РЕГУЛИРУЕМЫЙ остаточный ХИМНЕДОЖОГ

как инструмент оптимизации СЖИГАНИя топлива

 

Докт.техн.наук профессор А.Л.Шкаровский

Магистр инж. Сильвия Янта-Липиньска

Koszalin University of Technology, Польша

 

Само название доклада для специалистов в области сжигания топлива может выглядеть некорректно. Традиционно в наладке и эксплуатации котлоагрегатов и большинства других топливосжигающих установок по умолчанию соблюдается непреложное правило: на первом месте – полнота сгорания, то есть химического недожога быть не должно, особенно при сжигании газового топлива. Такой положение вещей объясняется чисто экономическим подходом: многократное превышение показателей эффективности использования топлива по сравнению с потенциальными штрафами за вредные выбросы неизбежно отодвигает вопросы охраны окружающей среды на второй план.

Необходимо признаться: экономические показатели эффективности сжигания топлива и оплат за вредные выбросы даже в перспективе в принципе не могут быть сближены, поэтому ошибочным по своей сути является именно сам чисто экономический подход. Задачей публикации является изложение принципов иного подхода к привычному, казалось бы, вопросу. Такой взгляд в современной научно-технической литературе формулируется как энерго-экологическая оптимизация сжигания топлива. Это означает, что оптимальный результат сжигания топлива определяется не только прямой эффективностью его использования, но и потенциальным ущербом, наносимым окружающей среде [1]. Именно организация горения топлива в области регулируемого остаточного химического недожога (РОХН) является одним из самых простых, малозатратных и одновременно высокоэффективных методов такой оптимизации [2].

Количественной мерой химического недожога является суммарная концентрация продуктов неполного сгорания (СО, Н2 и СН4) в отходящих газах. Наличие водорода и метана в продуктах сгорания свидетельствует, скорее, о недопустимом техническим состоянии топочно-горелочного оборудования, поэтому в практике наладки обычно определяется концентрация оксида углерода. Этот показатель непосредственно определяет потери теплоты от химнедожога, за которыми в тепловом балансе котлоагрегата закреплено обозначение q3­. Арифметика предельно проста: каждый процент химнедожога означает потерю одного процента КПД. Именно стремлением к снижению q3­ и объясняется традиционное (по соображениям топливосбережения) требование полного отсутствия продуктов неполного сгорания в отходящих газах.

Исходя из этого, в соответствии с многолетним опытом проведения наладочных работ, допускается наличие лишь «следов» продуктов неполного сгорания, что соответствует концентрации СО не более 30¸50 мг/м3. В технической литературе рекомендуется организация горения с коэффициентом избытка воздуха (a) даже на 0,03¸0,04 больше его «критического» значения (с запасом на возможные колебания факторов, влияющих на полноту сгорания). При этом под «критическим» режимом понимается уже само появление продуктов химнедожога в отходящих газах [3].

Однако отметим, что нормативные требования по полноте сгорания в несколько раз менее строги. Максимальная концентрация СО в уходящих газах котлов при сжигании природного газа регламентируется в зависимости от типа и мощности установки на уровне 119¸156 мг/м3  (при a = 1,0) [4, 5]. Интересно обратиться и к зарубежному опыту. Здесь разница еще более ощутима. Так, в соответствии с рекомендациями фирмы «TESTO», всемирно известного производителя газоаналитической аппаратуры, при проведении режимно-наладочных работ критической может считаться концентрация СО на выходе из топки 1000 ppm (то есть 0,1 % об. или 1250 мг/м3).

Мы выполнили цикл теоретических расчетов и экспериментальных исследований, которые свидетельствуют о возможности вполне обоснованного, с экономической и экологической точки зрения, увеличения максимально допустимого уровня концентрации СО при сжигании природного газа в вихревых газогорелочных устройствах котлов и промышленных печей.

В первую очередь необходимо обратить внимание на ошибочность, очевидного, казалось бы, мнения о том, что минимальный химнедожог соответствует максимальной эффективности использования топлива в котельных агрегатах. Как лучистое, так и конвективное  тепловосприятие экранных поверхностей нагрева находятся в сложнейшей зависимости от целого ряда параметров, характеризующих горение. Сюда относятся форма и размеры факела, его светимость, положение зоны максимальных температур и весь комплекс показателей, связанных с  аэродинамикой топочного пространства. Нельзя забывать также, что на общую картину энергоэффективности заметно влияют показатели, напрямую не связанные со сжиганием топлива, то есть расход электроэнергии на привод дутьевых вентиляторов и дымососов. Стандартные балансовые испытания показывают, что максимальный КПД котлоагрегата обычно регистрируется при весьма заметном химнедожоге, соответствующем концентрации СО на уровне 0,02¸0,03 % об. (200¸300 ppm).

