Научная статья на тему 'Моделирование рабочих процессов в топке парового водотрубного котла с целью снижения выбросов оксида азота'

Моделирование рабочих процессов в топке парового водотрубного котла с целью снижения выбросов оксида азота Текст научной статьи по специальности «Энергетика»

135
29
Поделиться
Ключевые слова
ВОДОТРУБНЫЙ КОТЁЛ / ТОПКА / ОКСИД АЗОТА / ВТОРИЧНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ / ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Аннотация научной статьи по энергетике, автор научной работы — Редько А.А., Давиденко А.В., Павловский С.В., Куликова Н.В., Павловская А.А., Редько И.А.

Приведены результаты численного исследования процессов сжигания газообразного топлива в топке парового водотрубного котла ДЕ-10/14. Горелочное устройство ГМГ-7 производительностью 728 м3/ч природного газа обеспечивает вихревой короткий и широкий факел. Топливовоздушная смесь образуется путём предварительного смешения 15% части воздуха, с первичным коэффициентом крутки горелки n=2,4, и вторичным коэффициенте крутки горелки n=1,6, и коэффициентом избытка воздуха αв=1,10. В результате исследований определены распределения температуры и скорости газов в топочном объёме, плотности тепловых потоков на экранные трубчатые поверхности, концентрации компонентов горения. Результаты численного исследования показывают, что размещение вторичного излучателя обеспечивает более равномерное температурное поле по длине топки и более низкое значение температуры в объёме топке, а реверсивное движение продуктов сгорания к фронту горения обеспечивает снижение концентрации оксидов азота до 123-125 мг/м3 на выходе из топки.

Похожие темы научных работ по энергетике , автор научной работы — Редько А.А., Давиденко А.В., Павловский С.В., Куликова Н.В., Павловская А.А., Редько И.А.,

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Моделирование рабочих процессов в топке парового водотрубного котла с целью снижения выбросов оксида азота»

Simulation of Working Processes in the Water-Tube Boiler Furnace with the Purpose of Reducing Emissions of Nitrogen Oxides

Redko A.A.,1 Davidenko A.V.,1 Pavlovskiy S.V.,1 Kulikova N.V.,1 Pavlovskaya A.A.,1

Redko I.A.2

kharkiv National University of Construction and Architecture, 2Kharkiv National University of Urban Economy by O.M. Beketov

Kharkiv, Ukraine.

Abstract. A significant number of domestic and industrial boilers are in operation in Ukraine. Nitrogen oxides are the most dangerous among all combustion products that pollute the atmosphere, therefore, one should take some measures for decreasing the formation of nitrogen oxides during combustion. The studies were carried out at the boilers of low power (100 kW) with a tubular radiator and an open end. The studies in the furnaces of industrial steam boilers having a tubular radiator with a closed end have not been done. The numerical study results of the gaseous fuel combustion processes in the furnace of a DE-10/14 steam water-tube boiler are presented. The fuel-air mixture is formed by premixing the 15% part of the air with a primary burner twist factor n=2.4 and a secondary burner twist factor n=1.6, and an air excess factor ав=10. As a result of the studies, the temperature and velocity distributions of gases in the combustion chamber, the density of heat flows on the screen tubular surfaces, and the concentrations of the combustion components were determined. Flue gas recirculation in the volume of 80-100% is provided, and the reversible movement of combustion products towards the combustion front provides a reduction in the concentration of nitrogen oxides up to 123-125 mg/m3 at the furnace outlet. Disadvantages are the following: the formation of stagnant zones near the end of the secondary radiator. The optimum diameter of the tubular radiator equals to two burners diameters and tubular radiator is located at a distance of one meter from the burner cutoff. Keywords: water-tube boiler; furnace; nitrogen oxides; secondary emitter; numerical investigation.

Simularea proceselor de lucru in focarul cazanului de abur cu tuburi de apa pentru a reduce emisiile de

oxid de azot

1 Rediko А.А., 1Davidenko A.V., 1Pavlovschii S.V., 1KulikovaN.V., 1Pavlovscaia А.А., 2 Rediko I.A.

1Departamentul alimentarea cu caldura si gaze, ventilare si utilizare a resurselor energetice secundare, Universitatea Nationala de Construtie si Arhitectura din Kharkiv 2Departamentul exploatarea sistemelor de gaze si caldura 2Universitatea Nationala de Servicii Municipale Kharkiv in numele lui А.М. Beketova

