Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

МОДЕЛИРОВАНИЕ СЖИГАНИЯ ВОДОТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ С УЧЕТОМ ФАКТОРА ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Ростунцова И.А. 1 Шевченко Н.Ю. 2
1 ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Ю.А. Гагарина»
2 Камышинский технологический институт филиал ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»
В статье представлена математическая модель исследования образования вредных выбросов, действующего теплоэнергетического оборудования тепловых электрических станций с учетом ввода влаги в зону горения. При проектировании нового и модернизации действующего теплоэнергетического оборудования ТЭС необходима теоретическая оценка его экологического воздействия на окружающую среду. Проведено теоретическое исследование возможности образования топливных оксидов азота на различных уровнях прохождения дымовых газов по тракту энергетической установки. Получены зависимости адиабатической температуры горения, критерия Больцмана и максимальной температуры дымовых газов в ядре факела от условий теплообмена и с учетом влияния ввода влаги. Проведены опытные исследования влияния ввода влаги на изменение концентраций оксидов азота для котла БКЗ-320-140. Максимальная величина отклонений расчетной величины концентрации оксида азота от экспериментальных значений, не превышает 1,5 %.
теплоэнергетическое оборудование
экологическое воздействие на окружающую среду
концентрация оксидов азота
ввод влаги в топочные процессы
вредные выбросы
природоохранные технологии
1. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. – М.: 1946. – 245 с.
2. Исследование повышения эффективности паротурбинных блоков сверхкритических параметров введением многоступенчатого промежуточного перегрева пара / И.А. Ростунцова, Н.Ю. Шевченко // Энергетика: Эффективность, надёжность, безопасность: матер. трудов XIX всерос. науч.-техн. конф., Томск, 4–6 дек. 2013 г.: Т. 1 / ГОУ ВПО «Нац. исследовательский Томский политехн. ун-т». – Томск, 2013. – C. 297-300.
3. Методика расчета топливной составляющей природоохраных затрат при сжигании водотопливных смесей / И.А. Ростунцова, Н.Ю. Шевченко, Ю.В. Лебедева // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – №5; URL: www.science-education.ru/111-10047 (дата обращения: 23.04.2014).
4. Рейсиг В.А., Сигал И.Я. Кинетические особенности образования оксидов азота в теплоэнергетических установках // Теплоэнергетика.– 1993. – №1. С.28 – 31.
5. Росляков Л.П. Механизм влияния добавок воды и влагосодержания топлива на образование термических и топливных оксидов азота // Изв. вузов Энергетика. – 1988. – №7. С.59–63.
6. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. – Л.: Недра, 1988. –312 с.
7. Эфендиев Т.Б. Образование оксидов азота в парогенераторах // Теплоэнергетика. – 1975.– №9. С.20-23.
8. Снижение выбросов оксидов азота при вводе воды в воздуховоды котлов / А.И. Шупарский, Н.В. Голубь, В.И. Ерофеева, И.А. Ростунцева // Теплоэнергетика. – 1991. – № 8. С.104–17.

При проектировании нового и модернизации действующего теплоэнергетического оборудования тепловой электрической станции (ТЭС) необходима теоретическая оценка его экологического воздействия на окружающую среду, позволяющая быстро и с достаточной точностью определять допустимое загрязнение атмосферного воздуха и степень снижения вредных выбросов при внедрении природоохранных технологий.

Первым этапом в разработке аналитической модели образования вредных выбросов в факеле энергетической установки является исследование физико-химических механизмов образования вредных выбросов, в частности одного из наиболее токсичных компонентов в составе дымовых газов – оксидов азота (NOx) при сжигании различных видов топлива.

В рамках данной разработки проведено теоретическое исследование возможности образования термических, «быстрых» и топливных оксидов азота на различных уровнях прохождения дымовых газов по тракту энергетической установки, а также факторов, влияющих на количественную характеристику выхода оксида азота при сжигании топлива.

Из проведенного анализа установлено, что преобладающее влияние на формирование концентраций NOx в зоне активного горения оказывают термические оксиды азота, для снижения, образования которых целесообразно регулировать температурный уровень и концентрацию свободного кислорода, что, возможно, осуществлять путем ввода влаги в топочные процессы.

