Расчёт выбросов вредных веществ тепловых электростанций

Расчеты природоохранного оборудования ТЭС

Методические указания к практическим занятиям

Новочеркасск 2003

УДК 504.06: 621.311.22 (076.5)

Рецензент канд. техн. наук В.М. Горбачев

Составители: Ефимов Н.Н., Коломийцева А.М., Федорченко Г.С.

Расчеты природоохранного оборудования ТЭС: Метод. указания к практ. занятиям / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск:
ЮРГТУ, 2003. 44 с.

Указания включают расчеты выхода вредных веществ, выбор и расчет различных типов золоуловителей, сухих и мокрых способов сероулавливания, выбор способа борьбы с образованием оксидов азота, расчет основных конструктивных размеров и определение эффективности использования схем природоохранного оборудования.

Предназначены для студентов, изучающих дисциплину «Природоохранные технологии на ТЭС».

© Южно-Российский государственный технический университет, 2003

© Ефимов Н.Н., Коломийцева А.М.,
Федорченко Г.С., 2003

Введение

Тепловые электростанции стали одним из основных источников вредных выбросов таких веществ, как летучая зола, окислы серы и азота, окислы ванадия, хлористофтористые соединения, бенз(а)пирен и многие другие. На ТЭС требуется установка специального оборудования для борьбы с этими выбросами или организация оптимального режима работы котла с тем, чтобы эти вещества не образовывались.

Указания включают в себя расчеты выхода вредных веществ, выбор и расчет золоуловителей различных типов (сухих, мокрых и электрофильтров), сухих и мокрых способов сероулавливания, выбор способа борьбы с образованием окислов азота и расчет эффективности этого способа.

Исходными данными для расчета являются: топливо (марка, номер [1]); паропроизводительность и тепловая нагрузка котла. Остальные необходимые данные для расчета выбираются из таблиц, приведенных в методических указаниях и в работе [1]. Некоторые величины в процессе расчета необходимо принимать после консультации с проподавателем.

Пояснительная записка к работе оформляется в соответствии с требованием по оформлению текстовой документации, установленными ГОСТами и стандартами.

Задание 1

РАСЧЁТ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

1.1. Суммарное количество летучей золы и несгоревшего топлива , кг/с, выходящих из котлов и направляемых в золоуловители:

,

где – зольность топлива на рабочую массу, %, [1];

– доля золы, уносимая газами из котла, %, [1];

– потери теплоты с механическим недожогом, %, [1];

– низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг, [1];

– доля золы, улавливаемой в золоуловителе, ,

здесь расход топлива, В, кг/с, определяется по формуле

,

где – теплота, вырабатываемая котлом, кДж/с;

– низшая теплота сгорания топлива; часто принимают ,

здесь – располагаемая теплота топлива, кДж/кг;

– КПД котельного агрегата, принимаем .

1.2. Количество оксидов серы SO₂ и SO₃ в пересчёте на SO₂, образующихся в котле, кг/с:

,

где – содержание серы на рабочую массу, %, [1, табл. 1];

– доля оксидов серы, связываемых летучей золой в котле; ориентировочные значения при факельном сжигании некоторых видов топлив приведены в табл. 1.1;

– доля оксидов серы, попутно улавливаемых в мокрых золоуловителях; величину можно определить по рис. 1.1,

здесь – приведённая сернистость топлива, %·кг/кДж.

Рис. 1.1. Значение

Таблица 1.1

Значения при факельном сжигании различных топлив

Вид топлива	h¢SO2
Экибастузский уголь	0,02
Березовские угли Канско-Ачинского бассейна: – для топок с твёрдым шлакоудалением – для топок с жидким шлакоудалением	0,5 0,2
Другие угли Канско-Ачинского бассейна: – для топок с твёрдым шлакоудалением – для топок с жидким шлакоудалением	0,2 0,05
Сланцы эстонские и ленинградские	0,8
Сланцы других месторождений	0,5
Угли других месторождений	0,1
Торф	0,15
Мазут	0,02
Газ	0,001

1.3. Количество оксидов азота , образующихся в котле, в пересчёте на диоксид азота NO₂, кг/с, определяется по уравнению

*0,01 ,

где – коэффициент, характеризующий выход окислов азота на 1т условного топлива, при номинальной паропроизводительности котлов коэффициент равен

,

здесь – фактическая паропроизводительность котла, т/ч,

,

где – энтальпия пара на выходе из котла определяется по давлению и температуре [1, табл. 25];

– энтальпия питательной воды, кДж/кг, принимаем ;

– коэффициент, учитывающий влияние качества топлива на выход окислов азота (см. ниже п. 1.4);

