Technical and economic indicators of the technologies of reduction of nitrogen oxide emissions from powerful heating boilers
Powerful boilers of the PTVM and KV-GM series, currently in operation as a  part of Ukraine's district heating boilers, produce  nitrogen oxides emission at a level of 210–240 mg / nm3 with a content of 3% of O2 in flue gases from natural gas combustion. The terms of D...
Збережено в:
| Дата: | 2019 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2019
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/724 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |
|
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871104231229882368 |
|---|---|
| author | Teslenko O.I. |
| author_facet | Teslenko O.I. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Teslenko O.I.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Teslenko O.I. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:45Z |
| description | Powerful boilers of the PTVM and KV-GM series, currently in operation as a  part of Ukraine's district heating boilers, produce  nitrogen oxides emission at a level of 210–240 mg / nm3 with a content of 3% of O2 in flue gases from natural gas combustion. The terms of Directive 2010/75/EU require that the levels of nitrogen oxides from such large combustion plants (heat power of 50 MW or more) do not exceed 100 mg / nm3, i.e., NOx emissions have to be reduced at least by 55–60% of the today's level. For powerful heating boilers of the PTVM-30M, PTVM-50, PTVM-100, PTVM-180, KVGM-30, KVGM-50, KVGM-100 series, which are included to the National Plan for Reducing Emissions from Large Combustion Plants, the following low-cost technologies of reduction of nitrogen oxides emission are requied: flue gas recirculation, water injection into the combustion chamber, tertiary air supply, stepwise combustion of fuel, and low-toxic burners with the reduced formation of nitrogen oxides. Using a calculating method, we determined the technical-and-economic parameters for each technology: specific capital costs for the introduction of technological equipment (per unit of installed heat capacity of the boiler) and specific consumption of the additional expenditure of fuel and energy resources (per unit of generated heat energy) that accompany its operation. The most efficient combined conditional-technological method for reducing nitrogen oxides emission to the requirements of Directive 2010/75/EC is the use of innovative low-toxic burners with flue gas recirculation directly into the fuel-air mixture: total specific capital costs are from 160 to 280 thousand UAH per MW of boiler's thermal power. Additional electricity consumption is determined solely by its expenditure for flue gas recirculation from 0.2 to 0.56 kW-h per MW-h of heat produced by the boiler. The determination of these parameters will allow us to assess the influeme of introduction of the technologies of reducing nitrogen oxides emissions on the economic characteristics of production of thermal energy by powerful boiler houses of the district heating systems of Ukraine. Enterprises – operators of boiler houses and potential investors will be able to determine the economic feasibility of modernizing the existing powerful boiler plants to meet requirements of the Directive 2010/75/EU on nitrogen oxides emissions. |
| doi_str_mv | 10.15407/pge2019.03.030 |
| first_indexed | 2026-03-24T02:02:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
30
О.І. ТЕСЛЕНКО
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2019, issue 3(58)
ISSN 2522-4344 (Online), ISSN 1562-8965 (Print). The problems of general energy, 2019, 3(58): 30–36
doi: https://doi.org/10.15407/pge2019.03.030
Національним планом скороченням викидів від
великих спалювальних установок (НПСВ) [1], схва-
леним Кабінетом Міністрів України на виконання
вимоги Директиви Європейського Парламенту та
Ради 2010/75/ЄC «Про промислові викиди (комп-
лексне запобігання і контроль забруднень)» (далі –
Директива 2010/75/ЄC) [2] передбачається до
2033 р. зменшення викидів оксидів азоту до рів-
ня вимог цієї Директиви від 20 існуючих великих
опалювальних котелень систем централізовано-
го теплопостачання (СЦТ) загальною встанов-
леною тепловою потужністю водогрійних котлів
5444,79 МВт, які використовують в якості основно-
го палива природний газ. Існуючі котли та котель-
ні, які не будуть відповідати вимогам Директиви
2010/75/ЄС, повинні бути виведені з експлуатації
та замінені на сучасні більш екологічно безпечні.
Метою аналітично-розрахункових досліджень
було визначення техніко-економічних показни-
ків маловитратних технологій зменшення ви-
кидів оксидів азоту: питомих капітальних затрат
на впровадження технологічного обладнання (на
одиницю встановленої теплової потужності кот-
ла) та питомих витрат додаткового споживання
паливно-енергетичних ресурсів (на одиницю ви-
робленої теплової енергії), які супроводжують
його експлуатацію.
Об’єктами досліджень були водогрійні газові
котли марок ПТВМ-30М , ПТВМ-50, ПТВМ-100,
ПТВМ-180, КВГМ-30, КВГМ-50, КВГМ-100, які
включені до НПСВ.
За результатами аналізу технологій зі змен-
шення викидів оксидів азоту NOx [3–6] для
котлів, які спалюють газоподібне паливо, були
визначені маловитратні технології для їх за-
стосування на потужних котельних установках
СЦТ: рециркуляція димових газів; впорскуван-
ня води; ступеневе спалювання палива; подача
третинного повітря; використання малотоксич-
них пальників зі зниженим утворенням оксидів
азоту.
Вихідні положення по кожній технології визна-
чено за даними, наведеними в [7−9].
Розрахунки обсягів палива, повітря та димових
газів, їх ентальпія, зменшення ККД котла, потреб
у додатковому паливі виконувались згідно Норма-
тивного методу теплового розрахунку котельних
агрегатів [10]. Проектні техніко-економічні показ-
ники котлів визначались за [11].
