Способ автоматического регулирования процесса горения в тепловом агрегате

Изобретение относится к энергетике. Способ автоматического регулирования процесса горения в тепловом агрегате, включающий для всех нагрузок с помощью датчиков измерения расхода топлива и воздуха, газоанализаторов измерения концентрации оксидов азота и углерода в уходящих в атмосферу дымовых газах, определение суммарной допустимой условной токсичности выбросов, определение разности превышений условной токсичности выбросов над ее допустимым нормативным значением и использование этой разности в качестве корректирующего сигнала. В настоящем способе с помощью дополнительного устройства в воду перед топкой вводят озон, с помощью дополнительного газоанализатора измеряют концентрацию озона в воде перед топкой, с помощью дополнительного датчика измеряют температуру в зоне активного горения, с помощью дополнительного газоанализатора измеряют концентрацию кислорода в зоне активного горения, с помощью дополнительного газоанализатора измеряют концентрацию метана на выходе из топки, причем суммарную допустимую условную токсичность выбросов определяют с учётом влияния вышеуказанных параметров. Изобретение позволяет снизить суммарную токсичность выбросов в атмосферу загрязняющих веществ в уходящих дымовых газах. 1 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а конкретнее к автоматическому регулированию процессом горения топлив в условиях необходимости обеспечения требуемых нормативных значений экологических характеристик тепловых агрегатов, и может найти применение преимущественно в котельных установках тепловых электростанций и промышленных предприятий теплоснабжения.

Известен способ автоматического регулирования процессов горения топлива в газомазутном паровом котле путем изменения расходов воздуха и рециркулирующих газов по содержанию кислорода в дымовых газах [Автоматизация крупных тепловых электростанций. / Под ред. Шальмана М.П. - М.: Энергия, 1974, с.105-112].

Этот способ не позволяет обеспечить минимальный выход оксидов азота и других токсичных компонентов с продуктами сгорания топлива.

Известен способ автоматического регулирования процесса горения в топке газомазутного парового котла, в котором снижение выбросов оксидов азота достигается путем корректировки расхода воздуха и рециркулирующих газов по сигналам, поступающим отдатчиков концентрации азота и топлива в топке [Авторское свидетельство СССР №850995, кл. F23N 1/04, публикация 30.07.1981].

Недостатком этого способа является то, что возможности этого способа по снижению суммарной токсичности выбросов с продуктами сгорания топлив весьма ограничены. Это связано с тем, что при значительном снижении концентрации оксидов азота в топке котла, как известно, образуются продукты неполного сгорания топлива (например, оксид углерода) и канцерогенные вещества, представленные в основном бенз(а)пиреном. Выход продуктов неполного сгорания топлив и канцерогенных веществ особенно проявляется при применении получившего распространение двухступенчатого сжигания топлив. Поэтому при сжигании топлив для устранения недостатка прототипа требуется минимизировать не концентрацию оксидов азота в дымовых газах, а суммарную токсичность выбросов загрязняющих веществ, поскольку снижение выхода одних токсичных веществ влечет за собою в ряде случаев повышение содержания других.

Известен способ автоматического регулирования процесса горения в топках тепловых агрегатов, в котором снижение суммарной токсичности выбросов оксидов азота, оксида углерода и бенз(а)пирена достигается путем корректировки расхода воздуха и рециркулирующих газов по сигналам, поступающим от датчиков концентрации азота, оксида углерода и бенз(а)пирена в топке [Патент РФ №2027110, кл. F23N 1/04, публикация 20.01.1995]. Недостатком прототипа является то, что при вводе в топку рециркулирующих газов снижается концентрация оксидов азота, но существенно увеличиваются концентрации продуктов неполного сгорания топлива, в том числе и концентрация бенз(а)пирена.

Задачей заявляемого изобретения является повышение степени снижения суммарной токсичности выбросов в атмосферу в уходящих дымовых газах.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Способ автоматического регулирования процесса горения в тепловом агрегате, включающий для всех нагрузок с помощью датчиков измерения расхода топлива, воздуха, воды и температуры, газоанализаторов измерения концентрации озона в воде перед топкой, метана и кислорода в топке котельной установки, оксидов азота и углерода в уходящих в атмосферу дымовых газах, определение суммарной допустимой, условной токсичности выбросов, определение разности превышений условной токсичности выбросов над ее допустимым нормативным значением и использование этой разности в качестве корректирующего сигнала. С помощью дополнительного устройства в воду перед топкой вводят озон с концентрацией (1-1000) мг/м³, с помощью дополнительного газоанализатора измеряют концентрацию озона в воде перед топкой, с помощью дополнительного датчика измеряют температуру в зоне активного горения, с помощью дополнительного газоанализатора измеряют концентрацию кислорода в зоне активного горения, с помощью дополнительного газоанализатора измеряют концентрацию метана на выходе из топки, причем суммарную допустимую условную токсичность выбросов определяют по формуле