Разработана аналитическая модель исследования образования вредных выбросов с учетом ввода влаги в зону горения. В основу данной модели положен макрокинетический закон протекания брутто-реакции образования оксидов азота в зоне высоких температур. Методика отражает закономерности образования NOx в основном по термическому механизму Я.Б.Зельдовича, исходя из избирательного воздействия дополнительно вводимой влаги преимущественно на термические оксиды азота. В методике определено влияние, оказываемое на образование оксидов азота температурного уровня, концентрации реагирующих веществ и время нахождения их в зоне высоких температур.

При разработке модели образования оксидов азота с учетом ввода влаги использовались известные положения, изложенные в работах Я.Б. Зельдовича [1], И.Я. Сигала [6], Т.Б. Эфендиева [8] и ряда других авторов [4, 5].

Для определения концентраций оксидов азота, образующихся в процессе горения в использовался метод разложения экспоненты, согласно которому концентрация NO находится из выражения:

rost1.wmf, (1)

где rost2.wmf – скорость реакции образования оксидов азота при максимальной температуре факела Тm , % об./с; rost3.wmf – условное время реакции, с.

С учетом макрокинетического закона выход оксидов азота будет описываться уравнением:

rost4.wmf, (2)

где КII – константа скорости реакции, ( % об./с)-1; СO2 и СN2 – объемные концентрации соответственно атомарного кислорода и молекулярного азота в зоне максимальной температуры Тm , % об.

Концентрация атомарного кислорода зависит от максимальной температуры в зоне горения. При температурах выше 1800 –2000К ее можно найти из условия равновесия при горении с избытком окислителя по формуле

rost5.wmf, (3)

где [К] – константа равновесия, (% об./с)-0,5; rost6.wmf – концентрация кислорода в продуктах сгорания, % об.

Константы КII и [К] могут быть определены по выражениям:

КII = 6,1·107 · exp [–rost7.wmf], (4)

[К]= 0,75 · 104 · exp [rost8.wmf], (5)

где R – универсальная газовая постоянная (R=8,326 Дж/моль · К ); Тm – максимальная температура факела, К.

Подставив выражения (3) – (5) в формулу (2), получим следующее соотношение для определения скорости образования оксидов азота:

rost9.wmf, (6)

Концентрации кислорода и азота в зоне реакции определяются согласно принятому в методике допущению при окислении азота воздуха. При этом указанные концентрации зависят от параметров, характеризующих режимы работы горелок и топки котла, а также от возможного их изменения за счет ввода добавочной влаги.

rost10.wmf, (7)

rost11.wmf, (8)

где rost12.wmf – коэффициент избытка воздуха в горелках; rost13.wmf – присосы воздуха в топке; rost14.wmf и rost15.wmf – теоретические объемы соответственно продуктов сгорания и воздуха, м3/м3 (м3/кг); rost16.wmf – удельный объем пара м3/кг; rost17.wmf – водотопливное отношение кг воды/м3 топлива (кгводы/кгтоплива).

Подставляя (7) – (8) в (6) и сделав ряд преобразований, получим зависимость изменения скорости образования оксидов азота от количества вводимой влаги:

rost18.wmf, (9)

где rost19.wmf (10)

rost20.wmf, (11)

rost21.wmf, (12)

При расчете уровня максимальных температур Тm с учетом ввода влаги в зону горения использовалась методика, в основу которой положено определение адиабатической температуры в топке и критерия Больцмана.

Адиабатическая температура горения рассчитывается по известной зависимости, когда все тепловыделение в топке воспринимается продуктами сгорания с учетом поправки на дополнительно вводимую влагу.

Получены зависимости адиабатической температуры горения rost22.wmf, критерия Больцмана и максимальной температуры дымовых газов в ядре факела Тm от условий теплообмена и с учетом влияния ввода влаги.

