МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ БИОГАЗА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

9. State Standard 26253-2014 Zdaniya i sooruzheniya. Metod opredeleniya teploustojchivosti ograzhdayushchih konstrukcij [Buildings and structures. Method for determining the thermal stability of enclosing structures]. Moscow, Standartinform Publ., 2019,16 p. (in Russian).

Чамчиян Юрий Евгеньевич, старший преподаватель кафедры «Тепловая и топливная энергетика» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи в области теплофизики и теплотехники.

Ковальногов Владислав Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепловая и топливная энергетика» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи, монографии и учебные пособия в области теплофизики, теплотехники и теплоэнергетики.

Федоров Руслан Владимирович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Ветроэнергетические системы и комплексы» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи и изобретения в области численного моделирования гидрогазодинамических процессов.

Поступила 23.09.2020 г.

УДК 620.92

У. Д. МИЗХЕР, А. В. ЧУКАЛИН, С. В. БУСЫГИН, В. Н. КОВАЛЬНОГОВ, Р. В. ФЕДОРОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ БИОГАЗА

Поиск новых решений в области энергетики, предотвращающих негативное воздействие на окружающую среду, является одной из приоритетных задач для современного общества. Одним из перспективных направлений является использование биогаза как источника тепловой энергии для энергетических установок. Установлено, что основное отличие биогаза от природного газа, оказывающее влияние на плотность, теплотворность и скорость распространения пламени, вызвано наличием в его составе более 30% углекислого газа. Комбинированное сжигание природного газа и биогаза, при условии хорошего смешения за счёт тангенциально закручивающего аппарата топливо-воздушной смеси может позволить повысить стабильность горения биогаза, снизить максимальную адиабатическую температуру в зоне активного горения энергетических котлов ТЭС, что в свою очередь приведёт к снижению содержания NOx, CO2 в продуктах сгорания.

Ключевые слова: моделирование, биогаз, совместное горение, эффективность, снижение выбросов.

Исследования выполнены при поддержке грантом Президента Российской Федерации по проекту НШ- 2493.2020.8.

Введение

В России, как и в большинстве стран мира, в настоящее время одной из целей государственной политики является снижение уровня угроз, негативно влияющих на атмосферный воздух в населённых пунктах [1]. Одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха является

© Мизхер У. Д., Чукалин А. В., Бусыгин С. В., Ковальногов В. Н., Федоров Р. В., 2020

энергетика, а именно уходящие дымовые газы энергетических котлов ТЭС. В этой связи на законодательном уровне установлены низкие уровни предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в воздухе: оксидов азота, оксидов серы, летучей золы, бенз(а)пирена и т. д. В соответствии с прогнозным спросом на электроэнергию по ЕЭС России до 2024 года ожидается ежегодный прирост потребления электрической энергии более 1,2% в год. По оценке потребности ТЭС ЕЭС России, в органическом топливе устойчивую позицию занимает именно газ (более 72% к 23-24% угля от общей потребности ТЭС в топливе), при этом к 2024 году до 64,8% вырастет доля выработки электроэнергии именно на ТЭС [2].

Перспективным направлением по снижению вредных выбросов в атмосферу является переработка органических отходов и получение биогаза, который в свою очередь можно сжигать в энергетических котлах ТЭС. Использование биогаза в качестве топлива для энергетических и водогрейных котлов, обусловлено рядом причин:

- загрязнение окружающей среды и большие объёмы выбросов парниковых газов;

- необходимость переработки биоразлагаемых бытовых отходов и очистки городских, а также промышленных сточных вод, в результате которых, как остаточный продукт, образуется биогаз;

- высокой стоимостью природного газа.

Основным качественным отличием биогаза от природного газа является наличие примесей, таких как: аммиак, сероводород, водород, углекислый газ. В табл. 1 приведены данные института газа НАН Украины, определённые на хроматографе Agilent 6890N, о составе биогаза различного происхождения [3].

