автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Численное моделирование образования оксидов азота в пылеугольных топках котлов

На правах рукописи

Визгавлюст Наталья Викторовна

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ ТОПКАХ КОТЛОВ

05.14.14 — Тепловые электрические станции, их энергетические

системы и агрегаты 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Томск-2014

005554572

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Старченко Александр Васильевич

Официальные оппоненты: Михайленко Сергей Ананьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», профессор кафедры тепловых электрических станций

Борзых Владимир Эрнестович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тюменского государственного архитектурно-строительного университета», заведующий кафедрой информатики и информационных технологий

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный

технический университет имени Т.Ф. Горбачева», г. Кемерово

Защита состоится декабря 2014 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.269.13 при ФГАОУ ВО Национальном исследовательском Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7, корпус 8, ауд. 217

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке ФГАОУ ВО Национального исследовательского Томского политехнического университета и на сайте http://portal.tpu.ru/council/2803/worklist.

Автореферат разослан октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета 0//?/ А.С. Матвеев

Д 212.269.13

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность: Рост потребления энергии сопровождается увеличением вредных выбросов, загрязняющих окружающую среду. При этом не менее 40% от общего количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота приходится на долю тепловых электрических станций (ТЭС), работающих на органическом топливе. Образование оксидов азота при горении такого топлива приводит к существенным нарушениям природного равновесия.

Необходимость не только поддерживать на приемлемом уровне экологические показатели действующего оборудования, которое в целом характеризуется высокой долей износа, но и обеспечить соответствие современным требованиям для вновь вводимых мощностей предопределяет потребность в совершенствовании и развитии расчетных методик образования вредных выбросов. Прежде всего это относится к процессам генерации оксидов азота, для расчетной оценки которых важное значение имеют кинетические модели.

Однако именно вопросы выбора и использования химических кинетических схем, их значимости для расчетных оценок образования оксидов азота применительно к численному моделированию в приложении к исследованию реальных технологий топливосжигания нуждаются в дальнейшей проработке. Учитывая особенности состояния российской теплоэнергетики и тенденции ее развития, наиболее актуальной проблема минимизации вредных выбросов азота становится для котельных установок на пылеугольном топливе.

Проведение исследований в данном направлении своевременно, поскольку современный уровень развития математического моделирования позволяет решать задачи теплоэнергетики менее затратным путем численного исследования, преимущества которого наиболее очевидны при необходимости перебора технических решений и проработке нескольких вариантов рассматриваемой проблемы.

Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями научной деятельности Томского политехнического университета («Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов», «Развитие теоретических основ и разработка технологий производства энергии и энергоресурсосбережения в различных отраслях»), а также в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» по мероприятию «Разработка технологии практической оценки эффективного использования непроектных органических топлив в пылеугольных камерах сгорания энергогенерирующих установок на основе численного решения и анализа физико-химических процессов горения». Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках госзадания НИР (тема 13.948.2014/К).

Целью диссертационного исследования является развитие математической модели процесса образования оксидов азота применительно к

пылеугольным топкам котлов на основе анализа кинетических схем генерации N0,, разработка усовершенствованного пакета прикладных программ и его апробирование в численных исследованиях для оценки технических решений по внутритопочному подавлению вредных выбросов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- теоретический и расчетный анализ используемых в расчетной практике кинетических схем химических реакций образования оксидов азота;

- разработка физической и математической модели генерации оксидов азота при сжигании угольной пыли в топках котлоагрегатов с учетом выбранной кинетической схемы;

- разработка численного метода решения трехмерных конвективно-диффузионно-кинетических уравнений, составляющих основу математической модели образования оксидов азота при сжигании пылевидного топлива;

- разработка >Юх-постпроцессора для пакета прикладных программ, тестирование на его основе используемых моделей и численного метода путем сравнения с другими кинетическими схемами генерации NOx и с данными экспериментов при сжигании угольной пыли;

- проведение вычислительного эксперимента, позволяющего оценить влияние технологических методов снижения образования оксидов азота (изменение избытка воздуха, организация ступенчатого сжигания и т.п.), с выявлением наиболее перспективных решений для действующего котлоагрегата.

