ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОСТРОГО ДУТЬЯ OFA ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ОКСИДОВ АЗОТА

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена компьютерному моделированию процессов тепломассопереноса в топочных камерах котлов ТЭС. В настоящей работе представлены результаты компьютерного моделирования внедрения технологии OverFire Air на примере топочной камеры котла ПК-39 Аксуской ТЭС с целью снижения вредных выбросов оксидов азота. В результате проведенных вычислительных экспериментов были получены поля основных характеристик: температуры, скорости, концентрации кислорода, оксидов азота и углерода. Было показано, что подача 20 % воздуха через сопла overfire air приводит к снижению оксида азота на выходе на 13%. Таким образом, внедрение технологии острого дутья overfire air приводит к наиболее эффективному сжиганию топлива.

ABSTRACT

The article is devoted to computer modeling of heat and mass transfer processes in the combustion chambers of TPP boilers. This paper presents the results of computer simulation of the implementation of OverFire Air technology on the example of the combustion chamber of the PK-39 boiler at Aksu TPP in order to reduce harmful emissions of nitrogen oxides. As a result of the computational experiments, the fields of the main characteristics were obtained: temperature, velocity, concentration of oxygen, nitrogen oxides and carbon. It has been shown that supplying 20% air through the Overfire air nozzles results in a 13% reduction in nitric oxide output. Thus, the introduction of overfire air technology leads to the most efficient fuel combustion.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, тепломассоперенос, OFA, overfire air, FLOREAN, топочная камера, ПК-39.

Keywords: computer modeling, heat and mass transfer process, OFA, overfire air, FLOREAN, furnace chamber of TPP boilers.

Введение

В связи с интенсивным развитием инженерной сферы науки, возникает необходимость внедрения компьютерного моделирования для ускорения процессов производства.

В последние годы научное общество все больше уделяет внимание к экологическим последствиям производств. Общеизвестным фактом является то, что основным источником и причиной данной проблемы являются выбросы углекислого газа и оксидов азота в атмосферу.

Одним из основных источников вышеупомянутых выбросов в атмосферу является тепловые электро станции, в которых используется сжигание угля.

Достаточно большое внимание принято уделять к снижению количества этих самых выбросов. Для решения данной проблемы развивается тенденция исследования в области нетрадиционных, альтернативных источников энергии. В то же время мы понимаем, что, к сожалению, на данный момент эта сфера не так широко развита по сравнению с тем же традиционным углем.

Именно поэтому необходимо соответствовать всем мировым стандартам и требованиям международного научного общества: предпринимать меры по оптимизаци процессов горения в топочных котлах ТЭС в Казахстане. Одним из методов снижения выбросов оксидов азота является технология OverFire Air. Технология OverFire Air (далее OFA) является одним из действительно действенных методов снижения количества выбросов оксидов азота. Он основан на делении основного потока воздуха (первичного и вторичного). Деление происходит следующим образом: 70−90 % от основного объёма направляется в горелки, а оставшаяся часть в верхнюю зону над горелками.

Схему применения технологии можно увидеть на рисунке 1 [1].

Так как объём воздуха, подаваемого непосредственно к горелкам, был уменьшен, в зоне основного промежуточного горения образуется среда с недостатком кислорода, что уменьшает образование азотистых соединений.

Рисунок 1. Схема установки OFA [1]

Расположение форсунок OFA зависит от камеры сгорания: размеры, расположения горелок и пр. Зона, образующаяся в области над горелками, становится зоной дожига, в которой завершается процесс горения. Низкая температура, наблюдаемая в этой области, так же уменьшает выделение оксидов азота. При введении окислителя в зону над основной областью горения влияет на преобразование оксидов углерода в диоксиды.

В итоге в области форсунок OFA происходит увеличение и продолжение пламени с относительно низкой температурой [1-2].

Процессы, наблюдаемые в основной и добавочной зонах горения, вкупе ведут к уменьшению выбросов вредных оксидов азота из камеры топки.

Ярким примером экспериментального применения OFA является работа, проделанная китайскими инженерами на котлах марок Foster Wheeler (FW), Babcock & Wilcox (B&W), Mitsui Babcock EnergyLimited (MBEL) и Stein [3-4].