Згідно з рекомендаціями ГКД 34.02.305—2002
[12] за відсутності фактичних даних про елемент-
ний склад газоподібного палива при розрахунках
були використані значення для природного газу
газопроводу Уренгой–Ужгород.
Характеристики природного газу для газопро-
воду Уренгой–Ужгород наведено в табл. 1. Спо-
УДК 502.3:662.613.5 О.І. ТЕСЛЕНКО, канд. техн. наук, ORCID: 0000-0002-3772-5991
Інститут загальної енергетики НАН України, вул. Антоновича, 172, м. Київ, 03150, Україна
ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНІ ПОКАЗНИКИ ТЕХНОЛОГІЙ ЗМЕНШЕННЯ ВИКИДІВ
ОКСИДІВ АЗОТУ ВІД ПОТУЖНИХ ОПАЛЮВАЛЬНИХ КОТЛІВ
Для потужних водогрійних котлів марок ПТВМ-30М, ПТВМ-50, ПТВМ-100, ПТВМ-
180, КВГМ-30, КВГМ-50, КВГМ-100, які включені до Національного плану ско-
рочення викидів від великих спалювальних установок, розглянуто маловитратні
технології зменшення викидів оксидів азоту: рециркуляція димових газів; впор-
скування води в топкову камеру; подача третинного повітря; ступеневе спалю-
вання палива; малотоксичні пальники зі зниженим утворенням оксидів азоту.
Розрахунковим методом визначено техніко-економічні показники для кожної
технології: питомі капітальні затрати на впровадження технологічного обладнан-
ня (на одиницю встановленої теплової потужності котла) та питомі витрати до-
даткового споживання паливно-енергетичних ресурсів (на одиницю виробленої
теплової енергії), які супроводжують його експлуатацію.
К л ю ч о в і с л о в а: котли, водогрійні, зменшення викидів, оксиди азоту, технології,
техніко-економічні показники.
© О.І. ТЕСЛЕНКО, 2019
31
Техніко-економічні показники технологій зменшення викидів оксидів азоту від потужних опалювальних котлів
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2019, issue 3(58)
живання палива водогрійним котлом визначали у
порядку, наведеному нижче.
Годинна розрахункова витрата палива на номі-
нальному режимі роботи котла визначалась, як
3600 н
н к
р н р
н
NB
Q
, м3/год,
де н
кN – номінальна теплова потужність водогрій-
ного котла, кВт; р
нQ – теплотворна здатність газо-
подібного палива, кДж/м3; н
– ККД котла на но-
мінальному режимі роботи.
Збільшення споживання палива ΔB (м3/год)
внаслідок зменшення ККД водогрійного котла
н п визначається за формулою
3600 н
к
н р
н
NB
Q
,
де
н , п
– ККД котла при номінальній (проектній)
та поточній (непроектній) тепловій потужності.
Рециркуляція димових газів (далі – РДГ) (ефектив-
ність 10–20%). Оснащення димососами та газохода-
ми. Відхідні димові гази з температурою 150–250 °С
рециркуляційними димососами по додатковим га-
зоходам подаються в топкову камеру (або безпо-
середньо в повітря, що постачається до пальника),
внаслідок чого максимальна локальна температура
на фронті полум’я знижується на 120–130 °С. Поста-
чання в топкову камеру димових газів з вмістом кис-
ню меншим, аніж у повітрі обумовлює зменшення
концентрації кисню в зоні горіння, що також змен-
шує утворення NOх. При застосуванні рециркуляції
димових газів у топкову камеру ККД котла зменшу-
ється на 0,01–0,03% на кожен відсоток ступення ре-
циркуляції та оптимальна ступінь рециркуляції скла-
дає 0,20–0,22. Загальне зменшення ККД котла може
бути 0,2–0,65%. Для розрахунків було прийнято сту-
пінь рециркуляції димових газів 0,2 та зменшення
ККД котла 0,4%. Зростання енергетичних витрат на
власні потреби обумовлене додатковим споживан-
ням електроенергії електродвигунами димососів
та палива котлом унаслідок зменшення ККД.
Ступінь рециркуляції є співвідношення об’ємної
витрати газів рециркуляції Vгр до об’ємної витрати
димових газів Vдг за місцем відбору
ГР
ДГ
Vr
V
.
Зменшення ККД котла при РДГ:
0,02РД r ,
де 0,02 – коефіцієнт зменшення ККД котла на ко-
жен відсоток ступеня рециркуляції .
Додаткове споживання палива при РДГ:
РД
Г Н
РДГ Р НB B , м3/год.
Витрата димових газів з РДГ при нормальних
умовах (Т = 273 К):
Н Г
РДГ ДГ Р РДГV V В В , м3/год.
Витрата димових газів з РДГ при фактичних
умовах:
t t Н Г
РДГ ДГ Р РДГV V В В , м3/год,
де t
ДГV – витрата димових газів на 1 м3 палива при
температурі димових газів t.
Витрата газів рециркуляції при температурі
димових газів t дорівнює
t t
РД РДГV r V , м3/год.
За годинною витратою газів рециркуляції оби-
раються димососи (для котлів потужністю більше
50 МВт щонайменше по одному димососу на кож-
ну сторону водогрійного котла). Для виконання
розрахунків були обрані димососи типу ДН-10-
1000 та ДН-11-1500 [13] відповідної продуктив-
ності компанії «Вентиляторний завод «Укрвент-
системи»» (м. Харків, Україна) та визначалась
ціна продажу.
