Исследование процессов образования загрязняющих веществ при горении Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 544.3:504.054

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ГОРЕНИИ

ГУБЕРТ А.В., КОРЕПАНОВ М.А., МИХАЙЛОВ Ю.О.

Ижевский государственный технический университет, Ижевск, Россия E-mail: app@istu.udm.ru

АННОТАЦИЯ. Описана система уравнений и метод ее решения, позволяющие определять состав химически реагирующей газовой смеси с учетом скорости химических реакций и максимально возможного числа веществ. Приведены результаты численных исследований течений в газодинамических трактах энергетических установок.

Список обозначений

Кр - константа равновесия химической реакции;

К - константа скорости обратной химической реакции;

К - число "кинетически" учитываемых веществ;

I - число молекулярных компонентов газовой смеси; т - число атомарных компонентов газовой смеси; п - общее рассматриваемых химических реакций; р - давление, МПа;

Я - газовая постоянная, кДж/(кг К), Я0 =8,31441 кДж/(моль К);

Т - температура, К;

V - объем, м3;

и - внутренняя энергия, кДж/кг;

(2у - количество атомов ьго химического элемента в j-ом веществе;

ЬгТ - количество атомов ьго химического элемента в топливе; q - общее количество компонентов смеси;

а - коэффициент избытка окислителя; р - плотность, кг/м3;

Уу, Уу ’ - стехиометрические коэффициенты химических реакций; г, ], к, s - индексы.

Снижение выбросов загрязняющих веществ, образующихся в процессе горения, является важной и сложной задачей, решению которой посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. При этом на этапе предварительного проектирования энергетических установок для снижения капитальных затрат целесообразно использовать методы математического моделирования, позволяющие оптимизировать режимы работы и минимизировать выбросы загрязняющих веществ

В работах российских и зарубежных ученых развито большое количество методов моделирования процессов в высокотемпературных рабочих телах энергетических установок, которые можно разделить на два способа: "нульмерная" модель

(пространственно однородный случай) и многомерная модель (пространственно неоднородный случай). Для упрощения описания процесса и его решения все эти методы используют какие-либо допущения, т.к. решение полной задачи (нестационарного трехмерного течения реагирующей смеси) сопряжено

со значительными вычислительными сложностями.

Для определения состава газовой смеси применяются два различных подхода: кинетический, использующий методы химической кинетики [1, 2, 3], и равновесный, основанный на концепции химического равновесия [4, 5]. Первый сложен с точки зрения описания системы химических реакций и дальнейшего численного решения, а второй не учитывает время, необходимое для протекания химических реакций.

Одним из возможных способов описания процессов в высокотемпературных реагирующих рабочих телах энергетических установок является модель реакторов, развитая в работах Алемасова В.Е. с сотрудниками [6]. В качестве базового элемента в этой модели используется нестационарный реактор идеального смешения (НРИС), представляющий собой переменный объем с реагирующим рабочим телом, с переменными во времени параметрами состояния, с изменяющимися во времени процессами тепло- и массообмена, но при этом сохраняется свойство однородности параметров по объему реактора. Эти свойства позволяют моделировать процессы в энергетических устройствах при помощи системы НРИС, связанных друг с другом некоторыми массовыми и энергетическими связями.

Таким образом, процессы в НРИС можно разделить на три группы:

1) изменение состава и свойств рабочего тела за счет протекания химических реакций;

2) изменение состава и количества вещества в реакторе за счет массообмена с соседними реакторами или с окружающей средой:

- в форме расходов (из-за перепада давлений);

- в виде диффузии (из-за градиента концентраций);

3) теплообмен:

- изменение внутренней энергии за счет массообмена;

- изменение внутренней энергии за счет теплообмена со стенками реактора;

- нестационарные тепловые процессы в стенках реактора.

ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ РАБОЧЕГО ТЕЛА ЗА СЧЕТ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Наиболее простым методом является описание процессов с точки зрения химического равновесия [4, 5]. При этом во внимание могут приниматься все возможные вещества, для которых есть данные об их термодинамических свойствах (энтальпии, энтропии, теплоемкости). Основным недостатком метода является то, что он не учитывает конечной скорости химических реакций.