В итоге получены аналитические зависимости для определения концентраций оксидов азота rost23.wmf (г/м3), учитывающая ввод дополнительной влаги в топку котла и коэффициента выхода оксидов азота при сжигании топлива также с учетом ввода влаги.

rost24.wmf, (13)

Используя зависимость (13) можно оценить коэффициент выхода оксидов азота при сжигании топлива с вводом влаги:

rost25.wmf

rost26.wmf, (14)

Расчетная оценка аналитических зависимостей (13) и (14) выполнена для энергетического котла БКЗ-320-140 ГМ, для которого также проводились опытные замеры концентраций оксидов азота с впрыском влаги в тракт горячего воздуха. Опытные исследования влияния ввода влаги на изменение концентраций оксидов азота выполнены сотрудниками Саратовского технического университета в рамках хозяйственного договора на выполнение научно-технических исследований [2, 3, 7].

Результаты расчета теоретической зависимости образования оксидов азота от количества вводимой влаги в топку котла представлены в табл. 1.

Таблица 1

Расчет теоретической зависимости образования оксидов азота от количества вводимой влаги в топку котла

Расчетные параметры

Водотопливное отношение gвпр, %

0

10

20

30

40

50

Максимальная температура факела Tm, 0К

2010

1997

1983

1969

1956

1942

Объемная концентрация атомарного кислорода СО2, % об.

1,3170

1,3030

1,2890

1,2750

1,2639

1,2470

Объемная концентрация молекулярного азота СN2, % об.

71,602

70,575

69,547

68,520

68,150

66,465

Скорость образования оксидов азота (dCNO2/dτ), % об.

0,1577

0,1272

0,0966

0,0661

0,0585

0,0049

Концентрация оксидов азота в топке СNO2 , г/м3

0,2500

0,2040

0,1580

0,1392

0,1204

0,1114

Экспериментальная зависимость изменения концентраций оксидов азота в зависимости от количества вводимой влаги в топку котла приведена в табл. 2 (по данным [8]).

Таблица 2

Экспериментальная зависимость изменения концентраций оксидов азота в зависимости от вводимой влаги в топку

Расчетные параметры

Водотопливное отношение gвпр, %

0

10

20

30

40

50

Концентрация оксидов азота в топке СNO2, г/м3

0,2530

0,2065

0,1600

0,1410

0,1220

0,1130

Как видно из анализа табл. 1-2, получена достаточная сходимость экспериментальных результатов и теоретических данных, рассчитанных по предлагаемой методике. Максимальная величина отклонений расчетной величины концентрации NO2 от экспериментальных значений не превышает 1,5 %.

Для учета реальных условий эксплуатации котлов аналитическая модель дополнена математической моделью расчета процесса горения и расчета топочной камеры.

В математической модели представлен сложный комплекс процессов, происходящих при факельном горении, включая аэродинамику топочной камеры и теплообмен с поверхностями нагрева. В данной модели производится позонный расчет максимальной температуры горения, скорости изменения температуры горения с учетом всех возможных режимов работы топочной камеры, что позволяет проследить влияние темпов охлаждения, начального и конечного состава продуктов сгорания, регулируемых путем ввода активных добавок (воды) с целью снижения концентраций вредных выбросов.

Разработан программный комплекс макрокинетической модели снижения образования выбросов при проектировании природоохранных мероприятий, учитывающий совместно аналитическую (кинетическую) модель расчета образования вредных выбросов в топке котла и математическую модель расчета процесса горения и расчета топочной камеры. С помощью программы можно оперативно произвести определение выбросов оксидов азота котельными установками.

Выводы

Предложена аналитическая модель исследования образования выбросов с учетом ввода влаги в зону горения.

Максимальная величина отклонений расчетной величины концентрации NO2 от экспериментальных значений не превышает 1,5 %.


Библиографическая ссылка

Ростунцова И.А., Шевченко Н.Ю. МОДЕЛИРОВАНИЕ СЖИГАНИЯ ВОДОТОПЛИВНЫХ СМЕСЕЙ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ С УЧЕТОМ ФАКТОРА ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ // Успехи современного естествознания. – 2014. – № 11-1. – С. 44-47;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=34311 (дата обращения: 18.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074