RU2028546C1

RU2028546C1 - Pollution control method for boiler plants emitting flue gases containing toxic agents

Info

Publication number: RU2028546C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Доронин; М.И. Щагина; М.А. Соминин; Р.С. Тюльпанов; А.В. Доронин; Г.А. Иванов; Л.А. Рохлов; В.Н. Терновых; С.Г. Халеев; Г.А. Тарасов
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров
Priority date: 1991-05-29
Filing date: 1991-05-29
Publication date: 1995-02-09

Abstract

FIELD: fuel combustion. SUBSTANCE: signal indicating NO_⊗ content in flue gases at furnace exit and that showing NO_⊗ content in flue gases discharged into atmosphere are measured. Rate of NO_⊗ increment depending on NO_⊗ and rate of NO_⊗ signal variation are determined. Air flow at furnace inlet is corrected depending on rate of change of NO_⊗ signal. Air temperature at furnace inlet is controlled depending on rate of NO_⊗ increment. Flue gas discharge from furnace to atmosphere is corrected depending on value of NO_⊗ signal and rate of NO_⊗ increment. Flue gas discharge into atmosphere is measured and rate of flow of control flue gases into furnace is controlled depending on flue gas discharge into atmosphere using NO_⊗ content signals and discrepancy between measured and desired values of pressure drop. EFFECT: improved control of flue gases discharged into atmosphere. 3 dwg, 1 tbl

Description

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. The invention relates to the management of the process of reducing the toxicity of flue gases in boiler units operating on gaseous, liquid and solid fuels, widely used in thermal power plants in various industries, for example, pulp and paper, chemical, etc.

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]. A known method of automatically controlling the combustion process in the furnace of a gas-oil steam boiler by changing the air flow rate, the percentage of free oxygen in the flue gas, the concentration of nitrogen and fuel in the furnace [1].

Недостатком этого способа является невозможность управления процессом уменьшения токсичности дымовых газов в котельных агрегатах как в стационарных, так и в нестационарных условиях работы. The disadvantage of this method is the inability to control the process of reducing the toxicity of flue gases in boiler units in both stationary and non-stationary working conditions.

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].The closest in technical essence to the claimed method is a method of controlling the process of reducing the toxicity of flue gases in boiler units by regulating the process of supplying air to the furnace of a boiler unit according to signals: differential pressure of air on the air heater; consumption of flue gases discharged from the furnace of the boiler unit to the atmosphere; by the vacuum signal in the upper part of the furnace of the boiler unit; dynamic communication from the air regulator; temperature of air supplied to the furnace of the boiler unit; air temperature at the inlet to the furnace of the boiler unit. This method is adopted as a prototype. The advantage of the prototype method is to ensure the stability of the fuel combustion process in the furnace of the boiler unit, which allows to reduce the toxicity of flue gases in sulfur-containing compounds: SO ₂ and others [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.The disadvantage of the prototype method is the inability to control the process of reducing the toxicity of flue gases by NO _x in boiler units in stationary and non-stationary working conditions.

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.The purpose of the invention is to reduce the number of toxic gas compounds such as NO _x in the exhaust flue gases from the furnace of the boiler unit in stationary and non-stationary working conditions.

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.This goal is achieved by measuring the signal value of the NO _x - 1 content in the flue gases at the outlet of the furnace and the signal value of the NO _x - 2 content at the exit of the flue gases into the atmosphere, determining the NO _x increment rate depending on NO _x - 2 and the speed changes in the NO _x - 1 signal, and the air flow rate at the inlet to the furnace is adjusted depending on the rate of change of the NO _x - 1 signal, the air temperature at the inlet of the furnace is adjusted depending on the increment rate of NO _x , the flue gas flow rate from the furnace to the atmosphere is adjusted in dependencies about t the magnitude of the signal NO _x - 2 and the increment rate NO _x , measure the flow of flue gases at the outlet to the atmosphere, and the flow of recirculating flue gases to the furnace is adjusted depending on the flow of flue gases at the exit to the atmosphere according to the signals of the content of NO _x - 2 and the value of the mismatch measured and set pressure differential values.

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.Until now, the known methods for controlling the process of reducing flue gas toxicity in the best case have made it possible to reduce the amount of such compounds as SO ₂ , mercaptans, etc., but did not reduce the NO _x content. However, it is NO _x compounds that are the most toxic and carcinogenic. Recently, there has been evidence of an increase in oncological diseases of the respiratory tract of people with reference to the carcinogenicity of emissions in the areas where the TPP and TPP are located. Since NO _x compounds are one of the strongest carcinogens, the problem of reducing the flue gas toxicity of boiler units from compounds of this type is by far the most urgent.

Процесс образования токсичных газов в дымовых газах котельного агрегата, например NO_x, происходит следующим образом.The process of formation of toxic gases in the flue gases of a boiler unit, for example NO _x , is as follows.

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.The air entering the furnace contains free nitrogen N ₂ (79%) and oxygen O ₂ (21%), which in the furnace under high temperature conditions of the order of 1600-1700 ^о С form nitrogen oxides NO _x by the following chemical reaction:
N ₂ + O ₂

2NO _x
To control this reaction, we have the following control actions.