Таблица 1

Состав биогазов различного происхождения

№ Источник топлива CO2, N2, O2, H2S, Q,

п/п % % % % % % кДж/нм3

1 Биогазы

2 Городские очистные сооружения 67,75 — 31,75 0,48 0,425 — 22412

3 Спиртзавод 69,3 — 30,2 0,2 0,3 - 24890

4 Животноводческая ферма 69,44 — 30,36 0,09 — 0,11 24941

5 Природный газ

6 Уренгойское месторождение 98 2 0,84 1,05 — — 36757

Одним из эффективных методов сжигания биогаза является его комбинирование с природным газом, что в свою очередь позволит сохранить теплоту сгорания и тепловой баланс энергетической установки, а также обеспечит стабильное горения пламени. Кроме того, организация совместного сжигания природного газа и биогаза позволит снизить содержание токсичных продуктов сгорания в уходящих дымовых газах энергетических установок. Особенностью биогаза как топлива является пониженное, по сравнению с природным газом, содержание метана и наличие диоксида углерода в больших количествах.

Исследования проведены с использованием программного комплекса ANSYS Fluent, ввиду его широких многофункциональных возможностей при моделировании процессов горения топлив, с возможностью реализации эффективных технических решений, оценки температур в зоне активного горения, являющихся одним из основных показателей интенсивности образования токсичных веществ, содержания отдельных химических элементов и их соединений в продуктах сгорания топлива. При этом, используя известные классические модели, можно проводить анализ моделируемых процессов с известными приближениями и реализовывать эффективные технические решения. Для исследования тепловых и газодинамических процессов в работе используется модель турбулентности к-е (RNG), позволяющая моделировать процесс горения топливовоздушной смеси.

Математическая модель

Для моделирования процесса горения закрученного топливно-воздушного потока предлагается математическая модель, состоящая из [4-6] уравнений неразрывности, уравнения Навье-Стокса и уравнения энергии:

= о,

д дР д

— (putuj) = - — + —

дХ; дХ;

дрещ dxi

= pq + А

2 дщ

д2Т dxf

дРи,-dxi

■ +

dxi

(1) (2) (3)

где щ, и] — компоненты скорости; р — плотность; Р — давление; 5ц — Дельта Кронекера (5ц = 1 , если I = ] и 5ц = 0 , если I Ф у); // — динамическая вязкость; / — турбулентная (или вихревая) вязкость; Градиенты напряжений Рейнольдса (—р и \ и^ ) ; е — внутренняя энергия; д — объёмный подвод тепла на единицу массы; Т — температура; А — теплопроводность.

Модель турбулентности к-е КЫО

Уравнение модели турбулентности к-е RNG для описания процесса горения для нестационарного потока примет вид согласно:

где

dXi

+ Gk + Gb-ps-YM + Sk

£ £ + С1s k (Gк + С3sGb) — pС2£~ + R£ + S s,

(4)

Cle = 1.42, C2e = 1.68, C3e = tanh

и

Rs =

1 + pï]3

k'

С„ = 0. 0 8 5 4, ] = Sk, rjo = 4. 3 8, fi = 0.0 1 2 ,

где к - kinetic energy of turbulence; aK, aB - являются обратными эффективными числами Прандтля для к и £ соответственно, в пределе высокого числа Рейнольдса (ак =аЕ « 1.393) ; г - dissipation rate; Gk - источник за счёт градиента средней скорости; Gb - генерация кинетической энергии турбулентности за счёт плавучести; YM - представляет вклад колеблющейся дилатации в сжимаемой турбулентности в общую скорость рассеяния; Sk, Se - определяемые пользователем источники; С3г - степень плавучести; п - безразмерная координата; С^ - эмпирический коэффициент; S - тензор средней скорости деформации.

