Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор физико - технических методов подавления оксидов азота при сжигании природного газа в котельных установках 19
1.1 Образования оксидов азота при сжигании газооборазного топлива .19
1.2 Обзор методов снижения выбросов оксидов азота 26
1.2.1 Обзор топочных технологий подавления образования оксидов азота..
1.2.2 Обзор установок очистки дымовых газов от оксидов азота 32
1.3 Роль катализаторов в химических реакциях окисления при сжигании газообразного топлива 37
1.4 Выводы 42
2. Математический эксперимент совершенствования горелочных устройств для снижения токсичных продуктов сгорания 45
2.1 Теплофизика процессов горения природного газа в котельных установках 45
2.1.1. Физико - химические свойства процесса горения 45
2.1.2. Распространение пламени при сжигании горючей смеси 48
2.2 Определение местоположения нейтрализатора токсичных продуктов сгорания 50
2.3 Определение размера ячейки нейтрализатора токсичных продуктов сгорания 53
2.4 Определение толщины нейтрализатора токсичных продуктов сгорания 57
2.5 Выводы. 58
3. Экспериментальная установка исследования нейтрализатора токсичных продуктов сгорания .59
3.1 Схема экспериментальной установки исследования нейтрализатора токсичных продуктов сгорания 59
3.2 Методика исследования нейтрализатора токсичных продуктов сгорания 61
3.3 Результаты экспериментальных исследований по испытанию нейтрали затора токсичных продуктов сгорания 62
3.3.1 Исследование работы нейтрализатора в зависимости от площади ячеек 62
3.3.2 Исследование работы нейтрализатора в зависимости от количества слоев 66
3.3.3 Исследование работы нейтрализатора в зависимости от расстояния между насадком газовой горелки и нейтрализатором 69
3.4 Метрологические характеристики экспериментального исследования нейтрализатора токсичных продуктов сгорания 73
3.4.1 Классификация погрешностей средств измерений 73
3.4.2 Погрешность и надёжность измерений технических характеристик продуктов сгорания 76
3.5 Выводы 78
4. Практическое использование нейтрализатора токсичных продуктов сгорания в горелочных устройствах котелных установок систем теплоснабжения 79
4.1 Устройство и работа газовой горелки с нейтрализатором токсичных продуктов сгорания 79
4.2 Схема и описание работы промышленной экспериментальной установки 81
4.3 Методика проведения физического эксперимента работы нейтрализатора токсичных продуктов сгорания 85
4.4 Результаты испытаний работы газогорелочного устройства совместно с нейтрализатором токсичных продуктов сгорания 87
4.4.1 Исследование работы нейтрализатора в зависимости от площади ячеек 87
4.4.2 Исследование работы нейтрализатора в зависимости от количества слоев 90
4.4.3 Исследование работы нейтрализатора токсичных продуктов сгорания в зависимости от расстояния между насадком газовой горелки и нейтрализатором 92
4.5 Исследование работы автономной универсальной топливной печи котла для отопления помещений с использованием нейтрализатора токсичных продуктов сгорания 96
4.6 Выводы 99
5. Схема и описание экспериментальной установки корпускулярного легирования горелочных устройств 101
5.1 Обзор установок ионного легирования 101
5.2 Схема и описание работы установки корпускулярного легирования. 108
5.3 Методика нанесения покрытия методом корпускулярного легирования 113
5.4 Исследование каталитического слоя нейтрализатора токсичных продуктов сгорания 116
5.5 Выводы 120
Заключение 121
Приложения 123
Библиографический список 133
- Роль катализаторов в химических реакциях окисления при сжигании газообразного топлива
- Определение местоположения нейтрализатора токсичных продуктов сгорания
- Методика исследования нейтрализатора токсичных продуктов сгорания
- Схема и описание работы промышленной экспериментальной установки
Введение к работе
Актуальность работы. В отопительных, промышленных котельных систем теплоснабжения при сжигании различных видов органического топлива в атмосферу поступает значительное количество вредных токсичных и канцерогенных веществ. Одним из наиболее вредных компонентов продуктов сгорания органических топлив, учитывая их токсичность и массовый выброс, являются оксиды азота. Уровень их эмиссии в настоящее время является одним из основных технико-экономических показателей паровых и водогрейных котлов систем теплоснабжения.