Научная новизна полученных результатов:

- разработана новая математическая модель образования оксидов азота при сжигании пылеугольного топлива в топках котлоагрегатов, отличающаяся тем, что наряду с химическими реакциями по кинетической схеме Митчелла-Тэрбелла1 учитывает перенос компонентов конвекцией и диффузией, а также зависимость скорости выхода топливного азота из угольных частиц на стадии пиролиза от температуры и содержания летучих;

- создан NOx-постпроцессор для пакета FIRE 3D2, предназначенный для расчета локальных концентраций оксидов азота и их предшественников внутри топочного объема котла, который использует оригинальный численный метод решения трехмерных конвективно-диффузионно-кинетических уравнений;

- получены новые данные и дополнены представления о взаимосвязи параметров топочной среды с генерацией оксидов азота применительно к котлу с жидким шлакоудалением при сжигании ирша-бородинского угля;

- разработана методология применения пакета FIRE 3D с NOx-постпроцессором (пакет FIRE3D-NOx) для прогнозирования и управляющего воздействия на генерацию оксидов азота в пылеугольных топках, позволяющая оптимизировать применение вариантов подавления вредных выбросов в атмосферу.

1 Mitchell J.W., Tarbell J.M. A kinetic model of nitric oxide formation during coal combustion // AlChE Joumal.-1982,-Vol.28. №2. -P.302-31.

2 Старченко Л В. Заворин А.С., Гиль А.В., Красильников С.В., Обухов С.В. Применение пакета прикладных программ Fire 3D для исследования вариантов перевода котлов на непроектное топливо // Горение твердого топлива: сб. докладов. - Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2006. - 4. 1. - С. 214-220.

Практическая значимость работы:

- полученные результаты исследования и методология численного анализа образования NOx могут применяться при проектировании и реконструкции котельных агрегатов с пылеугольными топками с целью снижения вредных выбросов;

- показана возможность применения пакета прикладных программ FIRE3D-NOx для решения задач при разработке и выборе вариантов технических решений по улучшению экологических характеристик для котельных установок на пылеугольном топливе;

- данные, полученные в результате численного исследования топочных процессов для котла БКЗ-320-140ПТ, могут использоваться для наладки и ведения эксплуатационных режимов, обеспечивающих минимализацию вредных выбросов с дымовыми газами.

Разработанный программный комплекс FIRE 3D-NOx принят к использованию Барнаульским подразделением ОАО «Подольский машиностроительный завод» (ЗИО) для предпроектного анализа и выбора вариантов модернизации пылеугольных топок.

Программа для расчета концентрации монооксида азота в пылеугольных топках котлов зарегистрирована в государственном реестре программ для ЭВМ (свидетельство № 2014611378).

Методика проведенного исследования используется в учебном процессе в лекционных курсах и лабораторных практикумах по направлению 141100 «Энергетическое машиностроение» (профиль «Котлы, камеры сгорания и парогенераторы АЭС») в Томском политехническом университете.

Достоверность результатов обеспечивается применением апробированных математических моделей и надежных методов вычислений, согласованием расчетов с экспериментальными данными других авторов, а также с результатами, полученными по нормативному методу теплового расчета.

На защиту выносятся:

- математическая модель образования оксидов азота при сжигании пылеугольного топлива в топках котлоагрегатов;

- численный метод решения конвективно-диффузионно-кинетических уравнений и разработанный NOx-nocTnpoueccop;

- результаты расчетов аэротермохимических топочных процессов, полученные с использованием модернизированного пакета FIRE 3D-NOx и разработанной технологии его применения для прогнозирования уровня NOx в топке.

Апробация работы: основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2001г, 2003г., 2011г.), Региональной научной конференции студентов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (г. Новосибирск, 2001г.), семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (г. Томск, 2001г., г. Барнаул, 2003г.), XXVI-м Сибирском теплофизическом

семинаре (г. Новосибирск, 2002г.), Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2008г., 2009г., 2012г., 2013г.), Всероссийском семинаре кафедр вузов по теплофизике и теплоэнергетике (г. Красноярск, 2009г.), Региональной научно-технической конференции «Теплофизические основы энергетических технологий» (г. Томск, 2009г., 2011г., 2012г.), Всероссийской молодежной конференции «Химическая физика и актуальные проблемы энергетики» (г. Томск, 2012г.), Всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (г. Новосибирск, 2012г.).

Публикации: По теме диссертационного исследования автором опубликовано 20 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях из списка ВАК РФ и получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (98 наименований), приложения и содержит 129 страниц, 7 таблиц и 46 рисунков.