А по соображениям минимизации экологического ущерба смещение горения в область некоторого химнедожога является еще более логичным. Достаточно отметить, что оксиды азота, образующиеся наиболее интенсивно при максимальной температуре (то есть именно при отсутствии химнедожога) – это вещества примерно в 35 раз более токсичные, чем оксид углерода (именно в таком соотношении находятся значения ПДК этих веществ).

Из вышесказанного следует, что определение допустимой величины химического недожога представляет собой типичную оптимизационную задачу, предполагающей минимизацию некоторой функции цели. При этом возможны различные подходы к построению этой функции, но это не меняет существа проблемы, и дискуссия по этому вопросу не является предметом настоящей публикации. Сложность заключается в необходимости решения такой задачи в каждом конкретном случае наладки котла, с учетом характеристик и особенностей всего комплекса котельно-топочного оборудования. В этих условиях крайне необходима универсализация простых инженерных методов на основе обобщенных достоверных показателей.

Для разработки такого критерия оптимальности топочного режима мы в качестве характеристики экологической чистоты топочного процесса использовали показатель токсичности продуктов сгорания Гсм (по И.Я.Сигалу), а  в качестве показателя экономичности процесса сжигания топлива - КПД котлоагрегата брутто. При этом показатель токсичности определялся по концентрации СО, NОx и бенз(а)пирена в продуктах сгорания, а КПДбр – по стандартной методике балансовых испытаний котла.

Для универсализации этих показателей были предложены следующие формы критериев экологичности (А1) и экономичности (А2), характеризующих относительное изменение выбранных экологических и экономических показателей:

 

;   ,                            (1)

 

где:  - минимально и максимально достигнутые значения соответствующих параметров в рассматриваемом интервале изменения факторного пространства.

Из выражений (1) следует, что значения обоих критериев А1 и А2 лежат в области от 0 (наилучший достигаемый по данному показателю режим) до 1,0 (наихудший из возможных по этому показателю вариант).

Тогда логично в качестве обобщенного энерго-экологического критерия (А), являющегося искомой целевой функцией, принять сумму:

А=А1+А2,                                                    (2)

 

Нетрудно убедиться, что критерий А может принимать значения от 0 (когда положения энергетического и экологического оптимумов совпадают) до 2,0  (крайний неблагоприятный случай, когда режим одновременно является наихудшим как по показателям энергосбережения, так и по экологическим требованиям).

С использованием разработанного энерго-экологического критерия были комплексные проведенные эксперименты и их последующий анализ, что позволило нам сформулировать предложение по обоснованному повышению химнедожога при сжигании газового топлива в котлах. Основная часть исследований проводилась в промышленных условиях на паровых котлах типа ДКВР с газогорелочными устройствами (ГГУ) типа ГМГ, ГМГм и ГМГБ, обеспечивающими различную интенсивность смешения газо-воздушных потоков в топочном пространстве. Комплекс измерений выполнялся согласно стандартным методикам, подробно описанным в [3]. Измерение концентрации СО, О2, NO2 и температуры уходящих газов проводились на газоанализаторе «TESTO-300M». Определение концентрации бенз(а)пирена (С20Н12) в продуктах сгорания производилось по упрощенному методу [6].

Для поиска оптимума сначала определялись максимальные и минимальные значения КПДбр и Гсм при последовательно изменяющихся значениях нерегулируемых факторов, затем рассчитывались их текущие значения в зависимости от регулируемого фактора (воздушного режима топки) и вычислялись соответствующие значения критериев А1 , А2 и А.

Рис. 1 демонстрирует характерное изменение первичных показателей эффективности и экологичности работы котла в зависимости от концентрации СО в отходящих газах. Данные получены на котле ДКВР-20-13 с двумя горелками ГМГ-7М, установленными на одной вертикальной оси.

Максимальное значение КПД соответствует минимуму суммы энергетических потерь, зависящих от воздушного режима (потерь теплоты с уходящими газами и с химическим недожогом, а также затрат на привод электродвигателей дымососа и дутьевого вентилятора).

Анализ данных приводит к очевидным выводам. Оптимальные режимы лежат в области концентраций оксида углерода 200¸400 мг/м3. Приближение к режиму с абсолютно полным сгоранием сопровождается заметным снижением КПД и существенным ухудшением экологических показателей горения.