Harkiv, Ucraina

Rezumat. Sunt prezentate rezultatele investigatiei numerice a proceselor de ardere a combustibilului gazos in focarul cazanului de abur cu tuburi cu apa de tipul DE-10/14. Dispozitivul cu arzatoare de tip ГМГ-7 cu capacitatea arderii a 728 m3/h asigura o flacara lunga si lata in regim de vartej a gazelor naturale. Amestecul aer-combustibil este format prin preamestecarea cotei de 15% a aerului, cu valoarea coeficientului primar de rasucire a arzatorului n = 2.4, si cu valoarea coeficientul secundar de rasucire in arzator n = 1.6, avand valoarea coeficientului excesul de aer egal cu 1.10. Ca rezultat al investigatiilor s-au determinat distributiile vitezei si temperaturii gazului in volumul focarului, densitatea componentelor, fluxurile de caldura de pe suprafata ecranului tubular, concentratia componentelor de combustie. Rezultatele cercetarilor numerice arata, ca plasarea emitatorului secundar asigura o repartitie mai uniforma a temperaturii de-a lungul focarului si o temperatura mai scazuta in spatiul focarului, deplasarea reversibila a produselor de ardere catre frontul de combustie asigura diminuarea concentratia de oxizi de azot pana la 123-125 mg/m3 la iesirea din focarul cazanului. Cuvinte-cheie: cazan cu tub de apa, focar, oxidul de azot, emitatorul secundar, studii numerice.

Моделирование рабочих процессов в топке парового водотрубного котла с целью снижения

выбросов оксида азота

1Редько А.А., 1Давиденко А.В., 1Павловский С.В., 1Куликова Н.В., 1Павловская А.А., 2Редько И.А.

1Харьковский национальный университет строительства и архитектуры 2Харьковский национальный университет городского хозяйства им. А.М. Бекетова

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Харьков, Украина

Аннотация. Приведены результаты численного исследования процессов сжигания газообразного топлива в топке парового водотрубного котла ДЕ-10/14. Горелочное устройство ГМГ-7

производительностью 728 м3/ч природного газа обеспечивает вихревой короткий и широкий факел. Топливовоздушная смесь образуется путём предварительного смешения 15% части воздуха, с первичным коэффициентом крутки горелки п=2,4, и вторичным коэффициенте крутки горелки п=1,6, и коэффициентом избытка воздуха ав=1,10. В результате исследований определены распределения температуры и скорости газов в топочном объёме, плотности тепловых потоков на экранные трубчатые поверхности, концентрации компонентов горения. Результаты численного исследования показывают, что размещение вторичного излучателя обеспечивает более равномерное температурное поле по длине топки и более низкое значение температуры в объёме топке, а реверсивное движение продуктов сгорания к фронту горения обеспечивает снижение концентрации оксидов азота до 123-125 мг/м3 на выходе из топки.

Ключевые слова: водотрубный котёл, топка, оксид азота, вторичный излучатель, численные исследования.

Условные обозначения.

Условные обозначения Описание Условные обозначения Описание

1 2 3 4

щ, щ составляющие вектора скорости в направлении соответствующих осей декартовых координат х, х, Ы.1 молекулярная масса компонента 1

Р плотность ДНс теплота сгорания топлива

У1 массовая доля химического компонента 1 N количество компонентов в смеси

Ц коэффициент динамической вязкости Р давление

Б коэффициент диффузии & компонент ускорения свободного падения в направлении оси х,-

юz=vгMw исходный член, описывающий прибыль (убыль) компонента 1 в результате химических реакций число Шмидта

скорость реакции горения топлива 11? удельная энтальпия химического компонента 1 при стандартной температуре Т

1 2 3 4

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

юТ = АН с w исходный член, описывающий тепловыделение в результате химических реакций Tw напряжение трения на стенке

VI стехиометрический коэффициент компонента 1 УР расстояние точки Р от стенки

Т стандартная температура Рг молекулярное число Прандтля

Ср1 удельная изобарная теплоемкость химического компонента 1 Ррг турбулентное число Прандтля

Рг=ЦСрА, число Прандтля Tw температура стенки

1 коэффициент теплопроводности Тр осредненная температура газа в точке Р

qR составляющая плотности потока излучения в направлении оси х, удельный тепловой поток через стенку

Ро=£а+08 объемный коэффициент затухания П локальная координата, нормаль к стенке

ка объемный коэффициент поглощения & молекулярное число Шмидта

о8 объемный коэффициент рассеяния турбулентное число Шмидта

I интенсивность излучения Ур массовая доля химического компонента 1 в точке Р

Г радиус-вектор произвольного луча в угловом направлении распространения излучения 5; Уг™ массовая доля химического компонента 1 на стенке

