CC BY
8УДК 66.041.34:665.6
Alexander Yu. Ivanenko1, Marina A. Yablokova1, Evgeny A.
Ponomarenko1, Natalya V. Grabskaya2
INVESTIGATION OF WAYS TO REDUCE EMISSIONS OF NITROGEN OXIDES DURING FUEL COMBUSTION IN TUBULAR FURNACES
^.Petersburg State Institute of Technology, St.Petersburg, Russia
kip@technolog.edu.ru;
2Gazprom Pererabotka LLC, Saint Petersburg,
Gpp@gpp.gazprom.ru
A mathematical model of fuel combustion in tubular furnaces was developed. The model allows to calculate the concentration of nitrogen oxides in the exhaust gases for different configurations of the furnace and burners, different volume flow rates and methods of air supply to the furnace. In order to confirm the adequacy of the developed mathematical model, a numerical experiment was conducted for the existing basic furnace design with fuel combustion technology according to the current regulations. A slight (2.3%) discrepancy between the calculated and experimental values of the concentration of nitrogen oxides at the outlet of the operating furnace indicates the adequacy of the developed mathematical model. Subsequent numerical experiments to study various fuel combustion schemes for the purpose of decreasing NOx emission showed that the use of two-stage combustion in burners located in the same plane is ineffective. The use of this method allows to reduce the NOx yield by no more than 10%. The method of two-stage combustion by the height of the combustion chamber is more effective. The supply of a mixture of gases with an excess air coefficient of 0.8 to the burners and the supply of the remaining air higher along the cross section of the furnace allow reducing the total output of nitrogen oxides by 2,5 times.
Key words: tubular furnaces, nitrogen oxides release, mathematical modeling, numerical experiment, two-stage fuel combustion
DOI 10.36807/1998-9849-2023-64-90-96-103
Введение
Значительное негативное воздействие на общее загрязнение окружающей среды оказывают нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ). Они ежегодно выбрасывают в атмосферу более 1600 тыс. тонн загрязняющих веществ. Наибольшее количество газообразных загрязнений отводят дымовые трубы технологических печей: 80-85% от общего количества выбросов СО, 70-80% -S02, 85-90% - N0^
В настоящее время из-за широкой распространённости и высокой опасности основными атмосферными загрязнителями на НПЗ считаются оксиды азота N0 и N02. Предельно допустимая максимальная разовая концентрация диоксида азота в атмосферном воздухе приблизительно в 6 раз меньше, чем для сернистого ангидрида. Но, если для очистки отходящих газов от диоксида серы существуют недорогие эффективные методы, то имеющиеся способы очистки газовых выбросов от оксидов
Иваненко А.Ю.1, Яблокова М.А.1, Пономаренко Е.А.1,
Грабская Н.В.2
ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ВЫДЕЛЕНИЙ ОКСИДОВ АЗОТА ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА В ТРУБЧАТЫХ ПЕЧАХ
1Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)», Санкт-Петербург, Россия
kip@technolog.edu.ru;
2ООО «Газпром переработка», Санкт-Петербург, Россия Gpp@gpp.gazprom.ru
Разработана математическая модель сжигания топлива в трубчатых печах нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ). Модель позволяет рассчитывать концентрацию оксидов азота (NOx) в отходящих газах при различных конфигурациях топки и горелок, различных объёмных расходах и способах подачи воздуха в печь. С целью подтверждения адекватности разработанной математической модели был проведен численный эксперимент для существующей базовой конструкции печи при технологии сжигания топлива по действующему регламенту. Незначительное (2,3%) расхождение расчетного и экспериментального значения концентрации оксидов азота на выходе из действующей печи свидетельствует об адекватности разработанной математической модели. Последующие численные эксперименты по исследованию различных схем сжигания топлива с целью снижения выделений NOx показали, что применение двухступенчатого сжигания в подовых горелках, расположенных в одной плоскости, малоэффективно. Оно позволяет снизить выход NOx не более чем на 10%. Более эффективным является метод двухступенчатого сжигания с установкой дополнительных сопел для подачи воздуха по высоте топочной камеры. Подача в подовые горелки смеси газов с коэффициентом избытка воздуха 0,8 и подвод оставшегося воздуха выше по сечению топки позволяют уменьшить общий выход оксидов азота в 2,5 раза.