– коэффициент, учитывающий конструкцию горелок (для вихревых горелок , для прямоточных – );

– коэффициент, учитывающий вид шлакоудаления котла; при твёрдом шлакоудалении , при жидком – ;

– коэффициент, характеризующий эффективность воздействия рециркулирующих газов в зависимости от условий подачи их в топку (см. ниже п. 1.5);

– коэффициент, характеризующий снижение выбросов оксидов азота в случае подачи части воздуха d помимо основных горелок (при двухступенчатом сжигании) при условии сохранения общего избытка воздуха за котлом (рис. 1.2.);

d – доля воздуха, подаваемого во второй или третий ярус сопел при ступенчатом сжигании топлива, %,

,

здесь – выход летучих на горючую массу, % [1, табл. 1];

r – степень рециркуляции дымовых газов, %, принимаем r, равную 0–15%, [1].

Рис 1.2. Значение коэффициента

1.4. Величина определяется по следующим формулам:

– при сжигании твёрдых топлив:

при ,

при ,

где – содержание азота в топливе на рабочую массу, %, [1, табл. 1];

– при сжигании жидкого и газообразного топлива:

при ;

при ;

при ;

где a – коэффициент избытка воздуха в топочной камере котла [1];

– при сжигании двух видов топлива величина определяется как средневзвешенная:

,

где , – соответственно коэффициенты и расходы топлив B для каждого из топлив. Если расход одного из сжигаемых топлив не превышает 10%, то коэффициент можно принимать по основному топливу.

1.5. Значение коэффициента при номинальной нагрузке и r менее 20 % принимается равным:

– при высокотемпературном сжигании твёрдых топлив и вводе рецирклирующих газов:

• в первичную аэросмесь ;

• во вторичный воздух ;

– при низкотемпературном сжигании твёрдого топлива менее 1500 °С и твёрдом шлакоудалении ;

– при сжигании газа и мазута и вводе рециркулирующего газа:

• в под топки (горелки расположены на вертикальных экранах) ;

• через шлицы под горелками ;

• по наружному каналу горелок ;

• в воздушное дутьё и рассечку двух воздушных потоков .

Задание 2

РАСЧЕТ ОДИНОЧНОГО ЦИКЛОНА

Одиночные циклоны (рис. 2.1.) могут применяться на котлах малой производительности ( т/ч) и отопительных котельных, сжигающих твёрдое топливо. В энергетике чаще всего применяют два типа циклонов: НИИОГАЗ (рис.2.2, а) и ВЦНИИОТ (рис. 2.2, б).

Рис. 2.1. Конструкционная схема одиночного циклона:

1 – запыленный газ; 2 – очищенный газ; 3 – отложения твердых частиц;
4 – выход отходов

Алгоритм расчёта одиночного циклона приведён ниже.

2.1. Обозначения и пояснения по выбору и расчёту:

2.2. Расчёт одиночного циклона производится в следующем порядке.

1) Тип и марка циклона задается преподавателем.

2) Оптимальную скорость газов подбирают по табл. 2.1. и 2.2.:

где , – оптимальная и действительная скорости газов, м/с;

3) Площадь сечения циклона определяется по формуле

,

где – объёмный расход уходящих газов, м³/с, определяется по формуле

,

здесь – коэффициент избытка воздуха [1];

– теоретически необходимое количество воздуха, м³/кг [1];

В – расход топлива на котёл, кг/с;

– количество потоков, на которых устанавливаются циклоны; на котлах малой паропроизводительности , (в случае несоблюдения нижестоящего неравенства принимаем большие значения, ).

а)

б)

Рис. 2.2. Типы одиночные циклонов:

а – ЦН (НИИОГаз); б – ВЦНИИОТ

Таблица 2.1

Характеристики циклонов типа НИИОГАЗ

Параметры	ЦН-11	ЦН-15	ЦН-15У	ЦН-24	СДК-ЦН-33	СК-ЦН-34	СК-ЦН-34М
Теоретический диаметр частиц золы, осаждаемых в циклоне с эффективностью 50%, , мкм	3,65	4,5	6,0	8,5	2,31	1,95	1,13
Параметр	0,352	0,352	0,283	0,308	0,364	0,308	0,340
Оптимальная скорость газов, , м/с	3,5	3,5	3,5	4,5	2,0	1,7	2,0

Величина определена при м/с, диаметре циклона м, плотности кг/м³, динамической вязкости Па·с.