Юо=о8/Ро альбедо рассеяния а коэффициент теплоотдачи

I ь = оТ 4/п интенсивность излучения абсолютно черного тела диффузный поток химического компонента 1 на стенке

о постоянная Стефана -Больцмана температура среды

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

О' единичный вектор телесного угла, характеризующий направление распространения теплового излучения вследствие рассеяния фотонов коэффициент излучения среды

1т интенсивность турбулентности эмпирический коэффициент

К постоянная Кармана R универсальная газовая постоянная

Е эмпирическая постоянная Т статическая температура

ир осредненная скорость газа в точке Р (находится в центре пристеночной расчётной ячейке) М, молекулярная масса химического компонента ,

кР кинетическая энергия турбулентности в точке Р

Введение

При сжигании органического топлива в котлах наибольший вред окружающей среде наносят оксиды азота. В настоящее время разработаны различные методы снижения выбросов N0^ Внедрение данных методов позволяет снизить выбросы N0x на 20-70%. Однако, опыт внедрения экологических технологических мероприятий показывает, что устаревшие конструкции котлов не обеспечивают оптимального сочетания условий для снижения N0x и полного сжигания топлива. При этом, наблюдается снижение КПД котла за счёт увеличения

недожога и температуры уходящих газов, уменьшение надёжности котлов и сужение диапазона регулирования.

Использование технологических

мероприятий, таких как ступенчатое сжигание, рециркуляция продуктов сгорания, впрыск воды на действующих котлах требуют значительного объёма

реконструкций. Актуальными являются технологические мероприятия, позволяющие снизить эмиссию N0x и при этом повысить КПД котла.

I.

I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

В [1-7, 30] исследовались различные методы снижения выбросов оксидов азота в топливоиспользующих агрегатах в энергетике и промышленности, в котельных и технологических установках.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

В работах [7, 19] выполнены исследования процессов образования NOx в жаротрубных котлах. В работе [6] выполнялось моделирование котла НИИИСТУ-5 и обосновано использование блочной горелки ГБГМ-0,85НД со струйной стабилизацией пламени и плавным регулированием мощности. В работе [19] показано, что в топке жаротрубного котла мощностью 100 кВт с вторичным излучателем возможно снижение NOx до значения 80 мг/м3. В работе [7] установлены опытные значения доли рециркуляции продуктов сгорания для котла ДКВР-4/13 с двумя горелками ГМГ-2, что обеспечило на выходе из топки котла снижении концентрации NOx до значения 166 мг/м3.

Снижение выбросов NOx методом рециркуляции продуктов сгорания на котлах ТГМ-84, КВГМ-180, ДЕ-25/14Г, ДКВР-10/13, ДКВР-4/13 исследовалось в работах [10, 11, 13, 28, 29].

Исследование эффективности методов снижения оксидов азота путём проведения натурных огневых теплотехнических и экологических испытаний затратные и трудоёмкие. [11, 12]. При этом топочные устройства котельных установок

характеризуются аэродинамических схем компоновка вихревых и горелок, тангенциальная

разнообразием (встречная прямоточных компоновка,

циклонные и кольцевые топки, топки с плоскофакельными горелками и др.), геометрией и объёмом топок, что затрудняет экспериментальное моделирование. Поэтому в настоящее время при исследовании процессов сжигания топлив широко используются численные методы

моделирования и компьютерные технологии [6-10, 12, 13, 19-22].

Разработка численных методов и моделей основывается на теоретических

исследованиях физико-химических процессов сжигания топлив [14-16]. Достаточно полные сведения по химической кинетике процессов горения отсутствуют, и поэтому применяются приближенные постановки. Поиск методов снижения выбросов оксида азота продолжается, что и определяет актуальность настоящего исследования.

II. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Выполнение численного исследования процессов сжигания газообразного топлива в топке водогрейного парового котла с вторичным трубчатым тупиковым

излучателем для оценки снижения выбросов оксидов азота.

III. ОБЪЕКТ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Рис. 1. Общий вид геометрической модели котла ДЕ-10/14.

Исследован вертикально-водотрубный газомазутный котел ДЕ-10-14ГМ с горелочным устройством ГМГ-7,

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

предназначенный для производства, насыщенного и слабо перегретого пара с температурой 225°С с абсолютным давлением 14 кгс/см2, номинальной производительностью 10 т/ч.

В топке по оси горелки размещен трубчатый тупиковый излучатель. Диаметр вторичного излучателя в расчётах изменялся от 840 мм до 1260 мм, выходной диаметр горелки составляет 420 мм. Вторичный излучатель считали теплопроводной стенкой.