Ключевые слова: трубчатые печи, выделение оксидов азота, математическое моделирование, численный эксперимент, двухступенчатое сжигание топлива
Дата поступления - 22 декабря 2022 года Дата принятия - 19 января 2023 года
азота являются достаточно затратными.
Главной задачей при проектировании и эксплуатации печей и другого оборудования, где сжигается топливо, является снижение образования вредных веществ, и в частности, оксидов азота, непосредственно в источнике их возникновения, поэтому разработка и внедрение методов снижения вредных выбросов при сжигании топлива является одной из самых актуальных природоохранных задач на НПЗ.
Постановка задачи
Обзор имеющихся научных исследований по снижению концентрации оксидов азота в отходящих газах сжигания топлива позволил предположить, что применительно к трубчатым печам нефтеперерабатывающих заводов наиболее перспективными могут оказаться следующие технические и технологические приёмы:
- организация двухступенчатого сжигания топли-
ва [1-3], как по высоте топки, так и по сечению топочной камеры на уровне горелок;
- использование специальных низкоэмиссионных горелок [4-5], обеспечивающих лучшее смешение продуктов сгорания (как правило, за счет создания крутки факела, выходящего из горелки), из-за чего происходит снижение максимальных локальных температур в топке и выравнивание температур по рабочему объему.
Цель настоящей работы заключалась в том, чтобы проверить эффективность подавления образования оксидов азота при сжигании топлива в трубчатых печах при различных схемах организации двухступенчатого сжигания топлива.
Задача решалась на примере реальной промышленной трубчатой печи П-2 установки атмосферной перегонки нефти ЭЛОУ-АТ-2 Атырауского НПЗ.
Методология
В работе были использованы следующие методы:
- математическое моделирование процессов образования оксидов азота при сжигании топлива в трубчатых печах;
- проверка адекватности разработанной математической модели в реальных производственных условиях;
- постановка численных экспериментов для различных условий организации двухступенчатого сжигания топлива.
Для проведения газодинамических и тепловых расчетов печи был использован программный комплекс FlowVision v 2.3, предназначенный для решения трехмерных уравнений динамики жидкости и газа и уже применявшийся нами ранее для расчета промышленных печей иной конструкции [6,7].
ПК FlowVision v 2.3 способен производить расчет сложных движений газа и жидкости, сопровождаемых дополнительными физическими явлениями, такими, как турбулентность, горение, теплоперенос и т.п. В систему FlowVision можно импортировать геометрическую модель из любой CAD-системы трехмерного моделирования. Использование различных моделей турбулентности и адаптивной расчетной сетки позволяет моделировать сложные движения жидкости и газа, включая течения с сильным закручиванием, горением, течения со свободной поверхностью. При построении физической модели процесса использовались уравнения движения однородной жидкости с учетом эффектов сжимаемости, турбулентности и теплопереноса.
Flow Vision основан на конечно-объемном методе решения уравнений гидродинамики и использует прямоугольную адаптивную сетку с локальным измельчением. Для аппроксимации криволинейной геометрии с повышенной точностью Flow Vision использует технологию подсеточного разрешения геометрии. Использование этой технологии позволило решить проблему автоматической генерации сетки - чтобы сгенерировать сетку, достаточно задать всего лишь несколько параметров, после чего сетка автоматически генерируется для расчетной области, имеющей геометрию любой степени сложности.
Была применена модель теплопереноса, обычно используемая в задачах сопряженного теплообмена для учета теплопереноса между жидкостью и твердым телом. В модель включено уравнение энергии, записанное через энтальпию. Использована гидродинамическая модель слабосжимаемой жидкости, описывающая стационарное движение газа при дозвуковых числах Маха и любых изменениях плотности. В модели присутствует уравнение Навье-Стокса и уравнение неразрывности. Для моделирования турбулентного течения в данной задаче использована т.н. стандартная k-e модель турбулентности, включающая в себя уравнения для переноса и диссипации турбулентной энергии.
При решении задачи была применена также мо-
дель излучения в объеме. Она предполагает, что среда раскаленных газов поглощает и излучает электромагнитные волны инфракрасного, светового и ультрафиолетового диапазонов. В задаче использована диффузионная модель FlowVision, которая предполагает, что поле излучения изотропно, и дымовые частицы не влияют на радиационный перенос энергии.