Личное участие автора характеризуется определяющим вкладом в разработку математической модели, выбор и реализацию численного метода решения, разработку NOx-постпроцессора, дополнением пакета прикладных программ FIRE 3D постпроцессором NOx, самостоятельным выбором исследуемых методов подавления оксидов азота, обработкой и анализом результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и решаемые для ее достижения задачи, определены научная новизна, теоретическая и практическая ценность работы.

В первой главе на основе анализа опубликованных источников охарактеризованы вредные вещества, образующиеся при сжигании энергетических топлив в камерах сгорания котлов тепловых электрических станций. Подробно рассмотрены механизмы генерации термических, «быстрых» и топливных оксидов азота. Представлен обзор способов снижения их образования при сжигании твердого топлива, рассмотрены современные кинетические схемы, а также математические модели образования оксидов азота при горении угольной пыли.

Показано, что для проведения параметрических расчетов с целью моделирования образования оксидов азота при сжигании пылеугольного топлива в топках котельных агрегатов целесообразно использовать сокращенные кинетические схемы, обеспечивающие предсказание концентрации NO в камере сгорания с требуемой точностью. Кроме кинетической схемы модель генерации оксидов азота при факельном сжигании угольной пыли должна быть обеспечена информацией о протекании процессов выхода и горения летучих топлива, догорании коксового остатка, учитывать неизотермичность, турбулентную диффузию и перенос компонентов топочной среды осредненным движением. Этим требованиям удовлетворяют модели:

Дж.В. Митчелла и Дж.М. Тэрбелла; И.Н.Гусева, Л.И.Зайчика и Н.Ю.Кудрявцева; И.К. Гуо и С.К. Чана; М. Ксю, М.Г. Карвало.

Учитывая комплексный характер вредного воздействия оксидов азота на окружающую среду, процессы их образования в соответствии с целью работы определены в качестве предмета исследования. Исходя из анализа состояния проблемы, поставлены задачи исследования.

Во второй главе описывается модель образования оксидов азота, для которой сформулированы физическая и математическая постановка задачи о горении угольных частиц в топочном объеме.

Физическая постановка задачи предполагает, что подача топливовоздушной смеси и воздуха не зависит от времени, равномерно распределена по выходному сечению горелок. Поскольку топливо подвергается сушке в системе пылеприготовления, считается, что полидисперсные частицы угля поступают в горелочные устройства с влажностью IV" < \У". Далее частицы, попадая в высокотемпературное топочное пространство, подвергаются нагреву. Вследствие этого происходит выход летучих веществ, сгорающих в объеме, затем начинается догорание коксового остатка, в результате чего образуются монооксид и диоксид углерода. Монооксид углерода реагирует с молекулярным кислородом воздуха.

Подходящим методом для моделирования в пространственной постановке аэродинамики, горения и теплообмена в топочном устройстве, сжигающем пылеугольное топливо, является метод, совмещающий Эйлеров и Лагранжев подходы для описания движения газа и взвешенных частиц. В данной работе общие уравнения движения, теплообмена и горения в газовой фазе описаны на основе Эйлерова способа, т.е. используются пространственные уравнения баланса массы, импульса, концентраций газовых компонентов и энергии для газовой смеси. Для описания движения и теплообмена одиночных частиц топлива вдоль их траектории с учетом обратного влияния дисперсной фазы на несущую среду применяется Лагранжев подход. С помощью двухпараметрической «£-г» модели турбулентности рассчитываются турбулентные характеристики газа, на которые оказывают влияние движущиеся частицы. Радиационный теплообмен представляется в рамках Р1-приближения метода сферических гармоник, который показывает хорошие результаты применительно к топкам, сжигающим пылеугольное топливо.

Наиболее важные суммарные химические реакции, которые участвуют в образовании N0 при сжигании угля, показаны на рис. 1. Реакции учитывают выход азотосодержащих компонентов летучих во время пиролиза угля, взаимодействие N0 при гетерогенном горении кокса, образование топливных, «быстрых» и термических N0.

