автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка метода и проведение расчетов воспламенения и горения струи токсичных серосодержащих выбросов в топочных устройствах

Введение.

1. Модели турбулентной диффузии и турбулентной теплопроводности и модели горения газов.

2. Постановка задачи.

3. Предварительные результаты.

3.1. Метод численного решения системы уравнений теплопроводности и диффузии с конечной скоростью.

3.2. Обсуждение предварительных результатов.

3.2.1. Дополнительная вычислительная процедура.

3.2.2. Схема воспламенения струи топлива в высокотемпературном потоке окислителя.

4. Исследование условий воспламенения струи газообразного топлива в спутном потоке окислителя.

4.1. Влияние теплообмена на воспламенение газов в потоке.

4.2. О вынужденном конвективном теплообмене в процессе воспламенения струи горючего газа в спутном потоке окислителя.

4.3. Исследование выгорания струи метилмеркаптана в пламени пропана.

5. Усовершенствование вычислительной процедуры решения задачи о воспламенении струи горючих газов в высокотемпературном потоке окислителя.

5.1. О выборе оптимальных параметров при численном интегрировании уравнений в задачах воспламенения в турбулентных потоках.

5.2. Способ уменьшения расчетной области.

6. Расчет термического обезвреживания токсичных выбросов в топочных устройствах.

6.1. Сжигание токсичных выбросов в котле с предтопком

Котласский ЦБК).

6.2. Расчет дожигания парогазовых выбросов в котле СРК-140 (Херсонский ЦБК).

Выводы.

Современное целлюлозно-бумажное производство (ЦБП) является одним из наиболее заметных источников загрязнения окружающей среды. Парогазовые (ПГВ) выбросы и вентиляционные выбросы (ВВ) технологических установок ЦБП содержат значительные концентрации токсичных, дурнопахнущих серосодержащих веществ, в частности, таких, как метилмеркаптан, сероводород, выброс которых в атмосферу приводит к существенному превышению предельно допустимых значений концентраций (ПДК) на указанные компоненты. В связи с возросшими экологическими требованиями становится актуальной проблема обезвреживания этих выбросов. Благодаря тому, что большинство из веществ, содержащихся в ПГВ и ВВ, являются горючими, одним из способов очистки выбросов от вредных веществ является их сжигание в топочных устройствах котлоагрегатов или в специальных печах. При окислении этих веществ, например, метилмеркаптана, образуются продукты окисления, которые являются менее вредными (802, 803, С02) и могут при определенных концентрациях, ниже ПДК этих газов, выбрасываться прямо в атмосферу. При концентрациях выше предельно допустимых встает вопрос об утилизации этих газов.

С другой стороны, сжигание некоторых вредных веществ (в частности, метилмеркаптана), до очень высокой степени их превращение в продукты окисления само по себе является важной проблемой. Это связано с тем, что незначительная концентрация этих веществ в воздухе уже неприемлема из-за не5 приятного запаха. Отсюда возникает необходимость так организовать топочный процесс, чтобы исключить проскоки выбросов мимо зоны активного горения или неполное их перемешивание с окислителем.

Парогазовые выбросы, содержащие горючие компоненты, можно сжигать в топочных устройствах и котельных топках парогенераторов. ПГВ, имеющие высокий процент содержания кислорода (15%-20%) могут быть использованы как окислитель для сжигания топлива (мазута или газа). Примером организации сжигания парогазовых выбросов может служить сжигание в специальном предтопке технологического котла ВОТ выбросов лесохимического цеха Котласского целлюлозно-бумажного комбината (КЦБК).

Используя опыт работы и имея в виду несколько существующих видов топочных устройств, в которых производится сжигание газообразных отходов различных химических производств, можно выбрать подходящее топочное устройство.

Более оптимальным и, по-видимому, более правильным, является разработка схемы сжигания выбросов и выбор устройства для этой цели на основе исследования процессов, протекающих в нем: аэродинамики, кинетики химических реакций и т.д.

Так, в большинстве вариантов применяется сжигание струй ПГВ и ВВ, подаваемых в высокотемпературный поток, содержащий окислитель (кислород).

Исследованию процессов воспламенения одиночной струи в потоке и разработке методов расчета и практического применения таких систем посвящена 6 предлагаемая работа. В ее основу положена гипотеза о конечной скорости протекания процессов тепломассообмена, вследствие чего базов исследований служат уравнения диффузии и теплопроводности гиперболического типа, а не параболического, как это обычно принято. 7

Выводы

По результатам диссертации можно сделать следующие выводы:

1. Для исследования процессов воспламенения и горения неизотермической струи была использована модель турбулентной теплопроводности и турбулентной диффузии с конечной скоростью. Показано, что вместо обычно рассматриваемых уравнений диффузии и теплопроводности параболического типа воспламенение в турбулентных потоках точнее описывается уравнениями гиперболического типа.