Для повышения эффективности работы котлов систем теплоснабжения в рамках Государственной научно – технической программы России «Экологически чистая энергетика» предложены различные технологические мероприятия. Одним из них является разработка мероприятий по совершенствованию работы горелочных устройств в котельных установках систем теплоснабжения и снижения токсичных продуктов сгорания.
Для подавления оксидов азота предлагается использовать нейтрализатор токсичных продуктов сгорания с применением нанотехнологий ионной имплантации, которая позволяет получать каталитические характеристики материалов экономичным способом.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.
Цель работы – оптимизация работы котельных установок систем теплоснабжения путем снижения вредных выбросов от сжигания органического газообразного топлива с использованием нейтрализатора токсичных продуктов сгорания.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
теоретическое обоснование применения катализаторов для снижения токсичных продуктов сгорания при сжигании органического топлива газогорелочными устройствами котельных установок систем теплоснабжения;
разработка конструкции нейтрализатора токсичных продуктов сгорания для котельных установок систем теплоснабжения;
разработка экспериментальной установки исследования эффективности работы нейтрализатора токсичных продуктов сгорания;
экспериментальное исследование по определению рациональных геометрических размеров и местоположения нейтрализатора токсичных продуктов сгорания;
разработка теоретических и практических предложений по применению нейтрализатора токсичных продуктов сгорания в котельных установках систем теплоснабжения;
разработка установки для нанесения каталитического покрытия на нейтрализатор токсичных продуктов сгорания.
Основная идея работы состоит в использовании в котельных установках систем теплоснабжения модернизированных горелочных устройств с нейтрализатором токсичных продуктов сгорания, снижающих токсичные продукты сгорания при сжигании газообразного топлива.
Методы исследования: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов по сжиганию органического топлива и снижению токсичных выбросов, физико-математическое моделирование геометрических параметров устройства для снижения токсичных продуктов сгорания, процессов корпускулярного легирования, экспериментальные исследования в лабораторных и промышленных условиях действующего производства нейтрализатора токсичных продуктов сгорания, математическая обработка результатов эксперимента.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций основана на применении классических положений теоретического анализа, моделирования изучаемых процессов, подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных результатов экспериментальных исследований, проведённых в лабораторных и производственных условиях.
Научная новизна работы:
для совершенствования работы котельных установок систем теплоснабжения разработана конструкция нейтрализатора токсичных продуктов сгорания с целью подавления оксидов азота при сжигании органического газообразного топлива газогорелочными устройствами;
с целью оптимизации работы газогорелочных устройств систем теплоснабжения разработана методика исследования эффективности работы нейтрализатора токсичных продуктов сгорания на базе бытовой горелки;
разработана методика исследования промышленного образца нейтрализатора токсичных продуктов сгорания на базе котлоагрегата КСВа 2 Гс ВК21;
впервые получены зависимости эффективности работы нейтрализатора от местоположения и геометрических параметров: площади ячеек, количества слоев и расстояния между ними;
Практическое значение работы:
для котельных установок систем теплоснабжения разработана и защищена патентом конструкция горелочного устройства с нейтрализатором токсичных продуктов сгорания (патент RU 86282 U1 МПК F23 D 14/12);
для котельных установок систем теплоснабжения разработаны защищенная патентом установка для нанесения каталитических покрытий (№2010113619/20(019203); заявл.07.04.2010) и методика нанесения каталитического покрытия на нейтрализатор токсичных продуктов сгорания.
для совершенствования систем теплоснабжения разработаны лабораторная и промышленная экспериментальные установки исследования эффективности работы нейтрализатора токсичных продуктов сгорания;
промышленные исследования в котельной ООО «Волгоградтрансгаз» позволяют рекомендовать использование нейтрализатора токсичных продуктов сгорания для снижения оксидов азота при сжигании органического газообразного топлива в котельных систем теплоснабжения;
разработанные рекомендации по применению нейтрализатора токсичных продуктов сгорания позволяют оптимизировать работу теплогенерирующих установок систем теплоснабжения;
результаты исследования внедрены в условия действующего производства, получены экологический и экономический эффекты с выдачей рекомендаций для дальнейшей работы в условиях производства.