За електричною потужністю електродвигунів
та коефіцієнтом використання потужності димо-
сосів визначалось годинне споживання електрич-
ної енергії електродвигунами за формулою
Г
РДГ ДРГ ДРГ ДРГЕ n k N , кВт∙год/год,
де nДРГ – кількість димососів РДГ, одиниць; NДРГ –
електрична потужність електродвигуна димососу,
кВт; kДРГ – коефіцієнт використання установленої
електричної потужності електродвигуна димосо-
су; τ – час, дорівнює 1 год.
Для кожного електродвигуна димососів додат-
ково обирались частотні перетворювачі напруги
VLT MicroDrive FC 51 [14] компанії DANFOSS
(Данія) та визначалась їх ціна продажу.
Впорскування води в топкову камеру (ефектив-
ність 15–20%). Оснащення водяними форсунка-
ми, водяними насосами та трубопроводами. Для
зменшення максимальної локальної температури
Таблиця 1. Характеристики природного газу для газопроводу Уренгой–Ужгород
Параметр CH4 C2H6 C3H8 C4H10 C5H12 CO2 N2 H2S Qн
р ρ
Розмірність % % % % % % % % МДж/нм3 кг/нм3
Значення 98,90 0,12 0,011 0,01 0,00 0,06 0,90 0,00 33,08 0,723
32
О.І. ТЕСЛЕНКО
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2019, issue 3(58)
на фронті полум’я при згоранні палива у топкову
камеру впорскують вологу у вигляді води або во-
дяної пари приблизно 5–6% від маси повітря, яке
подається для спалювання палива. Внаслідок цьо-
го підвищуються втрати з теплотою додаткової
водяної пари у відхідних димових газах і зменшу-
ється загальна енергоефективність котла. Додат-
кові витрати палива обумовлюються зменшенням
ККД котла (для виробництва однакової теплової
енергії потрібно більше палива), для впорскуван-
ня води необхідна додаткова електроенергія для
електродвигунів водяних насосів, а також потріб-
ні додаткові витрати води.
Визначення додаткових витрат на воду для
впорскування
Питома витрата води mВП на впорскування
(відносно одиниці об’єму газоподібного палива)
визначається за формулами
0
ВП ВП Т Пm k V , кг/м3,
де V0 – питомий об’єм теоретично необхідного
повітря для спалювання одиниці об’єму газо-
подібного палива, м3/м3; αТ – надлишок повітря
на виході з топкової камери; kВП – частка води на
впорскування від маси повітря, яке подається для
спалювання палива; ρП – густина повітря, кг/м3.
Визначення додаткових витрат палива при
впорскуванні
Зменшення ККД котла внаслідок втрати тепло-
ти додаткової водяної пари з відхідними димови-
ми газами визначається за формулою
2
ВП ВП ВП ВП
р
н
I mq
Q
,
де IВП , ρВП – ентальпія (кДж/м3) та питомий об’єм
водяної пари (м3/кг), визначені при температурі
відхідних димових газів в [9].
Додаткова витрата палива внаслідок зменшен-
ня ККД визначається за формулою, м3/год,
ВП
Г н
ВП р нВ В ,
де ,н н
рВ – витрата палива (м3/год) та ККД котла
на номінальному режимі роботи котла.
Годинна витрата води на впорскування визна-
чається за формулою
Г н Г
ВП ВП р ВПm m В В , кг/год.
Визначення додаткових витрат на електро-
енергію для впорскування
За годинною витратою води на впорскування
обирався водяний насос. Для виконання розра-
хунків були обрані водяний насос типу 3D32-20
[15] з електродвигуном відповідної продуктив-
ності компанії EBARA (Японія) та визнача-
лась ціна продажу компанією-постачальником
«WATTON» (Україна).
Для кожного електродвигуна насосу впор-
скування додатково обирались частотні пере-
творювачі напруги VLT MicroDrive FC 51 [14]
компанії DANFOSS (Данія) та визначалась їх
ціна продажу компанією- постачальником «EWI-
ENGINEERING» (Україна).
Подача третинного повітря (ефективність
20–30%). Оснащення додатковими вентилято-
рами, повітропроводами, шліцами для подачі
повітря в топкову камеру. Для зменшення мак-
симальної локальної температури на фронті
полум’я при згоранні палива повітря для спалю-
вання розподіляється частинами по висоті топ-
кової камери. Розподіл повітря між пальниками,
в які подається первинне та вторинне повітря,
та третинним повітрям здійснюється наступним
чином: безпосередньо в пальники подається
частина повітря загальної кількості повітря (з
надлишком повітря αП = 0,80–0,85), теоретично
необхідного для повного згорання палива. Інша
частина повітря подається в топкову камеру
вище рівня розташування верхнього ярусу паль-
ників через спеціально обладнані отвори (шлі-
ци). Таким чином з використанням третинного
повітря остаточно спалюються залишки палива,
які не згоріли безпосередньо у факелі пальника
внаслідок нестачі окислювача (кисню повітря) в
паливно-повітряній суміші пальника. Зростан-
ня енергетичних витрат на власні потреби обу-
мовлене додатковим споживанням електроенер-
гії електродвигунами вентиляторів третинного
повітря.
Витрата повітря у пальники VП та витрата тре-
тинного повітря VТП визначаються за формулами
0
П ТV V , 0
ТП Т ПV V ,
де V0, VТ, VП, VТП – питомі об’єми теоретично не-
обхідного повітря, на виході з топкової камери, в
пальнику та третинного повітря для спалювання
одиниці об’єму газоподібного палива, відповідно,
м3/м3; αТ, αП – надлишок повітря на виході з топко-
вої камери та в пальнику, відповідно.
Годинна витрата третинного повітря визнача-
ється за формулою
Г Н
ТП ТП рV V В ,
де Н
рВ – годинна розрахункова витрата палива, м3/год.