Другим широко распространенным методом является описание процессов в реагирующих смесях с точки зрения формальной химической кинетики [1, 2, 3, 6]. В этом случае для нахождения состава реагирующей смеси в любой момент времени необходимо решать систему дифференциальных уравнений, обладающую "жесткостью" [6, 7]. При этом во внимание принимаются только те вещества, для которых есть данные не только по их термодинамическим свойствам, но и по протекающим с их участием химическим реакциям. Количество веществ, принимаемых в рассмотрение, в этом случае обычно существенно меньше, чем при равновесной модели.

Для устранения указанных сложностей можно использовать концепцию "стесненного равновесия", рассмотренную в работе [8]. На основании этой концепции было предложено ввести в метод расчета равновесного состава реагирующей смеси вместо уравнений диссоциации уравнения химической кинетики для определяющих веществ [9]. Это позволяет наложить на систему уравнений ограничения, определяемые конечным временем протекания химических реакций, при сохранении максимально возможного набора учитываемых веществ.

Для удобства численного решения все уравнения должны быть записаны в одинаковых переменных. В [6] отмечается, что состав химически реагирующей смеси целесообразно характеризовать относительными величинами: мольными Гг- или

весовыми долями gг■. При изменении параметров состояния р, V, Т эти величины не изменяются, в отличие от используемых в уравнениях равновесной термодинамики парциальных давлений р и в уравнениях химической кинетики мольных концентраций Сг-.

В [4, 6] предлагается при расчетах использовать в качестве неизвестных логарифмы искомых величин (мольных долей). Это позволяет, во-первых, линеаризовать уравнения закона действующих масс для равновесной термодинамики, а во-вторых - увеличивает устойчивость расчетов, т.к. исключает появление в процессе расчета отрицательных значений искомых величин, не имеющих физического смысла.

Учитывая то, что Ц = р1 / р, уравнения для определения равновесного состава газовой смеси [4, 5] подстановкой 1пр = 1п( р • Ц ) = 1пр + 1п Ц могут быть

преобразованы к следующему виду:

- уравнение диссоциации:

1пг - V а7 • 1пг + 1пКр + 1 - V а■

7 У ■ 7 V

і = 1

1пр = 0, ] = 1,2,...,/ - К ; (1)

V і=і У

уравнение сохранения вещества:

ґ

1п

ч

\

V 7

= 1

- 1пМТ - 1пЬіТ + 1пр = 0, і = 1,2,...,т ;

(2)

уравнение закона Дальтона заменяется уравнением нормировки:

1п

А ч \

ъ

Чі=1 У

= 0.

(3)

Уравнения химической кинетики также необходимо преобразовать так, чтобы они использовали те же переменные - мольные доли и логарифмы мольных долей вместо мольных концентраций:

С і Л-1 п

ксР

V *0Т у

V(Ун'-У* )•К-(Т)•

] =1

ксР V К 0T У

т^Р М + -М -

К ■ • р • ехр

( ч Л ( ч Л

И X и 1 И

II

к = 1,2,..., К.

(4)

ч

где М + = V V] - число молекул, участвующих в прямой реакции;

І = 1 ч

М = V V]' - число молекул, участвующих в обратной реакции;

І =1

п - общее число рассматриваемых химических реакций.

При записи уравнения кинетики химические реакции были представлены в следующем обобщенном виде:

ч ч

Vуи •М ■ = V V] 'М і,

і=1 і=1

где Мі - молекула і-го вещества;

] - номер химической реакции.

