CC BY
35
рис. 4) по сравнению с идеальной, что свидетельствует о наличии либо прикрытых задвижек, создающих большое сопротивление в сети, либо каких-нибудь других сопротивлений.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. А б р а м о в Н. Н. Теория и методика расчета системы подачи и распределения воды. - М.: Стройиздат, 1972. - 286 с.
2. М ат е м а т и ч е с к о е моделирование и оптимизация систем тепло-, водо-, нефте-и газоснабжения / А. П. Меренков, Е. В. Сеннова, С. В. Сумарокова и др. // Новосибирск: ВО «Наука», 1992.-407 с.
3. З ы к о в А. А. Теория конечных графов. - Новосибирск: Наука, 1969. - 543 с.
4. К о в а л е н к о А. Г., Т у е в а Н. С. Система синтеза и анализа гидравлических сетей. - М.: Вычисл. центр АН СССР, 1989. - 70 с.
5. Р а з р а б о т к а компьютерной модели и исследование режимов работы циркуляционной системы Новокуйбышевской ТЭЦ-2 / В. А. Кудинов, А. Г. Коваленко, С. В. Колесников, Ю. С. Панамарев // Изв. АН. Энергетика. - 2001. - № 6. - С. 118-124.
6. И с с л е д о в а н и е гидравлических режимов работы цирксистемы Тольяттинской ТЭЦ на компьютерной модели / С. В. Колесников, В. В. Дикоп, С. В. Томкин, В. А. Кудинов // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2002. - № 6. -С. 90-95.
Представлена кафедрой теоретических основ теплотехники
и гидромеханики Поступила 19.01.2004
УДК 621.181
ОБРАЗОВАНИЕ ОКСИДОВ АЗОТА ПРИ ДВУХСТУПЕНЧАТОМ СЖИГАНИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Асп. ЖИХАР И. Г.
Белорусский национальный технический университет
Для изучения образования оксидов азота при двухступенчатом сжигании природного газа была разработана кинетическая модель горения природного газа, в которой принято допущение, что происходит горение предварительно перемешанных смесей.
Несмотря на большое внимание, уделяемое созданию моделей образования оксидов азота, данная проблема изучена не в полном объеме. Поэтому была предпринята попытка разработать более полную модель образования оксидов азота.
В кинетической модели учтены как реакции, ранее предложенные различными авторами [1, 2], так и более поздние данные по горению метана и водорода [3, 4, 5] (табл. 1).
При предварительном анализе данного механизма из него на основании [6] были исключены реакции с участием О3 и Н2О2, так как для самых раз-
личных условии их содержание в зоне горения ничтожно, если нет соответствующих начальных концентрации.
Поскольку рассматриваемую кинетическую модель предполагалось использовать для расчетов процесса горения в высокотемпературных областях, где термической диссоциацией продуктов сгорания пренебречь нельзя, она была дополнена следующими реакциями:
Н2 + М = Н + Н + М; О2 + М = О + О + М; Н2О + М = ОН + Н + М; N2 + М = N + N + M.
Процесс образования «термических» оксидов азота описывается с помощью механизма Я. Б. Зельдовича [1], дополненного данными из [5, 6].
Ввиду отсутствия в природном газе топливного азота, содержащегося в радикалах, «топливные» оксиды азота не образуются, но при наличии углеводородных соединений в процессе сгорания газа могут образовываться «быстрые» оксиды азота в начальной зоне факела при Т < 1800 К. Суммарная концентрация оксидов азота будет состоять из «термических» и «быстрых» оксидов азота.
Следовательно, обобщенная кинетическая модель процесса горения природного газа представляет совокупность высокотемпературного окисления метана и водорода, реакций диссоциации продуктов сгорания, а также механизма образования оксидов азота (табл. 1).
Химические реакции (табл. 1) предварительно отобраны по величине интеграла [7]
I = J wdx, (1)
т
где w - скорость; т - время реакции.
Интеграл указывает на роль отдельного элементарного акта на разных стадиях реакций, а также в общем механизме процесса.
Для широкого диапазона начальных условий реакций окисления и горения выбрано 98 реакций, которые и были взяты за основу в качестве механизма горения природного газа (табл. 1).