где $$A_{N{O}_x}$$ , A_CO, А_Б(а)П - показатель относительной агрессивности оксидов азота, углерода и бенз(а)пирена соответственно (усл. т/т), $$m_{N{O}_x}$$ , m_CO - масса выброса оксидов азота и углерода за принятый промежуток времени, т, $$C_{N{O}_x}$$ - концентрация оксида азота, мг/м³; $${С}_{Б\left(а\right)П}=\chi \cdot {\left[C_{C{H}_4}\right]}^{4,5}\cdot {\left[\frac{\left(\alpha -1\right)}{\alpha }\right]}^{-1,5}\cdot \exp \left[\frac{\epsilon }{T}\right]$$ , где С_Б(а)П - концентрация бенз(а)пирена, мг/м³; χ=1·10^-12 - эмпирический коэффициент, зависящий от типа котельной установки и условий сжигания топлива, (мг/м³)^-3,5; $$C_{C{H}_4}$$ - концентрация метана, мг/м³; Т - температура в зоне активного горения, К; ε=6000 - коэффициент, равный отношению энергии активации к величине газовой постоянной, К; V_Г - расход дымовых газов за принятый промежуток времени, м³/час; α - коэффициент избытка воздуха, причем уравнение справедливо для интервала коэффициента избытка воздуха 1,01<α<1,15.

Показатель относительной агрессивности составляет: для окиси углерода 1; для оксидов азота 41,1; для бенз(а)пирена 12,6·10⁸ [Патент РФ №2027110, кл. F23N 1/04, публикация 20.01.1995].

Это позволяет снизить суммарную токсичность выбросов в атмосферу загрязняющих веществ в уходящих дымовых газах.

Для примера заданы значения параметров котельного агрегата БКЗ-420-140: $$C_{N{O}_x}=210{\text{ мг/м}}^{\text{3}}$$ , C_CO=20 мг/м³, $$C_{C{H}_4}=8,34{\text{ мг/м}}^{\text{3}}$$ , V_Г=921600 м³/час, Т=1750 К, α=1,04. Определим суммарную допустимую условную токсичность выбросов, подставив значения в формулу

При этом допустимое нормативное значение токсичных выбросов для этой тепловой нагрузки равно 45,38 усл.т., следовательно, в качестве корректирующего сигнала будет использовано значение Δ=88,7-45,38=43,33 усл.т.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена система автоматического регулирования процесса горения в тепловом агрегате. Система содержит датчик 1 расхода топлива, датчик 2 расхода воды, датчик 3 расхода воздуха, газоанализатор 4 озона, датчик 5 температуры, газоанализатор 6 кислорода, газоанализатор 7 метана, газоанализатор 8 оксида азота, газоанализатор 9 оксида углерода, устройство 10 для расчета концентрации бенз(а)пирена, сумматор 11 условной токсичности выбросов; блок 12 расчета разности превышений условной токсичности выбросов над ее допустимым нормативным значением, задатчик 13 нормативной составляющей токсичности выбросов, основной регулятор 14, получающий сигналы с датчиков 1, 2, 3 и 4 расхода топлива, воздуха, воды и озона в воде перед топкой, исполнительные механизмы 17, 18, 19 и вторичный регулятор 15, третичный регулятор 16, тепловой агрегат 20 и дымосос 21. Вторичный регулятор 15 и третичный регулятор 16 обеспечивают соответствие расхода воды, воздуха и концентрации озона в воде перед топкой.

Предлагаемый способ автоматического регулирования процесса горения в тепловом агрегате 20 осуществляют следующим образом.

Для теплового агрегата, сжигающего органическое топливо, составляют нормативную характеристику суммарной токсичности выбросов с учетом режимов работы в пределах маневренности по нагрузке. При этом для всех нагрузок с помощью газоанализаторов 4, 6, 7, 8, 9 измеряют концентрации таких веществ, как озона, кислорода, метана, оксидов азота и оксида углерода. Определение выбросов бенз(а)пирена осуществляется посредством формулы в устройстве 10. По уровню валовых выбросов для каждой нагрузки определяют суммарную допустимую условную токсичность выбросов. Задатчик условной токсичности выбросов 13 настраивают по соответствующему уровню выбросов во всем интервале нагрузок теплового агрегата.