т

т

Решение системы уравнений (1 - 4) целесообразно вести относительно

логарифмов мольных долей 1пц. Для удобства записи уравнений необходимо ввести

переменную у( = 1пЦ , дифференциал которой равен dYi = (1/ Ц ) • . Уравнения (1 -

4) после замены переменной будут выглядеть следующим образом:

- уравнение диссоциации

гI -X а„ •п+1п К1 + 1 -X а

i = 1

л

V

а1 I=1 у

1пр = 0, | = 1,2,...,/ - К ;

уравнение сохранения вещества

1п

( 4 1 X ау • ехР<>;)

VI

=1

- 1пМТ - 1пЬ,т + 1пр = 0, I = 1,2,...,т ;

у

- уравнение нормировки

1п

X ехР(^-)

V

i = 1

0

уравнение химической кинетики

dt

ехр

= X (ук! '-ук! ) • К- (Т ) • ехР X V '• ^ - г,

I=1

Л / , \м -1

ксР

Vi=1

у

V Я оТ у

(' \ - -

М + -М-)•1пр + Xvi} •Г/ -X^'• ^,-

г =1

i=1

(5)

(6)

(7)

к = 1,2,...,К (8)

Выражение в прямоугольных скобках в формуле (8) представляет собой отклонение от состояния равновесия, а множитель перед скобками - величину, обратную времени релаксации по химическим реакциям.

Изменение состава и количества вещества, а также изменение внутренней энергии в НРИС описывается системой обыкновенных дифференциальных уравнений [5, 6].

Для замыкания системы уравнений, описывающих процессы в НРИС, ее необходимо дополнить уравнением состояния

р = р • Я • Т (9)

и зависимостью внутренней энергии газовой смеси от температуры

(10)

а также системой критериальных уравнений теплообмена газовой смеси с элементами конструкции [10].

Полученная система уравнений, описывающая процессы в НРИС, состоит из нескольких групп разнородных уравнений: обыкновенных дифференциальных,

нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений в частных производных.

т

т

Решение данной системы уравнений сопряжено с рядом математических трудностей. Как указывается в [6], для упрощения решения задачи ее необходимо разделить на части, решение каждой из которых вести своими способами.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ ГОРЮЧИХ ГАЗООБРАЗНЫХ ОТХОДОВ

При сжигании горючих газообразных отходов в продуктах сгорания образуются токсичные вещества, основными из которых являются оксиды азота NOx и монооксид углерода СО. Причины и механизм появления этих веществ различны. Для определения оптимальных условий работы установок для сжигания горючих отходов необходимо проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований.

В качестве примера рассмотрена установка для сжигания горючих газообразных отходов. Схема установки приведена на рис. 1.

Выбор схемы и режимов работы установки обусловлен следующими рекомендациями [11]:

- для полного сгорания газа необходимо обеспечить а > 1, т.к. в реальных условиях не удается обеспечить полного перемешивания;

- двухступенчатое сжигание позволяет снизить образование N0 в первичной зоне за счет недостатка окислителя а < 1, дожигание продуктов неполного сгорания (СО, Н2, СН4) производится во вторичной зоне при добавлении окислителя до а > 1;

- впрыск воды в конце первичной зоны позволяет понизить температуру газовой смеси и снизить образование термической N0.

Рис.1. Схема установки

На рис.2 - 4 приведены результаты расчетов. Расход горючих газов принимался равным 50 г/с. В первом расчетном случае (кривая 1 на всех графиках) реализовано одноступенчатое сжигание горючих газов без добавления воды. Температура продуктов сгорания в этом случае очень высокая 7=1800°С, в результате чего при избытке окислителя (а=1,1) образуется значительное количество оксидов азота. При течении по трубе температура и концентрации компонентов газовой смеси изменяются незначительно из-за малого теплоотвода в стенку трубы.

Рис.2. Температура газовой смеси по длине дожигателя

Для снижения концентраций токсичных компонентов в выхлопных газах необходимо, в соответствии с вышеприведенными рекомендациями, обеспечить двухступенчатое сжигание с охлаждением газовой смеси в конце первой ступени за счет впрыска воды.

Во втором расчетном случае (кривая 2) при а 0 = 0,9 и расходе воды 35 г/с

принималось равновесное протекание химических реакций. В третьем расчетном случае (кривая 3) при тех же условиях учитывалось протекание реакций с конечной скоростью. В четвертом расчетном случае (кривая 4) расход воды был принят равным 25 г/с, а в пятом (кривая 5) - 45 г/с.