Для моделирования турбулентной вязкости в керне определяется выражение:

lk = lk0f (as,П,к) , (5)

где ¡.it — значение турбулентной вязкости, рассчитанное без модификации вихря, П — оценивается количество характерного вихря; вихревая постоянная, которая принимает различные значения в зависимости от того, является ли поток завихренным или только слегка вихревым. Эта модификация вихря всегда действует для осесимметричных, вихревых потоков и трёхмерных потоков, когда выбрана модель RNG. Для слегка закрученных потоков as установлено на 0.07. Однако для сильно закрученных потоков можно использовать более высокое значение as.

Результаты численного исследования и выводы

Камера сгорания, смоделированная в модуле «Design Modeler», представляет собой цилиндр с заданной постоянной температурой стенки Twau = 617 К и обладает следующими геометрическими характеристиками L = 7,3 м; D = 4 м. Температура стенки камеры сгорания подобрана исходя из условий температуры теплоносителя в экранных трубах энергетического водотрубного барабанного котла. Камера сгорания имеет одну комбинированную горелку, позволяющую обеспечить одновременное сжигание, как природного газа, так и биогаза. Горелочное устройство с центральной подачей газа содержит канал для подвода природного газа SCh4 = 0,00125 м2, канал для подвода биогаза Sbiogas = 0,078 м2 и канал для подвода воздуха Sair = 0,234 м2. Горелочное устройство представлено на рис. 1. Генерация расчётной сетки осуществлялась с использованием модуля

«Meshing», применена регулярная конформная сетка со сгущением сеточных элементов по толщине протягивания. Расчётная сетка в модуле «Meshing» представлена на рис. 2.

В ходе исследования моделировалось совместное горение смеси природного газа и биогаза. На рис. 3, 4, 5, 6 представлены результаты горения топливных комбинаций с завихрением воздуха , массовым расходом воздуха , температурой воздуха на входе в

горелку Та j г = 5 83 К. Температура воздуха в камере сгорания выбирается из условия его предварительного подогрева в воздухонагревателе энергетического котла. Расчётный расход топлива через горелку для совместного сжигания природного газа iTimethane = 0 ■ 2 кг/с, biogas Я1биогаза5 = 0 . 3 кг/с. Результаты горения представлены в вертикальном сечении пламени на от проёма

комбинированного горелочного устройства.

Рис. 1. Комбинированное горелочное устройство

Рис. 2. Meshing цилиндрической камеры сгорания

Температура

CÜ2

(a)

NÜ

Температура

CÜ2

(б)

NÜX

Рис. 3. Профиль температуры, содержания С02 и N0 при х = 1 м от проёма комбинированной горелки: (а) закрученный воздух ш = 1 5 0 рад/с; (б) закрученный воздух ш = 3 00 рад/с

x

\ х=з г

шт т ■

Температура

СО2

(а)

КОх

Температура

СО2

(б)

Шх

Рис. 4. Профиль температуры, содержания С02 и N0 при х = 3 м от проёма комбинированной горелки: (а) закрученный воздух рад с; (б) закрученный воздух рад с

3,500 3,000 2,500 2,000 1,500

— 0) = * <й= 300 150

xr.nl

Рис.5. Распределение температуры по оси х при различных закрутках воздуха

СО2«1Ч9К55 ГгасНоп (о2-Мяи ГгяЛюп

(а) (б)

Рис. 6. Профиль содержания С02 при различных скоростях завихрения: а) на от проёма комбинированной горелки; б) на от проёма комбинированной

горелки

Основной проблемой при сжигании биогаза является низкая скорость распространения пламени в камере сгорания, что приводит к увеличению длины факела и отрыву пламени, вследствие чего может гаснуть горелка. Для стабилизации процесса горения биогаза необходимо увеличивать закрутку топливовоздушного потока, а также желательно применять комбинированный способ сжигания биогаза и природного газа в котлах. Исходя из полученных результатов, проведённых с использованием программного комплекса ANSYS Fluent, можно отметить значительную разницу значений содержания NOx в продуктах сгорания, что обосновывается в первую очередь снижением температуры в центре пламени, являющимся основным критерием интенсивности образования NOx в топке энергетических котлов. Снижение температуры в зоне активного горения объясняется наличием в биогазе СО2, что является отличительной особенностью данного вида топлива.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стратегия экологической безопасности Российской Федерации на период до 2025 года: Указ Президента РФ от 19.04.2017 г. №176. // Собрание законодательства. - 2017. - №17, (24 апреля). - ст. 2546.