Геометрическая модель внутренней полости камеры печи предварительно была построена с помощью системы Компас 3D и затем импортирована во FlowVision. При построении геометрической модели весь исследуемый объем разбивался на две подобласти: внутреннюю полость печи, заполненную горячим газом (т.е. внутренний объем камеры за вычетом объема, занимаемого трубами змеевиков), и подобласть, занимаемую собственно трубами. Течение среды внутри труб не моделировалось; трубы задавались как твердые тела с внутренним стоком теплоты. Теплоперенос между стенкой трубы и нагреваемым продуктом учитывался в интегрированном виде в коэффициентах теплового сопротивления при постановке граничных условий.
Для уменьшения требуемых ресурсов компьютера (объема оперативной памяти и быстродействия) были использованы свойства продольной симметрии исследуемого объема.
Численный эксперимент
Печь установки ЭЛОУ-АТ-2 предназначена для подогрева полуотбензиненной нефти, подаваемой из эвапоратора колонны К-1, в которой из нефти выделяется топливный газ и часть бензина. Подогретая полуотбензи-ненная нефть направляется далее в ректификационную колонну К-2.
В четырёхпоточной шестипролётной вертикальной печи, оборудованной восемнадцатью горелками марки ГДК-2,5А, нефть проходит четырьмя потоками конвекционную зону, затем каждый поток проходит боковой экран, потолочный экран (радиантная зона) и поступает в трансферную линию.
Тип змеевиков - горизонтальный.
Питание горелок печей - комбинированное: топливным газом, отгоняемым в колонне К-1, и мазутом.
Дымовые газы после печи, с температурой до 420°С поступают на утилизацию тепла в котлы-утилизаторы, в которых получают водяной пар с давлением до 1,3 МПа.
Проектная теплопроизводительность: 19,86 Гкал/ час (23,1 МВт).
Температура потоков: вход - 210 °С; выход -385 °С.
Температура дымовых газов на перевале - 840°С.
Температура дымовых газов на выходе из конвекционной камеры - 340 °С.
Коэффициент избытка воздуха - 1,3.
Расход условного топлива: мазута - 1150 кг/час;-технологического газа - 1654 кг/час.
Материал труб змеевика - 15Х5М.
Диаметр и толщина труб - 152 мм х 8 мм, длина - 19,2 м.
Количество труб в радиантной камере - 70 шт. Общая площадь полезной поверхности - 641, 5 м2.
Количество труб в конвекционной камере - 82 шт. Общая площадь полезной поверхности - 751, 4 м2.
Размеры топочной камеры (Д х Ш х В) - 19,2 х 3,74 х 11,75 м.
Геометрическая модель рабочего объема топочной камеры. По размерам печи (по внутренним обводам футеровки) была построена трехмерная геометрическая модель рабочего объёма топочной камеры (рис. 1а). При построении геометрической модели были приняты упрощения, призванные уменьшить в дальнейшем размеры расчетной сетки для численного решения. Змеевик радиантной камеры упрощенно представлен в виде пучка
горизонтальных труб вдоль вертикальных стенок топки, т.е. игнорируются несущественные с точки зрения внешнего теплообмена такие детали змеевика, как отводы, коллекторные трубы и т.п. В конвекционной камере теплообмен между дымовыми газами и поверхностью труб происходит главным образом за счет конвективного механизма теплопереноса, при этом температура дымовых газов существенно снижается и достигает 310^340 °С на выходе. При таких температурах образования оксидов азота не происходит, т.е. весь объём выбросов образуется в радиантной камере топки. Поэтому в рамках поставленной задачи нет необходимости в точном моделировании процессов гидродинамики и теплообмена в конвекционной камере, и в целях упрощения можно заменить пучок конвекционных труб эквивалентным гидравлическим сопротивлением.
Змеевик конвекционной камеры печи состоит из 82 труб диаметром 152 мм х 8 мм, собранных в коридорный пучок, расположенный в печи горизонтально непосредственно над радиантной камерой.
Значение коэффициентов сопротивления пучков труб зависит от числа рядов и распределения труб, а также от числа Рейнольдса ке. Скорость газа, обтекающего трубы, определяют по сжатому сечению газохода, расположенному в осевой плоскости труб перпендикулярно потоку. Коэффициент сопротивления пучка учитывает также и сопротивление входа в ряды труб и выхода из них [8].