Следуя этой схеме, процесс образования оксидов азота может быть описан следующим образом. При быстром нагреве частицы угля происходит ее термическое разложение (пиролиз), в результате которого имеет место выход летучих компонентов и азота топлива. При этом часть связанного азота топлива (до 70-80% от всего количества) практически мгновенно (реакция 1 на рис. 1.) переходит в газовую фазу в виде цианидов. Затем происходит газофазное

горение углеводородных компонент летучих и гетерогенное догорание коксового остатка. Остаточный азот (20-30% от всего азота топлива), равномерно распределенный по частице кокса, окисляется прямо в N0 со скоростью, пропорциональной скорости догорания коксового остатка (реакция 2). Образовавшиеся при выходе летучих цианиды переходят (реакция 3) в амины, которые, реагируя с 02 (реакция 4) или N0 (реакция 5), могут соответственно приводить либо к образованию оксидов азота, либо к восстановлению N2 из N0. Кроме того важными с точки зрения конверсии оксидов азота являются реакция образования НСК в результате взаимодействия углеводородов с N0 (реакция 6) и гетерогенная реакция между N0 и частицей кокса (реакция 7).

Рисунок 1 Схема суммарного кинетического механизма горения угольной частицы и образования оксидов азота (на основе модели Митчелла-Тэрбелла)

Образование оксидов азота описывается следующей системой уравнений:

дрСнтЦ1 д

Эх,.

дРсшР, дх.

И, ВСН

дх( ^ 5с, Эxi

И: дСцн, Эх, I 5с, Эх,

М м

М,

дрС^и, 8

дх,

дх,

И, дС1 Бс, дх,

N0

+ 12 +

ней

Мъ

+ у у (1)

^N0

А, (2)

"^"ТТ—л+л-л-л. (3)

! у -"-'МН, ИН3

гДе С„„ - массовая концентрация N113; с„гм - массовая концентрация цианидов

НСИ; с,.,„ - массовая концентрация оксидов азота N0; МНС^,МЫ0,М,{И{ -

молекулярные веса компонентов; J\ — скорость образования HCN; /2 — скорость выхода оксидов азота при горении коксового остатка; У3 — скорость перехода цианидов в амины; За, — скорость окисления аминов до оксидов азота; У5 -скорость восстановления молекулярного азота из N0; — скорость восстановления НСЫ; У7 - скорости гетерогенной реакции конверсии оксидов азота вследствие взаимодействия с углеродом коксовой частицы; ,/8 - скорость образования термических оксидов азота.

Источниковые члены уравнений (1) - (3), описывающие химические превращения азотсодержащих компонентов N0, ПСЫ, КН3, представляются следующим образом:

J¡ = Лшр, где Ит =Л^р/(1 -И/Р -А?) - содержание азота в горючей части

топлива, кг/кг; аы — коэффициент, который определяет количество азота в летучих компонентах угля (в данной работе впервые предложено в модели Митчелла-Тэрбелла1 для вычисления ак = 0,1-у, использовать формулу ПТ/Г „„ з 0.4861-К + 3545ехр(-10308/0) „

Л.И.Заичика у =-2-—-в которой 9 — температура

1 + 3545 ехр(-10308/0)

частицы топлива, К); Jшp - скорость выхода летучих;

="Т^~7Г'/сЬаг . где = -ашА)Кг, аа5И - доля азота топлива,

1 - V

оставшегося в золе (в данной работе для оценки аах1, впервые предполагается использовать аа51,=\-у); Ус/,аг- скорость горения коксового остатка;

т-к(Т)—ос с ■ 1

^з - *з( 'ц) .. Р£ НСЬ] Ол ■> Л =-

Мог М0г(\+каеп(Тя)с0М/М01У

Зъ=к5(Те) — рясш^ст; Зь=кь(Те)~- рхсжст1;

1У1ыо мжмт1

с/шг

/ -к (т ,рр с»°р1. 7 1( р) Р>р '

л =2 к0(Т)р1мт

к„(Т,)(С0г/ММ0г )05(С„2 /Мщ) 1 + к_„(Т8 )СтМ0г /(кп(Т% )С0г МЖ))

к_Х1(Т^)к^(Т^/к,%(Те)(М0г/МсО1)05(Ст /Мт) 1 + к_17(Тг )СтМ0г /(кх%(Тж )С0МЖ

Задание граничных условий для системы (1)-(3): на входных границах — нулевые значения концентраций сын , сНСК, сКО; на стенках и на выходных

границах - равенство нулю производной от искомой величины по нормали.

