Механизмы образования и методика расчета выбросов загрязняющих веществ при сжигании природного газа в зависимости от эмиссионного класса горелок

Сжигание углеводородного топлива в камерах сгорания теплогенерирующих установок – один из основных источников выбросов загрязняющих веществ. Экологические нормы и правила, ограничивающие выбросы, становятся все более жесткими, и их соблюдение требует внедрения передовых технологий и оборудования. Основным устройством в системах сжигания являются дутьевые горелки, от конструкции которых во многом зависит уровень эмиссии. В статье рассмотрены факторы, интенсифицирующие образование нормированных загрязняющих веществ, приведены глобальные химические реакции, различные типы механизмов и кинетические схемы. На основе анализа современных методов снижения вредных выбросов определены наиболее эффективные конструкторские решения смесительных устройств, насадок и систем распределения потоков топлива и воздуха, подаваемого на горение. Проведен сравнительный анализ методов и условий определения эмиссионного класса горелочного устройства в зависимости от выбранных единиц измерения, коэффициента избытка воздуха (концентрации кислорода в дымовых газах), влажности воздуха и исходного состава природного газа на примерах стандартов ЕС и ЕАС. Приведена методика расчета выбросов оксидов азота в зависимости от условий измерения. Получены коэффициенты пересчета значений выбросов загрязняющих веществ из принятых единиц в ЕС (мг/(кВт×ч)) в единицы, указанные по экологическим правилам ЕАС (мг/м3) с учетом соответственно нормируемого коэффициента избытка воздуха. В результате расчетов определены типы горелок по эмиссионным классам, соответствующим действующим экологическим нормам и правилам в Республике Беларусь в зависимости от тепловой мощности котельных установок.

1. Environmental Norms and Rules of EcoNiP 17.01.06-001–2017. Environmental Protection and Nature Management. Environmental Safety Requirements. Minsk, Ministry of Natural Resources, 2017. 139 (in Russian).

2. Glamazdin P. M., Glamazdin D. P., Yarmolchik Yu. P. (2016) Environmental Aspects of the Modernization of Large Capacity Boilers. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Energeticheskikh Obedinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 59 (3), 249–259 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2016-59-3-249-259.

3. E DIN EN 676:2017–02 (D/E) Gebläsebrenner Für Gasförmige Brennstoffe; Deutsche und Englische Fassung FprEN 676: 2016. https://doi.org/10.31030/2569183.

4. Zubarev D. N. (1990) Efficiency. Physical Encyclopedia. Vol. 2. Moscow, Sovetskaya Entsiklopediya Publ., 484–485 (in Russian).

5. Formulas Guide. To Calculate Data in Heat Engineering. Available at: https://www.weishaupt.ru/service/complex/pdf/1841_RU_Januar_2015.pdf. (Accessed 30 September 2019).

6. Pocket Formula Guide. SAACKE. Available at: https://www2.saacke.com/fileadmin/Media/Documents/pdfs/EN/Addresses_and_useful_things/Faustformeln_Pocket-Formula-Guide_english.pdf. (Accessed 30 September 2019).

7. Nekrasov B. V. (1973) Fundamentals of General Chemistry. Vol. I. Moscow, Khimiya Publ., 495–597, 511–513 (in Russian).

8. Korolchenko A. Ya. (2007) Combustion Processes. Moscow, Pozhnauka Publ. 266 (in Russian).

9. Esman R. I., Yarmolchik Yu. P. (2009) Analysis of Burning Processes in Turbulent Mixing Axial and Tangential Flows. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Energeticheskikh Obedinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, (2), 47–52 (in Russian).

10. Zeldovich Ya. B., Sadovnikov P. Ya., Frank-Kamenetskiy D. A. (1947) Oxidation of Nitrogen During Combustion. Moscow, Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR. 148 (in Russian).

11. Fenimore C. P., Jones G. W. (1957) Nitric Oxide Decomposition at 2200–2400 K. The Journal of Physical Chemistry, 61 (5), 654–657. https://doi.org/10.1021/j150551a034.

12. Fenimore C. P. (1971) Formation of Nitric Oxide in Premixed Hydrocarbon Flames. Symposium (International) on Combustion, 13 (1), 373–380. https://doi.org/10.1016/s0082-0784(71) 80040-1.

13. Lamoureux N., Desgroux P., El Bakali A., Pauwels J. F. (2010) Experimental and Numerical Study of the Role of NCN in Prompt-NO Formation in Low-Pressure CH4–O2–N2 and C2H2– O2–N2 Flames. Combustion and Flame, 157 (10), 1929–1941. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2010.03.013.

14. Lehto Steve (2010) Chrysler's Turbine Car: the Rise and Fall of Detroit's Coolest Creation. Chicago, IL: Chicago Review Press, 2010. 228.

15. Glarborg E. A. (2003) Fuel Nitrogen Conversion in Solid Fuel Fired Systems. Progress in Energy and Combustion Science, 29 (2), 89–113. https://doi.org/10.1016/s0360-1285(02)00031-x.

16. Kotler V. R. Selective Catalytic Reduction. Available at: http://osi.ecopower.ru/ru/Documents/attachments/1131rus.pdf. (Accessed 30 September 2019) (in Russian).

17. Kotler V. R. Selective Non-Catalytic Recovery. Available at: http://osi.ecopower.ru/ru/Documents/attachments/1132rus.pdf. (Accessed 30 September 2019) (in Russian).