Считали, что средняя температура питательной воды 125°С, коэффициент теплоотдачи от воды к стенкам экранных труб а=5000 Вт/(м2°С), коэффициент излучения поверхности экранных труб 0,85, коэффициент излучения поверхности амбразуры и футеровки 0,8.

В основу расчётов положена математическая модель лучисто-

конвективного теплообмена в газовом тракте котла, с учётом гравитации, и с пренебрежением сжимаемостью топочных газов. Система записана в стационарной форме осредненных за Рейнольдсом дифференциальных уравнений (1) - (5): неразрывности, сохранения массовых долей химических компонентов смеси, сохранения импульса и сохранения энергии соответственно, и интегро-дифференциальное уравнение (5) переноса излучения [20-23]:

дЫ:

= 0, ; = 1, 2, 3

дх-

(1)

Ри;

дк

д ц дк дд;

R

1 дХ; дХ; Рг дХ;

дХ;

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

■ + ют

1 = 1, 2, 3

Л (г, ?)

Рс ^

+1 (г, Г) =

Ю !•

(1 -юь)/ь(г) Г 1(г,таа

4п -1

(5)

к = ^ Ук - удельная энтальпия I

многокомпонентной смеси;

т

к = кС +| ср/ (Т ут - удельная энтальпия

Т 0

химического компонента I.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Граничные условия. Систему

приведенных выше уравнений (1) - (5) дополняли соответствующими граничными условиями для независимых переменных.

На входных границах Гвх расчетной области задавали направления течений метана и воздуха, их массовые расхода, температуры, массовые доли химических компонентов, параметры турбулентности:

С( Х) = 60;Т *(х) = Тс*;Х (Х) = 1т (Х) = 1т0;

3 к2

к(Х;) = -(и1т)2; 8(х,) = Р€Ц—,Х еГх,1 = 1,2,3 (6) 2 ц

На выходной границе Гвых задавали нулевое избыточное статическое давление, для других независимых переменных принимали «мягкие» граничные условия:

дУ1 д ц д¥1 .

РЫ ~дГ =-« + Ю1, 1 = 1, 2, 3;

дХ1 дХ; дХ;

N

I = 1..^; ^ = 1 (2)

I=1

ди, др д Р Ы—— =--— +--Ц

дХ; дХ- дХ;

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

ди; ди ,

^+тЧ + Р«/, ; = !, 2, 3; - = 1, 2, 3

дХ- дХ; 1

; = 1, 2, 3; - = 1, 2, 3

(3)

ди(Х) = 0 дк(Х) = 0 д?1 (Х) = 0

дп дп дп

дк(Х) = 0д£(Х) = 0

дп дп

е Гвых, ; 1, 2, 3

(7)

Для описания турбулентного

пограничного слоя возле поверхностей твердых тел использовано функции стенки -набор полуэмпирических функций, связывающих значения независимых переменных в центре пристеночной расчетной ячейки со значениями

соответствующих переменных на стенке и опирающихся на допущения Лаундера и Сполдинга [33].

Закон стенки для осредненной скорости имеет вид:

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

U* =

У

при у <11,225

—1п(Еу*) при у* > 11,225 (8) K

Безразмерные параметры U* и у* определены выражениями:

дК=о

дп

Генерацию кинетической энергии турбулентности О и скорость ее диссипации £, в пристеночных ячейках рассчитывали на основе гипотезы о локальном равновесии. При этом предположении генерацию кинетической энергии турбулентности и скорость ее диссипации считали одинаковыми. В результате е определяли по формуле:

ТТ 1/4 7 1/2

U*=upcm к / Р

(9)

3/4 т.3/2

с.

м

К

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

ку?

(15)

у*

рМ k?2 Ур м

(10)

Закон стенки для температуры имеет вид:

T * =

РГт

Рг у*

^ln( Еу*) + Р

K

при у < у* при у* > у**

(11)

где величину Р рассчитывали по формуле:

P = 9,24

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

f рг \

3/4

Рг

V т

-1

(1+0,28е-0,007Рг/Рг1) (12)

Предполагая, что перенос вещества происходит аналогично переноса теплоты, получаем закон стенки для массовых долей химических компонентов вида:

Y =

Sc

So/

-11п(Еу*) + Рс к

при у <у

при у > ус

(16)

Безразмерный параметр Y* определено выражением:

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Y =

(Yw - Yp)p<4 k?/2

J

lw

(17)

Безразмерный параметр T* определено выражением:

1/4 7 1/2

T * =

(Tw - T?)Pp cM k? qw

(13)

Безразмерную толщину теплового подслоя у*

рассчитано как значение, при котором линейный и логарифмический законы пересекаются, что соответствует

молекулярном числу Прандтля газа.