2. Предложен метод численного решения системы уравнений турбулентной диффузии и турбулентной теплопроводности на основе метода конечных разностей с дополнительной вычислительной процедурой для быстро растущих экспоненциальных зависимостей.

3. Разработана усовершенствованная вычислительная схема, основанная на известном факте о границах струи как прямых линиях, что позволило уменьшить расчетную область и время расчета.

4. Модель турбулентной диффузии и турбулентной теплопроводности с конечной скоростью и разработанный метод расчета позволили: а) исследовать влияние конвективного и радиационного теплообмена на воспламенение ранее не перемешанных газов в высокотемпературном потоке окислителя с учетом переменных характеристик турбулентности; б) обработать стендовые эксперименты по выгоранию струи метилмеркап

109 тана в пламени пропана и получить значение предэкспоненциального множителя в форме Аррениуса ко= 9,2-1012 ПРИ принятых значениях энергии активации Е=30400 кал/моль и порядке реакции по горючему ^=1,3 для суммарной реакции окисления метилмеркаптана в воздухе.

5. Разработанный метод расчета и проведенные вычислительные эксперименты позволили рассчитать на стадии проектирования: а) время выгорания метилмеркаптана, содержащегося в вентиляционных выбросах, в разработанной системе предтопка с технологическим котлом ВОТ (Котласский ЦБК); б) время выгорания метилмеркаптана, содержащегося в парогазовых выбросах варочного цеха Херсонского ЦБК при подаче их в качестве третичного воздуха в котел СРК-140.

Последние две разработки применяются на Котласском и Херсонском ЦБК.

110

1. Фок A.B. Решение одной задачи теории диффузии по методу конечных разностей и приложение его к диффузии света.// Тр. ГОИ, 1926, т.4, №34, с.4-27

2. Давыдов Б.И. Уравнение диффузии с учетом молекулярной скорости.// ДАН СССР, сер.физич., 1935, т. 2, №7, с.474-478

3. Ляпин Е.С. О турбулентном перемешивании воздуха в атмосфере.// Метеорология и гидрология, 1948, №5, с. 13-28.

4. Ляпин Е.С. О гиперболичности уравнения вертикального турбулентного обмена в атмосфере.//Тр.ГГО, 1950, вып. 19(81), с. 175-184.

5. Бай Ши-и. Турбулентное течение жидкости и газов.- М: Энергия, 1965, -344 с.

6. Goldstein S. On diffusion by discontinous movement and on the telegraph equation, Quart// J. Mech Appl. Math, 1951, v. 4, №1, p. 129-156.

7. Заболоцкий Г.А., Доронин Н.Ю. Учет релаксационных эффектов в эволюционных моделях океана.// III съезд советских океанологов , тезисы докладов, секция физика и химия океана, 1987, с. 119-121.

8. Монин A.C., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. М: Наука, 1965, т.1,-640 с.

9. Чандрасекар С. Стохастические проблемы в физике и астрономии. М: ИЛ, 1947, -89 с.1.l

10. Колмогоров A.H. Усп. матем. наук, 1938, вып. 5, с. 5-41

11. Taylor G.I. Statistical theory of turbulence. Proc. Roy. Soc., ser. A., 1935, v. 151., p. 421-432.

12. Щелкнн К.И. О сгорании в турбулентном потоке// Журнал технической физики., 1943, Т.19, вып. 9-10, с. 7-12.

13. Колмогоров А.Н. Рассеяние энергии при локальной изотропной турбулентности.// ДАН СССР, 1941, т. 32, №1, с. 19-21.

14. Ладыженская O.A. Смешанная задача для гиперболического уравнения//-М: Гос.изд. техн.-теорет лит. 1953.,- 280 с.

15. Ладыженская O.A. Краевые задачи математической физики. //-М: Наука., 1973,-408 с.

16. Очистка и рекуперация промышленных выбросов. -М.: Лесная промышленность, 1989, 416 с.

17. Годунов С.К., Рябенький B.C. Введение в теорию разностных схем. -М: Наука., 1977, 439 с.

18. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычисления. -М: Физматгиз, 1962, т.2, -639 с.

19. Рихтмайер Р. Мортон. Разностные методы решения краевых задач. -М: Изд. иностр. лит. 1960, -262 с.

20. Щетинков Е.С. Физика горения газов. -М, Наука, 1965,- 740 с.

21. Игнатенко Ю.В., Кудрин В.Д., Пахнусов Б.К. Тюльпанов P.C. О расчете воспламенения струи топлива в спутном высокотемпературном потоке окислителя. -В кн.: Горение и взрыв. -М., 1977, -с. 394-398.

22. Строкин В.Н. К анализу самовоспламенения турбулентной струи газа в потоке окислителя // ИФЖ, 1972, т.ХХП, № 2, с.480-485.

23. Тюльпанов P.C., Брыксенкова Н.К. Исследование влияния теплообмена на воспламенение газов в потоках. В сб.: Тепломассообмен. IV, Минск: ИТМО АН БССР, 1980, т.Ш, с. 100-106.