Изменения концентраций реагентов во времени описываются в общем виде кинетическим дифференциальным уравнением
^C = IKjMCJCC - £KimnCiCmCn, (2)
j ,k ,1Ф1 i,m,n
где Kjkh Kimn - кинетические константы скоростей реакций; Cj,kj,im,n - концентрации реагентов.
Уравнение теплового баланса реагирующей смеси запишется в виде
cvP dT = I qw -а V T - То\ (3)
i
где qi, Wi - тепловые эффекты и скорости отдельных стадий; р - плотность; cv - теплоемкость продуктов сгорания; S - поверхность факела; Т - средняя температура газовой смеси; а - коэффициент теплоотдачи.
Таблица 1
Кинетическая модель процесса горения природного газа
№ Реакция № Реакция
1 сн4 + о2 ^ сн3 + но2 50 N + N + м^ ^ + м
2 сн3 + но2 ^ сн4 + о2 51 ^ + о ^ N + NO
3 сн4 + он ^ сн3 + н2о 52 N + да ^ N2 + о
4 сн3 + н2о ^ сн4 + он 53 ^ + о2 ^ NO + да
5 сн4 + н ^ сн3 + н2 54 да + да ^ ^ + о2
6 сн3 + н2 ^ сн4 + н 55 NO + о ^ N + о2
7 сн4 + о ^ сн3 + он 56 N + о2 ^ NO + о
8 сн3 + он ^ сн4 + о 57 N + о + м ^ да + м
9 сн3 + о ^ н2со + н 58 N + он ^ да + н
10 сн3 + н2со ^ сн4 + нсо 59 да + н ^ N + он
11 сн4 + нсо ^ сн3 + н2со 60 да + о ^ да2
12 н2со + нсо ^ сн3 + со2 61 да2 + м ^ NO + о + м
13 н2со + он ^ нсо + н2о 62 да + о + м ^ да2 + м
14 н2со + н ^ нсо + н2 63 ^ + сн ^ HCN + N
15 нсо + н2 ^ н2со + н 64 HCN + N ^ N2 + сн
16 н2со + о ^ нсо + он 65 N + сн2 ^ HCN + ын
17 со + о2 ^ со2 + о 66 HCN + Ж ^ N2 + сн2
18 со2 + м ^ со+о + м 67 кн+он ^ N+H2O
19 нсо + м ^ со + н + м 68 N+H2O ^ NH+OH
20 со + н + м ^ нсо + м 69 мн+о ^ N+OH
21 нсо + о ^ со2 + н 70 N+OH ^ Ж+о
22 со + он ^ со2 + н 71 NH+OH ^ NO+H2
23 н2 + он ^ н2о + н 72 NO+H2 ^ NH+OH
24 н2о + н ^ н2 + он 73 NH+O ^ NO+H
25 н2 + о ^ он + н 74 да+н ^ NH+о
26 он + н ^ н2 + о 75 NH+о2 ^ да+он
27 н + о2 ^ он + о 76 NO+OH ^ NH+O2
28 он + о ^ н + о2 77 NO + сн2 ^ N + н2со
29 он + он ^ н2о + о 78 N + н2со ^ да + сн2
30 н2о + о ^ он + он 79 NH + да ^ N2 + он
31 н2 + м ^ н + н + м 80 ^ + он ^ Nн + да
32 н + н + м ^ н2 + м 81 Ж + н ^ N + н2
33 о2 + м ^ о + о + м 82 N + н2 ^ NH + н
34 о + о + м ^ о2 + м 83 дао + н ^ CN + он
35 н2о + м ^ он + н + м 84 CN + он ^ NCO + н
36 он + н + м ^ н2о + м 85 HCN + о ^ CN + он
37 н2 + о2 ^ он + он 86 CN + он ^ HCN + о
38 сн3 + о2 ^ н2со + он 87 CN + он ^ NCO + н
39 нсо + он ^ со + н2о 88 дао + н ^ CN + он
40 н + но2 ^ н2о + о 89 CN + о2 ^ NCO + о
41 сн3 + н ^ сн2 + н2 90 NCO + о ^ CN + о2
42 сн2 + н2 ^ сн3 + н 91 нсN + он ^ дао + н2
43 сн2 + о ^ сн + он 92 NCO + н2 ^ HCN + он
44 сн + он ^ сн2 + о 93 + о ^ NCO + н
45 сн2 + н ^ сн + н2 94 дао + н^+ о
46 сн + н2 ^ сн2 + н 95 NCO + н ^ NH + со
47 сн2 + он ^ сн + н2о 96 ж + со ^ дао + н
48 сн + н2о ^ сн2 + он 97 + он ^ NH2 + со
49 Ы2 + м ^ N + N + м 98 !№н2 +со ^ HCN + он
В данном случае теплообмен с окружающей средой моделировался взаимодействием реагирующей среды с облучателем, температура которого принималась равной температуре газов после окончания горения Т0.