Реализация результатов работы. Результаты исследовательской работы использованы ООО «Газпром трансгаз Волгоград» при эксплуатации теплогенерирующих установок в котельной ООО «Волгоградтрансгаз».
Материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс при подготовке инженеров по специальностям 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция», 140106 « Энергообеспечение предприятий» ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях», «Источники теплоты систем теплоснабжения».
На защиту выносятся:
теоретическое обоснование применения катализаторов для снижения токсичных продуктов сгорания при сжигании органического топлива газогорелочными устройствами котельных установок систем теплоснабжения;
экспериментальные установки и методики исследования эффективности работы нейтрализатора токсичных продуктов сгорания;
результаты лабораторного эксперимента по исследованию концентрации продуктов сгорания дымовых газов бытовой газовой горелки после применения нейтрализатора в зависимости от местоположения и геометрических параметров: площади ячеек, количества слоев и расстояния между ними;
результаты исследования работы нейтрализатора в промышленных условиях на котлоагрегате типа КСВа – 2Гс ВК21;
конструкция горелочного устройства с нейтрализатором токсичных продуктов сгорания;
установка для нанесения каталитических покрытий и методика нанесения каталитического покрытия на нейтрализатор токсичных продуктов сгорания газогорелочных устройств котельных установок.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись и докладывались на Международной научно - технической конференции «Энергетика - 2008: инновации, решения, перспективы», г. Казань; на VI юбилейной международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2008»,г. Калининград; IX Международной научно - практической конференции «Проблемы энергоснабжения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах»,2008 г., Пенза; на VI Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» 2008 г.,Волгоград; на международной науч. – практич. конференции «Повышение безопасности энергетических комплексов, эффективности охраны труда и экологичности технологических процессов» 2010 г., Астрахань; на VIII Международной науч. конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» 2010 г., Самарканд.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 15 работ, в том числе один патент, четыре работы по списку ВАК, а также в материалах международных и всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объём - 148 страниц, в том числе: 34 рисунка на 32 страницах; 16 таблиц на 18 страницах, список литературы из 154 наименований на 16 страницах.
Роль катализаторов в химических реакциях окисления при сжигании газообразного топлива
Катализом называется изменение скорости химической реакции при воздействии веществ, названных катализаторами, которые участвуют в реакции (вступают в промежуточное взаимодействие с реагирующими веществами) и возвращаются в исходное состояние после завершения химического превращения.
Из существующих видов катализа (гомогенный, гетерогенный и ферментативный) наиболее распространен и эксплуатируется гетерогенный катализ, протекающий на границах раздела фаз, образуемых катализатором и реагентом [63 - 66].
Научные исследования гетерогенного катализа начались в конце 19-го начала 20-го веков с работ по дегидратации спиртов и по разложению аммиака пероксида водорода на различных твердых телах. В 19 веке открыты многие гетерогенные каталитические процессы, а с 20-го века началось активное изучение механизма гетерогенного катализа, что определялось потребностями развития химической технологии.
Наиболее плодотворной для создания современного представления о гетерогенном катализе явилась идея Д. Менделеева, позднее развитая Н. Зелинским, о совместном воздействии физических и химических свойств поверхности катализатора на превращаемые молекулы. В середине 19 века А. Ходневым было выдвинуто представление об образовании промежуточных поверхностных соединений, роль которых наиболее последовательно рассмотрено в конце 19-го и начале 20-го веков П. Сабатье [66].
Современные теории гетерогенного катализа основаны на квантово-химических расчетах структуры и реакционной способности образующихся на поверхности комплексов и экспериментальном исследовании кинетики элементарных стадий.
В гетерогенных реакциях взаимодействие веществ, происходит на поверхности раздела фаз, и чем больше площадь, этой поверхности, тем выше скорость реакции. Поэтому отличительным свойством многих гетерогенных катализаторов является большая площадь их поверхности, которая может достигать 500 м2на 1 грамм катализатора.
Каталитическими свойствами обладают в той или иной степени практически все химические элементы и вещества - сами по себе или, чаще, в различных сочетаниях. Многие гетерогенные катализаторы содержат металлы. Металлы, относящиеся к VIII группе периодической системы элементов, обладают каталитической активностью сами по себе. Их каталитическая активность определяется электронной конфигурацией и симметрией d-орбиталей поверхностных атомов металла. Но большинство металлов проявляют каталитические свойства, находясь в составе соединений [65, 66].