24. Kovasznay L.S.G. Turbulent shear flow.- In: Symposia Mathematica, Bologua, 1972, v. IX, p. 507-522.

25. Ландау JI.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. М.: Гостехиздат, 1953, 788 с.

26. Тюльпанов P.C., Брыксенкова Н.К. Роль вынужденного конвективного теплообмена в процессах воспламенения газов в потоках В сб.: Тепломассообмен. VII, Минск: ИТМО АН БССР, 1984, с. 97.

27. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М., Мир, 1980, 616 с.

28. Тюльпанов P.C., Брыксенкова Н.К. Исследования высокотемпературного окисления метилмеркаптана в пламени углеводородного топлива // ФГВ -1992, № 5, с. 35-38.из

29. Мишин О.Н., Тюльпанов P.C. Влияние паров воды на образование окислов азота в диффузионном турбулентном пламени пропана. // ФГВ 1981,-17 № 4, с. 147-149.

30. Раппопорт Ф.М., Ильинская A.A. Лабораторные методы получения чистых газов. -М.: Госхимиздат, 1963, -416 с.

31. Брыксенкова Н.К., Тюльпанов P.C. Исследование устойчивости и выбор шага при численном интегрировании уравнений в задачах воспламенения в турбулентном потоке. // ФГВ 1993, № 3, с. 85-88.

32. Смирнов В.И. Курс высшей математики. -М: Гостехиздат, 1956, т.2. 628 с.

33. Брыксенкова Н.К., Кубецкий Г.М., Тюльпанов P.C. Сжигание токсичных выбросов в котле с предтопком// Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсах на промпредприятиях и ТЭС.: Межвуз. сб. научн. Тр. -Л: ЛТИЦБП, 1990, с.107-109

34. Beeker H.A., Brown А.Р.Е. Velocity fluctuation in turbulent jets and flames// XII Symposium (Int.) on Combustion.-Pittsburgh, 1969, p. 597-605.

35. Kent J.H., Bilger R.W. Turbulent Diffusion Flames// XIV Symposium (Int.) on Combustion.-Pittsburgh, 1973, p. 615-625.114

36. Тюльпанов P.C. Диффузионные турбулентные пламена, -JL: ЛГУ, 1981,156 с.

37. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М: Гостехиздат, 1953, -736 с.

38. Иванов Ю.В. Газогорелочные устройства. М., Недра, 1972. - 276 с.

39. Тюльпанов P.C. Горелочные устройства в целлюлозно-бумажной промышленности. Учебное пособие. -JI: ЛТУ, 1978, 62 с.

40. Никитин Е.Е., Кондратьев В.Н. Химические процессы в газах. М: Наука, 1955.-612 с.

41. Тюльпанов P.C., Брыксенкова Н.К., Федоров Г.М. Топочное устройство для сжигания дурнопахнущих газов в целлюлозно-бумажной промышленности// Промышленная и санитарная очистка газов 1980, № 3, с. 30-31.

42. DIMENSION U(251),T(251),U0(251),T0(251),U1(251),T1(251),AL(251) * BE(251 ),BE1 (251 ),DT(251), U2(251 ),T2(251),Q1 (251) REALM1. DO 111 K111=1,4

43. READ(1,1) TAY,HY,VS0,B,M,R00,CPO,UN1,T00,T10,Q,F0,E,DT0,A0 WRITE(3,1) TAY,HY,VS0,B,M,R00,CPO,UN1,T00,T10,Q,F0,E,DT0,A0 1 FORMAT(1X,E11.4) READ(1,3) N,N13 FORMAT(1 X,I3) CALL1. MSPM NT=0

44. TA1=3./VS0 WRITE(3,315) TA1 315 FORMAT(1X,'3.A/SO=',E11.4) N1=01. Q2=Q/CPO/ROO R=1.990313 TAY=.1*TAY NT=NT+11. (NT-9) 317,317,231 317 WRITE(3,314) TAY

45. FORMAT(1X,'TAY=',E11.4) M1=0

46. TA=TAY DO 4 1=1,N1 U0(l)=1.0 U1(I)=U0(I) T0(l)=T00

47. T1(I)=T0(I) N2=N1+1 DO 5 l=N2,N U0(l)=0.0 U1(I)=U0(I) T0(I)=T10

48. T1(I)=T0(I) RO=1000.0 TAY2=1./TAY/TAY HY2=1./HY/HY

49. AL(1)=1.0 BE(1)=0.0 BE1(1)=0.0 N2=N-1 DO 305 1=1,N Q1(I)=Q2 T2(I)=T1(I) 305 U2(I)=U1(I) 303 DO 6 1=1,N2 E1=T2(I)1. (E1) 812,8,812 812 E11=E/R/E1/2.1. (E11.GE.100.0) GO TO 81178 7 7181 821 711811 831 21211 21293