Коэффициент гидравлического сопротивления гладкотрубного коридорного пучка при 3 103 < Recp < 105 равен [8]:
с=-
др
Pcpwo
р/2
1.9
А--1 d„
Re™ ZD
где
w0cp = wbx -
recp =
w0cpdh pcp ^cp
(1)
(2) (3)
sl - поперечный шаг установки труб; Zp - число рядов труб в продольном направлении; w - средняя скорость газов, обтекающих пучок труб; dH - наружный диаметр труб; рср и ^1ср - соответственно плотность и динамическая вязкость газов при средней температуре газов.
Для конвекционной камеры печи коэффициент гидравлического сопротивления дымовым газам, рассчитанный по приведенному выше уравнению, равен Z = 4,34, а полное сопротивление в рабочих условиях равно ДР = 1,2 Па.
Горелки установлены в поде печи в шахматном порядке в два ряда по 9 штук. Поскольку топочная камера имеет ярко выраженную симметричность, с целью уменьшения объёма вычислений в качестве расчётного объёма была выбрана 1/9 часть рабочего объёма с двумя горелками (рис. 1б).
Геометрические размеры узлов ввода топлива и окислителя в топочную камеру построены в соответствии с техническими данными горелок гДк-2,5А и рекомендациями по устройству горелочных камней [9].
Постановка задачи численного эксперимента. Для численного эксперимента во Flow Vision выбрана модель горения с определением концентраций оксидов азота. Поставленная задача заключалась в следующем:
а) Определить стационарные поля скоростей, температур и концентраций, устанавливающиеся по расчетному объёму печи.
б) Определить концентрацию оксидов азота и сум-
Рис. 1. Геометрическая 3D модель рабочего объёма топочной камеры: а) - модель рабочего объёма топочной камеры; б) -узлы ввода топлива и окислителя
марные выбросы на выходе из печи (на перевале между радиантной и конвекционной камерами) при различных способах организации процесса сжигания в топке.
Задача была решена в три шага:
- на первом шаге определялись давления, температуры, скорости газа, концентрации топливного газа и воздуха - т.е. решалась задача перемешивания или расчет «холодного течения». Расчет «холодного» течения проводится аналогично расчету обычного слабо сжимаемого течения. При этом необязательно доводить расчет до стационарного решения, обычно бывает достаточно получить некоторое распределение коэффициента избытка окислителя (а) (горючее достигло выхода).
- второй шаг: после того как будет получено распределение коэффициента избытка окислителя, необходимо инициализировать процесс горения. Горение происходит в области, где температура достигла температуры воспламенения. Для топливного газа температура воспламенения была принята равной 923 °С [10].
Для того чтобы осуществить поджиг смеси, в программе расчета необходимо выставить температуру смеси в зоне зажигания равной температуре воспламенения. Для этого в ПК FlowVision v 2.3 используется так называемый «фильтр поджига» (опция «Зажигание»), который производит поджигание смеси в указанной области. Фильтр устанавливает в выбранной области модель горения Зельдовича [11] (температура в выбранной области устанавливается равной температуре возгорания). Для того чтобы пламя не погасло, необходимо осуществлять поджиг области, где значения коэффициента избытка окислителя близки к 1,0. Чтобы исключить срыв пламени, в опции «Зажигание» установлен постоянный поджиг.
Также на этом шаге создан фильтр сопротивления, учитывающий эквивалентное гидравлическое сопротивление пучка конвекционных труб, расположенных в верхней части печи.
Третий шаг - расчет излучения газа и образования оксидов азота. Окончанием расчета считался выход на стационарный режим. Согласно [12], ожидаемое время достижения установившегося решения равно времени троекратного заполнения объема печи. В данной задаче это время составило порядка 25 с.
Расчет был проведен на прямоугольной неравномерной сетке, адаптируемой под особенности течений и геометрии. Исходя из физических соображений, в зонах труб, на поверхности горелок, на входе топлива, было сделано сгущение сетки. Общее число расчетных ячеек составило 250000.