Китайские инженеры провели промышленное экспериментальное исследование котла с мощностью 660 МВт FW без OFA. Результаты показали, что выбросы азотистых соединений на выходе из печи составили приблизительно 1600 мг/м³. Когда технология OFA была применена к котлу, выбросы NOx были снижены до 1200 мг/м³, т.е. выбросы NOx были снижены примерно на 25% при незначительном увеличении содержания углерода в летучей золе [3-4].

Математическая модель

В данной работе вычислительный эксперимент проводился на основе решения трехмерных уравнений конвективного тепломассопереноса с учетом распространения тепла, теплового излучения, химических реакций и многофазности среды. Эти уравнения включают в себя уравнения неразрывности и движения, закон сохранения энергии и компонент, вовлекаемых в камеру сгорания, которые состоят из частиц пылеугольного топлива и воздуха (1-4).

                                                                              (1)

                           (2)

                                                (3)

                                        (4)

Для учета турбулентности при моделировании использовалась k-ε модель турбулентности, включающая уравнения переноса турбулентной кинетической энергии k (5) и диссипации турбулентной кинетической энергии ε (6):

                                     (5)

                     (6)

Результаты численных экспериментов

В результате расчётов, проведённых с помощью пакета прикладных программ FLOREAN, были получены следующие характеристики: поля скорости, температуры, концентраций кислорода и оксидов углерода и азота.

На рисунках 2-4 показано изменение скорости потоков, состоящих из воздуха аэросмеси, летучих и др. Как мы видим, при сохранении скорости потоков в нижней части около горелок, в области над пламенем проявляется увеличение скорости потока. Это говорит нам о беспоследственности применения технологии.

То есть увеличение скорости смешивания над зоной горения, при использовании вторичного воздуха, не влечёт к кардинальным изменениям в нижней зоне.

По мере продвижения к выходу из топочной камеры, для случая традиционного сжигания, поле скоростей выравнивается. В случае же установки OFA-инжекторов выше зоны расположения горелок, наблюдается усиление вихревого движения (рис.2) и на выходе отчётливо видны 4 вихря.

На рисунках 5-7 представлено распределение полей температуры для исследуемых случаев.

а) базовый случай (OFA=0%), б) с внедренными OFA-инжекторами (OFA=20%)

Рисунок 2. Распределение вектора скорости в центральном продольном сечении (Y=5,38 м) топочной камеры котла ПК-39

а) базовый случай (OFA=0%), б) с внедренными OFA-инжекторами (OFA=20%)

Рисунок 3. Распределение вектора скорости в поперечном сечении топочной камеры котла ПК-39 в зоне расположения сопел OFA (Z=15,735 м)

а) базовый случай (OFA=0%), б) с внедренными OFA-инжекторами (OFA=20%)

Рисунок 4. Распределение вектора скорости на выходе из топочной камеры котла ПК-39 (Z=29,595 м) 

Рисунок 5. Распределение температуры по высоте топочной камеры котла ПК-39 для различных значений воздуха, подаваемого через сопла OFA и сравнение с экспериментом

На рисунке 5 представлен график распределения температуры по высоте камеры сгорания. Анализируя рисунок 5, можно видеть, что температура в области горелок, при применении технологии OFA увеличена. Это связано с насыщенной топливом средой, которая достигается уменьшением количества подаваемого воздуха к горелкам. Это в свою очередь ведет к сгоранию большего количества топлива, в том числе и вредных летучих.

Анализируя рисунок 6, можно сделать вывод о том, что внедрение технологии острого дутья в целом не изменяет форму факела, а влияет только на значение температур.

Температура же на выходе (рис. 7) для случаев внедрения OFA-технологии остаётся приблизительно такой же, как и для базового случая.

а) базовый случай (OFA=0%), б) с внедренными OFA-инжекторами (OFA=20%)

Рисунок 6. Распределение температуры в центральном продольном сечении топочной камеры котла ПК-39

а) – базовый случай (OFA=0%); б) – OFA=10%; в) – OFA=20%

Рисунок 7. Распределение температуры на выходе из топочной камеры

Рисунок 8 представляет график распределения концентрации кислорода по высоте топочной камеры. Можно видеть, что увеличение содержания кислорода на высоте 15,75 м. обусловлено дополнительным его впрыскиванием инжекторами OFA. К выходу мы видим, что в реакцию горения при применении технологии вступает столько же окислителя, сколько и в базовом случае.