Уравнение переноса кинетической энергии турбулентности к решали по всей расчетной области, включая пристеночные ячейки. Граничное условие для к на стене имеет вид:

Величины P и у* рассчитывали аналогично

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

величинам Рт и у* с той разницей, что числа

Прандтля заменяли соответствующими числами Шмидта.

На поверхностях твердых тел задавали граничные условия теплообмена:

- первого рода (7W = const);

- второго рода (qw = const);

- третьего рода.

qw &(Tw T50)

(18)

- комбинированные конвективные:

радиационно-

qw =a(Tw - T^ ) + S5a(Tw - TJ (19)

Турбулентная вязкость определяется по формуле Колмогорова-Прандтля:

к

цт с цре

(20)

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

- монооксид азота создается по классическому термическому механизму Я. Б.Зельдовича [14]:

02 о 20

(23)

Связь между термодинамическими переменными р, Т и р устанавливается уравнением состояния смеси идеальных газов:

О+N о N+N0

N+02 о О+N0

(24)

(25)

у.

Р = КрТ IМ ■

I

I

(21)

О процессах течения, горения, эмиссии оксидов азота и сложного теплообмена в газовом тракте котла приняты следующие основные допущения:

- газообразная среда в газовом тракте котла является многокомпонентной химически реагирующей смесью термически совершенных газов, входящих в состав топлива (метана), воздуха (кислорода и азота), продуктов полного сгорания (диоксида углерода и водяного пара), оксида азота (N0);

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

- теплофизические свойства газовой смеси зависят от концентрации базовых компонентов (СН4, N2, О2, СО2, Н2О) и температуры;

- сгорание метана описывается одностадийной необратимой брутто-реакцией:

- течение газа трехмерное, турбулентное, квазистационарное, существенно дозвуковое;

- влияние вязкого нагрева, термо-, баро- и самодиффузии пренебрежимо мало;

- влияние монооксида азота на течение и теплообмен пренебрежимо мало; тепловое излучение квазистационарное, когерентное, изотропное, монохромное.

Решение уравнений (1)-(5) выполнено методом контрольного объёма и обеспечивалось с помощью

модифицированного программного

комплекса разработанного совместно с НАУ «ХАИ» [34]. Расчётная сетка топки показана на рис. 2.

В результате дискретизации геометрического объёма получается некоторое количество контрольных объёмов (расчётных ячеек) N с соответствующим количеством граней в том числе

граничных граней которые принадлежат границе расчётной области.

+ 202 ^ Щ + 2H20

(22)

Рис. 2. Расчётная сетка топки котла, вторичного излучателя и горелки.

В центрах расчётных ячеек рассчитываются все интересующие характеристики топочной среды. В центрах граничных граней рассчитываются температура стенки внутри и снаружи топки, а также плотности радиационного и конвективного потоков на стенку. ^=452 533; №=2 985 607; №.ь-не контролируется.

Уменьшение погрешности

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

результатов расчёта достигалось путём увеличения количества конечных элементов-ячеек. Относительные невязки по массе менее 110-4, по энергии менее 110-6; абсолютные дисбалансы по массе 610-5 кг/с, по теплу 0,4 кВт.

IV. Результаты и их обсуждение.

Полученные расчётные данные определяющие значения температуры топочных газов, концентрации топлива и кислорода позволили оценить образование

NOx в локальных зонах топки и на выходе из топки котла. Результаты расчёта полей концентрации оксидов азота приведены на рис. 3.

377 363 343 1

310 305 200 276 261 247 2?: 213 203 153 174

а)

б)

Рис. 3. Поля концентрации оксидов азота: а) - в горизонтальной плоскости; б) - в

вертикальной плоскости.

Основная масса оксидов азота образуется в области высокой температуры факела горения (более 1500°С), а в дальнейшем под действием вихревого газового потока NOx перемещается по всему объёму топки. Вблизи зоны дожигания топлива при температуре 900-920°С наблюдаются высокие значения концентрации NOx, составляющие 350 мг/м3, но эти зоны небольшие по объёму. В топочном объёме область с максимальной генерацией NOx наблюдается на оси горелки на расстоянии 1,5-2,5 м от среза горелки, а в диаметре зона дожигания достигает 1,2-1,5 м.