В задаче были поставлены следующие граничные условия, используемые в программе Flow Vision (рис. 2):
- стенка - стенки печи, тип границы - стенка; заданы нулевые потоки температуры, концентрации, NOx; чернота стенки 0,8; граничное условие по скорости -стенка, логарифмический закон, шероховатость 500 мкм;
- стенка горелок - аналог, приведенного выше условия «стенка», шероховатость 40 мкм;
- трубы - радиантные трубы, тип границы - стенка, логарифмический закон, задана температура 550 °С,
T
cp
Рис. 2. Виды граничных условий
шероховатость 40 мкм, степень черноты 0,8;
- выход - выход продуктов сгорания, тип границы - свободный выход, нулевой поток по рассчитываемым параметрам, нулевое давление;
- вход - граничные условия на входе в горелки, подача воздуха и топливного газа, задана входная температура 210 °С и граничное условие по скорости - нормальная массовая скорость;
- разрез - на плоскости симметрии, граничное условие по скорости - стенка с проскальзыванием, по остальным рассчитываемым параметрам - симметрия.
С целью подтверждения адекватности разработанной математической модели был проведен численный эксперимент для существующей базовой конструкции печи при технологии сжигания топлива по действующему регламенту. В дальнейшем результаты расчетов по данному варианту были использованы для сравнения с предлагаемыми конструктивными и технологическими способами снижения выбросов оксидов азота.
Вариант предусматривает равномерную подачу топлива и воздуха на все горелки. Массовый расход воздуха, приведенный к выходному сечению горелки, был принят равным 16,97 кг/(м2т); массовый расход топлива, приведенный к выходному сечению горелки составлял -54,63 кг/(м2т).
Результаты численного моделирования действующей печи. На рис. 3 представлено распределение температур в топочной камере. Отчетливо видны застойные зоны в ее нижних углах. В условиях слабого протока в этих зонах может наблюдаться локальный перегрев, в результате чего в данной области будет происходить интенсивное образование N0^
На рис. 4 показано распределение интенсивности образования N0x по вертикальному сечению топки, проходящему через оси соседних горелок. Как видно из сопоставления рис. 3 и 4, основная область образования оксидов азота сосредоточена в нижней части топки, где наблюдаются застойные зоны.
На следующих рис. 5 и 6 показаны зоны распределения оксидов азота по сечениям топочной камеры и в ее объёме. На рис. 6 показаны изоповерхности, построенные по нескольким заданным концентрациям N0^ Данные изоповерхности показывают объём, в котором концентрации N0x больше, чем заданные. Хорошо видно, как образующиеся в нижней части камеры оксиды азота поднимаются вверх, причем из-за наличия в камере циркуляционных течений движение носит ярко выраженный струйный характер.
В результате расчета по предложенной нами математической модели конечная концентрация N0x в выхо-
Инфо ГЗаяивка из Температура] О <3£> 1
Цвет Значена
1400
1264
1122
985
849
714
571
435
298
156
20
а)
0
0
0
0
0 1
0
0 k 1
6
0 ne
0
0
0
0
0
0
0
0
JE_ 0 0
б)
Рис. 3. Распределение температур по сечению топочной камеры действующей печи: а) по сечению горелок; б) температуры в нижней части топки. Цветовая шкала - по температуре в °C
дящих из действующей печи газах оказалась равна 196,5 мг/м3, что всего лишь на 14% отличается от ожидаемой концентрации NOx, рассчитанной по формулам из нормативного материала «Методика расчета вредных выбросов в атмосферу из нефтехимического оборудования» [14].
Экспериментальные замеры концентрации оксидов азота в газах на выходе из печи установки ЭЛОУ-АТ-2, выполненные сотрудниками заводской лаборатории Аты-рауского НПЗ с помощью газоанализатора Testo 350 M/XL дали значение CNOx = 201 мг/м3.
Незначительное (2,3%) расхождение расчетного и экспериментального значения концентрации оксидов азота на выходе из действующей печи свидетельствует
Рис. 4. Области образования оксидов азота в топочном объеме действующей печи. Цветовая шкала показывает скорость образования N0'х в кг/(м3^с)
Рис. 6. Распределение оксидов азота по объёму топочной камеры действующей печи: а) СN0 = 750 ррт; б) СN0x= 500 ррт; в) СN0 = 400 ррт
Рис. 5. Распределение оксидов азота в топке действующей печи: а) в поперечном сечении топки; б) в сечении, проходящем через оси горелок. Цветовая шкала в) показывает концентрацию N0'х в [ррт]
об адекватности разработанной нами математической модели.