За годинною витратою третинного повітря
обираються щонайменше два повітряні вентиля-
тори (по одному вентилятору на кожну сторону
водогрійного котла). Для виконання розрахунків
були обрані вентилятори типу ВДН95-40 [16] від-
повідної продуктивності компанії «Вентилятор-
ний завод «Укрвентсистеми»» (м. Харків, Украї-
на) та визначалась ціна продажу.
За електричною потужністю електродвигунів
та коефіцієнтом використання потужності венти-
33
Техніко-економічні показники технологій зменшення викидів оксидів азоту від потужних опалювальних котлів
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2019, issue 3(58)
ляторів визначалось годинне споживання елек-
тричної енергії за формулою
Г
ЕТП ВТП ВТП ВТПЕ n k N , кВт∙год/год,
де ВТПn – кількість вентиляторів третинного по-
вітря, одиниць; ВТПN – електрична потужність
двигуна вентилятора, кВт; ВТПk – коефіцієнт ви-
користання установленої електричної потужнос-
ті електродвигуна вентилятора; τ – час, дорівнює
1 год.
Для кожного електродвигуна вентиляторів до-
датково обирались частотні перетворювачі напру-
ги VLT MicroDrive FC 51 [14] компанії DANFOSS
(Данія) та визначалась їх ціна продажу.
Стадійне спалювання (ефективність 30–40%).
Реалізація стадійного спалювання (ступеневої
подачі повітря) можлива на котлах, на яких паль-
ники розташовані ярусами по висоті топкової
камери. У такій ситуації в пальники, які розта-
шовані на нижчому ярусі, подається збагачена
паливно-повітряна суміш з нестачею повітря
для стехіометричного згорання палива, внаслі-
док чого при її згоранні частина палива не зго-
рає. При цьому максимальна локальна темпера-
тура на фронті полум’я в факелі зменшується з
1800–2000 до 1600–1700 К і нижче, що в умовах
нестачі окислювача (кисню) призводить до змен-
шення утворення оксидів азоту. В пальники, які
розташовані на вищих ярусах, подається збід-
нена паливно-повітряна суміш, яка згорає при
нижчих максимальних локальних температурах
на фронті полум’я, що запобігає інтенсивному
утворенню оксидів азоту.
Витрати на впровадження стадійного спалю-
вання визначається тільки витратами на проведен-
ня режимно-налагоджувальних робіт та можуть
бути обраховані через кількість задіяних праців-
ників (керівник робіт, інженерний персонал, ла-
боранти) і витрати часу на підготовку та прове-
дення робіт, обробку результатів, підготовку звіту
та оренду (амортизацію) вимірювальних приладів
(газоаналізаторів) та допоміжного обладнання та
інструментів.
Вартість робіт на впровадження стадійного
спалювання відносяться до капітальних витрат.
Малотоксичні пальники (ефективність 10–
50%). Оснащення сучасними пальниками з
низьким рівнем утворення оксидів азоту та вен-
тиляторами до них. Сучасні малотоксичні паль-
ники для спалювання природного газу за остан-
ні 15 років стрімко вдосконалювались в напря-
му зменшення локальної максимальної темпе-
ратури на фронті полум’я шляхом його стадій-
ного дифузійного спалювання безпосередньо
біля пальника. Ефективність таких сучасних
пальників стадійного спалювання («пальників
з низьким виходом NOx») сягає до 50% щодо
зниження викидів оксидів азоту при спалюван-
ні природного газу, що суттєво більше ефектив-
ності малотоксичних пальників початку 2000-х
років (до 20%). В Європейському Союзі введена
класифікація таких малотоксичних пальників,
які відповідають вимогам Директиви 2010/75/
ЄС та запобігають утворенню оксидів азоту
з коефіцієнтом емісії не більше 80 мг/кВт·год
(клас 3, еквівалентно концентрації оксидів азо-
ту 96 мг/нм3 в димових газах при вмісті О2 = 3%)
та прийшли на заміну пальникам першого класу
(170 мг/кВт·год) та другого класу (120 мг/
кВт·год). Компанія UNIGAS (Італія) [17, 18]
пропонує пальники, які з рециркуляцією димо-
вих газів в повітря, призначене для спалювання
природного газу, можуть забезпечити наднизьку
емісію оксидів азоту (до 50 мг/кВт·год і навіть
до 20 мг/кВт·год). Саме ці малотоксичні паль-
ники призначені для обладнання котлів опалю-
вальних котелень, розташованих в великих міс-
тах з щільною житловою забудовою, де забез-
печення низьких концентрацій забруднюючих
речових є пріоритетним завданням.
Енергетичні витрати на власні потреби обу-
мовлені споживанням електроенергії електродви-
гунами вентиляторів.
Затрати на впровадження малотоксичних паль-
ників визначається вартістю самих пальників та до-
поміжного обладнання, які зазвичай постачаються в
загальному комплекті (пальники, вентилятори, пе-
ретворювачі частоти напруги та комп’ютеризована
система автоматизованого управління), а також
вартістю монтажно-налагоджувальних робіт та
розробки проектно – кошторисної документації.
Вибір малотоксичних пальників, димососів,
вентиляторів, водяних насосів, частотних пере-
творювачів напруги для електродвигунів цих при-
строїв з визначенням їх вартості станом на 2019 р.
проводився за пропозиціями постачальників об-
ладнання [13–18].