2

й 5 г~

\Ч

\з

\ 1 \ /—

У-П-п п-п-п-^

0.00 0.50 1.00 1.50 1_, м

Рис.3. Изменение концентрации СО по длине дожигателя

N0, мг/м3

2500.0

2000.0

1500.0

1000.0 500.0

0.0

0.00 0.50 1.00 1.50 Ь, м

Рис.4. Изменение концентрации N0 по длине дожигателя

Как видно из графиков, учет конечной скорости химических реакций существенно влияет на температуру и состав газовой смеси. С течением времени (по длине трубы) они стремятся к своим равновесным значениям. Следует отметить, что двухступенчатое сжигание совместно с дополнительным охлаждением газовой смеси позволяет существенно снизить концентрации токсичных компонентов газовой смеси по сравнению с одноступенчатым сжиганием.

Анализ результатов показывает, что одновременно минимизировать концентрации N0 и СО в выходном сечении установки при данных размерах удается только в третьем случае. В четвертом случае при более высоких температурах во вторичной зоне параметры смеси значительно раньше достигают равновесных значений, однако концентрация N0 при этом в два раза выше, чем в третьем случае. В пятом случае при более низких температурах химические реакции протекают значительно медленнее, что приводит к высоким концентрациям N0 и СО в выходном сечении установки.

Полученные результаты по содержанию вредных веществ в выхлопных газах хорошо согласуется с экспериментальными данными и требованиями, предъявляемыми к аналогичным установкам [11, 12]. По экспериментальным данным концентрация оксида азота в выхлопных газах энергетических установок и установок для термической переработки газообразных отходов находится на уровне 100-400 мг/м3. Широкий разброс объясняется различным назначением установок, различными режимами работы и типами газообразных отходов.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО СЖИГАНИЯ В ИНФРАКРАСНЫХ ГАЗОВЫХ НАГРЕВАТЕЛЯХ

Инфракрасные (радиационные) газовые нагреватели получили широкое распространение в системах обогрева промышленных зданий, т.к. они позволяют существенно снизить затраты на отопление. Однако, в большинстве случаев выброс продуктов сгорания осуществляется непосредственно в производственное помещение, поэтому проблема снижения токсичности выхлопных газов является очень актуальной.

Основными токсичными компонентами продуктов сгорания углеводородного топлива, в частности природного газа, являются угарный газ СО и оксиды азота N0^

Для снижения содержания токсичных веществ в продуктах сгорания была предложена конструкция нагревателя (рис.5), позволяющая обеспечить двухступенчатое сжигание [13].

Предложенный инфракрасный (радиационный) газовый нагреватель работает следующим образом. Газ из сети поступает в горелочное устройство 1, смешивается с первичным воздухом и поступает в излучающую трубу 2, где происходит процесс горения газа. Количество первичного воздуха недостаточно для полного сгорания газа, что предотвращает образование оксидов азота в начальной зоне горения с

максимальной температурой. Подвод вторичного воздуха через отверстия 9 осуществляется в зоне понижения температуры дымовых газов до средней температуры 1000°С. Площадь отверстий 9, составляющая не более 10% по отношению к площади проходного сечения трубы 2, обеспечивает соотношение газа и воздуха достаточное для полного сжигания топлива. Подача воздуха осуществляется за счет разряжения в газодинамическом тракте, создаваемом дымососом, поэтому для подачи вторичного воздуха не нужно дополнительное устройство.

Рис. 5. Инфракрасный газовый нагреватель:

1 - газогорелочный блок, 2 - излучающие трубы, 3 - отверстие для подвода первичного воздуха, 4 - подвод электропитания, 5 - отверстие для выхода продуктов сгорания, 6 - кронштейны, 7 - колено, 8 - сильфон, 9 - отверстие для подвода вторичного воздуха, 10 - отражатель

Предложенная конструкция была реализована в серии инфракрасных нагревателей ИКНГ-М, выпускаемых заводом «Купол-Старки». Результаты испытаний нагревателей с одноступенчатым сжиганием (серия ИКНГ) и с двухступенчатым сжиганием (серия ИКНГ-М) представлены в таблице. Результаты испытаний доказали возможность существенного (до 1,5 раз) снижения содержания оксидов азота N0)5 за счет организации двухступенчатого сжигания. Повышение в этом случае содержания оксида углерода С0 объясняется недостаточным перемешиванием и низкой температурой в зоне дожигания. Тем не менее, общая токсичность выхлопных газов при двухступенчатом сжигании существенно ниже, т.к. предельно допустимые концентрации N0)4 более чем в сто раз ниже, чем у С0.