При изменении нагрузки агрегата отдатчика 1 расхода топлива, датчика 2 расхода воды, датчика 3 расхода воздуха, газоанализатора 4 озона поступает сигнал на регулятор 14, а от газоанализаторов 4, 6, 7, 8, 9, устройства 10 для расчета концентрации бенз(а)пирена поступает сигнал на сумматор 11 токсичности, выход которого сообщен с блоком расчета разности превышенной условной токсичности выбросов над допустимым уровнем, значение которого для соответствующей нагрузки агрегата устанавливают, задатчиком 13. Сформировавшийся сигнал в блоке 12 подается в основной регулятор 14, который дает управляющий сигнал на вторичный регулятор 15 и третичный регулятор 16, которые дают управляющий сигналы на исполнительные механизмы 17, 18, 19, которые в.свою очередь обеспечивают требуемое соотношение подачи воды, воздуха и концентрации озона в воде в топку котла 20. Таким образом, обеспечивается нормативный выброс загрязняющих веществ с продуктами сгорания топлива по условной токсичности. В качестве примера для реализации предлагаемого способа приведены такие токсичные компоненты дымовых газов, как оксиды азота, оксид углерода, бенз(а)пирен. В случае изменения состава токсичных выбросов система может быть настроена соответствующим образом на другие вещества.

Заявленное изобретение позволяет снизить суммарную токсичность выбросов в атмосферу загрязняющих веществ в уходящих дымовых газах.

Способ автоматического регулирования процесса горения в тепловом агрегате, включающий для всех нагрузок с помощью датчиков измерения расхода топлива и воздуха, газоанализаторов измерения концентрации оксидов азота и углерода в уходящих в атмосферу дымовых газах, определение суммарной допустимой условной токсичности выбросов, определение разности превышений условной токсичности выбросов над ее допустимым нормативным значением и использование этой разности в качестве корректирующего сигнала, отличающийся тем, с помощью дополнительного устройства в воду перед топкой вводят озон с концентрацией (1-1000) мг/м³, с помощью дополнительного газоанализатора измеряют концентрацию озона в воде перед топкой, с помощью дополнительного датчика измеряют температуру в зоне активного горения, с помощью дополнительного газоанализатора измеряют концентрацию кислорода в зоне активного горения, с помощью дополнительного газоанализатора измеряют концентрацию метана на выходе из топки, причем суммарную допустимую условную токсичность выбросов определяют по формуле
$$\begin{array}{l}M=A_{N{O}_x}\cdot m_{N{O}_x}+A_{CO}\cdot m_{CO}\cdot +A_{Б\left(а\right)П}\cdot {С}_{Б\left(а\right)П}\cdot V_{Г}=\\ =\left[A_{N{O}_x}\cdot C_{N{O}_x}+A_{CO}\cdot C_{CO}+A_{Б\left(а\right)П}\cdot \chi \cdot {\left[C_{C{H}_4}\right]}^{4,5}\cdot {\left[\frac{\left(\alpha -1\right)}{\alpha }\right]}^{-1,5}\cdot exp\left[\frac{\epsilon }{T}\right]\right]\cdot V_{Г}\cdot 10^{-9},усл.т.\end{array}$$
где $$A_{N{O}_x}$$ , A_СО, А_Б(а)П - показатель относительной агрессивности оксидов азота, углерода и бенз(а)пирена соответственно (усл. т/т), $$m_{N{O}_x}$$ , m_CO - масса выброса оксидов азота и углерода за принятый промежуток времени, т, $$C_{N{O}_x}$$ - концентрация оксида азота, мг/м³; $${С}_{Б\left(а\right)П}=\chi \cdot {\left[C_{C{H}_4}\right]}^{4,5}\cdot {\left[\frac{\left(\alpha -1\right)}{\alpha }\right]}^{-1,5}\cdot \exp \left[\frac{\epsilon }{T}\right]$$ , где С_Б(а)П - концентрация бенз(а)пирена, мг/м³; χ=1·10^-12 - эмпирический коэффициент, зависящий от типа котельной установки и условий сжигания топлива, (мг/м³)^-3,5; $$C_{C{H}_4}$$ - концентрация метана, мг/м³; Т - температура в зоне активного горения, К; ε=6000 - коэффициент, равный отношению энергии активации к величине газовой постоянной, К; V_Г - расход дымовых газов за принятый промежуток времени, м³/час; α - коэффициент избытка воздуха, причем уравнение справедливо для интервала коэффициента избытка воздуха 1,01<α<1,15.