Питомі витрати додаткової електроенергії eеij
(кВт·год/кВт·год), питомі витрати додаткового па-
лива eвij (ГДж/кВт·год) та питомі витрати води на
впорскування eвпij (м
3/кВт·год) при впровадженні
i-тої технології зменшення викидів оксидів азоту
на водогрійному котлі j-тої марки віднесені на го-
динне виробництво теплової енергії визначались
за формулами
;Г н
ei ij кje Е N ,
Г р н
вij ij н кje В Q N ;
Г н
eвпj впj кje m N ,
де ( н
кjN ) – годинна теплова продуктивність во-
догрійного котла марки j, кВт·год.
34
О.І. ТЕСЛЕНКО
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2019, issue 3(58)
Вартість капітальних затрат на впроваджен-
ня технологій зменшення викидів оксидів азоту
складається з затрат на основне обладнання (ди-
мососи, вентилятори, насоси та частотні перетво-
рювачі), додаткове обладнання (газоходи, повітро-
проводи, трубопроводи, арматура, контрольно-ви-
мірювальні прилади, системи управління тощо),
монтажно-будівельні та пусконалагоджувальні
роботи, а також розробку проектно-кошторисної
документації. Капітальні витрати на впроваджен-
ня стадійного спалювання визначаються тільки
витратами на проведення режимно-налагоджу-
вальних робіт.
Питомі капітальні затрати на впровадження
i-ої технології зменшення викидів оксидів азоту
віднесені на теплову потужність н
кjN водогрійного
котла марки j визначались за формулою
н
ji ji кjк K N , грн/кВт,
де jiK – капітальні затрати на впровадження i-ої
технології на котлі марки j, грн.
Аналіз результатів розрахунків
Потужні водогрійні котли марок ПТВМ та
КВ-ГМ, які на поточний час знаходяться в експлу-
атації у складі опалювальних котелень СЦТ Укра-
їни, при спалюванні природного газу утворюють
викиди оксидів азоту на рівні 210–240 мг/нм3 при
вмісті О2 = 3% в димових газах [4]. Умови Дирек-
тиви 2010/75/ЄС вимагають, щоб рівень викидів
оксидів азоту від таких великих спалювальних
установок (тепловою потужністю 50 МВт і біль-
ше) не перевищував 100 мг/нм3, тобто потрібно
зменшити викиди NOx щонайменше на 55–60%
від поточного рівня.
При виборі заходів зменшення викидів окси-
дів азоту при спалюванні природного газу нада-
ють перевагу режимно-технологічним методам з
технологіями, які запобігають первинному утво-
ренню оксидів азоту: установка малотоксичних
пальників в існуючі амбразури топкової камери
без суттєвих змін поверхонь нагріву під тиском,
ступеневе спалювання з розподіленням палива
між ярусами пальників, рециркуляція димових
газів та подача третинного повітря вище факела
згорання палива в пальниках або комбінований
метод із застосуванням 2–3 наведених технологій.
У табл. 2 представлена ефективність первин-
них (режимно-технологічних) заходів зменшення
викидів NOx на спалювальних установках, які є
мало витратними порівняно з технологіями очи-
щення димових газів від вже утворених оксидів
азоту. Наприклад, впровадження технології селек-
тивного некаталітичного відновлення потребує
10–20 $/кВт установленої теплової потужності; а
технології селективного каталітичного відновлен-
ня потребує 50–100 $/кВт установленої теплової
потужності.
Таблиця 2. Ефективність первинних
заходів скорочення викиду NOx [12]
Тип первинних
(технологічно-режимних) заходів Ефективність
Малотоксичні пальники 0,20–0,50*
Ступенева подача повітря 0,30
Подача третинного повітря 0,20
Рециркуляція димових газів 0,10
Впорскування вологи
в топкову камеру 0,10
Трьохступенева подача повітря
та палива 0,35
Малотоксичні пальники +
ступенева подача повітря 0,45
Малотоксичні пальники +
подача третинного повітря 0,40
Малотоксичні пальники +
рециркуляція димових газів 0,30
Ступенева подача повітря +
подача третинного повітря 0,45
Ступенева подача повітря +
рециркуляція димових газів 0,40
Малотоксичні пальники + ступенева
подача повітря + рециркуляція
димових газів
0,50
Малотоксичні пальники + ступенева
подача повітря + подача третинного
повітря
0,60
* − сучасні малотоксичні пальники мають ефективність
0,5 і більше.
У табл. 3 представлено зведені результати
розрахунків техніко-економічних показників
технологій зменшення викидів оксидів азоту для
водогрійних котлів марок ПТВМ-30М, ПТВМ-
50, ПТВМ-100, ПТВМ-180, КВГМ-30, КВГМ-50,
КВГМ-100, які спалюють природний газ, а саме
питомих капітальних витрат на впровадження
технологічного обладнання (на одиницю вста-
новленої теплової потужності котла) та питомих
витрат додаткового споживання паливно-енерге-
тичних ресурсів (на одиницю виробленої тепло-
вої енергії), які супроводжують його експлуата-
цію, для кожної з досліджених технологій.
Порівняльний аналіз питомих капітальних
затрат на впровадження технологій показує, що
найбільші значення має впровадження мало-
токсичних пальників зі зниженим утворенням
оксидів азоту (від 152523 до 261691 грн/МВт),
однак сучасні малотоксичні пальники мають
ефективність зменшення утворення до 0,5 вна-
слідок того, що в своїй конструкції реалізують
стадійне спалювання. Інноваційні малотоксичні
пальники, які додатково до конструктивної ре-
алізації стадійного спалювання забезпечують
подачу газів рециркуляції безпосередньо в па-
ливно-повітряну суміш, мають загальну ефек-
35
Техніко-економічні показники технологій зменшення викидів оксидів азоту від потужних опалювальних котлів
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2019, issue 3(58)
тивність зменшення утворення оксидів азоту
більше 0,7.