В вертикальном разрезе топки концентрация NOx увеличивается в верхней зоне топки и составляет 230-290 мг/м3, а в нижней зоне - около 100-110 мг/м3. Вблизи боковых экранных поверхностей

концентрация NOx ниже (100-130 мг/м3), чем на оси топки (250-360 мг/м3). Процессы сжигания топлива характеризуются также

данными по концентрации кислорода в топочном объёме. Зона горения топлива с первичным воздухом составляет около 0,5 м от среза горелки. Зона выгорания кислорода составляет 2,5-3 м от среза горелки. Вблизи боковых поверхностей концентрация кислорода составляет 3-5%. В левой боковой поверхности топки (по ходу движения газов) концентрация кислорода выше (5-7%), чем вблизи правой боковой поверхности (1,5-2%), т.к. вихревое движение топочных газов правостороннее и по ходу движения газов концентрация кислорода уменьшается. В верхней зоне топки концентрация кислорода ниже (0,7-1,4%), чем в нижней части топки (5-7%), что и определило образование NOx.

Как видно из распределения температуры газов касания факелом задней и боковой стенок котла и затягивания факела в конвективный пучок не наблюдается. Не наблюдается также симметрия факела

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

относительно оси котла. Концентрация NOx на выходе из топки составляет 178 мг/м3, а концентрация кислорода О2 составляет

2,8 мг/м3. Результаты расчёта параметров топки с вторичным излучателем приведены на рис 4.

а) б)

Рис. 4. Значение концентрации NOx в топке с вторичным излучателем: а) - в горизонтальной плоскости; б) - в вертикальной плоскости.

Анализируя образование NOx в топке видно, что концентрация NOx составляет: в нижней части топки - от 40 до 200 мг/м3, а в верхней части топки - от 100 до 150 мг/м3. По глубине топки с вторичным излучателем концентрация NOx изменяется от 60-80 мг/м3 до 130-180 мг/м3. На выходе из топки среднее значение концентрации NOx составляет 125 мг/м3 из-за смешивания топочных газов.

Наибольшая концентрация кислорода (около 8-10%) наблюдается вблизи входа газов в излучатель на расстоянии около 0,5 м от среза горелки, а также вблизи боковых

поверхностей. Внутри вторичного излучателя концентрация кислорода составляет 0-0,6 %. При этом на выходе из топки концентрация кислорода составляет около 2-4%. Вблизи левой боковой поверхности котла концентрация кислорода составляет 0,6-3 %, а вблизи правой боковой поверхности концентрация кислорода (4-6%). Вблизи левой боковой поверхности образуется зона с обратными токами газов, а на выходе из неё концентрация кислорода снижается до 0,71,4% (рис. 5).

О:. *» ■

20.9 20.2 19.5 19 3 181 17 4 16.7 16 0 15 3 14 6 13.9 13 2 12.5 11 В

а) б)

Рис. 5. Распределение концентрации кислорода в топке котла: а) - без вторичного излучателя, б) - с вторичным излучателем.

Анализируя поле температур в топочном объёме можно видеть, что температура поверхности вторичного излучателя по длине

изменяется от 950-1000°С до 750-830°С. Большая часть поверхности излучателя (более 2 м длины), имеет температуру выше

900°С. При этом температура газов в топочном объёме изменяется незначительно от 1150°С до 1000°С. Вблизи левой боковой

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

поверхности топки температура газов выше (до 1500°С), чем вблизи правой (1200-1300°С) (рис. 6).

I

1885 1823 1761 1699 1630 1571 1512 1450 138Э 1326 1263 1201 1139 1077 1015 953 990 926 766 704 542 560 517 455 393 331 280 207 144 82 20

Рис,

а) б)

6. Распределение температуры газового потока в топке: а) - без вторичного излучателя, б) - с вторичным излучателем.

В нижней области топки температура газов выше (1200-1400°С), чем в верхней области топки (1000-1100°С), что и определяет образование NOx в объёме топки.

При размещении вторичного трубчатого излучателя с заглушенным торцом в топке, наблюдается реверсивное движение топочных газов, характерные профили

скоростей и температур. В приосевой области закрученной струи появляются зоны с разрежением, что вызывает обратные токи рециркуляции. Скорость газов внутри излучателя составляет 1,5-2 м/с. Газы выходят из вторичного излучателя и обтекают его снаружи, со скоростью 10-12

м/с

(рис.7).

39 38

за

35 35 32 30 29 27 26 24 23

Т1 20 18 17 16 Ч 12

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

>' А-

а) б)

Рис. 7. Распределение скорости топочных газов: а) - без вторичного излучателя, б) - с

вторичным излучателем.