Значения кинетических констант, энергий активации и тепловых эффектов приняты по [8, 9 и др.].
Константа химической реакции изменяется в зависимости от температуры по известному закону
_ Е
К = К{)Тпе^ , (4)
где К0 - предэкспоненциальный множитель; Т - абсолютная температура; Е - энергия активации; Я - универсальная газовая постоянная; п - показатель степени.
Применительно к кинетической модели горения природного газа (табл. 1) составлены кинетические дифференциальные уравнения для каждого химического элемента, участвующего в химических реакциях.
Для примера приведено кинетическое дифференциальное уравнение изменения концентрации метана, участвующего в процессе горения природного газа
= _^[СН4][02]+ Г2[СЫз][Н02]_ Гз[СН4][ОИ] + ^[СНз][Н20]_
_ ^5[СН4][Н] + К6 [СНзЫ_ К7[СН4][0]+ К8[СНз][0Н]+ (5)
+ Кш[СНз][Н2С0]_ КП[СН4][НС0 ].
Расчеты выполнены на ЭВМ применительно к горению природного газа в кинетической области. Ниже приводятся результаты расчета образования оксидов азота по предлагаемой кинетической модели.
При выполнении расчетов наряду с определением концентраций реагентов производилась оценка вклада различных химических реакций в образование (разложение) того или иного вещества путем сравнения значений интегралов I = | ^йт различных реакций. Было установлено, что обрат
зование «термических» оксидов азота происходит в основном по реакциям
51, 56 и 58. Остальные реакции вносят значительно меньший вклад в образование «термических» оксидов азота. При Т < 2з00 К реакции разложения
52, 54, 59 имеют малую величину интегралов и в данном диапазоне температур слабо влияют на разложение «термических» оксидов азота. Однако при температурах более 2з00 К реакции образования и разложения оксидов азота становятся соизмеримы и их необходимо учитывать. При образовании «быстрых» оксидов азота скорость реакций 71, 7з существенно выше скоростей реакций 56, 58. Среди реакций разложения 72, 76, 77, 79 наибольшей скоростью обладает реакция 79.
Образование «термических» оксидов азота начинается по выгоранию значительной части топлива и продолжается вплоть до 1900 К и выше. Решающая роль при образовании «термических» оксидов азота принадлежит максимальным температуре и времени этой реакции. Зависимость образования оксидов азота от температуры представлена на рис. 1, из которого видно, что с ростом температуры концентрация N0* резко возрастает [10].
% об
».С
Рис. 1. Зависимость выхода оксидов азота от температуры горения при двухступенчатом сжигании природного газа: 1 - с рециркуляцией (г2 = 25 %); 2 - без рециркуляции ■'' ■■■ '' ' " 1 Т, К
Влияние суммарного коэффициента избытка воздуха на образование оксидов азота представлено на рис. 2: максимум концентрации N0* наблюдается при коэффициенте избытка воздуха а0 = 1,1...1,15, что хорошо согласуется с экспериментальными данными [11, 12].
На рис. 3 изображена зависимость выхода оксидов азота при двухступенчатом сжигании природного газа в зависимости от доли первичного и вторичного воздуха. Кривые 1 и 2 на рис. 3 представляют собой выход оксидов азота после второй ступени горения при соответствующих долях первичного воздуха а]. Они имеют экстремальный характер с минимумом в точке, соответствующей сжиганию природного газа с коэффициентом избытка воздуха на первой стадии горения а! « 0,75.0,80.
Рис. 2. Влияние общего коэффициента избы- Рис. 3. Выход оксидов азота при двухсту-
точного воздуха на выход оксидов азота при пенчатом сжигании природного газа: 1 -двухступенчатом сжигании природного газа: а0 = 1,05; 2 - 1,15 а1 = 0,8; г2 = 0; г1 = 0; о - данные [11]; х - [12]
Одним из возможных способов снижения концентрации оксидов азота при сжигании природного газа является применение рециркуляции топочных газов. Так, большинство современных котлоагрегатов оборудовано рециркуляцией дымовых газов в зону горения. Эти дымовые газы снижают температуру в зоне горения и тем самым уменьшают образование оксидов
азота (рис. 1). Вследствие этого происходит снижение образования оксидов азота за счет уменьшения образования «термических» оксидов азота.