Інші технології мають суттєво менші питомі
капітальні затрати на їх впровадження:
- рециркуляція димових газів: від 8877 до
12898 грн/МВт ;
- впорскування води: від 592 до 3551 грн/МВт;
- подача третинного повітря: від 2940 до
5938 грн/МВт;
- ступеневе спалювання палива: від 1540 до
2236 грн/МВт.
Однак ці технології супроводжуються додат-
ковими (експлуатаційними) витратами паливно-
енергетичних ресурсів: електроенергії, природ-
ного газу та води. Витрати електроенергії елек-
тродвигунами вентиляторів для подачі повітря
в пальники можна віднести до загальних витрат
технологічного процесу вироблення котлом гаря-
чої води.
Таким чином, для проведення модернізації іс-
нуючих потужних котелень СЦТ задля їх відпо-
відності вимогам Директиви 2010/75/ЄC щодо
викидів оксидів азоту доцільно впроваджувати
комбінований метод із застосуванням інновацій-
них малотоксичних пальників з рециркуляцією
димових газів безпосередньо в паливно-повітря-
ну суміш.
ВИСНОВКИ
Для водогрійних газових котлів марок ПТВМ-
30М, ПТВМ-50, ПТВМ-100, ПТВМ-180, КВГМ-
30, КВГМ-50, КВГМ-100, які увійшли до Націо-
нального плану скорочення викидів від великих
спалювальних установок, розрахунковим мето-
дом були визначені техніко-економічні показни-
ки, а саме питомі капітальні затрати на впрова-
дження технологічного обладнання (на одиницю
встановленої теплової потужності котла) та пи-
томі витрати додаткового споживання паливно-
енергетичних ресурсів (на одиницю виробленої
теплової енергії), які супроводжують його екс-
плуатацію, для наступних технологій зменшення
Таблиця 3. Техніко-економічні показники технологій зменшення викидів оксидів азоту
для водогрійних котлів
Технологія, показник /марка котла ПТВМ-
30М
ПТВМ-
50
ПТВМ-
100
ПТВМ-
180
КВГМ-
30
КВГМ-
50
КВГМ-
100
Теплова потужність (номінальна), МВт 40,70 58,20 116,30 209,34 34,90 58,20 116,30
1.Рециркуляція димових газів
1.1. Питомі капітальні затрати, грн/МВт* 11060 9223 9231 8877 12898 9223 9231
1.2. Питомі витрати електроенергії,
кВт·год/МВт·год 0,264 0,297 0,298 0,522 0,395 0,288 0,218
1.3. Питомі витрати палива, ГДж/МВт·год 0,018 0,018 0,018 0,018 0,017 0,017 0,016
2. Впорскування води до топкової камери
2.1. Питомі капітальні затрати, грн/МВт* 3045 2129 1066 592 3551 2129 1066
2.2. Питомі витрати електроенергії,
кВт·год/МВт·год 0,074 0,052 0,026 0,014 0,086 0,052 0,026
2.3. Питомі витрати палива, ГДж/МВт·год 0,190 0,196 0,198 0,197 0,189 0,188 0,169
2.4. Питомі витрати води, м3/МВт·год 0,072 0,073 0,073 0,073 0,071 0,070 0,069
3. Подача третинного повітря
3.1. Питомі капітальні затрати, грн/МВт* 5092 4394 2940 3855 5938 4394 2940
3.2. Питомі витрати електроенергії,
кВт·год/МВт·год 0,108 0,103 0,103 0,115 0,126 0,103 0,103
4. Стадійне спалювання
4.1. Питомі капітальні затрати, грн/МВт* 2236 2835 1892 1540 --- --- 1892
5. Малотоксичні пальники
5.1. Питомі капітальні затрати, грн/МВт* 224399 239410 209413 152523 261691 228059 217069
5.2. Питомі витрати електроенергії,
кВт·год/МВт·год 2,64 2,61 2,59 2,10 2,64 3,18 3,21
* − в цінах 2019 р.
36
О.І. ТЕСЛЕНКО
ISSN 1562-8965. The Problems of General Energy, 2019, issue 3(58)
викидів оксидів азоту: рециркуляція димових га-
зів; впорскування води в топкову камеру; подача
третинного повітря; ступеневе спалювання пали-
ва; малотоксичні пальники зі зниженим утворен-
ням оксидів азоту.
Найбільш ефективним комбінованим режим-
но-технологічним методом зменшення викидів
оксидів азоту до рівня вимог Директиви 2010/75/
ЄС є інноваційні малотоксичні пальники з рецир-
куляцією димових газів безпосередньо в палив-
но-повітряну суміш: сумарні питомі капітальні
затрати становлять від 160 до 280 тис. грн/МВт
встановленої теплової потужності котла, додатко-
ві витрати електроенергії визначається виключно
її споживанням димососами рециркуляції димо-
вих газів від 0,2 до 0,56 кВт·год/МВт·год теплової
енергії, виробленої водогрійним котлом.
Визначення наведених показників дозволяє оці-
нити вплив впровадження технологій зменшення
викидів оксидів азоту на економічні характеристи-
ки виробництва теплової енергії потужними водо-
грійними котлами опалювальних котелень системи
централізованого теплопостачання України.
Робота виконана за рахунок коштів бюджет-
ної програми «Підтримка розвитку пріоритетних
напрямів наукових досліджень» (КПКВ 6541230).