Результаты численного моделирования печи с двухступенчатым сжиганием топлива по горизонтальному сечению топочной камеры. Методом численного эксперимента было проведено исследование эффективности двухступенчатого сжигания по горизонтальному сечению топочной камеры на уровне горелок, без конструктивных переделок топочной камеры. В горелки, расположенные в поду топочной камеры в два ряда по 9 штук, топливо подавалось по следующей схеме:
Нечетные горелки: коэффициент а = 0,8; массовый расход воздуха, приведенный к выходному сечению горелки - 14,97 кг/(м2т); массовый расход топлива, приведенный к выходному сечению горелки -74,63 кг/(м2т).
Четные горелки: подается оставшийся воздух на сжигание топлива; массовый расход воздуха, приведенный к выходному сечению горелки - 18,97 кг/(м2т); массовый расход топлива, приведенный к выходному сечению горелки - 34,63 кг/(м2т).
На рис. 7 приведено распределение температур в топочной камере по сечению горелок.
Рис. 7. Распределение температур в топочной камере по сечению горелок при двухступенчатом сжигании топлива по горизонтальному сечению. Цветовая шкала - по температуре
в °С
Сравнение распределения температур в топочном пространстве с рис. 3 показывает, что характер течения практически не изменился: также видны застойные зоны в нижних углах топочной камеры. В условиях слабого протока в этих зонах может наблюдаться локальный перегрев, в результате чего в данной области будет происходить интенсивное образование N0^
На следующих рис. 8 и 9 показаны зоны распределения оксидов азота по сечениям топочной камеры и в ее объёме. По расположению они схожи с аналогичными зонами в печи, работающей по действующему регламенту (см. рис. 5 и 6).
По результатам численного эксперимента расчетная конечная концентрация N0 в выходящих из печи га-
Рис. 8. Распределение оксидов азота в сечении, проходящем через оси горелок. Цветовая шкала показывает концентрацию NOx в [ррт] при двухступенчатом сжигании топлива по горизонтальному сечению
а)
б)
в)
ризонтальному сечению печи, к сожалению, не дал значительного снижения выделений оксидов азота. По сравнению с базовым вариантом работы по действующему регламенту печи концентрации N0 уменьшилась только на 16 %.
Результаты численного моделирования печи с двухступенчатым сжиганием топлива при подаче воздуха, разнесенной по вертикальному сечению топочной камеры. В данном варианте в подовые горелки подается обедненная кислородом смесь (а =0,8), а остаточный воздух на окисление топлива подается через дополнительные сопла, расположенные в боковых стенках печи выше по сечению. Данный вариант требует определенных конструктивных перестроек топочной камеры с целью установки дополнительных сопел.
Для нижних горелок массовый расход воздуха, приведенный к выходному сечению горелки - 12,34 кг/(м2т); массовый расход топлива, приведенный к выходному сечению горелки - 54,6 кг/(м2т);
В верхних (дополнительных) соплах расход воздуха - 10,375 кг/(м2т).
На рис. 10 показано распределение температур в топочной камере по сечению горелок. Застойные зоны в нижней части топки по сравнению с базовым вариантом существенно уменьшились, температура в зоне факела снизилась.
Рис. 9. Распределение оксидов азота по объёму топочной
камеры при двухступенчатом сжигании топлива по горизонтальному сечению: а) CNO= 750 ppm; б) CNO= 500 ppm; в) Ст= 4400 ppm
зах оказалась равна 178,9 мг/м3, что всего лишь на 9% меньше, чем в варианте работы печи по действующему технологическому регламенту.
Поскольку организация описанного двухступенчатого процесса сжигания топлива по горизонтальному сечению печи не требовала конструктивных переделок топочной камеры, в действующей печи Атырауского НПЗ был выполнен натурный эксперимент, в котором топливо и воздух подавались в четные и нечетные горелки по схеме, описанной выше. Замеры концентрации оксидов азота на выходе из печи, выполненные сотрудниками заводской лаборатории с помощью газоанализатора Testo 350 M/XL, дали значения CNO = 169 мг/м3, отличающееся от расчетного всего лишь на "5,9%. Это еще раз позволило убедиться в адекватности разработанной нами математической модели процесса.
Двухступенчатый процесс сжигания топлива по го-
Рис. 10. Распределение температур в топочной камере по сечению горелок при двухступенчатом сжигании топлива, разнесенном по вертикальному сечению топочной камеры.
Цветовая шкала - по температуре в °С
На рис. 11 и 12 показаны зоны распределения оксидов азота по сечениям топочной камеры и в ее объёме. Отчетливо видно, что зоны высоких температур значительно меньше по размерам, чем в двух предыдущих случаях (см. рис. 5, 6 и 8, 9).