Механизм действия гетерогенного катализатора заключается в том, что на поверхности любого кристаллического вещества свойства атомов отличаются от свойств атомов, находящихся внутри кристаллической решетки в силу нескомпенсированности воздействий со стороны других атомов. Поэтому поверхностные атомы в твердых телах стремятся компенсировать свою ненасыщенность взаимодействием с молекулами газов (или жидкостей), окружающих кристалл. Молекулы газа (или жидкости) адсорбируются на поверхности кристалла, что приводит к перераспределению электронной плотности в молекулах реагента и ослаблению химической связи в них, вследствие чего такая молекула становится более способной вступать в реакции.
В гетерогенном катализе такие поверхностные химические соединения играют роль промежуточных активных форм (активных центров). Эти вещества не представляют собой.отдельную объемную фазу, а образуются в результате хемосорбции молекул на поверхности катализатора [64 — 67].
Любая каталитическая реакция включает по крайней мере две стадии: 1) взаимодействие активного центра с молекулой реагента и образование промежуточного соединения; 2) распад промежуточного соединения с образованием продуктов реакции и «свободного» активного центра Последний вновь вступает во взаимодействие с молекулами исходных веществ.
Таким образом, механизм гетерогенно - каталитических реакций является сложным и включает в себя как стадии хемосорбции и десорбции, так и стадии, протекающие в поверхностном слое катализатора.
Механизм реакции, протекающий без катализатора и в его присутствии, схематично показан на рис. 1.8 [65].
Из анализа кривых на рис. 1. 8 видно, что в присутствии катализатора система вместо одного барьера, характеризуемого высокой энергией активации Е], преодолевает два низких Е2,Е2 что может ускорить реакцию на много порядков и чем ниже высота барьера, тем больше скорость реакции в соответствии с уравнением Аррениуса: где v - скорость реакции, м/с, к— константа скорости химической реакции, р - парциальное давление, Па, п — порядок реакции, Е - энергия активации, Дж/моль, R — газовая постоянная, равная 1,987 кал/град-моль, Т - температура в градусах шкалы Кельвина, е — основание натуральных логарифмов.
Определение местоположения нейтрализатора токсичных продуктов сгорания
Газогорелочные устройства котлов относятся в основном к устройствам, обеспечивающим частичное смешение газа с воздухом в амбразуре и выгорание в несветящемся (или слабосветящемся) факеле. При этом сжигание газа осуществляется в вихревом (закрученном) потоке, обеспечивающем уменьшение длины факела, хорошие условия стабилизации пламени. Модель факела вихревой горелки представляет собой сложную картину. Учитывая тот факт, что турбулентное горение в целом недостаточно изучено, равно как и характер движения газа в турбулентном потоке, на рис. 2.2 приведена примерная схема факела [83 - 86]. На начальном участке LH происходит молярное перемешивание струй газа с воздухом и частичный подогрев смеси за счет перемешивания с горячими рециркулирующими продуктами сгорания в полости горелки. На этом участке LH 0,5d горение отсутствует (d - диаметр газовой насадки). Это положение подтверждается авторами [51, 87, 88]. На основном участке L0 = (0,5 - 3)d происходит смешение холодного газовоздушного потока с рециркулирующими продуктами сгорания и выгорание основного количества топлива (90 - 96 %).. Начальная зона этого участка - это зона интенсивного процесса горения, когда происходит сгорание основной массы топлива с соответствующим расходом окислителя (распределение концентраций топлива и продуктов сгорания вдоль длины факела показано на рис. 2.3). На участке Ьф 2 процесс выгорания замедляется, концентрация С02 стремится к максимуму, концентрация Ог убывает до минимума. Зона догорания La является областью завершения процесса горения, в которой концентрации топлива и окислителя малы из-за значительного разбавления продуктами сгорания. В этой области осуществляется догорание 4 - 10 % горючих (окиси углерода и водорода) до углекислого газа и водяных паров.