1. Національний план скорочення викидів від ве-
ликих спалювальних установок: схвалено роз-
порядженням Кабінету Міністрів України від
8 листопада 2017 року № 796-р. URL: http://mpe.
kmu.gov.ua/minugol/control/uk/publish/article?art_
id=245255506&cat_id=245255478// (дата звернення:
02.08.2019).
2. Directive 2010/75/EU of the European Parliament
and of the Council of 24 November 2010 on industrial
emissions (integrated pollution prevention and control):
Offi cial Journal of the European Union. 2010.
17 December. Vol. 53. 119 p.
3. Best Available Techniques (BAT) Reference Document
for Large Combustion Plants/ Thierry Lecomte et al.:
Publications Offi ce of the European Union. 2017. 986 р.
4. Сміхула А.В. та ін. Технології зниження шкідливих
викидів до атмосфери тепловими електростанці-
ями та котельними великої і середньої потужнос-
ті України: монографія. К.: ФОП Маслаков, 2019.
107 с. ISBN 978-617-7777-05-1.
5. Информационно-технический справочник по на-
илучшим технологиям ИТС 38-2017. Сжигание то-
плива на крупных установках с целью производства
энергии. М.: Бюро НТД, 2017. 280 с.
6. Комунальна теплоенергетика України: стан, про-
блеми, шляхи модернізації / ред. А.А. Долінський
та ін. К., 2007. Т. 2. С. 538—568.
7. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжи-
гании топлива: монография. Л.: Недра. 1988. 313 с.
8. Сигал И.Я. Сжигание газа в котлах и защита воздуш-
ного бассейна. Энерготехника и энергосбережение.
№ 4. 2009. С. 26—35.
9. Dolinskiy A., Sigal A.I. The Infl uence of Moisture in Air
on the Working Effi ciency of Boilers in the Industrial
and Municipal Energy Sectors. In: Syred N., Khalatov
A. (eds). Advanced Combustion and Aerothermal
Technologies. NATO Science for Peace and Security.
Series C: Environmental Security. Dordrecht. Springer.
2007. Р. 331—339.
10. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный
метод / Под ред. Г.М. Кагана. 3-е изд., перераб. и
доп. СПб.: ВТИ, 1998. 260 с.
11. Справочник по котельным установкам малой про-
изводительности / Под ред. К.Ф. Роддатиса. М.:
Энергоатомиздат, 1989. 488 с.
12. ГКД 34.02.305—2002. Викиди забруднювальних
речовин у атмосферу від енергетичних установок.
Методика визначення. [Чинний від 2002. 07. 01].
Київ: ОЕП ГРІФРЕ. 2002. 45 с. (Галузевий керівний
документ).
13. Димососи ДН. Вентиляторний завод Укрвентсисте-
ми. URL: http://ukrvent.com/dn-html/ (дата звернен-
ня: 02.08.2019).
14. Частотні перетворювачі DANFOSS. URL: https://
ewi-engineering.com.ua/danfoss-vlt-micro-drive-fc-
51-55-kvt-380-v.html (дата звернення: 02.08.2019).
15. Промислові насоси EBARA. WATTON. URL: https://
watton.ua/uk/vodosnabzhenie/nasosy/promyshlennye-
nasosy/ebara/ (дата звернення: 02.08.2019).
16. Вентилятори ВДН. Вентиляторний завод Укрвент-
системи. URL: http://ukrvent.com/vdn-html/ (дата
звернення: 02.08.2019).
17. C.I.B. UNIGAS S.p.A. Промышленные горелки.
Технический каталог и прайс-лист. 2012. 178 с.
URL: http://www.cibunigas.com/ru/product-catalogs
(дата звернення: 02.08.2019).
18. C.I.B. UNIGAS S.p.A. Горелки. Каталог продукции
от 480 кВт до 19000 кВт. 2019. 310 с. URL: http://
www.cibunigas.com/ru/product-catalogs (дата звер-
нення: 02.08.2019).
