическая эксергия золошлаковых продуктов сгорания топлива, кДж/кг.

Таблица 4.1. – Значения эксергии уходящих газов углей Харанорского (1Б) и Привольнянского (Д) месторождений

Величина

Харанорское 1Б

Привольнянское Д

Удельная физ. эксергия уходящих газов, кДж/кг

25,5079

13,1053

Удельная хим. эксергия ух. газов, кДж/кг:

– не воздушная 159.wmf;

– воздушная 165.wmf

73,8409

9,5674

63,4063

9,5978

Суммарная эксергия ух. газов, кДж/кг

108,9162

86,1094

Температура уходящих газов, °С

159

120

Абсолютная эксергия ух. газов, МДж/ч

33073,39

21840,01

Величина физической составляющей эксергии золы и шлака определяется аналогично эксергии продуктов сгорания:

182.wmf (4.36)

183.wmf (4.37)

где iшл – энтальпия шлака, кДж/кг; i0 – энтальпия шлака, соответствующая температуре окружающей среды (воздуха), кДж/кг; Sшл – энтропия шлака, кДж/кг·град; iун – энтальпия золы (уноса), кДж/кг; Sун – энтропия золы (уноса), кДж/кг·град.

Современные исследования ученых показали, что минеральная часть твердого топлива, используемого в технологическом процессе ТЭС, претерпевает существенные изменения в результате температурного и окислительно-восстановительного взаимодействия с газообразной средой, окружающей пылеугольный факел. От температурного и окислительно-восстановительного механизмов зависит конечный состав золошлаковых продуктов [6]. По последним данным, в результате преобразования минеральной части угля в котельном агрегате образуются такие соединения как кварц (SiO2) и его модификации, муллит (Al6Si2O13), лейцит (KAlSi2O6), форстерит (Mg2SiO4), периклаз (MgO) и силикаты кальция типа алита (Ca3SiO5). Эти минералы устойчиво существуют в пределах температур, характерных для топочного объема. Также в состав золы котельных агрегатов с факельным сжиганием входят железосодержащие соединения, чаще представленные (при коэффициенте избытка воздуха ? ? 1,2 и температуре выше 1300 °С) магне-
титом (Fe2O3) [6].

Значения удельной химической эксергии составных элементов (соединений), входящих в состав золошлаковых продуктов сгорания твердого топлива и уходящих газов можно определить, пользуясь рекомендациями и табличными данными, представленными в [10, 11] в соответствии с формулой (4.14).

Также для указанных целей могут быть использованы данные Приложений А, Б, в которых сведены удельные значения эксергии для твердых топлив большинства известных месторождений РФ и стран СНГ, в зависимости от условий его сжигания.

В качестве примера рассмотрим расчет эксергии уходящих газов и золошлаковых продуктов сгорания топлива с помощью представленной методики для углей Харанорского (1Б) и Привольнянского (Д) месторождений, сжигаемых в котле марки БКЗ-220-100 при следующих условиях: температура уходящих газов tух.г = 159 °С; температура окружающей среды (воздуха) tо.с = 25 °С; степень уноса золы aун = 0,95; паропроизводительность
D = 220 т/чт/ч.

Для этого с помощью электронной базы данных по различным видам топлива Fuel Data Base определяем следующие характеристики топлив рассматриваемых месторождений: состав топлива на рабочую массу, элементарный состав золы на бессульфатную массу, объемы теоретического количества воздуха и продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха ? = 1, температуру начала нормального жидкого шлакоудаления, значения которых представлены в табл. 4.2–4.4.

Таблица 4.2 – Состав топлива на рабочую массу, %

Наименование

Харанорское 1Б

Привольнянское Д

Влажность

40,0

13,0

Зольность

13,2

21,8

Содержание углерода

33,5

49,9

Содержание водорода

2,2

3,6

Содержание азота

0,5

1,0

Содержание серы

0,3

2,8

Содержание кислорода

10,3

7,9

Таблица 4.3 – Элементарный состав золы топлива на бессульфатную массу, %

Соединение

Харанорское 1Б

Привольнянское Д

Оксид кремния (SiO2)

58,0

50,0

Оксид алюминия (Al2O3)

23,3

22,0

Оксид титана (TiO2)

0,7

0,7

Оксид железа III (Fe2O3)

5,5

18,0

Оксид кальция (CaO)

7,4

3,0

Оксид магния (MgO)

2,7

1,3

Оксид калия (K2O)

1,6

3,0

Оксид натрия

0,8

2,0

Пользуясь зависимостями (4.15)–(4.22) определяем соотношение элементов, входящих в состав дымовых газов в объеме, результаты представлены в табл. 4.5.