Протяженность зоны догорания невелика и составляет 10 -15 % общей длины факела. Вывод: нейтрализатор токсичных продуктов сгорания (НТПС) принято располагать на основном участке вихревого факела Lo в начальной зоне (рис. 2.2). Основные компоненты токсичных продуктов сгорания газовоздушного топлива, входя в щели между парами пластин нейтрализатора, будут восстанавливаться на катализаторе и доокисляться кислородом, активированным поверхностью катализатора. Горение природного газа — это сложный физико-химический процесс, в котором основной фазой является огонь, представляющий собой совокупность раскалённых газов, выделяющихся в результате химической реакции, или плазмы. Для оценки геометрических параметров ячейки нейтрализатора, обеспечивающих свободный проход пламени сквозь него, применен радиус Дебая - расстояние, на которое кулоновское поле любого заряда плазмы экранируется окружающими его зарядами противоположного знака [89]: где к — постоянная Больцмана, равна 1,38-10 Дж/град; Т - абсолютная температура газовой среды, К; п - концентрация зарядов, 1/см 3; е - единица заряда, равна 1,6-10 19Кл (4,8-10-10 ед).
Максимальная концентрация зарядов для условия стопроцентной ионизации определена из выражения для идеального газа[80]: где р — давление газовой смеси, Па. При давлении/? = 105 Па (1ата) и температуре 1000 С концентрация заряженных частиц составила щ = 10 1/см =10 1/м . Тогда радиус экранирования rD = 4,2-10 б см Учитывая, что огонь относится к слабоионизированной плазме, то действительная концентрация зарядов будет ниже расчетной. Изменение радиуса экранирования в зависимости от концентрации зарядов показано на рис. 2.4. Из графика видно, что размеры ячеек нейтрализатора не будут препятствовать прохождению пламени через него, так как при концентрации зарядов п = 108 1/см3 радиус экранирования г г, составил менее 0,2 мм. В соответствие с тепловой теорией горение не может протекать в каналах, щелях малого диаметра или ширины. Существуют критические размеры отверстий, через которые фронт пламени не может перемещаться независимо от скорости смеси, т. е. не может быть «проскока» пламени [80]. При входе пламени в такой канал происходят потери тепла из зоны реакции, понижается температура горения и дальнейшее распространение пламени становится невозможным. Установлено, что при критическом диаметре существует безразмерное критическое число, критерий Пекле Ре, получаемый путем перемножения критериев Рейнольдса Re и Прандтля Рг [82, 90, 91]. где U - скорость движения газовой смеси, м/с; dKp — критический диаметр, м, v -кинематическая вязкость газовой смеси, ш Ic; а — коэффициент тем 2/ пературопроводности газовой смеси, м /с. В пределах гашения пламени критерий Пекле имеет вид: где с — объемная теплоемкость газовой смеси, Дж / (м -град), 1 - коэффициент теплопроводности исходной смеси, Вт / (м град). В соответствие с технической характеристикой газовой блочной горелки ГГС - Б - 2,2 коэффициент избытка воздуха а = 1,1 (приложение 3). Теоретически необходимое для сгорания количество воздуха VQ С учетом а составило 10,48 м3/м3газа [80].
Методика исследования нейтрализатора токсичных продуктов сгорания
Измерения в процессе эксперимента и обработка результатов проводилась в соответствии с общепринятой методикой планирования эксперимента. Перед проведением эксперимента следует: - ознакомиться с технической документацией и порядком проведения эксперимента; - провести инструктаж вспомогательному персоналу для выполнения исследовательской работы и инструктаж по технике безопасности и пожарной безопасности при проведении исследований; - подготовить необходимые для проведения эксперимента инструменты, приборы, индивидуальные средства защиты и бланки протоколов измерений. Последовательность исследования: 1) установить нейтрализатор токсичных продуктов сгорания относительно насадка газовой горелки на заданное программой исследования расстояние / = 0,5d; 2) зажечь газовую горелку; 3) установить вытяжную трубу, соблюдая меры безопасности и используя необходимые инструменты и средства защиты; 4) с помощью портативного газоанализатора TESTO 342-3 произвести замеры параметров дымовых газов в соответствие с инструкцией по применению: оксида азота NO, ррт,оксида углерода СО, ррт, двуокиси углерода С02, %, кислорода Ог, % и температуры Т, К; 5) погасить газовую горелку; 6) перейти к следующему этапу измерения, начиная с п. 1. В процессе эксперимента исследовались НТПС в виде сеток с различными площадями ячеек, в поверхность которых внедрены ионы нитрида молибдена Mo2N. Нейтрализаторы устанавливались от насадка горелоч-ного устройства на расстоянии / = 0,5d, где d - диаметр газового насадка. Результаты исследований приведены в табл.3.1. Однако из-за уменьшения площади, ячеек увеличивается поверхность на единицу массы реагирующей смеси, что приводит к снижению температуры пламени и соответственно скорости распространения пламени, процесса окисления.