Рис. 2 подтверждает сделанные выводы, но уже на основании обработки полученных данных измерений для тех же условий по авторской методике обобщенных критериев энергоэффективности и экологичности использования топлива. Как видно из приведенных зависимостей, оптимумы частных критериев А1 и А2, а вместе с ними и оптимальное значение обобщенного критерия А находятся в достаточно узкой области концентрации СО равной 230¸380 мг/м3 (что соответствует диапазону изменения коэффициента избытка воздуха примерно 0,01).

Нами было получено также много данных при испытаниях других типов котлов и горелок, которые, отличаясь в частностях, подтверждают общую авторскую концепцию. Обратим внимание, что при увеличении недожога в обе стороны от положения оптимума значение критериев, а также самих исходных показателей (Гсм и КПДбр) изменяются поначалу незначительно. Это дает основание рекомендовать в качестве «критической» концентрацию СО на уровне 500¸600 мг/м3. В свою очередь «страховочный» запас по коэффициенту избытка воздуха, рекомендуемый нами при пусконаладочных работах, составляет 0,02¸0,03 от критического значения, что и будет гарантировать работу котла в режиме, близком к энерго-экологическому оптимуму.

Последние замечания относятся к традиционной методике наладки котлов, оборудованных стандартной (и в большинстве своем устаревшей) автоматикой регулирования. Максимальный эффект оптимизации соотношения «топливо-воздух» на практике достижим только с использованием микропроцессорных систем управления качеством сжигания топлива [7] при работе которых используется информация о результатах текущего газового анализа продуктов сгорания. В этом случае нет необходимости в использовании понятий «критической» концентрации СО или «запаса» по коэффициенту избытка воздуха. Системы такого типа всегда удерживают режим работы котла в максимально близкой к оптимуму области, причем сам оптимум корректируется в зависимости от теплотворности топлива, технического состояния котла, климатических условий и других факторов влияния.

 

ВЫВОДЫ

 

1.   Полное отсутствие химического недожога отнюдь не свидетельствует о высокой эффективности и экологичности использования топлива в котлоагрегатах. Максимум КПД и минимальная токсичность продуктов сгорания для большинства отечественных котлов регистрируются при концентрации СО на уровне 200¸400 мг/м3.

2.   Метод сжигания топлива с регулируемым остаточным химнедожогом на указанном уровне может дать высокий энерго-экологический эффект. Причем установленный диапазон регулирования остаточного химнедожога практически одинаков для всех типов исследованных отечественных ГГУ.

3.   В качестве критической при наладочных работах может быть рекомендована концентрация СО около 500 мг/м3. При более высокой концентрации может значительно возрастать выход Н2, СН4, бенз(а)пирена, формальдегида и других продуктов незавершенного горения.

4.   При наладке котлов с обычной системой автоматики регулирования (без газового анализа) рекомендуемое эксплуатационное отступление от найденного критического режима по коэффициенту избытка воздуха в большую сторону составляет 0,02¸0,03.

5.   Максимальная эффективность от внедрения метода сжигания топлива в области РОХН может быть получена только при использовании автоматического регулирования соотношения «топливо-воздух» на основе непрерывного контроля состава продуктов сгорания.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.   Новиков О.Н., Артамонов Д.Г., Шкаровский А.Л., Кочергин М.А., Окатьев А.Н. Энерго-экологическая оптимизация сжигания топлива в котлах и печах регулированием соотношения топливо-воздух. // Промышленная энергетика, 2000. - № 5. – С. 57-60.

2.               Снижение выброса окислов азота с помощью регулируемого остаточного химического недожога / Барышев В.И., Белосельский Б.С., Зенькевич Л.А., Шпилевская Л. И. // Теплоэнергетика, 1996.– № 4.– с. 58–60.

3.               Трембовля В. И., Фингер Е. Д., Авдеева А. А. Теплотехнические испытания котельных установок. – М.: Энергоатомиздат, 1991.– 416 с.

4.   ГОСТ 10617-83. Котлы отопительные теплопроизводительностью от 0,1 до 3,15 МВт.

5.   ГОСТ 20548-87. Котлы отопительные водогрейные теплопроизводительностью до 100 кВт.

6.               Безруких В.Ю. Выбор оптимальных параметров газовоздушной смеси в прямоточных горелочных устройствах котлов малой мощности с целью экономии топлива и снижения выбросов вредных веществ: Дис… канд. техн. наук / ЛИСИ.– Л., 1988.– 212 с.

7.               Шкаровский А.Л., Кочергин М.А. К вопросу о допустимом уровне химнедожога при сжигании органического топлива // Газинформ, 2003. - № 3. – С. 20-22.