ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ NOX Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Т Е Х Н И Ч Е С К И Е

НАУКИ

УДК 621.43.068:621.182.232

А.В. Ольхов

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ NOx

Развитие CFD-технологий (CFD - Computational Fluid Dynamics) в последние годы позволило увеличить объем расчетов и моделировать рабочие процессы в сжатые сроки, при этом повысить точность расчетов в сравнении с применением традиционных методик. В статье рассмотрены вопросы повышения эффективности системы сжигания газообразного топлива методом компьютерного моделирования, а также мероприятия по снижению выбросов NOx

Ключевые слова: газовая смесь, ANSYS Fluent, химическая реакция, горение, компьютерное моделирование, температурные поля.

В качестве объекта моделирования выбрано оборудование, используемое на Антипинском НПЗ г. Тюмень: газовая горелка WM-G 50/2-A (Max Weishaupt GmbH), котел высокого давления VITOMAX 200-HS (VIESSMANN).

При создании математической модели в программном комплексе ANSYS Fluent 2020 R1 использовались [1]:

- модель распада турбулентного вихря - Eddy Dissipation Model (EDM).

- модель турбулентности k-epsilon

- модель теплообмена Total Energy

- термический механизм (Thermal NO) и быстрый механизм (Prompt NO) в качестве механизмов образования NOx

Алгоритм исследования потока с помощью программного комплекса Fluent показан на блок-схеме (рис. 1) [2].

© Ольхов А.В., 2020.

Научный руководитель: Кузяков Олег Николаевич - доктор технических наук, заведующий кафедрой кибернетических систем Тюменского индустриального университета, Россия.

Рис. 1. Этапы решения газодинамических задач в программном комплексе Fluent

Для заданных условий были произведены компьютерные расчеты сжигания газообразного топлива в котлоагрегате и получено графическое представление о распределении концентрационных полей МОх в котлоагрегате (рис. 2).

Рис. 2. Распределение концентрационных полей МОх без использования мероприятий по их снижению

Поскольку основная масса выбросов NOx в реальных устройствах приходится на термические оксиды азота, большинство разработанных к настоящему времени способов снижения этих выбросов направлено на снижение максимальной температуры в зоне горения и на сокращение времени пребывания реагентов в этой зоне.

Рециркуляция продуктов сгорания. Данное мероприятия является одним из наиболее эффективных, с точки зрения снижения выбросов оксидов азота. Данный метод обеспечивает снижение сразу двух факторов, определяющих выход термических оксидов азота - температуры и времени пребывания продуктов сгорания в зоне реакции. Особенно эффективно использование рециркуляции при сжигании природного газа, так как в этом случае отсутствует образование топливных N0 (рис. 3).

Рис. 3. Распределение концентрационных полей МОх с рециркуляцией дымовых газов

Подача влаги в зону горения. Ввод пара в зону горения снижает температурный уровень процесса горения и изменяет содержание активных промежуточных соединений, что создает условия для снижения образования в основном термических оксидов азота (рис. 4).

Рис. 4. Распределение концентрационных полей NOx с подачей влаги в зону горения

Снижение температуры горячего воздуха. Уменьшение температуры горячего воздуха снижает, прежде всего, температуру в зоне горения. Следовательно, это мероприятие направлено на снижение термических оксидов азота (рис. 5).

Рис. 5 Распределение концентрационных полей NOx со снижением температуры первичного воздуха

Результаты численного исследования показали, что необходима модернизация действующего оборудования на Антипинском НПЗ г. Тюмень. Для решения экологических проблем, возникающих при работе теплоэнергетического оборудования (особенно при отсутствии резерва мощности у предприятия и инвестиций), целесообразно остановиться на комплексе режимных мероприятий, приводящих к снижению NOx. Эти мероприятия не требуют больших финансовых затрат, при правильной реализации не ухудшают технико-экономические показатели котлов и позволяют подавить образование оксидов азота на 30-60 % [3].

Библиографический список

1.Основы работы в ANSYS 17 / Н.Н. Федорова, С.А. Вальгер, М.Н. Данилов, Ю.В. Захарова. - Москва : ДМК Пресс, 2017. - 210 с. - Текст : непосредственный.

2.Ольхов А.В. Повышение эффективности работы газовых котельных установок / А. В. Ольхов. - Текст : непосредственный // Кристаллы творчества : Материалы докладов Студенческой академии наук. - ТИУ ИГиН. - 2018. - Т.1. - С. 252-256.

З.Ольхов А.В. Повышение энергоэффективности процесса сжигания топлива в котельных установках / А. В. Ольхов. - Текст : непосредственный // Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании : Материалы VIII Международной научно-технической конференции. - ТИУ ИГиН. - 2019. - С. 232-236.

ОЛЬХОВ АРТЁМ ВЛАДИМИРОВИЧ - магистрант, Тюменский индустриальный университет, Россия.