В третьей главе представлен численный метод решения системы конвективно-диффузионно-кинетических уравнений (1)-(3), который опирается на использование обеспечивающего выполнение интегральных законов сохранения метода конечного объема, монотонных, не допускающих появления нефизических (отрицательных) значений концентраций, разностных аппроксимаций конвективных, диффузионных и кинетических членов уравнений, эффективного метода решения получившихся в результате аппроксимации разностных уравнений. Оригинальность предложенного метода решения уравнений системы (1)-(3) заключается в том, что в отличие от обычно применяемых схем расщепления по физическим процессам (на первом шаге расщепления учитывается только конвективно-диффузионный перенос, на

3 Гусев И.Н., Зайчик Л И., Кудрявцев Н.Ю. Моделирование образования оксидов азота в топочных камерах // Теплоэнергетика. - 1993. -№1. -с. 32-36.

втором - решаются уравнения химической кинетики) для решения подобных задач в данной работе численный метод строится для всех трех рассматриваемых процессов (конвекция-диффузия-кинетика) и тем самым существенно снижается проблема жесткости дифференциальных уравнений, присущая уравнениям химической кинетики.

На основе модифицированной схемы Митчелла-Тэрбелла и разработанного численного метода решения трехмерных уравнений для концентраций создана программа, которая использована в качестве постпроцессора к пакету FIRE 3D для комплексного исследования топочных процессов и оценки экологических параметров работы существующих или разрабатываемых котельных агрегатов, сжигающих пылеугольное топливо. Вследствие того, что в топке концентрация компонентов NO, HCN, NH3 на порядки меньше концентраций 02, N2 и летучих, химические реакции с их участием не оказывают существенного влияния на результаты теплового расчета топки, поэтому исследование образования оксидов азота может быть проведено «офф-лайн», т.е. после расчета аэродинамики и теплообмена в пылеугольной топке.

Структура модернизированного в части учета уровня оксидов азота в топке котла программного комплекса FIRE 3D-NOx представлена на рис. 2.

Mesh Creator - для импорта расчетных сеток трехмерной геометрии из текстового формата; Flow Seacher - для расчета турбулентных течений и теплообмена с возможностью применения

лагранжевого подхода для описания горения и движения частиц; Data Vision - для визуализации конечного результата вычислений дополняется механизмом образования NOx;

NOx — постпроцессор NOx.

Рисунок 2 Схема организации пакета прикладных программ FIRE 3D-NOx

Оценка достоверности полученных результатов проводилась тестированием разработанный модели и метода решения при сжигании пыли в экспериментальной установке ВТИ (Титов С.П., Бабий В.И., Барбараш В.М.), на экспериментальных данных ТПУ (Федецкий И.И.) для котла БКЗ-220-100 (жидкое шлакоудаление, назаровский уголь) и на экспериментальных данных предприятия «Сибтехэнерго» (Серант Ф.А.) для котла ПК-39 (твердое шлакоудаление, экибастузский уголь).

Результаты тестирования показали, что построенная численная модель образования оксидов азота в пылеугольных камерах сгорания удовлетворительно предсказывает значения основных параметров как на выходе из топки, так и внутри исследуемой области.

В четвертой главе приведен анализ результатов численных исследований образования оксидов азота в топке котельного агрегата БКЗ-320-140-ПТ (рис. 3) при сжигании ирша-бородинского угля Канско-Ачинского бассейна.

Рисунок 3 Геометрические характеристики топки котла БКЗ-320-140: а) горизонтальное сечение камеры горения на уровне горелок; б)горизонтальное сечение пережима топочной камеры; в) горизонтальное сечение камеры охлаждения 1—подача вторичного воздуха, 2—подача топливной аэросмеси, 3-подача сушильного агента

Данный котел выбран для анализа численного расчета физических процессов с помощью пакета прикладных программ ИКВ ЗП->ТОХ по следующим соображениям. На нем было реализовано и апробировано в эксплуатационных условиях сочетание целого ряда инженерных решений по технологическому внутритопочному подавлению вредных выбросов4, которое обеспечило достижение предельно допустимого уровня для действующего котла с топкой жидкого шлакоудаления. Основу этих мероприятий составило внедрение системы подачи к горелкам пыли высокой концентрации под разрежением, создаваемым установленными в горелочных блоках паровыми эжекторами. После оптимизации расхода и температуры эжектирующего пара система была усовершенствована путем замены горячего воздуха в качестве транспортирующего агента на рециркулирующие дымовые газы, отбираемые после дымососов. Все это можно рассматривать как вариации ступенчатого сжигания, которое воздействует на соотношение «топливо-воздух». Кроме того был использован эффект ступенчатости за счет обычного перераспределения угольной пыли и воздуха как по ярусам щелевых горелок, так и по боковым вертикальным воздушным каналам. Дополнительными средствами подавления вредных выбросов послужили использование местоположения сбросных сопел сушильного агента, сорбентных свойств возврата уноса и др.