В итоге в последнем рассмотренном варианте двухступенчатого сжигания топлива конечная концентра-
Рис. 11. Распределение оксидов азота в сечении, проходящем через оси горелок, при двухступенчатом сжигании топлива, разнесенном по вертикальному сечению топочной камеры. Цветовая шкала показывает концентрацию в [ррт]
а)
б)
в)
Рис. 12. Распределение концентрации оксидов азота по объёму топочной камеры при двухступенчатом сжигании топлива, разнесенном по вертикальному сечению топочной камеры: а) Ст= 750 ррт; б) Ст= 500 ррт; в) Ст= 400 рр
ция NOx в выходящих из печи газах равна 70,25 мг/м3, что существенно лучше, чем во всех рассмотренных выше вариантах.
Выводы
По результатам численного моделирования предложенных технологических способов снижения выбросов оксидов азота при сжигании топлива в трубчатых печах нефтепереработки можно сделать следующие выводы:
-применение двухступенчатого сжигания в подовых горелках, расположенных в одной плоскости, малоэффективно. Это, по-видимому, можно объяснить взаимовлиянием тесно расположенных горелок в одной
плоскости, что приводит к интенсивному перемешиванию дымовых газов в топочной камере и препятствует формированию зон горения и восстановления оксидов азота. Применение данного метода позволяет снизить выход NOx не более, чем на 9-16 %.
-более эффективным является метод двухступенчатого сжигания по высоте топочной камеры. Подача в горелки смеси газов с коэффициентом избытка воздуха 0,8 и подачей оставшегося воздуха выше по сечению топки позволяет уменьшить общий выход оксидов азота в 2,5 раза. Несомненно, что проведение оптимизационных расчетов с целью нахождения наилучшего расположения дополнительных боковых сопел и оптимального режима работы приведет к ещё большему снижению выбросов.
Литература
1. Катин В.Д. , Березуцкий А.Ю. Малоотходная технология двухступенчатого сжигания топлива в нефтезаводских печах // Вестник ВСГУТУ. 2014. № 6 (51). С.43-48.
2. Катин В.Д., Вольхин И.В. Малоотходные и энергосберегающие технологии сжигания топлива на нефтеперерабатывающих заводах. - Владивосток: Дальнаука, 2013. 199 с.
3. Кольцова Е.Е., Катин В.Д. Двухступенчатое сжигание нефтезаводских газов в печах и котлах -эффективный способ снижения выбросов оксидов азота // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. 2018. Т.2. С.46-50.
4. Катин В.Д. Новые эффективные горелки и форсунки для нефтезаводских печей и котлов. Хабаровск: ТОГУ, 2013. 131 с.
5. Катин, В.Д., Булгаков С.В. Модернизация и разработка новых конструкций горелок для нефтезаводских печей с малым выбросом вредных веществ // Прогрессивные технологии и процессы. Сб. науч. статей 5-й всероссийской НТК с международным участием. Хабаровск: ТГУ. 2018. С. 123-125.
6. Иваненко А.Ю., Яблокова М.А., Пономаренко Е.А., Грабская Н.В. Математическое моделирование многокамерной печи установки гидроочистки бензина с целью определения зон перегрева и коксообразования // Современные наукоемкие технологии. 2020. № 2. С. 12-19; URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37907 (дата обращения: 14.12.2022). DOI 10.17513/snt.37907.
7. Иваненко А.Ю., Яблокова М.А., Пономаренко Е.А., Грабская Н.В. Рекомендации по модернизации многокамерной трубчатой печи с целью ликвидации зон перегрева и коксообразования // Современные наукоемкие технологии. 2020. № 3. С. 49-53; URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37939 (дата обращения: 14.12.2022). DOI 10.17513/snt.37939.
8. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М. О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.
9. ВСН 315-80 Инструкция по проектированию футеровок тепловых агрегатов нефтеперерабатывающей промышленности из легкого жаростойкого бетона и теплоизоляционных материалов. М.: ММСС, 1981. 47 с.
10. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л.: Недра, 1990. 762 с.
11. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980. 478 с.
12. РМ 62-91-90. Методика расчета вредных выбросов в атмосферу из нефтехимического оборудования. Воронеж, 1990. 57 с.