Таблица 2.2

Характеристики циклонов типа ВЦНИИОТ и другие

Параметры	Марка циклона
СИОТ	ВЦНИИОТ	Ц	“Клайнеда”
Теоретический диаметр частиц золы, осаждаемых в циклоне с эффективностью 50%, , мкм	2,6	8,6	4,12	3,1
Параметр	0,28	0,32	0,34	0,25
Оптимальная скорость газов, , м/с	1,00	4,0	3,3	1,1
Коэффициент сопротивления одиночного циклона, z

Величина определена для условий: в соответствии со значениями из табл.2; диаметр циклона м; плотность кг/м³; динамическая вязкость Па·с.

4) Диаметр циклона, м, определяется по формуле

.

Таблица 2.3

Коэффициент сопротивления циклонов ( мм, м/с)

Марка циклона	Диаметр циклона, D	Без дополнительных устройств	С выходной улиткой	С отводом 90°, R/d=1.5
ЦН-11	0,59
ЦН-15	–
ЦН-15У	–
ЦН-24	–
СДК-ЦН-33	0,33				–
СК-ЦН-34	0,34			–	–	–
СК-ЦН-34М	0,22	–		–	–	–

5) Коэффициент гидравлического сопротивления, z, выбирается в зависимости от типа циклона. Для циклона типа ВЦНИИОТ определяется по табл. 2.2. Для циклона типа НИИОГАЗ коэффициент гидравлического сопротивления z определяется в соответствии со следующими пунктами:

1. Коэффициент сопротивления условного одиночного циклона диаметром 500 мм (индекс “с” означает ( ), что циклон работает в гидравлической сети; “п” - без сети ( ), т.е. на выход в атмосферу) определяется по табл. 2.3; выбор устройства для циклона типа НИИОГАЗ осуществляется студентом индивидуально.

Таблица 2.4

Поправочный коэффициент k₁, учитывающий диаметр циклона

Диаметр, м	Марка циклона
ЦН-11	ЦН-15; ЦН-15У; ЦН-24	СКД-ЦН-33; СК-ЦН-34; СК-ЦН-34М
0,15	0,94	0,85	1,0
0,20	0,95	0,90	1,0
0,30	0,96	0,93	1,0
0,45	0,99	1,0	1,0
0,50	1,0	1,0	1,0

Примечание: для всех циклонов, диаметр которых больше 500 мм коэффициент k₁ принимаем равным 1,0.

Таблица 2.5

Поправочный коэффициент k₂, учитывающий запылённость газов
( м)

Марка циклона	Запылённость ,103 кг/м3
ЦН-11		0,96	0,94	0,92	0,90	0,87	0,85
ЦН-15		0,93	0,92	0,91	0,90	0,87	0,86
ЦН-15У		0,93	0,92	0,91	0,89	0,88	0,87
ЦН-24		0,95	0,93	0,92	0,90	0,87	0,86
СКД-ЦН-33		0,81	0,785	0,78	0,77	0,76	0,745
СК-ЦН-34		0,98	0,947	0,93	0,915	0,91	0,90
СК-ЦН-34М		0,99	0,97	0,95	–	–	–

Таблица 2.6

Поправочный коэффициент k₃ для группы циклонов ЦН

Характеристика группового циклона	k3
Групповая компоновка, нижний организованный подвод
Прямоугольная компоновка, циклонные элементы расположены в одной плоскости. Отвод из общей камеры чистого газа
Тоже, но улиточный отвод из циклонных элементов
Прямоугольная компоновка. Свободный подвод в общую камеру

2. Поправочные коэффициенты на диаметр циклона, запылённость газа, компоновку в группу выбираются по следующим таблицам:

k₁ – табл. 2.4; k₂ – табл. 2.5; k₃ – табл. 2.6

Для определения коэффициента k₂ необходимо найти запылённость потока газа , г/м³ , по следующей формуле:

,

где – количество уносимой золы в потоке газа, г/с, определяется как

,

здесь – рабочая зольность топлива, % [1];

– потери теплоты от механического недожёга, % [1];

– доля твёрдых частиц, уносимых из котла [1];

– КПД золоулавливания; при расчёте величина .

Поправочный коэффициент k₃ определяется для любой характеристики группового циклона.

3. Коэффициент гидравлического сопротивления определяется по формуле

6) Потери давления:

,

где – плотность газов при рабочих температурах кг/м³,

,

здесь , – плотность и температура газов при заданных условиях, при °С можно принять кг/м³;

– рабочая температура газов, обычно принимают °С.

7) Параметры , определяют по табл. 2.1, 2.2.

8) Действительный параметр определяют по формуле

,

где , – динамическая вязкость газов теоретическая и рабочая, Па·с, при неизвестной величине отношение принимаем равным 1.