Вследствие этого возрастает содержание угарного газа с 8,3 ppm до 13,3 ppm и снижается содержание углекислого газа с 2,8 % до 1,9%. Из рис. 3.2 видно также, что при площади.ячеек нейтрализатора 4 мм" хотя и обеспечивается самый низкий выход NO,- но доля монооксида углерода самая высокая по сравнению с нейтрализаторами, у которых площадь ячеек больше. Это связано с явлением гашения пламени, т. е. неполнотой сгорания топлива, которое можно объяснить тем, что диаметр ячейки такого нейтрализатора (2 мм) меньше -критического диаметра dKp= 3 мм, рассчитанного в п. 2.3. При установке двухслойного нейтрализатора характер влияния площади ячеек нейтрализатора на концентрацию компонентов дымовых газов сохраняется. В таблице 3.2 приведены "результаты эксперимента с двух Однако из-за уменьшения площади ячеек увеличивается поверхность на единицу массы реагирующей смеси, что приводит к снижению температуры пламени и соответственно скорости распространения пламени, процесса окисления. Вследствие этого возрастает содержание угарного газа с 8,3 ppm до 13,3 ppm и снижается содержание углекислого газа с 2,8 % до 1,9%. Из рис. 3.2 видно также, что при площади ячеек нейтрализатора 4 мм2 хотя и обеспечивается самый низкий выход NO, но доля монооксида углерода самая высокая по сравнению с нейтрализаторами, у которых площадь ячеек больше.
Это связано с явлением гашения пламени, т. е. неполнотой сгорания топлива, которое можно объяснить тем, что диаметр ячейки такого нейтрализатора (2 мм) меньше критического диаметра dKV= 3 мм, рассчитанного в п. 2.3. При установке двухслойного нейтрализатора характер влияния площади ячеек нейтрализатора на концентрацию компонентов дымовых газов сохраняется. В таблице 3.2 приведены результаты эксперимента с двух слоиными нейтрализаторами при установке слоев вплотную и расположении их относительно насадка горелки на расстоянии / = 0,5d. Выводы. Результаты эксперимента эффективности применения НТПС совместно с бытовой газовой горелкой показали снижение концентрации оксидов азота при использовании НТПС с 21,7 ррт (без нейтрализатора) до 2,8 ррт (с однослойным нейтрализатором). Использование нейтрализатора с диаметром ячеек менее 3 мм приводит к гашению пламени, на что указывает более высокое содержание монооксида углерода. Характер изменения концентраций NO, СО, СОг при исследовании двухслойного нейтрализатора аналогичен однослойному. На рис. 3.3 приведена фотография пламени при работе газовой горелки совместно с НТПС. В целях определения влияния толщины НТПС на параметры дымовых газов в процессе эксперимента исследовались однослойные и двухслойные нейтрализаторы с расстояниями между слоями h = 0,6...1,2 мм и h = 5,6 ...6,2 мм. Результаты исследования приведены в табл. 3.3. Нейтрализатор располагался от насадка горелочного устройства на расстоянии / = Q,5d. Анализ табл. 3 позволяет сделать вывод, что использование двухслойного НТПС приводит к увеличению концентрации NO. Увеличение удельного теплоотвода от фронта горения по отношению к тепловыделению приводит к затуханию реакции горения [82, 90, 91]. Вследствие этого снижаются температура дымовых газов, скорость реакции горения и процесса окисления, что подтверждается результатами эксперимента (табл. 3.3). На рис. 3.4 показано влияние количества слоев нейтрализатора на концентрации оксидов азота и углерода.
Схема и описание работы промышленной экспериментальной установки
Для практического подтверждения эффективности нейтрализатора токсичных выбросов была разработана промышленная экспериментальная установка в котельной ЖРЭУ ООО «Газпром трансгаз Волгоград», оснащённая тремя котлами ВК-21, работающими на природном газе. На рис. 4.2 приведена схема промышленной экспериментальной установки для исследования эффективности нейтрализатора токсичных продуктов сгорания. Внешний вид экспериментальной установки показан на рис. 4.3.