V. Выводы

Результаты численного

исследования показали, что модернизация водотрубного парового котла ДЕ-10/14 путём размещения тупикового трубчатого вторичного излучателя в топке водотрубного котла, обеспечивает рециркуляцию топочных газов в объёме 80100%, а также дожигание топлива и снижение вредных выбросов оксидов азота до 125 мг/м3 на выходе из топки котла. При этом установлено, что оптимальный диаметр трубчатого излучателя составляет 2Dгор. (два диаметра выходного патрубка горелки), и размещён вторичный излучатель на расстоянии одного метра от среза горелки, длиной 3,5 м. Увеличение диаметра излучателя до 3Dгор, не обеспечивает дальнейшего снижения концентрации оксидов азота. Размещение в топке вторичного излучателя обеспечивает также повышение эффективности лучистого переноса теплоты и кинетических процессов в химически реагирующих газовоздушных смесях, полноту сжигания топлива. По данным численного моделирования концентрация кислорода на выходе из топки составляет 1,5-2,5%, что при коэффициенте избытка воздуха ав=1,1 указывает на полное сгорание топлива в топке котла.

Литература (References)

[1] Varlamov G.B., Lyubchik G.M. Malyarenko V.A. Teploenergetychni ustanovky ta ekologichni aspekty vyrobnytsva energii

[2] [Thermal Engineering Installations and Ecological Aspects of Energy Generation]. Kiev, 2003. 232 p.

[3] Gubinsky V.M. Metallurgicheskie pechi [Metallurgical Furnaces]. Dnepropetrovsk, 2006. 85p.

[4] Sigal I.Ya. Zashchita vozdushnogo basseina pri szhyganii topliva [Protection of Air Basin during Fuel Combustion]. Leningrad, 1988. 312 p.

[5] Denisov V.V., Denisova I.A., Gutenev V.V., Fesenko L.N. Osnovy inzhenernoi ekologii [Fundamentals of Environmental Engineering]. Moskva, 2013. 624p.

[6] Roslyakov P.V., Pleshakov K.A., Ionin I.L. Optimalnye usloviyy dlya szhyganiya topliva s kontroliruemym khimicheskim nedojyogom [The Optimal Conditions for the Fuel Combustion with Controlled Chemical

Incomplete Combustion]. Teploenergetika, 2010, no. 4, pp. 17-22 (in Russian).

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

[7] Dolinsky A.A., Khalatov A.A., Kobzar S.G., Nazarenko O.A., Meshcheryakov A.A. Ispol'zovanie kompyu'ternogo modelirovaniya pri malozatratnoi modernizatsii kotla NIISTU-5 [Using Computer Simulation at Low-Cost Modernization of NIISTU-5 Boiler]. Industrial Thermal Engineering, 2007, Vol. 29, no. 5, pp. 80-91(in Russian).

[8] Khalatov A.A., Kobzar S.G. Komp'yuternye tekhnologii v modernizatsii kotlov i kamer sgoraniya [Computer Technologies in the Modernization of Boilers and Combustion Chambers]. Aqua-Therm. 2007, no. 1, pp. 12-15(in Russian).

[9] Ustimenko B.P., Dzhakubov K.B., Krol V.O. Chislennoe modelirovanie aerodynamiki i goreniya v topochnyh tekhnologicheskikh ustroystvakh [Numerical Simulation of Aerodynamics and Combustion in Technological Flue Devices]. Alma-Ata, 1986. 224 p. (in Russian).

[10]Alekseenko S.V., Gusev I.N., Eroshenko V.M., Rabovsky V.B. Chislennoe i eksperimentalnoe modelirovanieturbulentnykh techeniiv topochnykh kamerakh [Numerical and Experimental Modeling of Turbulent Flows in the Combustion Chambers]. J. Engineering Physics. 1990, Vol.5. no. 6, pp. 948-955(in Russian).

[11]Askarova A.S., Karpenko E.I., Loktionova I.V., Messerle V.E., and Ustimenko A.V. Optimization of the combustion of powerstation technologies. Thermal Engineering, Vol.51, no. 6, pp. 488-493, 2004. (references)

[12] Shchelokov V.I., Ladynichev V.V., Liseikin I.D., Todorovich A.V. Modernizatsiya vodogreinykh vodotrubnykh kotlov tipa PTVM i KVGM [Modernization of PTVM Hot-Water and Water-Tube Boilers]. Thermal Supply News, 2004, no. 5 (45) (in Russian).

[13]Ustimenko B. P., Aliyarov B.K., Abubakirov E.K. Ognevoe modelirovanie pyleugol'nykh topok [Fire Simulation of Pulvarized-Coal Furnaces]. Alma-Ata, 1982. 201 p.