18. Regulation (EU) 2016/426 of the European Parliament and of the Council of 9 March 2016 on Appliances Burning Gaseous Fuels and Repealing Directive 2009/142/EC. Available at: https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2016/426/oj.

19. Gurevich M. I. (1979) The Theory of Jets of Ideal Fluid. Moscow, Nauka Publ. 536 (in Russian).

20. Yarmolchick Yu. P. (2017) Technological Modes of the Processes of Burning Multidisperse Solid Fuel in Energy-Generating Devices. Nauka – Obrazovaniyu, Proizvodstvu, Ekonomike: Materialy 15-i Mezhdunarodnoi Nauchno-Tekhnicheskoi Konferentsii. T. 1 [Science – Education, Production, Economics: Materials of the 15th International Scientific and Technical Conference. Vol. 1]. Minsk, BNTU, 121 (in Russian).

21. Yarmolchick Yu. P. (2016) Scientific Basis for Organizing a Stable Air Flow with Optimally Distributed Particles of Dispersed Solid Fuel for Flaring. Nauka – Obrazovaniyu, Proizvodstvu, Ekonomike: Materialy 14-i Mezhdunarodnoi Nauchno-Tekhnicheskoi Konferentsii. T. 1 [Science – Education, Production, Economics: Materials of the 14th International Scientific and Technical Conference. Vol. 1]. Minsk, BNTU, 118 (in Russian).

22. Yarmolchick Yu. P. (2016) Thermoand Gas-Dynamic Fundamentals of the Processes of Burning Multidisperse Solid Fuel. Nauka – Obrazovaniyu, Proizvodstvu, Ekonomike: Materialy 14-i Mezhdunarodnoi Nauchno-Tekhnicheskoi Konferentsii. T. 1 [Science – Education, Production, Economics: Materials of the 14th International Scientific and Technical Conference. Vol. 1]. Minsk, BNTU, 116 (in Russian).

23. Der Arbeitsausschuss NA 041-01-63 AA “Gasbrenner mit Gebläse (SpA CEN/TC 131)” (in German).

24. Vukalovich M. P., Altunin V. V. (965) Thermophysical Properties of Carbon Dioxide. Moscow, Atomizdat Publ. 456 (in Russian).

25. Alexandrov A. A., Orlov K. A., Points V. F. (2009) Thermophysical Properties of Working Substances of a Power System. Moscow, Publishing House MPEI. 224 (in Russian).

26. https://static-int.testo.com/media/47/7a/aa9e1a678d4a/prakticheskoe-rukovodstvo-izmeritelnyetekhnologii-dlya-sistem-otopleniya.pdf. (Accessed 30 September 2019) (in Russian).

27. Pol 02 NOx Emissions (All Buildings) T. Available at: http://www.breeam.com/BREEAMInt 2013SchemeDocument/content/12_pollution/pol_02.htm. (Accessed 30 September 2019).

28. State Standard R 51383–99. Automatic Gas Burners with Forced Air Supply. Technical Requirements, Safety Requirements and Test Methods. Moscow, IPK Standards Publishing House, 2004 (in Russian).

29. State Standard 5542–2014. Combustible Natural Gases for Industrial and Domestic Purposes. Technical Conditions. Moscow, Standartinform, 2015 (in Russian).

30. Quality of Supply Gas. Available at: http://kkconstanta.com/publikacii/kachestvo-postavljaemogo-gaza/. (Accessed 30 September 2019) (in Russian).

31. Thermal Balance of the Combustion Process. Available at: http://helpiks.org/5-91746.html. (Accessed 30 September 2019) (in Russian).

32. Air Composition. The Engineering ToolBox. Available at: https://www.engineeringtoolbox.com/air-composition-d_212.html). (Accessed 30 September 2019).

33. Glinka N. L., Ermakova A. I. (ed.) (2005) General Chemistry. Moscow, INTEGRAL-PRESS Publ. 728 (in Russian).

34. Molar Volume of Ideal Gas. Fundamental Physical Constants. Available at: https://physics. nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mvolstd. (Accessed 30 September 2019).

35. Gay-Lussac J. L. (1802) Recherches Sur la Dilatation des Gaz et des Vapeurs. Annales de Chimie, XLIII, 137.

36. Matveev A. N. (1981) Molecular Physics. Moscow, Vysshaya Shkola Publ. 400 (in Russian).

37. Sivukhin D. V. (1990) General Course of Physics. Vol. II. Thermodynamics and Molecular Physics. Moscow, Nauka Publ. 592 (in Russian).

38. Berthelot D. J. (1899) Sur Une Méthode Purement Physique Pour La Détermination des Poids Moléculaires des Gaz et des Poids Atomiques de Leurs Éléments. Journal de Physique Théorique et Appliquée, 8 (1), 263–274. https://doi.org/10.1051/jphystap:018990080026300.

39. Soave G. (1972) Equilibrium Constants from a Modified Redlich – Kwong Equation of State. Chemical Engineering Science, 27 (6), 1197–1203. https://doi.org/10.1016/0009-2509(72)80096-4.

40. Combustion Calculations, Formulas Optima 7. Neckarsulm-Obereisesheim: MRU GmbH, R&D, TW, 06.07.2011. 6.

41. Wünning J. A., Wünning J. G. (1997) Flameless Oxidation to Reduce Thermal NO-Formation. Progress in Energy and Combustion Science, 23 (1), 83–94. https://doi.org/10.1016/s03601285(97)00006-3.