В качестве основного элемента экспериментальной установки был использован стальной водогрейный котёл 1 типа КСВ(а)-2 ВК-21 производства Камышинского завода «Ротор». Наружная обечайка котла покрыта теплоизоляционным материалом и обрамлена оцинкованным листом. Технические характеристики котла указаны в Приложении 3. Установка включает также газовую горелку 7 типа ГГС-Б-2,2, технические характеристики которой приведены в Приложении 4; вентилятор наддува 8; контрольно-измерительные приборы ( 6, 16, 17, 18), предназначенные для контроля и автоматического регулирования процесса горения; систему газо- и водопроводов с относящейся к ней трубопроводной арматурой (3 — 5,9-14и 19) и отборник проб 20. На трубе - смесителе газовой горелки 7 посредством хомута закреплен НТПС (на рис. 4.1 не показан).
При подаче газа от главного распределительного пункта ГРП к газовой горелке 7и включенном вентиляторе наддува 8 с помощью запального устройства горелки 7 газовоздушная смесь поджигается и начинается процесс горения в котле 1. При прохождении газовоздушной смеси через НТПС на его каталитической поверхности происходят восстановительно -окислительные реакции. Воздействие катализатора, нанесенного методом ионной имплантации, заключается в отщепление водорода от молекул углеводородов, что уменьшает концентрацию несгоревших углеводородов. Образованный при этом водород восстанавливает оксиды азота и углерода по реакциям (4.1). Монооксиды азота и углерода доокисляются кислородом до двуокисей по реакциям (4.2).
Замеры состава продуктов сгорания проводились в штатном отверстии газохода: отборнике проб 20 (рис. 4.2) портативным газоанализатором TESTO 342 - 3. Прибор зарегистрирован в Госреестре средств измерений РФ № 16877 - 97. Основные технические характеристики газоанализатора приведены в Приложении 1. В соответствии с руководящими документами [115 — 116], регламентирующими методику проведения испытаний, в целях обеспечения единства подходов в процессе исследования соблюдалось следующее: - испытания производились по утверждённой методике с применением поверенного и аттестованного средства измерения в международной системе СИ (газоанализатор TESTO 342 — 3); - полученные результаты обработаны и представлены в унифицированной форме, что обеспечило возможность использования полученных данных (табл.4.1 — 4.4); - метрологические средства и методы, применяемые во время проведения испытаний, обеспечили требуемую точность и достоверность (п.3.4). Программа испытаний разработана для практического подтверждения эффективности использования нейтрализатора токсичных выбросов дымовых газов. К подготовительным раб отам перед проведением исследований относятся: - проверка наличия, соответствия и поверка штатных средств измерения; - инструктирование обслуживающего персонала по разработанной специально для выполнения исследовательских работ инструкции; - проверка работоспособности всех защит и сигнализаторов загазованности; - проведение с персоналом внеочередной аварийной тренировки с разбором возможных аварийных ситуаций; - разработка бланка исследования с указанием параметров, ко торые будут фиксироваться во время проведения исследова ния. Последовательность исследования: — установить НТПС в соответствии с программой испытания; - вывести котёл перед проведением работ на режим в строгом соответствии с режимной картой; - провести измерения всех параметров (номинальное давление газа перед горелкой не более 20 кПа; наддув топки при номинальной теплопроизводительности не более 600 Па; номинальная теплопроводность 1,72 Гкал; давление в камере горения не более 0,6 кПа) для подтверждения строгого соответствия режима горения режимной карте котла; - после подтверждения соответствия режимной карте произвести снятие показаний компонентов дымовых газов (NO, СО, С02, О2, Т) с занесением в бланк исследования; - контроль параметров дымовых газов производить с помощью газоанализатора TESTO 342—3 в штатном месте, расположенном за котлом (отборник проб 20 рис. 4.2); - для повышения надежности измерений каждый замер производить в процессе опытов четыре раза; - определить погрешность и надежность опытов.
Похожие диссертации на Оптимизация работы систем теплоснабжения с котельными установками малой мощности с целью снижения образования оксидов азота
