способ управления процессом уменьшения токсичности дымовых газов в котельных агрегатах

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ УМЕНЬШЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ В КОТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ, включающий измерение перепада давлений воздуха на воздухоподогреватель и регулирование расхода воздуха на входе в топку в контуре подготовки воздуха, расхода дымовых газов из топки в атмосферу по сигналу рассогласования измеренного и заданного значений сигнала разрежения в верхней части топки и по сигналу динамической связи от регулятора расхода воздуха, отличающийся тем, что, с целью уменьшения количества токсичных газовых соединений типа NO_x с отводными дымовыми газами из топки в стационарных и нестационарных условиях работы котельного агрегата, имеющего линию рециркуляции, измеряют величину сигнала содержания NO_x - 1 в дымовых газах на выходе из топки и величину сигнала содержания NO_x - 2 на выходе дымовых газов в атмосферу, определяют скорость приращения NO_x в зависимости от NO_x - 2 и скорость изменения сигнала NO_x - 1, причем расход воздуха на входе в топку корректируют в зависимости от скорости изменения сигнала NO_x - 1, регулируют температуру воздуха на входе в топку в зависимости от скорости прирашения NO_x, расход дымовых газов из топки в атмосферу корректируют в зависимости от величины сигнала NO_x - 2 и скорости прирашения NO_x, измеряют расход дымовых газов на выходе в атмосферу, а расход циркулирующих дымовых газов в топку регулируют в зависимости от расхода дымовых газов на выходе в атмосферу по сигналам содержания NO_x - 2 и величине рассогласования измеренного и заданного значений перепада давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к управлению процессом уменьшения токсичности дымовых газов в котельных агрегатах, работающих на газообразном, жидком и твердом топливе, широко применяемых на тепловых электростанциях в различных отраслях промышленности, например целлюлозно-бумажной, химической и др.

Известен способ автоматического регулирования процесса горения в топке газомазутного парового котла путем изменения расходов воздуха, процентного содержания свободного кислорода в дымовых газах, концентрации азота и топлива в топке [1].

Недостатком этого способа является невозможность управления процессом уменьшения токсичности дымовых газов в котельных агрегатах как в стационарных, так и в нестационарных условиях работы.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ управления процессом уменьшения токсичности дымовых газов в котельных агрегатах путем регулирования процесса подачи воздуха в топку котельного агрегата по сигналам: перепада давления воздуха на воздухоподогревателе; расхода дымовых газов, отводимых из топки котельного агрегата в атмосферу; по сигналу разрежения в верхней части топки котельного агрегата; динамической связи от регулятора воздуха; температуры воздуха, подаваемого в топку котельного агрегата; температуры воздуха на входе в топку котельного агрегата. Этот способ принят за прототип. Преимуществом способа-прототипа является обеспечения устойчивости процесса горения топлива в топке котельного агрегата, позволяющего снизить токсичность дымовых газов по серосодержащим соединениям: SO₂ и др. [2].

К недостатку способа-прототипа относится невозможность управления процессом уменьшения токсичности дымовых газов по NO_х в котельных агрегатах в стационарных и в нестационарных условиях работы.

Цель изобретения заключается в уменьшении количества токсичных газовых соединений типа NO_х в отводимых дымовых газах из топки котельного агрегата в стационарных и нестационарных условиях работы.

Поставленная цель достигается тем, что измеряют величину сигнала содержания NO_х - 1 в дымовых газах на выходе из топки и величину сигнала содержания NO_x - 2 на выходе дымовых газов в атмосферу, определяют скорость приращения NO_x в зависимости от NO_х - 2 и скорость изменения сигнала NO_x - 1, причем расход воздуха на входе в топку корректируют в зависимости от скорости изменения сигнала NO_x - 1, регулируют температуру воздуха на входе в топку в зависимости от скорости приращения NO_х, расход дымовых газов из топки в атмосферу корректируют в зависимости от величины сигнала NO_х - 2 и скорости приращения NO_x, измеряют расход дымовых газов на выходе в атмосферу, а расход рециркулирующих дымовых газов в топку корректируют в зависимости от расхода дымовых газов на выходе в атмосферу по сигналам содержания NO_х - 2 и величине рассогласования измеренного и заданного значений перепада давления.