Рециркуляция продуктов сгорания в промышленных топках осуществляется двумя способами. Во-первых, путем естественной рециркуляции, обусловленной образованием обратного потока дымовых газов при организации внезапного расширения вытекающей в топочный объем толивно-воздушной струи и, во-вторых, при установке в высокоскоростном потоке плохо обтекаемого тела и искусственной рециркуляции с помощью отсасывающего или нагнетающего устройства.
На рис. 4 показано влияние естественной рециркуляции на выход оксидов азота при двухступенчатом сжигании природного газа. Так, при степени естественной рециркуляции газов, равной г1 = 30 %, снижение выхода оксидов азота составляет примерно 50 %. Это объясняется уменьшением концентрации кислорода и снижением температуры в факеле. Исследование различных схем искусственной рециркуляции при двухступенчатом сжигании природного газа показало (рис. 5), что наибольший эффект снижения образования оксидов азота достигается лишь при организации ее в начальных зонах факела (в первичный воздух), где протекают интенсивные реакции горения и формирование факела (рис. 5, кривая 1). Подача рециркуляционных продуктов сгорания в зону догорания затягивает горение вследствие забаластирования продуктов горения, что сказывается на времени пребывания газов в зоне высоких температур и эффект снижения образования оксидов азота уменьшается (рис. 5, кривая 2). Так, при двухступенчатом сжигании природного газа и вводе газов искусственной рециркуляции в первичный воздух снижение выхода оксидов азота достигает 50 % при г2 = 40 %, а при вводе газов рециркуляции во вторичный воздух при т2 = 40 % снижение образования оксидов азота составляет только 40 %.
1.0
N0 ; ■'■■
ХГ1 = 0
0,(
10
Г1, %
т-, %
Рис. 4. Зависимость относительного выхода Рис. 5. Влияние степени рециркуляции ды-оксидов азота от степени естественной рецир- мовых газов на выход оксидов азота при куляции при двухступенчатом сжигании при- двухступенчатом сжигании природного газа: родного газа: Тр = 900 К; а1 = 0,8; а.0 = 1,05 1 - ввод газов рециркуляции в первичный
воздух; 2 - во вторичный воздух; а1 = 0,8 и а0 = 1,05; т1 = 0; о - данные [13]; х - [14]
При двухступенчатом сжигании природного газа и вводе искусственной рециркуляции газов в первичный воздух влияние последней на выход оксидов азота можно учесть, используя формулу
N0^ --
N0.
= е
(6)
где т2 - степень искусственной рециркуляции газов.
рец
N0
При вводе газов искусственной рециркуляции во вторичный воздух снижение концентрации оксидов азота можно определить по выражению
N0
X_ _
N0.
= е
-1,45г2
(7)
Влияние суммарной рециркуляции (естественной и искусственной) дымовых газов на концентрацию оксидов азота при двухступенчатом сжигании природного газа представлено на рис. 6. Из рисунка видно, что при естественной рециркуляции г1 = 20 % и искусственной г2 = 25 % снижение концентрации оксидов азота составляет 50 % (рис. 6, кривая 2). Дальнейшее увеличение доли естественной и искусственной рециркуляции дымовых газов способствует более глубокому снижению концентрации оксидов азота (рис. 6, кривая 3).
МОТ
N0.
Рис. 6. Влияние суммарной рециркуляции (внутренней и внешней) дымовых газов на концентрацию оксидов азота при двухступенчатом сжигании природного газа (а1 = 0,8; а0 = = 1,05): 1 -г2 = 15 %; 2-25; 3-40 %
Г1, %
Для уменьшения концентрации оксидов азота часто применяют впрыск воды или пара в топку. Снижение образования оксидов азота при этом способе связано с понижением температуры в топке. Расчеты показывают, что впрыск пара является достаточно эффективным средством для снижения образования оксидов азота. Так, при двухступенчатом сжигании природного газа и отношении —— « 0,3 снижение образования оксидов азота составит
ляет примерно 30 %. Поскольку образование оксидов азота зависит от температуры факела, высокая температура подогрева воздуха, повышающая вводимое в топку количество теплоты, приводит к росту температуры факела и, следовательно, способствует увеличению выбросов оксидов азота. Необходимо отметить, что изменение температуры подогрева воздуха, подаваемого на горение природного газа, влияет также на аэродинамику процесса смешения воздуха и топлива и интенсивность горения в начальном участке факела, поэтому выход оксидов азота является результатом ряда взаимосвязанных процессов.