[14]Askarova A.S., Bolegenova S. A., Maksimov V.Yu. [Study of Harmful Substance Formation in the BKZ-75 Combustion Chamber at Shakhtinskaya Heat Power Station]. VIII Vserossiiskaya konf. "Gorenie tverdogo topliva " [VIII All-Russian Conf. "The Burning of Solid Fuel"], Novosibirsk, 2012, pp. 9.1-9.4. (In Russian).

[15]Zeldovich Ya. B. Matematicheskaya teoriya goreniya i vzryva [Mathematical Theory of Combustion and Explosion].Moskva, 1980. 478 p.

[16] Gosmen A.D., Pan V.M. Ranchel A.K., Spalding D.B., Wolfstein M. Chislennye issledovaniya techenii vyazkoi zhydkosti [Numerical Methods for Studying Viscous Liquid Flows]. Moskva, 1972. 320 p.

[17] Gupta A., Lilly L., Sayred H. Zakruchennye potoki [Swirling Flows.]. Moskva, 1987. 588 p.

[18] New Solutions. Modernization of Water-Tube Boilers. http://www.weishaupt.kiev.ua.

[19] Taylasheva T.S. Analiz opyta ekspluatacii kotlov tipa DKVR [Analysis of DKVR-type Boiler Operation Experience]. Bulletin of Science. 2014, no. 3 (13). pp. 11-15. (In Russian).

[20] Basok B.I., Demchenko V.G., Martynenko M.P. Chislennoe modelirovanie protsessov aerodinamiki v topke vodogreinogo kotla s vtorichnym izluchatelem [Numerical Simulation of Aerodynamic Processes in the Furnace of the Hot-Water Boiler with a Secondary Radiator]. Industrial Heating Engineering. 2006, no. 1, рр.17-22 (In Russian).

Сведения об авторах.

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

Редько Андрей Александрович Доктор технических наук, профессор каф. ТГВ и ТВЕР, ХНУСА. Область научных интересов: использование

возобновляемых источников энергии, низкопотенциальной энергии, тепломассообмен,

термодинамика. E-mail: andrey .ua-mail@mail.ru

Êfrm

[21]German M.L., Borodulya V.A., Nogotov. E.F, Palchenok G.I. [Engineering Calculation Method of Temperature Mode in Fire-Tube Boilers with a Dead-End Furnace]. Trudy IV mezhdunarodnogo foruma [Proceedings of IV Minsk Int. Offline], Minsk, 2000, Vol.2, pp. 21-30. (In Russian).

[22]Khaustov S.A., Zavorin A.S., Fissenko R.N. Chislennoe issledovanie protsessov v zharotrubnoi topke s reversivnym fakelom [Numerical Investigation of Processes in the Fire-Tube Furnace with the Reversible Torch]. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2013, Vol. 322, no. 4, pp. 43-47. (In Russian).

[23]Mikhaylov A.G. Metody rascheta teploobmena v topkah kotlov [Methods for Calculating Heat Transfer in Boiler Furnaces]. Omsk Scientific Bulletin, 2008, no. 3 (70), pp. 81-84p. (In Russian).

Павловский Сергей

Валерьевич

технических наук. Научные интересы: низкопотенциальная энергетика, рациональное использование продуктов

сгорания котлов, геотермальная энергия, тепломассообмена, термодинамика. E-mail: pavlovskiy s@mail.ru

Давиденко Анастасия

Вячеславовна, аспирант каф. ТГВ и ТВЕР, ХНУСА. Область научных интересов: оптимизация и моделирование сжигания газа в паровых котлах, тепломассообмен, неравновесная термодинамика. E-mail: anastasiya.tasse@gmail.com

Редько Игорь Александрович

Кандидат технических наук, доцент каф. эксплуатации газовых и тепловых систем, ХНУГХ им. А.М. Бекетова. Область научных интересов: геотермальная энергетика,

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте наш сервис подбора литературы.

эффективное сжигание

низкосортных топлив, E-mail: germes s@mail.ru

Куликова Наталья

Валерьевна, кандидат технических наук, ассистент, каф. ТГВ и ТВЕР, ХНУСА. Область научных интересов: установки для рекуперации тепловой энергии, геотермальная энергия, тепло-массоперенос, термодинамика.

E-mail: natikkulikova@rambler.ru

Павловская Анна

Александровна

каф. ТГВ и ТВЕР, ХНУСА. Область научных интересов: эффективность теплообмена в жаротрубных котлах,

моделирование процессов горения.

E-mail: anna on@mail.ru