До сих пор известные способы управления процессом уменьшения токсичности дымовых газов в лучшем случае позволяли снизить количество таких соединений как SO₂, меркаптаны и т.п., но не снижали содержание NO_x. Однако именно соединения NO_x являются наиболее токсичными и канцерогенными. В последнее время появились сведения о повышении онкологических заболеваний дыхательных путей людей со ссылкой на канцерогенность выбросов в районах нахождения ТЭЦ и ТЭС. Поскольку соединения NO_x являются одними из наиболее сильных канцерогенов, то проблема уменьшения токсичности дымовых газов котельных агрегатов от соединений этого типа является на сегодняшний день наиболее актуальной.

Процесс образования токсичных газов в дымовых газах котельного агрегата, например NO_x, происходит следующим образом.

В поступающем в топку воздухе присутствуют свободные азот N₂ (79%) и кислород О₂ (21% ), которые в топке в условиях высоких температур порядка 1600-1700^оС образуют окислы азота NO_x по следующей химической реакции:

N₂+O₂ 2NO_x

Для управления этой реакцией имеем следующие управляющие воздействия.

1) Уменьшение количества N₂ приводит к уменьшению количества NO_x.

Однако уменьшить N₂ в подаваемом в топку воздухе трудно. Гораздо проще уменьшить подачу О₂ с воздухом за счет регулируемой подачи в топку части отводимых дымовых газов (рециркуляция дымовых газов).

2) При уменьшении О₂ происходит уменьшение NO_x. Уменьшение количества О₂ возможно за счет регулирования расхода воздуха и за счет регулирования рециркуляционных дымовых газов.

3) Уменьшение NO_x происходит при снижении температуры в топке с 1500-1600^оС до 1400-1300^оС, что возможно за счет регулирования температуры воздуха, подаваемого в топку в пределах 150-300^оС.

4) Скорость реакции образования NO_x имеет конкретное значение. Увеличивая скорость реакции, тем самым увеличиваем производство NO_x. Уменьшая скорость реакции, тем самым уменьшаем производство NO_x. Иными словами, воздействуя на скорость реакции NO_x, например, путем регулирования расхода рециркулируемых дымовых газов, можно влиять на величину NO_x, т.е. фактически за счет изменения коэффициента избытка воздуха.

На фиг.1 представлена структурная схема технической реализации предлагаемого способа; на фиг.2 и 3 - графики переходных процессов изменения NO_x в дымовых газах по способу-прототипу и предлагаемому способу.

а) В контуре подготовки воздуха для подачи в топку - датчик 1 перепада давления воздуха типа "Сапфир 22ДД", датчик 2 величины NO_x-1 в дымовых газах на выходе из топки типа HiSON, электронный дифференциатор 3 типа БДП-П, регулятор 4 типа Р.27, исполнительное устройство 5 типа МЭО и регулирующий орган 6 расхода воздуха в топку котлоагрегата в виде направляющих аппаратов вентилятора общего воздуха, датчик 7 температуры воздуха типа ТСП, датчик 8 величины NO_x-2 в отводимых дымовых газах на выходе дымососа типа HiSON, электронный дифференциатор 9 типа БДП-П, определяющий скорость приращения NO_x в зависимости от NO_x-2, регулятор 10 типа Р.27, исполнительное устройство 11 типа МЭО, регулирующий орган 13 расхода пара, подаваемого в калорифер. Объект управления: 14 - топка котельного агрегата, 15 - воздухоподогреватель.

б) В контуре управления расходом дымовых газов из топки в атмосферу - датчик 16 разрежения в топке котельного агрегата типа "Сапфир 22ДД", блок 17 динамической связи от регулятора расхода воздуха типа БДП-П, блок 18 динамической связи от регулятора величины NO_x-2 типа БДП-П, регулятор 19 типа Р. 27, исполнительное устройство 20 типа МЭО, регулирующий орган 21 расхода отводимых дымовых газов в атмосферу в виде направляющих аппаратов дымососа. В контуре регулирования рециркуляции отводимых дымовых газов в топку - датчик 8 величины NO_x-2 в отводимых дымовых газах на выходе дымососа типа HiSON, электронный дифференциатор 22 типа БДП-П, регулятор 23 типа Р. 27, исполнительное устройство 24 типа МЭО, регулирующий орган 25 расхода дымовых газов в линии рециркуляции в виде направляющих аппаратов вспомогательного вентилятора.

Система управления по предлагаемому способу работает следующим образом.