2. Схема и программа развития Единой энергетической системы России на 2018-2024 годы / Утверждены приказом Минэнерго России от 28.02.2018 г., №121. [Электронный ресурс] https://minenergo. gov.ru/node/11323.

3. Сигал И. Я., Марасин А. В., Смихула А. В. Газогорелочные устройства для сжигания биогаза в котлах // Энерготехнологии и ресурсосбережение. - 2014. - №3.- С. 68-71.

4. Hoffman K. A., Chiang S. T. Computational Fluid Dynamics. Vol. II. (4th ed. 2000). Engineering Education System, 2000. 479 p.

5. Chung T. J. Computational fluid dynamics. Cambridge university press, 2010. 1058 p.

6. Anderson J. D. Computational Fluid Dynamics: The Basics with Applications. New York. McCraw-Hill Ink.1995.

REFERENCES

1. Strategiya ekologicheskoj bezopasnosti Rossijskoj Federacii na period do 2025 goda: Ukaz Prezidenta RF ot 19.04.2017 g. №176. [Strategy of environmental safety of the Russian Federation for the period up to 2025: Decree of the President of the Russian Federation of 19.04.2017 No. 176] // Sobraniye zakonodatel'stva [Collection of legislation], Moscow, 2017, No. 17, (April 24), art.2546. (in Russian)

2. Skhema i programma razvitiya Edinoj energeticheskoj sistemy Rossii na 2018-2024 gody [Scheme and program for the development of the Unified Energy System of Russia for 2018-2024] / Utverzhdeny prikazom Minenergo Rossii ot 28.02.2018 g., №121 [Approved by order of the Ministry of Energy of Russia dated February 28, 2018, No. 121]. Available at: https://minenergo.gov.ru/node/11323.

3. Sigal Ya., Marasin A. V., Smikhula A. V. Gazogorelochnye ustrojstva dlya szhiganiya biogaza v kotlah [Gas Burner Devices for Combustion of Biogas in Boilers] //Energotekhnologii i resursosberezheniye [Energy Technologies and Resource Saving], 2014, No. 3, pp. 68-71 (in Russian).

4. Hoffman K. A., Chiang S. T. Computational Fluid Dynamics. Vol. II. (4th ed. 2000). Engineering Education System, 2000. 479 p.

5. Chung T. J. Computational fluid dynamics. Cambridge university press, 2010. 1058 p.

6. Anderson J. D. Computational Fluid Dynamics: The Basics with Applications. New York. McCraw-Hill Ink.1995.

Мизхер Усама Джавад, аспирант кафедры «Высшая математика» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи в области моделирования гидрогазодинамических процессов.

Чукалин Андрей Валентинович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Тепловая и топливная энергетика» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи и изобретения в области численного моделирования гидрогазодинамических процессов.

Бусыгин Сергей Валерьевич, аспирант кафедры «Тепловая и топливная энергетика» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи в области моделирования гидрогазодинамических процессов.

Ковальногов Владислав Николаевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепловая и топливная энергетика» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи, монографии и учебные пособия в области теплофизики, теплотехники и теплоэнергетики.

Федоров Руслан Владимирович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Ветроэнергетические системы и комплексы» Ульяновского государственного технического университета. Имеет статьи и изобретения в области численного моделирования гидрогазодинамических процессов.

Поступила 23.09.2020 г.