1) Уменьшение количества N₂ приводит к уменьшению количества NO_x.1) A decrease in the amount of N ₂ leads to a decrease in the amount of 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).However, it is difficult to reduce N ₂ in the air supplied to the furnace. It is much easier to reduce the supply of O ₂ with air due to the regulated supply of part of the exhaust flue gases to the furnace (flue gas recirculation).

2) При уменьшении О₂ происходит уменьшение NO_x. Уменьшение количества О₂ возможно за счет регулирования расхода воздуха и за счет регулирования рециркуляционных дымовых газов.2) When O ₂ decreases, NO _x decreases. Reducing the amount of O _{2 is} possible due to the regulation of air flow and due to the regulation of recirculation flue gases.

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.3) A decrease in NO _x occurs when the temperature in the furnace decreases from 1500-1600 ^о С to 1400-1300 ^о С, which is possible due to regulation of the temperature of the air supplied to the furnace in the range of 150-300 ^о С.

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.4) The reaction rate of the formation of NO _x is of particular importance. By increasing the reaction rate, thereby increasing the production of NO _x . By reducing the reaction rate, thereby reducing the production of NO _x. In other words, by influencing the reaction rate of NO _x , for example, by controlling the flow rate of recirculated flue gases, it is possible to influence the value of NO _x , i.e. actually due to changes in the coefficient of excess air.

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.Figure 1 presents the structural diagram of the technical implementation of the proposed method; figure 2 and 3 are graphs of transients of NO _x changes in flue gases according to the prototype method and the proposed method.

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.a) In the air preparation circuit for supplying the furnace, there is a Sapphire 22DD type air differential pressure sensor 1, NO _x -1 sensor 2 in flue gases at the outlet of the HiSON type furnace, an electronic differentiator 3 of the BDP-P type, a regulator of type 4 R.27, actuator type 5 MEO and regulating body 6 of the air flow into the furnace of the boiler in the form of guiding apparatus for a common air fan, air temperature sensor 7 type TSP, sensor 8 NO _x -2 values in the exhaust flue gases at the outlet of the HiSON type smoke exhauster, electronic differentiator type 9 BDP-P, opre elyayuschy NO _x increment rate depending on the NO _x -2, R.27 type knob 10, the actuator 11 of type ERI, the regulator 13, the steam flow supplied to the heater. Control object: 14 - furnace of the boiler unit, 15 - air heater.

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.b) In the control circuit for the flow of flue gases from the furnace to the atmosphere, there is a rarefaction sensor 16 in the furnace of the Sapphire 22DD type boiler unit, dynamic communication unit 17 from the BDP-P type air flow controller, dynamic communication unit 18 from the NO _x -2 value regulator type BDP-P, regulator 19 type R. 27, actuator 20 type MEO, regulating body 21 of the flow of exhaust flue gases into the atmosphere in the form of guides of the exhaust fan. In the control circuit for recirculation of the exhaust flue gases to the furnace, there is a sensor 8 of the NO _x -2 value in the exhaust flue gases at the outlet of the HiSON type exhaust fan, an electronic differentiator 22 of the BDP-P type, a regulator of type 23 of a P. 27, an actuator 24 of an MEO type, a regulatory body 25 flue gas flow rate in the recirculation line in the form of guiding apparatus of the auxiliary fan.

Система управления по предлагаемому способу работает следующим образом. The control system of the proposed method works as follows.

Изменение (увеличение) величин сигналов перепада давления Δ 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.Change (increase) in the values of the differential pressure signals Δ Р _VP , the values of the content of nitrogen oxides in the flue gases exhausted from the furnace NO _x - 1 are measured by

sensors

1 and 2 and fed through the differentiator 3 to the input of controller 4 for calculating the control action for air flow into the furnace of the boiler unit . Change (increase) in the value of the air temperature signals to the furnace of the boiler unit, measured by the sensor 7, and the dynamic relationship for the content of nitrogen oxides in the flue gases discharged into the atmosphere

measured by the sensor 8 and converted in the differentiator 9, are fed to the input of the controller 10 for calculating the control action by the temperature of the air supplied to the furnace of the boiler unit. Via the dynamic communication unit 17, the change in the rarefaction value in the furnace of the boiler unit, measured by the sensor 16, and the change in the dynamic connection from the NO _x - 2 value controller, calculated by the unit 18, are fed to the input of the controller 19 for calculating the control effect of the flue gas flow into the atmosphere.

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. When changing (increasing) the differential pressure of air on the air heater 15 in a differential form, obtained in block 23, and the content of nitrogen oxides in the flue gases discharged into the atmosphere, measured by the sensor 8, these parameters are fed to the input of the controller 23 of the flow of flue gases discharged into the atmosphere into recirculation lines. The signal from the output of the regulator 23 is fed to the input of the actuator 24, which controls the regulatory body 25 of the flue gas flow in the recirculation line.