– рабочая плотность частицы золы, кг/м³, обычно кг/м³;

– теоретическая плотность частицы золы, кг/м³;

, – теоретический и действительный диаметр частиц золы, осаждаемых в циклоне с эффективностью 50 %;

– теоретический диаметр циклона, принимаем м;

– теоретическая скорость газов, принимаем м/с;

Таблица 2.7

Фракционный состав летучей золы некоторых топлив

Тип топлива	Тип мельницы		Фракционный состав золы, %
Размер частиц (предельные/средние), мкм
					>60
Донецкий АШ	ШБМ	26,1
Донецкий Т	36,8
Кузнецкий Т	9,9
Кемеровский	23,3		29,5	22,5
Экибазстузский	ШБМ	24,5				8,3	6,7
ММ	45,5	5,5	19,5	20,7	8,3	12,2	33,8
Челябинский Б	ШБМ	27,6	6,5		25,5
Подмоск. Б	19,8		31,5	23,5
Челябинский Б	ММ	24,8			27,5		12,5
Подмоск. Б
Ткварчельский КУ	ШБМ	25,1	4,5	23,5	32,5	8,4	9,1	22,0
СМ	43,1
Интинский КУ	ММ	20,1	7,5	29,5
СМ	23,9	7,5	26,5
Воркутинский	ММ	18,3	9,5	33,5
СМ	18,4	9,5	33,5
Ленинский	ММ	36,0	3,5	13,5
Александрийский	23,4
Канский	28,5
Фрезерн.торф

9) Параметры , , определяются по следующим формулам:

;

;

,

где – размеры частиц золы, улавливаемых с эффективностью 84,1%.

10) Параметр х рассчитывают по формуле

,

– размер частиц, при котором количество частиц крупнее равно количеству частиц мельче , величину можно найти по фракционному составу летучей золы заданного топлива (табл.2.7).

Таблица 2.8

Коэффициент эффективности улавливания золы, %.

х		х		х		х

–2,70	0,35
–2,50	0,62
–2,30	1,07
–2,10	1,79
–1,98	2,39
–1,94	2,62
–1,90	2,88
–1,86	3,14
–1,82	3,44
–1,78	3,75
–1,74	4,09
–1,70	4,46
–1,66	4,85
–1,62	5,26
–1,58	5,71
–1,54	6,18
–1,50	6,68
–1,46	7,21
–1,42	7,78
–1,38	8,38
–1,34	9,01
–1,30	9,68
–1,26	10,38
–1,22	11,12
–1,18	11,90
–1,14	12,71
–1,10	13,57
–1,06	14,46
–1,02	15,39
–1,00	15,87
–0,96	16,85
–0,92	17,88
–0,88	18,94
–0,84	20,05
–0,80	21,19
–0,76	22,36
–0,72	23,58
–0,68	24,83
–0,64	26,11
–0,60	27,43
–0,56	28,77
–0,52	30,15
–0,48	31,56
–0,44	33,00
–0,40	34,46
–0,36	35,94
–0,32	37,45
–0,28	38,97
–0,24	40,52
–0,20	42,07
–0,16	43,64
–0,12	45,22
–0,08	46,81
–0,04	48,40
0,00	50,00
0,02	50,80
0,06	52,39
0,10	53,98
0,12	54,78
0,16	56,36
0,2	57,93
0,24	59,48
0,28	61,03
0,32	62,55
0,36	64,06
0,4	65,54
0,44	67,0
0,48	68,44
0,52	69,85
0,56	71,23
0,60	72,57
0,64	73,89
0,68	75,17
0,72	76,42
0,76	77,64
0,80	78,81
0,84	79,95
0,88	81,06
0,92	82,12
0,96	83,15
1,00	84,13
1,04	85,08
1,08	85,99
1,12	86,86

Продолжение табл. 2.8

1,16	87,70
1,20	88,49
1,24	89,25
1,26	89,62
1,3	90,32
1,32	90,66
1,34	90,99
1,38	91,62
1,42	92,22
1,46	92,79
1,48	93,06
1,52	93,57
1,54	93,82
1,58	94,29
1,60	94,52
1,64	94,95
1,68	95,35
1,70	95,54
1,74	95,91
1,76	96,08
1,80	96,41
1,84	96,71
1,86	96,86
1,90	97,13
1,92	97,26
1,96	97,50
2,00	97,72
2,10	98,21
2,30	98,93
2,40	99,18
2,50	99,38
2,70	99,65

11) Коэффициент эффективности очистки газов определяется по
табл. 2.8.

12) По окончании расчёта полученное значение следует сравнить с требуемой величиной . Если оказывается меньше необходимой, то следует выбрать другой тип циклона с большим значением гидравлического сопротивления.

Задание 3