Не все реализованные на этом котле процессы пока доступны для имитации в пределах разработанной модели, поэтому численные исследования выполнены в пределах задач определения зависимости концентраций в

4 Будилов О.И., Заворин A.C. Опыт улучшения экологических характеристик тепловой электростанции, -Томск/. Изд-во «Красное знамя», 1994 - 100с.

дымовых газах оксидов азота от нагрузки котла, от избытка воздуха и от распределения топлива по ярусам горелок.

Другим немаловажным обстоятельством выбора котла в качестве объекта для численных экспериментов послужило то, что все измерения на нем проводились с участием независимых представителей авторитетных на тот период по данной проблематике организаций (СредазВНИИПромГаз, СибВТИ, Союзтехэнерго, Сибтехэнерго и др.).

При работе с ППП FIRE 3D—NOx варьирование избытком воздуха в топке достигалось за счет изменения скорости подачи вторичного воздуха с фиксированным расходом топлива на котел, изменение нагрузки - изменением расхода топлива на котел с постоянным избытком воздуха, ступенчатое сжигание — перераспределением количества топлива по ярусам горелок при постоянных расходе топлива на котел и избытке воздуха. В качестве показателя организации ступенчатого сжигания принято отношение 8=В|/ВР, где В| — расход топлива на нижний ярус, Вр — расход топлива на котел.

При изменении нагрузки котла в диапазоне 220-320 т/ч концентрация оксидов азота возрастает на 120мг/м3 (рис. 4) за счет повышения температурного уровня в топочной камере (температура на выходе из топки

Рисунок 4 Изменение температуры на выходе из топки и концентрации NOx от паропроизводительности: • - измерения 3,

--расчет с помощью ППП FIRE 3D-NO*,

---расчет по нормативному методу

Результаты численного моделирования имеют достаточно близкие значения к измерениям и качественно тоже незначительно отличаются от них. Исследованный диапазон изменения нагрузки, как у всякого котла с жидким шлакоудалением ограниченный температурным уровнем, обеспечивающим надежный выход жидкого шлака, демонстрирует достаточно эффективное влияние задействованных средств подавления образования оксидов азота и дает базу для сравнения с другими варьируемыми параметрами топочного процесса.

Снижение концентрации кислорода в зоне горения топлива приводит к уменьшению образования оксидов азота как термических, так и топливных, что было доказано неоднократно при испытаниях на различных котлах. Однако применение этого метода как основного для борьбы с образованием оксидов азота может привести к появлению недожога, загрязнения поверхностей нагрева и коррозии.

изменялась от 1100 °С до 1217 °С).

200 240 Ш МО

паропроизводительность, т/ч

Рисунок 5 Изменение температуры на выходе из топки и концентрации оксидов азота в зависимости от избытка воздуха: • - измерения ,

--расчет с помощью ППП FIRE 3D—NOx,

----расчет по нормативному методу

Результаты математического моделирования при изменении избытка воздуха (за пароперегревателем от 1,13 до 1,42) при постоянной нагрузке котла 300 т/ч (рис. 5) в большей степени совпадают с данными натурных экспериментов на котле, однако концентрация оксидов азота изменяется менее существенно.

Рисунок 6 Изменение температуры на выходе из топки и концентрации оксидов азота от ступенчатости подачи топлива: • - измерения \

--расчет с помощью ППП FIRE 3D-NOx,

----расчет по нормативному методу

При изменении показателя распределения топлива при ступенчатом сжигании от 0,38 до 0,72 результаты численного исследования и натурных измерений имеют достаточно близкие значения (рис. 6). Увеличение подачи топлива на нижний ярус для данного котлоагрегата является оптимальным средством подавления оксидов азота в топке: N0,. уменьшается на 20% (100150 мг/м3).

Подход, основанный на ступенчатой организации сжигания, обеспечивает температуру в зоне горения на достаточном высоком уровне и тем самым нормальное жидкое шлакоудаление. Поэтому в отличие от других способов он может использоваться для стабилизации выбросов в сочетании с изменением нагрузки котла, компенсируя, например, таким образом образование ЫОх при ее увеличении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Тестовые расчеты по выбору эффективной кинетической схемы образования оксидов азота показали, что их точность в наиболее значительной мере зависит от моделирования процесса выхода азота топлива вместе с летучими и при горении коксового остатка. С учетом этого наиболее полное описание образования оксидов азота дает кинетическая схема Митчелла-Тэрбелла, позволяющая определить локальные концентрации цианидов и аминов в топочной камере.