Таблица 4.4 – Объемы теоретического количества воздуха и продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха ? = 1, температура начала нормального жидкого шлакоудаления

Параметр

Харанорское 1Б

Привольнянское Д

Объем воздуха, м3/кг

3,23

5,22

Объем азота, м3/кг

2,55

4,13

Трехатомные газы, м3/кг

0,63

0,95

Водяные пары, м3/кг

0,79

0,64

Температура нормального жидкого шлакоудаления, °С

1450

1450

Таблица 4.5 – Теоретические объемы и соотношение элементов, входящих в состав дымовых газов

Компонент

Харанорское 1Б,

Bр = 16,21 кг/с, ?ср = 1,38

Привольнянское Д,

Bр = 9,34 кг/с, ?ср = 1,38

Объем
выброса, м3/ч

Содержание, %

Объем
выброса, м3/ч

Содержание, %

SO2

122,547

0,04

645,5275

0,255

CO2

36557,12

12,039

30670,12

12,1

H2O

46228,07

15,223

21194,87

8,356

N2

202611,6

66,723

182617,2

72,001

NO2

3052,69

1,005

4761,54

1,877

О2

15086,84

4,968

13741,48

5,418

Для химических соединений, представленных в табл. 4.2, 4.4, с помощью справочных таблиц, приведенных в [13], определяем удельные значения химической эксергии.

Далее, используя формулы (4.12), (4.13), (4.27), (4.30), (4.33) –
(4.37) определяем удельные и абсолютные значения эксергий потоков уходящих газов и золошлаковых продуктов для рассматриваемых условий работы котельного агрегата. Результаты расчета представлены в табл. 4.6.

При рассмотрении эксергии адсорбента, применяемого в цикле газоочистки, величина абсолютной эксергии данного потока Eадс будет определяться по аналогии с абсолютной величиной эксергии потока шлака, выводимого из топки. В данном случае химическая составляющая эксергии адсорбента определяется как для механической смеси химических соединений, входящих в его состав – эта величина должна учитываться только тогда, когда состав (или агрегатное состояние) применяемого адсорбента претерпевают изменение в процессе газоочистки. Для определения физической составляющей эксергии адсорбента необходимо располагать значением его теплоемкости, используемым при нахождении эксергии адсорбента.

Для сопоставления величины потоков эксергии в котельном агрегате, в качестве примера рассмотрим использование природных цеолитов, позволяющих реализовать на котле аддитивный способ снижения вредных выбросов [22]. Сущность этого способа заключается в том, что природный цеолит (клиноптилолит состава (Na2K2)·O·Al2O3·10SiO2·8H2O) применяют в качестве присадки к бурым углям при факельном сжигании в топках энергетических котлов, в результате чего происходит поглощение одновременно с оксидами серы SO2 и SO3 оксидов азота NOx. Доля снижения указанных компонентов дымовых газов по данным [22] составляет: для серы – 6 %, для азота – 50 %, соответственно. При этом концентрация природных цеолитов в топливе составляет около 5 %.

Таблица 4.6 – Значения эксергии уходящих газов и золошлаковых продуктов сгорания топлива

Величина

Харанорское 1Б

Привольнянское Д

Удельная хим. эксергия уходящих газов, кДж/кг

73,8409

63,4063

Удельная физ. эксергия уходящих газов, кДж/кг

25,5079

13,1053

Суммарная эксергия, кДж/кг /температура ух. газов, °С

108,9162/159

86,1094/120

Концентрационная составляющая эксергии уходящих газов, МДж/ч/кДж/кг

2905,237/9,5674

2434,307/9,5978

Абсолютная эксергия ух. газов, МДж/ч

33073,39

21840,01

Удельная хим. эксергия золы и шлака, кДж/кг

1009,5

1009,5

Абсолютная (суммарная) эксергия шлака, МДж/ч

666,05

756,22

Удельная физ. эксергия шлака, кДж/кг

719,82

719,82

Абсолютная хим. эксергия шлака, кДж/ч

388,81

361,664

Абсолютная физ. эксергия шлака, МДж/ч

277,24

257,883

Удельная физ. эксергия золы, кДж/кг

17,8

10,44

Абсолютная хим. эксергия золы, МДж/ч

7387,363

6871,6303

Абсолютная физ. эксергия золы, МДж/ч

130,26

71,064

Абсолютная (суммарная) эксергия золы, МДж/ч

7517,621

6942,695

Результаты расчета составляющих эксергии в случае работы котельного агрегата с номинальной нагрузкой на угле Харанорского месторождения (1Б) с использованием и без использования аддитивной технологии газоочистки представлены в табл. 4.7.