Надійшла до редколегії: 12.08.2019
|
| id | systemreorg-article-724 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:20:48Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/29/38715e8c809a757e634665f0a1021329.pdf |
| spelling | systemreorg-article-7242026-07-18T12:57:45Z Technical and economic indicators of the technologies of reduction of nitrogen oxide emissions from powerful heating boilers Техніко-економічні показники технологій зменшення викидів оксидів азоту від потужних опалювальних котлів Teslenko O.I. boilers, water heaters, emission reduction, nitrogen oxides, technologies, technical-and-economic parameters. котли, водогрійні, зменшення викидів, оксиди азоту, технології, техніко-економічні показники. Powerful boilers of the PTVM and KV-GM series, currently in operation as a  part of Ukraine's district heating boilers, produce  nitrogen oxides emission at a level of 210–240 mg / nm3 with a content of 3% of O2 in flue gases from natural gas combustion. The terms of Directive 2010/75/EU require that the levels of nitrogen oxides from such large combustion plants (heat power of 50 MW or more) do not exceed 100 mg / nm3, i.e., NOx emissions have to be reduced at least by 55–60% of the today's level. For powerful heating boilers of the PTVM-30M, PTVM-50, PTVM-100, PTVM-180, KVGM-30, KVGM-50, KVGM-100 series, which are included to the National Plan for Reducing Emissions from Large Combustion Plants, the following low-cost technologies of reduction of nitrogen oxides emission are requied: flue gas recirculation, water injection into the combustion chamber, tertiary air supply, stepwise combustion of fuel, and low-toxic burners with the reduced formation of nitrogen oxides. Using a calculating method, we determined the technical-and-economic parameters for each technology: specific capital costs for the introduction of technological equipment (per unit of installed heat capacity of the boiler) and specific consumption of the additional expenditure of fuel and energy resources (per unit of generated heat energy) that accompany its operation. The most efficient combined conditional-technological method for reducing nitrogen oxides emission to the requirements of Directive 2010/75/EC is the use of innovative low-toxic burners with flue gas recirculation directly into the fuel-air mixture: total specific capital costs are from 160 to 280 thousand UAH per MW of boiler's thermal power. Additional electricity consumption is determined solely by its expenditure for flue gas recirculation from 0.2 to 0.56 kW-h per MW-h of heat produced by the boiler. The determination of these parameters will allow us to assess the influeme of introduction of the technologies of reducing nitrogen oxides emissions on the economic characteristics of production of thermal energy by powerful boiler houses of the district heating systems of Ukraine. Enterprises – operators of boiler houses and potential investors will be able to determine the economic feasibility of modernizing the existing powerful boiler plants to meet requirements of the Directive 2010/75/EU on nitrogen oxides emissions. Потужні водогрійні котли марок ПТВМ та КВ-ГМ, які на поточний час знаходяться в експлуатації у складі опалювальних котелень України, при спалюванні природного газу утворюють викиди оксидів азоту на рівні 210–240 мг/нм3 при вмісті О2 = 3% в димових газах. Умови Директиви 2010/75/ЄС вимагають, щоб рівень викидів оксидів азоту від таких великих спалювальних установок (тепловою потужністю 50 МВт і більше) не перевищував 100 мг/нм3, тобто потрібно зменшити викиди NOx щонайменше на 55–60% від поточного рівня. Для потужних водогрійних котлів марок ПТВМ-30М, ПТВМ-50, ПТВМ-100, ПТВМ-180, КВГМ-30, КВГМ-50, КВГМ-100, які увійшли до Національного плану скорочення викидів від великих спалювальних установок, розглянуті маловитратні технології зменшення викидів оксидів азоту: рециркуляція димових газів; впорскування води в топкову камеру; подача третинного повітря; ступеневе спалювання палива; малотоксичні пальники зі зниженим утворенням оксидів азоту. Розрахунковим методом були визначені техніко – економічні показники для кожної технології: питомі капітальні затрати на впровадження технологічного обладнання (на одиницю встановленої теплової потужності котла) та питомі витрати додаткового споживання паливно-енергетичних ресурсів (на одиницю виробленої теплової енергії), які супроводжують його експлуатацію. Найбільш ефективним комбінованим режимно-технологічним методом зменшення викидів оксидів азоту до рівня вимог Директиви 2010/75/ЄС є інноваційні малотоксичні пальники з рециркуляцією димових газів безпосередньо в паливно-повітряну суміш: сумарні питомі капітальні затрати становлять від 160 до 280 тис. грн/МВт встановленої теплової потужності котла, додаткові витрати електроенергії визначається виключно її споживанням димососами рециркуляції димових газів від 0,2 до 0,56 кВт·год/МВт·год теплової енергії, виробленої водогрійним котлом. Визначення наведених показників надасть можливість оцінити вплив впровадження технологій зменшення викидів оксидів азоту на економічні характеристики виробництва теплової енергії потужними водогрійними котлами опалювальних котелень системи централізованого теплопостачання України. Підприємства – оператори котелень та потенційні інвестори зможуть визначити економічну доцільність проведення модернізації існуючих потужних котелень задля їх відповідності вимогам Директиви 2010/75/ЄC щодо викидів оксидів азоту. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2019-09-27 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/724 10.15407/pge2019.03.030 System Research in Energy; No. 3 (58) (2019): The Problems of General Energy; 30-36 Системні дослідження в енергетиці; № 3 (58) (2019): Проблеми загальної енергетики; 30-36 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/724/624 Copyright (c) 2019 Teslenko O.I. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | boilers water heaters emission reduction nitrogen oxides technologies technical-and-economic parameters. Teslenko O.I. Technical and economic indicators of the technologies of reduction of nitrogen oxide emissions from powerful heating boilers |
| title | Technical and economic indicators of the technologies of reduction of nitrogen oxide emissions from powerful heating boilers |
| title_alt | Техніко-економічні показники технологій зменшення викидів оксидів азоту від потужних опалювальних котлів |
| title_full | Technical and economic indicators of the technologies of reduction of nitrogen oxide emissions from powerful heating boilers |
| title_fullStr | Technical and economic indicators of the technologies of reduction of nitrogen oxide emissions from powerful heating boilers |
| title_full_unstemmed | Technical and economic indicators of the technologies of reduction of nitrogen oxide emissions from powerful heating boilers |
| title_short | Technical and economic indicators of the technologies of reduction of nitrogen oxide emissions from powerful heating boilers |
| title_sort | technical and economic indicators of the technologies of reduction of nitrogen oxide emissions from powerful heating boilers |
| topic | boilers water heaters emission reduction nitrogen oxides technologies technical-and-economic parameters. |
| topic_facet | boilers water heaters emission reduction nitrogen oxides technologies technical-and-economic parameters. котли водогрійні зменшення викидів оксиди азоту технології техніко-економічні показники. |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/724 |
| work_keys_str_mv | AT teslenkooi technicalandeconomicindicatorsofthetechnologiesofreductionofnitrogenoxideemissionsfrompowerfulheatingboilers AT teslenkooi tehníkoekonomíčnípokaznikitehnologíjzmenšennâvikidívoksidívazotuvídpotužnihopalûvalʹnihkotlív |