Рисунок 8. Распределение концентрации кислорода O₂ по высоте топочной камеры

На рисунках 9-12 представлены поля концентраций продуктов сгорания – оксидов углерода и азота. Из графиков видно, что количество выбрасываемого оксида углерода не изменяется критично на выходе при 10% и 20% потоках воздуха OFA, что говорит о безвредности применения технологии по отношению к их выбросам. Вышесказанное также относится и к углекислому газу, что можно видеть из рисунка 10.

Также по графику распределения оксида азота, представленному на рисунке 11, можно наблюдать 13% уменьшение выбросов оксидов азота на выходе при использовании 20% от общего потока окислителя во вторичных соплах OFA.

Рисунок 9. Распределение концентрации СО по высоте топочной камеры

Рисунок 10. Распределение концентрации СО₂ по высоте топочной камеры

Рисунок 11. Распределение концентрации окиси азота NO по высоте топочной камеры

а) – базовый случай (OFA=0%); б) – OFA=10%; в) – OFA=20%

Рисунок 12. Распределение концентрации NO на выходе из топочной камеры котла ПК-39

Анализируя трехмерные поля, представленные на рисунке 12, мы видим, что при разных степенях вторичной подачи воздуха, уменьшается количество выбрасываемого оксида азота.

Заключение

Были проведены вычислительные эксперименты на основе решения математической модели, описывающей процессы тепломассопереноса с учетом турбулентности потоков и физико-химических превращениях в результате горения энергетических топлив. Были представлены результаты компьютерного моделирования, и было показано, что внедрение технологии OFA на примере котла ПК-39 Аксуской ТЭС не значительно изменяет форму факела. Несмотря на большие различия в области активного горения, концентрации оксидов углерода на выходе из топочной камеры изменяются не значительно относительно базового случая.

Таким образом, анализ результатов вычислительных экспериментов показал, что внедрение технологии острого дутья Overfire air на котле ПК-39 Аксуской ТЭС позволит снизить количество вредных выбросов оксидов азота, не снижая эффективности процесса горения. Если быть точным, внедрение технологии острого дутья OverFire Air и передача через них 20% воздуха приводит к снижению оксида азота на выходе на 13%.

Список литературы:

1. Аскарова А.С., Болегенова С.А., Максимов В.Ю., Бекетаева М.Т., Габитова З. Влияние турбулентности на процесс горения в реальной камере сгорания // Global Science Communications. Гранендонск. – 2012. – C. 53.
2. Lawn C.J. Principles of Combustion Engineering for Boilers. – London: Acad. Press ,1987. – 628 p.
3. Бордовский Г.А., Кондратьев А.С., Чоудери А.Д.Р. Физические основы математического моделирования: учебное пособие для вузов. – Москва: Издательский дом «Академия», 2005. – С. 175-178.
4. Васильев В.А., Калмыкова М.А. Анализ и выбор программных продуктов для решения инженерных задач приборостроения / Современная техника и технологии. 2013. №3 / [Электронный ресурс] – Режим доступа: URL: http://technology.snauka.ru/2013/03/1702 (дата обращения 08.05.2022).
5. Askarova A.S., Bolegenova S.A., Bolegenova S.A., Maximov V.Yu., Bekmukhamet A., Beketayeva M.T. Numerical Experimenting of Combustion in the Real Boiler of CHP // Int. J. Mech. 2013. – V. 7 (№ 3). – 343 p.
6. Алияров Б.К., Алиярова М.Б. Сжигание казахстанских углей на ТЭС и на крупных котельных. – Алматы, 2006. – 302 с.
7. Аскарова А.С., Болегенова С.А., Максимов В.Ю., Бекмухамет А. Применение технологий 3D-моделирования при исследовании процессов тепломассопереноса в камерах сгорания действующих энергетических объектов // Изв. Томск. политех. ун-та: Энергетика, 2012. – Т. 320 (№ 4). – С. 26.
8. Müller H. Numerische Simulation von Feuerungen. CFD–Vorlesung. // TU. Braunschweig: IWBT, 1997. - S. 8.