Изменение (увеличение) величин сигналов перепада давления Р_ВП, величины содержания окислов азота в отводимых из топки дымовых газах NO_x - 1 измеряются датчиками 1 и 2 и через дифференциатор 3 подаются на вход регулятора 4 расчета управляющего воздействия по расходу воздуха в топку котельного агрегата. Изменение (увеличение) величины сигналов температуры воздуха в топку котельного агрегата, измеряемой датчиком 7, и динамической связи по содержанию окислов азота в отводимых в атмосферу дымовых газах , измеряемой датчиком 8 и преобразуемой в дифференциаторе 9, подаются на вход регулятора 10 расчета управляющего воздействия по температуре воздуха, подаваемого в топку котельного агрегата. Через блок 17 динамической связи, изменение величины разрежения в топке котельного агрегата, измеряемое датчиком 16, и изменение динамической связи от регулятора величины NO_x - 2, вычисляемое блоком 18, подаются на вход регулятора 19 расчета управляющего воздействия расхода дымовых газов в атмосферу.

При изменении (увеличении) величины перепада давления воздуха на воздухоподогревателе 15 в дифференциальном виде, получаемом в блоке 23, и содержания окислов азота в отводимых в атмосферу дымовых газах, измеряемых датчиком 8, эти параметры подаются на вход регулятора 23 расхода отводимых в атмосферу дымовых газов в линии рециркуляции. Сигнал с выхода регулятора 23 подается на вход исполнительного устройства 24, управляющего регулирующим органом 25 расхода дымовых газов в линии рециркуляции.

Изменение (увеличение) величины перепада давления воздуха Р_ВП и/или величины содержания окислов азота в отводимых из топки дымовых газах NO_x - 1, и/или температуры воздуха в топку котельного агрегата V_a и/или содержания окислов азота в отводимых в атмосферу дымовых газах NO_x - 2, и/или величины разрежения в топке котельного агрегата Р, измеренные датчиками 1, 2, 7, 8 и 16 и преобразованные блоками 3, 9, 17, 18 и 22 подаются на вход регуляторов 4, 10, 20 и 23. Последние производят расчет управляющих воздействий, подаваемых на исполнительные устройства 5, 11, 20 и 24, которые соответственно уменьшают расход и температуру воздуха, подаваемого в топку котельного агрегата, и увеличивают расход дымовых газов в атмосферу при увеличении определенного количества дымовых газов в линии рециркуляции.

В ходе имитационного моделирования способа-прототипа и предлагаемого способа получены данные, представленные в таблице.

При изменении возмущающего воздействия в виде увеличения расхода воздуха, подаваемого в топку котельного агрегата, на 10% величина содержания окислов азота в отводимых в атмосферу дымовых газах по предлагаемому способу составляет 600 ppm, а по способу-прототипу - 2500 ppm. При изменении разрежения в топке до -2 мм вод.ст. величина содержания окислов азота в отводимых в атмосферу дымовых газах по предлагаемому способу составила 650 ppm в отличие от способа-прототипа, где это значение составляет порядка 870 ppm. В результате изменения температуры воздуха, подаваемого в топку котельного агрегата, на 50^оС величина содержания окислов азота в отводимых в атмосферу дымовых газах по предлагаемому способу и способу-прототипу соответственно составляет 620 и 1300 ppm. Изменение возмущающего воздействия - расхода дымовых газов в линии рециркуляции - на 5% в сторону его увеличения от номинального значения приводит к уменьшению содержания окислов азота в отводимых в атмосферу дымовых газах по предлагаемому способу до 610 ppm и по способу-прототипу до 750 ppm. Номинальное значение содержания величины окислов азота в отводимых в атмосферу дымовых газах составляет порядка 550-600 ppm.

Результаты имитационного моделирования говорят о вполне удовлетворительном качестве работы предлагаемого способа управления процессом уменьшения токсичности дымовых газов в котельных агрегатах.

Экономическая целесообразность использования заявляемого способа видна из следующего. Основными составляющими экономической эффективности от внедрения способа для СРК суточной производительности по а.с.в.315 т/сутки являются.

1. Экономия текущих затрат в процессе сжигания ядерного щелока за счет снижения химического недожега и повышения теплового КПД составит 25,8 тыс. руб.

2. Экономия пара за счет оптимизации частоты включения сажеобдувочных аппаратов составит 11,4 тыс.руб.

3. Экономия сульфата натрия за счет стабилизации режима горения составит 87,3 тыс.руб.

4. Экономическая оценка предотвращаемого ущерба предприятию за счет снижения газопылевых выбросов (в том числе и соединений NO_x) составит: 559,4 тыс.руб.

При этом годовой экономический эффект составит 581,9 тыс.руб.