В Ы В О Д Ы
1. Разработана кинетическая модель горения природного газа, включающая 98 основных реакций.
2. Расчеты показывают, что наблюдается максимум концентрации оксидов азота при суммарном коэффициенте избытка воздуха а0 « 1,1.. .1,15.
3. Минимальное образование оксидов азота имеет место при доле первичного воздуха а] « 0,75.. .0,80.
4. Для снижения образования оксидов азота применение искусственной рециркуляции дымовых газов является более эффективным, чем естественной.
5. Наибольший эффект снижения образования оксидов азота достигается при подаче искусственной рециркуляции дымовых газов в первичный воздух, а не в зону догорания.
6. Применение одновременно естественной и искусственной рециркуляции дымовых газов позволяет обеспечить глубокое снижение образования оксидов азота.
7. Расчеты показывают, что впрыск пара или воды в зону горения является достаточно эффективным способом снижения образования оксидов азота.
8. Высокий подогрев воздуха, подаваемого в топку на горение топлива, повышает концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. З е л ь д о в и ч Я. Б., С а д о в н и к о в П. Я., Ф р а н к-К а м е н ц к и й Д. А. Окисление азота при горении. -М.: Ан СССР, 1947. - 145 с.
2. Б а с ев и ч В. Я., К о г а р к о С. М., Ф у р м а н Г. А. К вопросу о механизме горения метана // Изв. АН СССР. Сер. химическая. - 1971. - № 7. - С. 1406-1412.
3. Б а с е в и ч В. Я., К о г а р к о С. М., Н е й г а у з М. Г. Механизм горения метана // Изв. АН СССР. Сер. химическая. - 1976. - № 1. - С. 42-47.
4. Г о н т о в с к а я В. Т., Г о р д о п о л о в а И. С., Б а с е в и ч В. Я. Кинетика окисления водорода в широкой области давлений и температур // Физика горения и взрыва. -1981.-№ 1.-С. 64-68.
5. Т ю л ь п а н о в Р. С., М и х а л ь ч у к С. А. Динамика образования окислов азота в диффузионных турбулентных пламенах водорода // Физика горения и взрыва. - 1981. -№ 2. - С. 90-96.
6. Х а й л о в В. М. К расчету неравновесной рекомбинации в сопле продуктов сгорания водорода в воздухе // Кинетика и аэродинамика процессов горения топлив. - М.: Наука, 1969.-С. 74-87.
7. Б а с е в и ч В. Я., К о г а р к о С. М., П о с в я н с к и й В. С. Кинетика реакций при распространении этилено-кислородного пламени // Физика горения и взрыва. - 1977. -№ 2.-С. 193-200.
8. Т е р м о д и н а м и ч е с к и е свойства индивидуальных веществ / Под ред.
B. П. Глушко. -М.: Наука, 1978. -Т. 1.-325 с.
9. К о н д р а т ь е в В. Н. Константы скорости газофазных реакций: Справ. - М.: Наука, 1970.-351 с.
10. П а ц к о в Е. А., Р о з е н ф е л ь д Э. И., Ф е д о р о в Н. А. Снижение образования окислов азота в котлах электростанций и промышленных газовых топок // Теплоэнергетика. - 1974. - № 8. - С. 55-60.
11. О б р а з о в а н и е оксидов азота на газомазутных котлах с подовой компоновкой горелок / Л. Я. Горохова, В. В. Еремеев, А. Л. Коваленко, В. Г. Козлов // Теплоэнергетика. -1983.-№ 5.-С. 32-34.
12. О б р а з о в а н и е оксидов азота в топках котельных агрегатов / И. Я. Сигал, А. В. Марковский, Н. А. Гуревич, С. С. Нижник // Теплоэнергетика. - 1971. - № 4. -
C. 57-60.
Представлена кафедрой ТЭС Поступила 16.02.2004