Таблица

Содержание токсичных веществ в продуктах сгорания

Вещество Одноступенчатое сжигание Двухступенчатое сжигание Предельно допустимое содержание по ГОСТ [14, 15]

Расчет Эксперим. Расчет Эксперим.

N0^ мг/м3 62 70 48 45 130

С0, мг/м3 0 <5 10 39 600*

*600 мг/м3 соответствует предельному значению установленному ГОСТ 21204-97 и равному 0,05% по объему.

Таким образом, в результате численных и экспериментальных исследований показана возможность существенного снижения выбросов загрязняющих веществ из энергетических установок, использующих процессы горения, при правильной организации процесса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Газовая динамика сопел. -М. : Наука. 1990. -368 с.

2. Турбулентные течения реагирующих газов: Пер.с англ. / Под ред. П.Либби, Ф.Вильямса. -М. : Мир, 1983. -328 с.

3. Кондратьев В.Н., Никитин Е.Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. -М. : Наука, 1974. -512 с.

4. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник в 10 томах / В.Е.Алемасов, А.Ф.Дрегалин, А.П.Тишин, В.А.Худяков / под ред. В.П.Глушко. -М. : ВИНИТИ, 1971 - 1980. -Т. 1 - 10.

5. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей / под ред. В.Е.Алемасова. 2-е изд., перераб. и доп. --М. : Машиностроение, 1969. -548 с.

6. Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергосиловых установках / под ред. В.Е.Алемасова, А.Ф.Дрегалина, В.Г.Крюкова, В.И.Наумова. -М. : Наука, 1989. -256 с.

7. Полак Л.С., Гольденберг М.Я., Левицкий А.А. Вычислительные методы в химической кинетике. -М. : Наука, 1984. -280 с.

8. Каретто Л.С. Математическое моделирование образования загрязняющих веществ // Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени; пер. с англ. / ред. Н.А.Чигир. - М.: Машиностроение, 1981. - С. 84 - 137.

9. Корепанов М.А. Математическое моделирование процессов термической переработки элементов РДТТ : дис. ... канд. техн. наук. - Ижевск, 1997. - 162 с.

10. Теория тепломассообмена: Учебник для вузов / С.А.Исаев, И.А.Кожинов и др.; под ред. А.И.Леонтьева. -М. : Высшая школа, 1979. -495 с.

11. Steinebrunner K., Becker R., Seifert H., Scholz R., Sternberg J. Untersuchungen zur thermischen Entsorgung von NO-haltigen Ablueften / VDI Berichte № 992, 1991. -S.223 -236.

12. Беликов С.Е., Котлер В.Р. Малые котлы и защита атмосферы. Снижение вредных выбросов при эксплуатации промышленных и отопительных котельных. - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 128 с.

13. Радиационный газовый нагреватель : пат. 37406 Рос. Федерация : МПК F 23 D / Корепанов М.А., Галимов Р.Р., Михайлов Ю.О., Тененев В.А.., Воронцов А.И., Кузин С.Н.; заявитель и патентообладатель ОАО ИЭМЗ «Купол» .№ 2003134445/20; заявл. 25.11.03; опубл. 20.04.04, Бюл. 11. 4с.

14. ГОСТ 21204-97. Горелки газовые промышленные. Общие технические требования.

15. ГОСТ 50591-93. Горелки газовые промышленные. Предельные нормы концентраций NOx в продуктах сгорания.

SUMMARY. The set of equations allowing to determine composition a chemically reacting mixed gas in view of velocity of chemical reactions and the greatest possible number of substances is described. The results of numerical examinations of flows in gasdynamics channels of power plants are given.