References
1. Katin V.D.j Berezuckij A.Yu. Maloothodnaya tekhnologiya dvuhstupenchatogo szhiganiya topliva v
neftezavodskih pechah // Vestnik VSGUTU. 2014. № 6 (51). S.43-48.
2. Katin V.D., Vol'hin I.V. Maloothodnye i energosberegayushchie tekhnologii szhiganiya topliva na neftepererabatyvayushchih zavodah. - Vladivostok: Dal'nauka, 2013. 199 s.
3. Kol'cova E.E., Katin V.D. Dvuhstupenchatoe szhiganie neftezavodskih gazov v pechah i kotlah - effektivnyj sposob snizheniya vybrosov oksidov azota // Nauchno-tekhnicheskoe i ekonomicheskoe sotrudnichestvo stran ATR v HHI veke. 2018. T.2. S.46-50.
4. Katin V.D. Novye effektivnye gorelki i forsunki dlya neftezavodskih pechej i kotlov. - Habarovsk: TOGU, 2013. 131 s.
5. Katin, V.D., Bulgakov S.V. Modernizaciya i razrabotka novyh konstrukcij gorelok dlya neftezavodskih pechej s malym vybrosom vrednyh veshchestv // Progressivnye tekhnologii i processy. Sb. nauch. statej 5-j vserossijskoj NTK s mezhdunarodnym uchastiem. Habarovsk: TGU. 2018. S. 123-125.
6. IvanenkoA.Yu., YablokovaM.A., Ponomarenko E.A., Grabskaya N.V. Matematicheskoe modelirovanie mnogokamernoj pechi ustanovki gidroochistki benzina s cel'yu opredeleniya zon peregreva i koksoobrazovaniya // Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2020. № 2. S. 12-19; URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37907
(data obrashcheniya: 14.12.2022). DOI 10.17513/snt.37907.
7. Ivanenko A.Yu., Yablokova M.A., Ponomarenko E.A., Grabskaya N.V. Rekomendacii po modernizacii mnogokamernoj trubchatoj pechi s cel'yu likvidacii zon peregreva i koksoobrazovaniya // Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2020. № 3. S. 49-53; URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37939 (data obrashcheniya: 14.12.2022). DOI 10.17513/snt.37939.
8. Idel 'chik I. E. Spravochnik po ridravlicheskim soprotivleniyam / Pod red. M. O. Shtejnberra.- 3-e izd., pererab. i dop. M.: Mashinostroenie, 1992. 672 s.
9. VSN 315-80 Instrukciya po proektirovaniyu futerovok teplovyh agregatov neftepererabatyvayushchej promyshlennosti iz legkogo zharostojkogo betona i teploizolyacionnyh materialov. M.: MMSS, 1981. 47 s.
10. Staskevich N.L., Severinec G.N., Vigdorchik D.Ya. Spravochnik po gazosnabzheniyu i ispol'zovaniyu gaza. L.: Nedra, 1990. 762 s.
11. Zel'dovich Ya.B., Barenblatt G.I., Librovich V.B., Mahviladze G.M. Matematicheskaya teoriya goreniya i vzryva. M.: Nauka, 1980. 478 s.
12. RM 62-91-90. Metodika rascheta vrednyh vybrosov v atmosferu iz neftekhimicheskogo oborudovaniya. Voronezh, 1990. 57 s.
Сведения об авторах
Иваненко Александр Юрьевич, канд. техн. наук, доцент каф. оптимизации химической и биотехнологической аппаратуры СПбГТИ(ТУ); Alexander Yu. Ivanenko, Ph.D, (Eng.), associate professor, Department of Optimizationof chemical and bio-technogical equipment, ivanenko-au@gmail.com
Яблокова Марина Александровна, д-р техн. наук, профессор, зав. каф. инженерного проектирования СПбГТИ(ТУ): Marina A. Yablokova, Dr Sci. (Eng.), Head of the Department of Engineering Design, marina.yablokova@gmail.com Пономаренко Евгений Анатольевич, канд. техн. наук, доцент каф. инженерного проектирования СПбГТИ(ТУ); Evgeny A. Ponomarenko, Ph.D, (Eng.), associate professor, Department of Engineering Design, poponom@yandex.ru
Грабская Наталья Викторовна, начальник отдела ООО «Газпром переработка»; Natalya V. Grabskaya, Head of Department, Gazprom Pererabotka LLC, Gpp@gpp.gazprom.ru