2. Разработанная математическая модель генерации оксидов азота при горении пылевидного топлива в топках котлоагрегатов учитывает наряду с

избыток воздуха за пароперегревателем

химическими реакциями перенос компонентов реагирующей смеси конвекцией и диффузией, а также зависимость скорости выхода топливного азота из угольных частиц на стадии пиролиза от температуры и содержания в них летучих веществ.

3. Разработанный ранее пакет прикладных программ FIRE 3D, модернизирован путем дополнения его вычислительным блоком, предназначенным для расчета локальных концентраций оксидов азота и их предшественников в объеме топки и использующим оригинальный численный метод решения трехмерных конвективно-диффузионно-кинетических уравнений.

4. Технология применения пакета FIRE 3D-NOx с усовершенствованным вычислительным кодом является эффективным инструментом для прогнозирования генерации оксидов азота в пылеугольных топках котлов, что подтверждено результатами тестовых числительных экспериментов, показавших хорошую сходимость с данными натурных измерений.

5. Вариативными вычислительными экспериментами с анализом комплекса интегральных и локальных характеристик топочной среды установлено, что для котлов, надежность работы которых определяется поддержанием необходимого уровня температуры в зоне образования и удаления шлакового расплава, наиболее результативным путем внутритопочного подавления генерации оксидов азота является реализация технологических схем ступенчатого сжигания.

6. Организация ступенчатого сжигания бурого Канско-Ачинского угля в полуоткрытых топках с жидким шлакоудалением типа БКЭ-320-140ПТ с рассогласованием соотношения «топливо-воздух» как по вертикали, так и по горизонтали, обеспечивает сокращение концентрации NOx на выходе из топки на 100-150 мг/м3.

Список публикаций по теме диссертации Статьи в научных журналах, которые включены в перечень российских рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных результатов диссертаций:

1. Иванова, Н.В. Моделирование образования оксидов азота при горении угольного пыли в топках / Н.В. Иванова, A.B. Старченко // Известия Томского политехнического университета. — 2002. — Т. 305. — № 2. — С. 147— 151.

2. Иванова, Н.В. Моделирование образования оксидов азота в процессах сжигания пылевидного топлива / Н.В. Иванова, A.B. Старченко // Ползуновский вестник. - 2004. - № 1. -С. 163-167.

3. Визгавлюст, Н.В. Моделирование образования оксидов азота в пылеугольных топках при сжигании органического топлива / Н.В. Визгавлюст // Известия Томского политехнического университета. — 2010. — Т. 317.-№4. —С. 57-61.

Публикации в других научных изданиях

4. Иванова, Н.В. Моделирование кинетики образования топливных оксидов азота при горении пылевидного топлива / Н.В. Иванова, A.B. Старченко //

Энергетика: экология, надежность, безопасность: материалы седьмой Всероссийской научно-технической конференции. - Томск: Изд-во ТПУ, 2001.-Т. 2.-С. 66-69.

5. Иванова, Н.В. Моделирование образования оксидов азота при горении угольной пыли в топках / Н.В. Иванова, A.B. Старченко // Наука. Техника. Инновации: труды региональной научной конференции студентов и молодых ученых. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001, —Ч. 2. - С. 119-121.

6. Ivanova, N.V. Mathematical simulation of the nitric oxides formation in powerplant fuel burning / N.V. Ivanova, A.V. Starchenko // Modem Technique and Technologies: the eight International Scientific and Practical Conference of Students. -Tomsk: Tomsk Polytechnic University, 2002. — P. 36-37.

7. Иванова, Н.В. Численное исследование топочных процессов при сжигании пылеугольного топлива / Н.В. Иванова, A.B. Старченко, C.B. Красильников // XXVI Сибирский теплофизический семинар. - Новосибирск, 2002. -С. 225-226.

8. Иванова, Н.В. Численное исследование образования оксидов азота при горении угольной пыли в топках / Н.В. Иванова, A.B. Старченко // Энергетика: экология, надежность, безопасность: материалы докладов IX Всероссийской научно-технической конференции. — Томск: Изд-во ТПУ, 2003.-С. 178-182.