Таблица 4.7 – Показатели энергоэффективности и экологичности работы котельного агрегата БКЗ-220-100

Статья
баланса

Работа без газоочистки

Аддитивная технология

Масса, т

Энергия, ГДж/ч

Эксергия, ГДж/ч

Масса, т

Энергия, ГДж/ч

Эксергия, ГДж/ч

Приход

Топливо

58,932

679,633

763,0347

62,748

681,957

765,6594

Организованный воздух

226,187

0

0

226,836

0

0

Присосы воздуха

33,929

0

0

34,025

0

0

Итого

319,048

679,633

763,0347

323,609

681,957

765,6594

Расход

Перегретый пар

220

617,7132

323,9762

220

617,7132

323,9762

Потери от мех. недожога

0,584

6,73

7,63

0,621

6,753

7,656

Потери с ЗШП:

– зола (сумм.)

химическая;

физическая;

– шлак (сумм.)

химическая;

физическая.

7,779

7,390

0,389

0,202

0,202

8,183

7,517

7,387

0,130

0,666

0,389

0,277

8,282

7,8697

0,4141

0,3376

0,3376

8,7262

8,017

7,866

0,151

0,7092

0,4139

0,295

Потери в ОС

3,634

1,749

3,634

1,749

Потери с ух. газами:

– химическая;

– физическая;

– концентрация

310,685

50,878

33,073

22,422

7,745

2,905

311,68

52,809

32,11355

21,141

8,069

2,903

Потери от необратимости:

– горения;

– теплообмена.

221,9116

164,14

223,5232

164,5113

Эксергия адсорбента:

– физическая

– SO2 (условный)

– NOX (условный)

0

3,137

1,55534

0,16908

0,02556

1,3607

Итого

319,048

679,633

763,0347

323,609

681,957

765,6594

Энергетический КПД, %

90,87

90,59

Эксергетический КПД, %:

– без учета ЗШП, SO2, NOX;

– с учетом ЗШП;

– с учетом ЗШП и SO2;

– с учетом ЗШП, SO2, NOX

42,46

43,53

43,53

43,53

42,31

43,475

43,478

43,66

Анализируя данные, представленные в табл. 4.7, можно сделать вывод, что представленная методика эксергетического анализа способов снижения вредных выбросов является более совершенной по сравнению с существующей методикой, основанной на эксергетическом балансе, поскольку она позволяет дополнительно учитывать составляющие эксергии уходящих газов и золошлаковых продуктов (химическую, концентрационную), образующихся во время работы котельного агрегата. К тому же дополнительный учет химической составляющей эксергии золошлаковых продуктов и уходящих газов позволяет производить более объективную оценку энергетической эффективности котельного агрегата. Это становится очевидным при сравнении значений эксергетического и энергетического КПД котла до и после использования аддитивного способа. Как следует из табл. 4.7, энергетический и эксергетический КПД котла (рассчитанный без учета химической составляющей) при использовании природных цеолитов снизился с 90,87 и 42,46 % до 90,59 и 42,31 %, соответственно, что объясняется увеличением зольности топлива и в конечном итоге его теплотворной способности. Однако с учетом химической эксергии уходящих газов и золошлаковых продуктов, наблюдается рост эксергетического КПД (с 42,46 до 44,07 %), объясняемый снижением суммарной величины эксергии вредных выбросов.

Таким образом, оценивать совершенство какого-либо определенного способа снижения вредных выбросов от котельного агрегата с достаточной степенью достоверности можно с помощью изменения суммарной величины потерь эксергии, обусловленных реализацией данного способа, с учетом доли полезного использования энергии всех форм, выражаемой изменением эксергетического КПД котельной установки. При этом в качестве основного критерия, по которому можно судить об эффективности способов снижения вредных выбросов, может служить величина эксергии уходящих газов. И чем меньшее значение будет иметь эта величина, тем более эффективным является способ снижения вредных выбросов.

Подход, основанный на методике эксергетического анализа позволяет производить комплексную оценку состояния различного энергетического оборудования, использующего различные варианты компоновки и находящегося в разном техническом состоянии. Кроме того, данная методика дает возможность проведения сравнительного анализа и сопоставления различных (технологически) газоочистных мероприятий на основе соотношения качественно разных видов энергии через величину эксергии.

При этом становится возможным совершенствование существующих способов снижения вредных выбросов посредством оптимизации технологических условий, например, количества (расхода) применяемых реагентов, т.е.:

184.wmf (4.38)

где bopt – оптимальный по условиям экологической (эксергетической) оценки относительный расход применяемых реагентов.

Соответственно, оптимальный вариант конкретного способа снижения вредных выбросов будет отвечать условию минимального расхода применяемых реагентов и максимальной экологической эффективности, что характеризуется минимальным уровнем эксергии, выбрасываемой в окружающую среду.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074