Изменение (увеличение) величины перепада давления воздуха Δ 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 Δ 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.Change (increase) in the air pressure drop Δ P _VP and / or the content of nitrogen oxides in the flue gases exhausted from the furnace NO _x - 1, and / or the air temperature in the furnace of the boiler unit V _a and / or the content of nitrogen oxides in the atmosphere flue gases NO _x - 2, and / or rarefaction values in the furnace of the boiler unit Δ P, measured by sensors 1, 2, 7, 8 and 16 and converted by blocks 3, 9, 17, 18 and 22 are fed to the input of the regulators 4, 10, 20 and 23. The latter calculate the control actions supplied to the actuators 5, 11, 20 and 24, which respectively reduce the flow rate and temperature of the air supplied to the furnace of the boiler unit, and increase the flow of flue gases into the atmosphere with an increase in a certain amount of flue gases in the recirculation line.

В ходе имитационного моделирования способа-прототипа и предлагаемого способа получены данные, представленные в таблице. During the simulation of the prototype method and the proposed method, the data obtained are presented in the table.

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.When the disturbing effect changes in the form of an increase in the air flow rate supplied to the furnace of the boiler unit by 10%, the content of nitrogen oxides in the flue gases discharged into the atmosphere by the proposed method is 600 ppm, and by the prototype method - 2500 ppm. When the vacuum in the furnace changes to -2 mm water column the value of the content of nitrogen oxides in the flue gases discharged into the atmosphere by the proposed method was 650 ppm, in contrast to the prototype method, where this value is about 870 ppm. By changing the temperature of air supplied to the furnace of the boiler unit, 50 ^C. quantity of nitrogen oxides content in the flue discharged into the atmosphere the gases of the present method and the method-prototype is respectively 620 and 1300 ppm. The change in the disturbing effect - the consumption of flue gases in the recirculation line - by 5% in the direction of its increase from the nominal value leads to a decrease in the content of nitrogen oxides in the flue gases discharged into the atmosphere by the proposed method to 610 ppm and by the prototype method to 750 ppm. The nominal value of the content of nitrogen oxides in the flue gases discharged into the atmosphere is about 550-600 ppm.

Результаты имитационного моделирования говорят о вполне удовлетворительном качестве работы предлагаемого способа управления процессом уменьшения токсичности дымовых газов в котельных агрегатах. The results of simulation indicate a completely satisfactory quality of the proposed method for controlling the process of reducing the toxicity of flue gases in boiler units.

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. The economic feasibility of using the proposed method is visible from the following. The main components of economic efficiency from the implementation of the method for the IBS daily output by ASW 315 t / day are.

1. Экономия текущих затрат в процессе сжигания ядерного щелока за счет снижения химического недожега и повышения теплового КПД составит 25,8 тыс. руб. 1. The saving of current costs in the process of burning nuclear liquor by reducing chemical underburden and increasing thermal efficiency will be 25.8 thousand rubles.

2. Экономия пара за счет оптимизации частоты включения сажеобдувочных аппаратов составит 11,4 тыс.руб. 2. Steam savings due to optimization of the frequency of switching on soot-blowing devices will amount to 11.4 thousand rubles.

3. Экономия сульфата натрия за счет стабилизации режима горения составит 87,3 тыс.руб. 3. Sodium sulfate savings due to stabilization of the combustion regime will be 87.3 thousand rubles.

4. Экономическая оценка предотвращаемого ущерба предприятию за счет снижения газопылевых выбросов (в том числе и соединений NO_x) составит: 559,4 тыс.руб.4. The economic assessment of preventable damage to the enterprise by reducing gas and dust emissions (including NO _x compounds) will amount to: 559.4 thousand rubles.

При этом годовой экономический эффект составит 581,9 тыс.руб. Moreover, the annual economic effect will amount to 581.9 thousand rubles.

Claims

METHOD OF CONTROL OF THE PROCESS OF REDUCING THE TOXICITY OF SMOKE GASES IN BOILER UNITS, including measuring the differential pressure of air to the air heater and regulating the air flow at the inlet to the furnace in the air preparation circuit, the flue gas flow from the furnace to the atmosphere according to the signal of the mismatch between the measured and the upper part of the pressure signal the furnace and by the dynamic communication signal from the air flow regulator, characterized in that, in order to reduce the number of toxic gas compounds of the type NO _x with with flue gas from the furnace under stationary and non-stationary operating conditions of a boiler unit with a recirculation line, measure the value of the signal of NO _x - 1 content in the flue gases at the outlet of the furnace and the value of the signal of NO _x - 2 content at the exit of flue gases to the atmosphere, determine the speed NO _x increments depending on NO _x - 2 and the rate of change of the NO _x - 1 signal, moreover, the air flow rate at the inlet to the furnace is adjusted depending on the rate of change of the NO _x - 1 signal, the air temperature at the inlet of the furnace is regulated depending on The increment rates of NO _x , the flow rate of flue gases from the furnace to the atmosphere are adjusted depending on the value of the NO _x - 2 signal and the rate of increase of NO _x , the flow rate of flue gases at the outlet to the atmosphere is measured, and the flow rate of circulating flue gases to the furnace is controlled depending on the flow rate gases at the outlet to the atmosphere according to the signals of the NO _x - 2 content and the magnitude of the mismatch between the measured and given values of the pressure drop.