9. Внзгавлюст, Н.В. Расчет образования оксидов азота при сжигании пылеугольного топлива в топочной камере котла ПК-39-2 Ермаковской ГРЭС / Н.В. Визгавлюст, A.B. Старченко // Современные техника и технологии: труды XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. -Т. 3,-С. 345-349.

10.Визгавлюст, Н.В.Образование оксидов азота в топке котла БКЗ-320-140 при сжигании непроектных топлив / A.B. Гиль, Н.В. Визгавлюст, A.B. Старченко // Всероссийский семинар кафедр вузов по теплофизике и теплоэнергетике. -Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН, 2009. - С. 22.

11. Визгавлюст, Н.В. Численный анализ образования оксидов азота в топке котла БКЗ-420-140 при замещении проектного топлива / Н.В. Визгавлюст, A.B. Гиль, М.В. Сафонова // Современные техника и технологии: труды XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. - Т. 3. - С. 259-260.

12. Визгавлюст, Н.В. Расчет образования топливных оксидов азота при горении пылеугольного топлива с использованием различных кинетических схем / Н.В. Визгавлюст, A.B. Старченко // Теплофизические основы энергетических технологий: материалы региональной научно-технической конференции. - Томск: Изд-во ТПУ, 2009 - С. 166-172.

13.Визгавлюст, Н.В. Прогнозирование образования оксидов азота при сжигании пылеугольного топлива на примере топочной камеры котла БКЗ-320-140 / Н.В. Визгавлюст, A.B. Старченко // Теплофизические основы энергетических технологий: труды II Всероссийской научно-практической

конференции с международным участием. — Томск: Изд-во ТПУ, 2011. -С. 219-222.

14.Визгавлюст, Н.В. Численное исследование образования оксидов азота в топочной камере котла БКЗ-320-140 от избытка воздуха / Н.В. Визгавлюст, A.B. Старченко, A.B. Гиль // Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность: материалы XVII Всероссийской научно-технической конференции. — Томск: СПБ Графике, 2011. — С. 108—109.

15.Визгавлюст, Н.В. Численное исследование влияния избытка воздуха на образование оксидов азота в топочной камере котла БКЗ-320-140 / Н.В. Визгавлюст, A.B. Старченко, A.B. Гиль // Горение твердого топлива: труды VIII Всероссийской конференции с международным участием. — Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН, 2012. - С. 41.

16.Визгавлюст, Н.В. Численное исследование образования оксидов азота в топке котла BK3-320-140 / Н.В. Визгавлюст, A.B. Старченко, A.B. Гиль, A.A. Васильев // Теплофизические основы энергетических технологий: труды III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. - Томск: Изд-во ТПУ, 2012. — С. 183—187.

17.Визгавлюст, Н.В. Исследование образования оксидов азота в топке котла БКЗ-320-140 / Н.В. Визгавлюст, A.B. Старченко, A.B. Гиль, A.A. Васильев // Химическая физика и актуальные проблемы энергетики: труды Всероссийской молодежной конференции. — Томск: ТПУ, 2012. — С. 60-61.

18.Визгавлюст, Н.В. Численное исследование образования оксидов азота в топке котла БКЭ-320-140 от паропроизводительности / A.A. Васильев, С.П. Дубровин, Н.В. Визгавлюст // Современные техника и технологии: труды XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. — Томск: Изд-во ТПУ, 2012. — Т. 3. — С. 161162.

19.Визгавлюст, Н.В. Численное моделирование образования оксидов азота при ступенчатой подаче топлива в топку котла БКЭ-320-140 / A.A. Васильев, С.П. Дубровин, Н.В. Визгавлюст // Современные техника и технологии: труды XIX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск: Изд-во ТПУ, 2013. - Т. 3. - С. 199— 200.

20.Визгавлюст, Н.В. Программа для расчета концентрации монооксида азота в пылеугольной топке котлоагрегата / Н.В. Визгавлюст, A.B. Старченко // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014611378. Бюлл. прогр. - 2014.-№ 1.

Подписано к печати 13.10.2014. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка» Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,10. Уч.-изд. л. 1,00. _Заказ 1019-14. Тираж 100 экз._

щ-А, Национальный исследовательский Томский политехнический университет f 9&1 j Система менеджмента качества

v Издательства Томского политехнического университета

Сертифицирована в соответствии с требованиями ISO 9001:2008

ИЗЛАТЕЛЬСТВОЖТПУ.634050, г.Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru