автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.13, диссертация на тему:Разработка методики расчета процесса очистки топочных газов в наносекундной импульсной короне

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ЖУКОВ Сергей Васильевич

На правах рукописи

г-: од

' .....т

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ В НАНОСЕКУНДНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ КОРОНЕ

Специальность 05.09.13 "Техника сильных электрических и магни тных

полей"

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2000

г

Работа выполнена на кафедре Техники и электрофизики высоких напряжений Московского энергетического института (ТУ).

Научный руководитель: - кандидат технических наук,

ст.н.с. М.В.Соколова

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Семенов В.К.

кандидат технических наук, Будович В.Л.

Ведущая организация: Институт биохимической физики

РАН

Защита диссертации состоится " 16 " мая 2000 года в аудитории Д-5 в "14-00" на заседании диссертационного совета К. 053.16.07 Московского энергетического института (ТУ) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан " " 2000 г. Ученый секретарь диссертационного

совета К. 053.16.07, к.т.н., ст.н.с Т.Н.Тарасова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: В связи с интенсификацией применения высоковольтных технологий для очистки газовых выбросов промышленных предприятий и недостаточной информативностью результатов натурных экспериментов для анализа режимов работы очистного оборудования, возникла необходимость дальнейшего развития и углубления методики исследования процессов очистки топочных газов от вредных примесей в наносекундной импульсной стримерной короне, используемой в высоковольтных технологиях.

Невозможность исследования экспериментальными методами таких величин, как распределение электрического поля вдоль стримера, распределение концентрации компонентов стримерной плазмы и динамика ее изменения в различных точках разрядного промежутка, невозможность анализа влияния внешних факторов на плазмохимические реакции, приводящие к эффекту очистки от вредных примесей, делают математическое моделирование процесса очистки основным методом исследования.

Представленные в литературе модели процессов генерации и взаимодействия химически активных частиц с вредными примесями топочных газов не обладают комплексностью подхода к рассмотрению всех этапов технологической цепочки очистки - начиная от генерации активных частиц во время разряда и заканчивая их взаимодействием с молекулами примесей в межразрядную паузу.

Учитывая важность задач, связанных с необходимостью не только совершенствовать технологию очистки, повышать ее эффективность, но и оптимизировать сам процесс для снижения энергозатрат, а также сложность и малую информативность экспериментальных исследований, создание методики всестороннего математического описания плазмохимических процессов очистки топочных газов от оксидов азота и серы в наносекундной импульсной короне является актуальным и перспективным направлением исследований в данной области.

Целью данной работы является разработка комплексной инженерной методики математического моделирования плазмохимических процессов очистки топочных газов от оксидов азота и серы в наносекундной импульсной стримерной короне, объединяющей конверсию газов под действием импульсов напряжения на стадии распространения стримеров и плазмохимические превращения в паузу между импульсами воздействующего напряжения.

Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель развития стримера, включающую кинетические процессы наработки химически активных частиц и процессы взаимодействия их с молекулами вредных примесей в топочном газе;

- выполнить анализ влияния внешних условий на характер развития разряда и динамику генерации активных частиц;

- провести анализ плазмохимических реакций, приводящих к эффекту очистки в межразрядную паузу;

- определить направления оптимизации режимов установок очистки топочных газов на базе результатов, полученных с помощью разработанной модели.

Методы исследования: Для решения поставленных задач использовались аналитические методы, положения теории развития газового разряда, положения теории плазмохимических процессов, математическое моделирование на цифровых ЭВМ.

Научная новизна ряботы состоит в следующем:

1. Разработана комплексная инженерная методика описания плазмохимических процессов очистки топочных газов от оксидов азота и серы в наносекундной импульсной короне, включающая конверсию газов под действием импульсов напряжения на стадии распространения стримеров и плазмохимические реакции в паузах между импульсами напряжения. Методика реализована в виде программного комплекса для ЭВМ, позволяющего провести численное моделирование процесса очистки топочных газов и определить наиболее благоприятные условия его реализации.

1.1. Как часть общей методики, разработан алгоритм отбора реакций взаимодействия частиц плазмы коронного разряда для включения в модель расчета, что позволяет минимизировать число реакций при сохранении достоверности описания кинетических процессов. Основным критерием отбора является степень влияния отбираемых реакций на концентрацию частиц в канале и в головке стримера, участвующих в образовании химически активных компонентов плазмы, как в условиях приложенного напряжения, так и в межразрядную паузу.

1.2. Для расчета степени очистки разработана программа расчета изменения концентраций компонентов плазмы в следе стримера в послеразрядную паузу. Начальными условиями расчета являются распределения концентраций всех компонентов плазмы, получаемые не на

базе й-факторного метода, а расчетом по 1.5-мсрной модели развития стримера.

2. Выявлены наиболее значимые факторы, плияннцие па эффективность образования активных частиц в процессе развития стримера, а именно: средняя напряженность поля в разрядном промежутке, при увеличении которой в 2 раза (с 4.8 до 11.6 кВ/см), число генерируемых химически активных частиц возрастает более чем в 3 раза, и длительность фронта импульса напряжения, уменьшение которой до 1-2 не в 2-3 раза повышает концентрацию нарабатываемых активных частиц.

3. Расчетным путем показано и объяснено, что с ростом начальной концентрации N0 эффективность удаления этой примеси снижается за счет обратных реакций, что согласуется с известными экспериментальными данными.

4. Расчетным путем впервые выявлены временные интервалы и зоны стримера, в которых максимальна активность частиц, участвующих в удалении вредных примесей.

5. В результате исследований впервые установлено, что эффективность образования активных частиц и их средние концентрации определяются не только процессами на головках стримеров в области сильного поля, но и процессами в канале стримера при относительно слабой напряженности поля.

Практическая значимость: Разработанная комплексная модель процессов очистки топочных газов от вредных выбросов импульсным разрядом наносекундной длительности позволяет проводить подробный анализ всех этапов процесса очистки, выявлять факторы, влияющие на энергозатраты получения химически активных частиц, определять степень влияния состава топочных газов на эффективность его очистки. Разработанная модель и связанные с ней программы могут быть использованы как для теоретических исследований химической кинетики коронного разряда в топочных газах, так и для поисков направлений оптимизации технологических режимов промышленных электрофильтров.

На защиту выносятся:

1. Усовершенствованная комплексная методика анализа процесса очистки топочных газов с помощью стримерного разряда.

2. Методика отбора реакций и констант кинетических процессов в различных газах для включения их в модель стримера.

3. Математическая модель разрядной и межразрядной стадии очистки.

б

4. Новые результаты численных экспериментов, описывающих процесс очистки топочных газов от вредных выбросов, полученные с помощью ЭВМ.

Апробация работы: Основные положения работы докладывались и обсуждались: на 9-ой Всероссийской конференции "Физика газового разряда", (Рязань, 1998); на Международном симпозиуме по технике высоких напряжений ISH-99 (Лондон, 1999); на 14-ом Международном симпозиуме по химии плазмы ISPC-14 (Прага, 1999), на научных семинарах Института общей физики Академии наук России и кафедры Техники и электрофизики высоких напряжений МЭИ (ТУ).

Публикации: По основному содержанию и результатам работы опубликовано три печатных работы.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 217 страниц. Основная часть работы состоит из 186 страниц, из которых 151 страниц машинописного текста, 8 таблиц и 63 рисунка. Список литературы включает 95 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы и обосновывается выбор математического моделирования в качестве наиболее информативного способа анализа процессов очистки топочных газов от вредных примесей в технологиях с использованием стримерной короны. Сформулированы цель и задачи работы.

В первой главе проведен обзор работ по моделированию кинетики плазмохимических процессов, имеющих место в разных видах разряда и в межразрядную паузу. Анализ литературных данных показал, что существуют два способа учета кинетических процессов: включение их в модель разряда, когда учитываются процессы, протекающие при наличии внешнего поля, и в моделях плазмохимических процессов, происходящих в межразрядную паузу, когда внешнее поле отсутствует.

Первый подход характеризуется высокой детальностью моделирования самого разряда, при этом подробный учет плазмохимических процессов, приводящих к эффекту очистки во время разряда, и анализ процессов, происходящих в межразрядную паузу, не проводится. Степень детализации описания кинетических процессов на стадии разряда в сильной степени определяет информативность данной модели и её возможности в определении начальных условий межразрядной паузы.

Второй подход характеризуется упрощенностью описания процесса разряда и отсутствием анализа условий образования активных частиц, участвующих в удалении вредных компонентов топочных газов, при этом процесс очистки в межразрядную паузу моделируется достаточно подробно.

До настоящего момента не было единой комплексной модели, объединяющей оба способа учета плазмохимических процессов в единую методику учета и анализа процесса очистки топочных газов. Таким образом, актуальной задачей моделирования процесса очистки топочных газов в наносекундной импульсной короне является создание комплексной инженерной методики расчета, которая должна включать в себя модель разрядной стадии очистки с максимально допустимой детальностью описания кинетики плазмохимических реакций образования активных частиц и описание процессов взаимодействия активных частиц с вредными примесями, приводящих к очистке в межразрядную паузу.

Во второй главе представлены основные положения разработанной комплексной методики анализа процессов очистки топочных газов от вредных примесей.

Для создания модели, адекватно отражающей реальные условия развития стримера, по результатам обзора литературы были установлены основные параметры, характеризующие режим работы действующих технологических установок по очистке газовых выбросов. В конструкциях члектрофильтров, использующих импульсный коронный разряд, применяются реакционные камеры с конфигурацией электродов провод-плоскость и коаксиальные системы с центральным электродом - проводом в качестве высоковольтного. Характерные параметры для электродных систем провод-плоскость: диаметр провода порядка 1-3 мм, расстояние до плоскости 100-200 мм; для коаксиальных систем - диаметр провода 0.2-10 мм, диаметр внешнего цилиндра 25-400 мм.

Амплитуда прикладываемого напряжения лежит в диапазоне от 20 до 150 кВ, при этом средние напряженности в промежутке составляют порядка 15-21 kB/см. Частота приложения импульсов варьируется от 100 до 1000 Гц. Фронты импульсов прикладываемого напряжения составляют от 20 до 200 не, при длине импульса от 50 до 1500 не. Температура очищаемого газа лежит в диапазоне от 80 до 160°С. Основной состав рассматриваемого топочного газа: 72% N2, 6% 02, 10% Н20, 12% С02, 40 ррш СО, 700 ppm S02, 600 ppm NO (02 варьировалось от 1 до 6%, N0 от 150 до 1500 ррш).

Принимая во внимание технические возможности вычислительной техники и математических методов моделирования сложных конфигураций электродов, в качестве базисной системы электродов разрядного промежутка для разработки модели был выбран промежуток "сфера-плоскость". Поскольку стримерный разряд в реальной конструкции фильтров в системе электродов провод-цилиндр представляет из себя параллельные слабоветвящиеся каналы, то в качестве 1-го шага моделирования возможно проведение анализа на модели одиночного неветвящегося стримера.

Существенным моментом разработанной методики является этап сбора, анализа и отбора основных химических реакций, происходящих на стадии разряда и после него, и определяющих процесс очистки, и обоснованный выбор констант этих реакций для заданных условий очистки. Центральным моментом методики является максимально подробная, с точки зрения кинетики плазмохимических реакций, модель разрядной стадии очистки.

При выборе модели образования и развития стримера за основу была взята 1.5-мерная модель, разработанная Белогловским для воздуха, в которой коронирующий электрод представляет собой уединенную сферу 1^=0.2-0.3 см. В момент времени 1о, сфере сообщается положительный потенциал и=20-30 кВ. Фоновые концентрации положительных ионов и электронов принимаются равными 103 см'3, радиус стримера считается неизменным и равным 300 мкм.

В основной модели учитываются процессы ударной ионизации, прилипание, ион-ионнная и электрон-ионная рекомбинации, развал отрицательных ионов и фотоионизация. Электрическое поле на оси стримера рассчитывается методом суперпозиции полей от зарядов электрода и избыточного заряда стримера. Система уравнений, описывающих развитие стримера, включает уравнение неразрывности для электронов, положительных и отрицательных ионов и уравнение Пуассона. Правые части уравнений неразрывности определяются на основании обобщенных коэффициентов, учитываемых элементарных процессов и концентраций соответствующих частиц. Базисная модель была доработана для топочных газов.

На рис.1 представлен алгоритм расчета по базисной и усовершенствованной моделям. Непрерывные линии на рис.1 обозначают последовательность расчета по исходной модели, пунктиром выделены расчетные блоки, измененные или внесенные в исходную модель в

соответствии с разработанной в работе методикой учета плазмохимических процессов.

Рис.1. Схема алгоритма расчета эффективности очистки топочных газов от вредных примесей в коронном разряде.

Основным моментом полученной модели является запись уравнений неразрывности для каждой из частиц, участвующих в плазмохимических

реакциях, происходящих при развитии стримера. дпе д(пеие)_ у, у

дп

3/

(3)

а°у=5Х-2Х, (4)

где пРи пПк пд/ - концентрации электронов, положительных ионов /-типа, отрицательных ионов Аг-типа и нейтральных частиц у'-типа, включая возбужденные молекулы и атомы; Яр - константа образования частиц; -константа удаления частиц; Брн - источник фотоэлектронов. Уравнение Пуассона:

е(Уп-Уп, -У и) </»'£ = ^ " ^ ' ^ " , (5)

где п,„ п„ суммы концентраций ионных компонентов смеси соответствующего знака; пс - концентрация электронов.

Особое внимание в методике расчета уделяется выбору реагирующих частиц и реакций между ними. На основании литературных данных составляется перечень всех возможных частиц, возникающих в газе в процессе развития стримера, записываются все реакции между ними и константы этих реакций.

Для демонстрации применения методики в главе 2 приведено подробное изложение всех этапов расчета для наиболее простого случая -развития стримера в кислороде - вплоть до процессов наработки химически активных частиц, которыми в кислороде являются атомы О и молекулы озона О}. Подробно приведены результаты ранжирующих расчетов для реакций с участием атомов О: из 26 реакций образования атома О было отобрано 9, из 8 реакций ухода - 5.

Для проведения расчетов по модели стримера необходимо выбрать расчетную сетку шагов по времени и по продольной оси развития стримера. В работе показана методика выбора таких шагов, число которых зависит от используемого напряжения. Для О: количество шагов по оси х составляет от 3000 шагов на 1 см для 14-20 кВ, 4000 шагов для 25 кВ и 5000-10000 шагов для напряжений 30 кВ и выше.

Расчет по предложенной методике позволил получить распределение концентрации всех отобранных частиц вдоль оси стримера в 02 к моменту 10 не, а также их зависимость от времени па расстоянии 2.5 мм от анода. Оценено влияние на результаты расчета размеров разрядного промежутка и показано, что начиная с длин промежутков 3-4 см, можно проводить расчет характеристик стримера по модели для уединенного электрода. Показано влияние условий параллельного развития стримеров на результаты расчета концентраций нарабатываемых активных частиц на примере развития стримера в кислороде. Подтвержден известный из публикаций факт снижения интенсивности развития каждого индивидуального стримера при их параллельном развитии в воздухе так же и для случая кислорода. При этом установлено, что происходит заметное (в 3.5-4 раза) снижение интенсивности образования активных частиц при учете параллельно развивающихся стримеров.

В третьей главе описаны особенности использования разработанной математической модели и программы для расчета процессов очистки топочных газов от N0. Система уравнений неразрывности, описывающая баланс частиц в модели развития стримера, аналогична системе, использованной для кислорода. Правая часть данной системы включает набор констант образования и ухода частиц. Отбор констант проводился по методике выбора значимых реакций, описываемой в главе 2.

Отбор частиц проводился в 3 этапа. Первоначально были собраны все частицы, упоминавшиеся в исходной литературе для топочных газов (34 частицы): е, Ы2(А), Ы2(В), Щ'а), Ы2+, ЫО\ Ы3\ 02\ О", 0+, О/, 04\ N0, Ы20-, Ы20+, 0(3Р), 02(Ь), 02(а), Оэ, N. Ы2, 02, Н20, СО, С02, О, Н02, Н, 02(а), О('О), 0('8), 802, Ы02. Далее, были рассмотрены реакции удаления и наработки N0 и 802. В результате было добавлено еще 5 частиц: М(2Р), 1М0з\ Ы205, БО, ЫОз. На третьем этапе, были добавлены "вторичные частицы", в результате реакций с которыми образовывались частицы, отобранные на первых этапах (9 частиц): Н', ОН", ОЬГ, Н20+, N0/, М02\ N0", Н30\ И*. В конечном итоге было отобрано для расчетов стримера 48 частиц.

В заключение, к уже отобранным частицам были добавлены атом Ы(20), который является источником молекул N0 в реакции окисления с кислородом, и ион Оэ", который является одним из важных источником электронов в области слабых полей канала стримера для топочных газов рассмотренных составов. Комплексные ионы 0/(Н20) и М0+(Н20) были добавлены к ионам Н*(Н20) и 04+ для корректного учета ухода электронов в канале стримера в области низких полей в реакциях электрон-ионной

рекомбинации.

Отбор реакций проводился в несколько этапов. На первом этапе для заданных параметров среды ТГ11а= 350К и нормального атмосферного давления, заданных временных диапазонов разрядных процессов 5-50 не и межразрядной паузы от 0.1 до 1 мс, напряженностей электрического поля до 300 кВ/см - определялись по литературным данным все реакции с отобранными частицами. Отбор констант этих реакций осуществляется по методике, изложенной во второй главе.

В частности, при отборе констант реакций предпочтение отдавалось реакциям, константы которых соответствовали диапазону температур 300400 К, а также аппроксимация которых задавалась в виде функции.

Далее, для выбранного набора реакций и отобранных констант проводились оценочные расчеты для времен развития стримера до 5 не, целью которых было определение значимости реакций в процессе образования той или иной частицы. Контрольные точки, в которых определялось изменение концентрации частиц (основной критерий влияния той или иной реакции) брались как на головке стримера, где напряженность поля максимальна, так и в его канале, где величина поля была минимальной. На основе оценочных расчетов были отбракованы реакции, суммарное влияние которых на концентрацию основных частиц не превышает 1%.

С учетом оставленных реакций для определения чувствительности полученных результатов расчета к значению констант оставленных реакций проводились предварительные расчеты изменения концентрации активных частиц при изменении этих констант. Самыми чувствительными к значениям констант оказались реакции с участием возбужденных частиц, реакции с которыми в конечном итоге приводили к образованию активных частиц О и N. что, в свою очередь, сказывалось на интенсивности удаления N0 в разрядной стадии очистки.

На последнем этапе выявлялась чувствительность результатов расчета к исходному составу реагирующих частиц. Отслеживались компоненты плазмы, концентрации которых после прохождения реакций оказывались на 7-8 порядков меньше остальных продуктов. Эти компоненты плазмы из расчетной схемы удалялись. Далее проводился повторный расчет с целью определения изменений, полученных при неучете этих частиц. В результате подобных предрасчетов, были удалены из кинетической схемы ионы N20', М20+, Ы3\ N0]' и возбужденные частицы Ы(2Р), 0(3Р), 02(Ь).

Модель кинетических процессов для топочных газов должна учитывать большое количество плазмохимических реакций. Это

накладывает специальные требования при расчетах на выбор шага по времени, поскольку скорость реакций в данных процессах лимитирует его максимальное значение. В модели максимальный шаг по времени рассчитывался как функция максимальной напряженности. Далее шаг уменьшался, что приводило к более частому пересчету значения напряженности поля, на интервале одного и того же шага по оси развития стримера. Более частый пересчет значения поля повышал точность его расчета и позволял избегать скачков его значения при переходе на следующий шаг по оси движения стримера, что делало расчет более устойчивым. Так, уменьшение исходного временного шага, используемого при расчете разряда в воздухе, в расчетах для топочных газов в 5.5 раз позволило увеличить шаг по оси х в 2.5 раза без потери точности и устойчивости расчета. В целом взаимная компенсация в сторону увеличения шага по оси х и уменьшения шага по времени позволила сохранить времена расчетов компьютерной программы в разумных пределах.

Другой особенностью расчетов по предложенной методике для топочных газов является введение новых значений коэффициентов фотоионизации. Добавление молекул Н20 и С02 в топочном газе приводит к сужению диапазона энергий фотонов, поглощаемых кислородом с его последующей ионизацией, так как при энергиях выше 12.53 эВ начинается интенсивное поглощение фотонов молекулами воды и двуокиси углерода. В итоге вместо диапазона энергий фотоионизации, характерного для воздуха (12.5-12.66 эВ), в топочном газе необходимо брать диапазон энергий фотонов от 12.5 эВ до 12.53 эВ. Фотоионизация молекул воды (^—12.6 эВ) вносит при этом незначительный вклад в общий процесс. Таким образом, в уравнение для определения коэффициента фотоионизации в топочных газах должны войти коэффициенты поглощения фотонов молекулами кислорода, соответствующие новому диапазону энергий: кп1(Ж,= 12.5 эВ)= 5.85 см ', кп2(>И,= 12.53 эВ)=150.3 см'1. В итоге интенсивность фотоионизации в топочном газе ниже, чем в воздухе.

Представлена методика моделирования процессов очистки в межразрядную паузу. На первом этапе методики оценивается влияние остаточного объемного заряда на кинетику плазмохимических процессов в следе стримера. Расчетом показано, что роль остаточного объемного заряда незначительна, и для упрощения расчета ею можно пренебречь.

Система уравнений кинетики плазмохимических превращений в межразрядную паузу имела следующий вид:

А ' ЭД дг

(6)

где П| - концентрация /-го компонента; Р; - изменение концентрации /-го компонента за счет реакций с другими частицами; П - коэффициент диффузии; г - радиальная составляющая. Расчет коэффициента диффузии проводится, исходя из состава газа, основными компонентами которого являются N2, О2, Н2О, СО2, на основании закона Бланка для расчета коэффициента диффузии в многокомпонентной смеси. С учетом постоянства температуры в разрядном промежутке, суммарный коэффициент диффузии был принят 0.229 см2/с.

В результате предварительного тестирования подбирался оптимальный шаг по времени чтобы исключить скачки концентраций в ходе реакций в следе стримера. Длина шага была принята Ю"10 с.

Для оценки достоверности расчетных результатов полученные данные были сравнены с результатами физических экспериментов. Анализ результатов сравнения показал, что расчетная динамика изменения скорости продвижения стримера и тока в его канале качественно совпадают с экспериментальными данными. Сравнение полученных данных с результатами расчетов, проведенных на двумерных моделях, как для воздуха, так и для топочных газов, показало, что распределение напряженности в разрядном промежутке и соотношение максимальных напряженностсй для воздуха и топочных газов совпали полностью, так как были получены для аналогичных внешних условий.

Результаты расчетов по модели процессов в межразрядную паузу сравнивались с аналогичными расчетами, выполненными на базе в факторной модели, известными из литературы. Сравнение показало хорошее соответствие результатов расчета обоих моделей на качественном уровне, несмотря на более упрощенный состав исходных частиц, используемых в данной модели.

В четвертой главе приведены результаты расчетов, проведенных на основе численного моделирования процессов очистки топочных газов от вредных примесей по разработанной методике. При расчете в модель включены все реакции, отобранные по изложенной ранее методике. Расчеты позволили построить распределения концентраций всех основных активных частиц по каналу стримера на момент снятия напряжения (20 не, на рис.2) и изменение концентраций частиц от времени в некотором заданном сечении канала (рис.3). Аналогичные кривые, построенные для разных взаимодействующих частиц, разных моментов времени и разных

и

длительностей воздействующего напряжения, попюлили установить зональную структуру генерации активных частиц и рассчитать вклад рашмх участков канала стримера в их образование.

-I—г 1 2 ] Расстояяае от нолш, си

1СОЕ+15

10СЕ+14

ч

9 10*Ш

^ №11

3

1 ШЕШ

5 а ШЕ»Ю

и

1.00Е+9

шел

о

О N СН

I

, ■ г— - | - , ;

я 12 16 го Время, с

Рис. 3. Изменение концентрации активных

Рис. 2. Распределение концентрации активных частиц от времени в точке на расстоянии 2.5 частиц вдоль оси стримера (20 кВ, 20 не). мм от анода (20 кВ).

Например, вклад прианодной области, канала стримера и его головки в образование атома О в топочном газе составляет 20%, 20% и 60% для стримеров длиной более 2-3 см, и 5%, 10% и 85% для коротких стримеров (рис. 4).

Установлен перечень и степень активности основных химически активных частиц и реакций с ними, приводящих к очистке топочных газов от примеси N0, как на стадии развития стримера, так и в межразрядную паузу. Расчетом показано, что атомы О, N. ОН наиболее активны в области канала, головки и в прианодной области стримера, а общее время их действия распространяется на весь цикл очистки (вплоть до времени приложения следующего импульса напряжения). Молекулы Оз и Н02, накопив достаточную концентрацию ко времени снятия напряжения, наиболее активно проводят удаление вредных примесей в межразрядную стадию очистки (Рис. 5 и 6).

Проведен выбор внешних условий разряда, обеспечивающих наибольшую благоприятность условий очистки. Анализируется степень влияния таких внешних факторов, как полный состав топочного газа, амплитуда и фронт прикладываемого напряжения, геометрия электродной системы, начальные концентрации вредных примесей - на генерацию активных частиц. На примере атома О показано, что увеличение средней

напряженности поля в разрядном промежутке с 4.8 до 11 кВ/см приводит к увеличению концентрации О, нарабатываемой в стримере, в три и более раза (таб.1).

Таблица 1

Напряжение, КВ Средняя напряженность пола, кВ/см Рост средней концентрации / рост средней напряженности поля

20.0 4.76

25.0 5.95 1.3/1.2

30.0 7.14 1.7/1.5

50.0 11.1 3.1/2.3

Принимая во внимание, что в реальных установках используются импульсы напряжения не прямоугольной форма, были проведены расчеты с целью оценки влияния крутизны фронта на генерацию активных частиц.

I

Вклы ЩАМ Валадп

ШЕ«1| ^

1.00Е110 Н

ООО I

ооое*о

О ,т*

« 100Е+4 О

2 1.0С£*7 :

£ X ЦОЕ4-5

* 1.00Е+4 -

^ ».МО

^ 1 ОСЕ* 2 V ОСЕ+1

VI

' ' 1 ' 1

в ООЕ-9 120€-> 1«Ое » 2 00Е -в 0 Ш О-« Л» 110 160

Время, с Расстояящс от аваля, см

Рис.4. Вклад зон стримера в наработку атома Рис. 5. Распределение интенсивности 0,20 кВ, ТП. удаления молекул N0 в реакциях с

разными частицами по длине стримера (5 не, 25 кВ), ТП,ЫО 600 ррт.

Расчеты показали, что увеличение длительности фронта тф импульса напряжения с 0 до 30 не для стримеров одинаковой длины снижает число нарабатываемых активных частиц: N - в 3,5 раза, ОН - более, чем в два раза, атомов О - более, чем в полтора раза (Рис. 7.).

Установлено, что подобный характер изменения наработки частиц с ростом Тф связан с изменением времени формирования стримера и начальными напряженностями поля на головке стримера, определяющими энергию электронов которые дают начало цепочкам реакций, приводящим к образованию активных частиц.

Рис. 6. Интенсивность удаления N0 в межразрядную паузу. Наработка активных частиц произведена импульсом напряжения 20 кВ, длит. 24 не, 350 К, ТГ1.

2 20Е*12

ФрОВТ 1ЯВ7ЛИ1, НС

Рис. 7. Зависимость числа генерируемых активных частиц (при одинаковой длине стримера) от длины фронта импульса (25 кВ, ТГ1), в пространстве занятом стримером.

Впервые подтверждено и объяснено экспериментально установленное влияние начальной концентрации примеси N0 на степень ее очистки; показано, что снижение эффективности очистки связано с усилением роли обратных реакций восстановления молекул примеси за счет роста концентрации молекул N0^.

Рис. 8. Зависимость средней концентрации Рис- 9- Зависимость средней концентрации N0 от времени для разных начальных от времени для различных начальных значений N0,20 кВ, ТГ1. значений N0,20 кВ, ТГ1.

В частности получено, что при росте начальной концентрации N0 со 150 до 900 ррш, степень удаления молекул этой примеси в результате

прохождения одного стримера снижается с 18% до 10% (рис. 8). Рост концентрации N02 с увеличением начальной концентрации N0 можно объяснить быстрым уходом частиц ОН и Н в реакциях вида NO + (ОН, Н) -> (HN02, HNO) (рис.9), что замедляет реакции уничтожения N02, в которых основную роль играют частицы ОН и Н, выводящие N02 из циклических реакций вида N02<-»N0.

Специальным анализом установлено, что одним из способов упрощения расчетов для получения оценочных данных по наработке активных частиц в стримере в топочных газах может быть использование результатов расчета для воздуха при определении распределения напряженности поля стримера. Сравнение показало приемлемое совпадение распределение напряженности поля стримера в воздухе и в топочных газах, а также токовых характеристик разряда, при прочих равных условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании обзора и анализа литературы установлено, что экспериментальные исследования технологии очистки газовых выбросов ТЭС (топочных газов) в импульсной наносекундной короне не дают объяснения ряду важных для практики зависимостей эффективности очистки от таких существенных моментов, связанных с технологическим режимом очистки, как средняя напряженность электрического поля в разрядном промежутке Eq„ длительность фронта кривой воздействующего напряжения, начальная концентрация вредных примесей NO и S02 в очищаемом топочном газе. Эти объяснения могут быть получены только с помощью математического моделирования всех этапов процесса очистки, включая этап развития стримерного разряда.

2. Анализ литературных данных позволил сформулировать основную цель работы, заключающуюся в разработке комплексной инженерной методики анализа процессов и эффективности очистки топочных газов от вредных примесей оксидов азота и серы в наносекундной стримерной короне. Разработанная с этой целью методика включает анализ процессов взаимодействия продуктов разряда с молекулами очищаемого газа как на стадии развития стримерной короны, так и в паузу между импульсами воздействующего напряжения. Существенным моментом разработанной методики является этап сбора, анализа и отбора основных химических реакций, определяющих процесс очистки, и обоснованный выбор констант этих реакций. Центральным моментом методики является модель

возникновения и развития стримера, в которую введены характеристики всех основных плазмохимических реакций.

3. Блок методики, описывающий разрядную стадию процесса очистки, реализован программным комплексом, включающим 1,5-мерную модель одиночного стримера, методику расчета поля объемного заряда стримера с учетом конкретного состава газа и позволяющим оценить возможность перехода от расчетов одиночного стримера к расчетам в условиях стримерной зоны.

4. Основным моментом разработанной модели развития стримера является включение в систему уравнений, описывающих процессы в стримере, уравнений неразрывности для каждой частицы плазмы и газа, причем правые части этих уравнений содержат члены, определяющие все процессы появления и исчезновения данной частицы, что требует знания всех реакций с ее участием.

5. Для демонстрации применения методики расчета приведено подробное изложение всех этапов расчета для наиболее простого случая -развития стримера в кислороде - вплоть до процессов наработки химически активных частиц, которыми в кислороде являются атомы О и молекулы озона Оз.

6. Для осуществления расчетов плазмохимических процессов в топочных газах проведен отбор основных реакций и определен перечень основных активных частиц, принимающих участие в уничтожении примеси N0 в топочном газе как на стадии развития стримера, так и в межразрядную паузу. Показаны особенности учета фотоионизации в модели развития стримера в топочном газе установлены основные требования в выбору шага расчета по времени для моделирования развития стримера.

7. На основании расчетов, проведенных по разработанной методике для топочных газов разных составов, впервые установлены области стримера, в которых активность частиц, участвующих в удалении примесей, максимальна, и определено, что эффективность образования активных частиц и их средние концентрации определяются не только процессами на головках стримеров в области сильного поля, но и процессами в канапе стримера при относительно слабой напряженности поля.

8. Впервые подтверждено и объяснено экспериментап ьно установленное влияние начальной концентрации примеси N0 на эффективность ее очистки; показано, что снижение эффективности очистки связано с усилением роли обратных реакций восстановления молекул примеси за счет роста концентрации молекул N02; в частности

получено, что При росте начальной концентрации N0 со 150 до 900 ррш степень очистки газа в результате прохождения одного стримера снижается с 18% до 10%.

9. В результате анализа внешних условий, определяющих технологию очистки топочных газов от вредных примссей, выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на эффективность образования активных частиц в разряде, а именно: средняя напряженность электрического поля в разрядном промежутке, с ростом которой возрастает наработка активных частиц; длительность фронта импульса воздействующего напряжения, с увеличением которого уменьшается число нарабатываемых активных частиц.

10. Впервые дано объяснение влияния роста начальной концентрации NO, который при прочих равных условиях снижает эффективность удил синя этой примеси за счет обратных реакций.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Соколова М.В., Жуков C.B. Простой метод расчета коэффициента ионизации топочных газов// IX Всероссийская конференция по физике газового разряда: Тез. докл.- Рязань, 1998 - С.26-28 .

2. Жуков C.B., Соколова М.В., Бслогловский Л.Л. Развитие положительного стримера в коротких промежутках в воздухе и кислороде// Международный симпозиум по технике высоких напряжений (ISH 99): Тр. сими. - Лондон, Великобритания, 1999, - С. 3.193.P3-3.19G.P3.

3. Жуков C.B., Соколова М.В., Темников Л.Г. Анализ образования активных частиц в стримере в топочных газах// 14-й Международный симпозиум но химии плазмы (ISPC-14): Тр. симп. -Прага, Чехия. 1999, -С. 1085-1090.

Псч. л-IZS

Тираж ¡ОС Заказ ¡ifÇ,

Типографии МЭИ, Красноказарменная, 13.

Глава 1. Теоретические основы моделирования кинетических процессов при коронном разряде (обзор литературы).

1.1. Особенности технологии очистки топочных газов 11 от вредных примесей в коронном разряде.

1.2. Математическое моделирование кинетики 16 разрядных процессов

1.3. Особенности моделирования кинетических 29 процессов стримерного разряда в среде топочных газов

1.4.Выводы

Глава 2. Комплексная инженерная методика учета плазмохимических процессов в модели развития стримера

2.1. Основные положения методики

2.2. Описание выбранной модели расчета одиночного 48 стримера

2.3. Учет кинетических процессов в модели стримера в 60 воздухе и топочных газах.

2.4. Отработка основных этапов комплексной методики 67 анализа плазмохимических процессов на примере модели развития стримера в кислороде

2.5. Выводы.

Глава 3. Разработка математической модели и программы 88 расчета процессов очистки топочных газов от N

3.1. Моделирование разрядной стадии очистки

3.2. Моделирование послеразрядной стадии

3.3. Сравнение результатов расчетов по модели с 106 литературными данными

3.4. Выводы

Глава 4. Анализ результатов численного моделирования 122 процесса очистки топочных газов.

4.1. Состав и пространственная динамика наработки 122 химически активных частиц в стримере

4.2. Анализ пространственной и временной активности 131 компонентов плазмы разряда в удалении вредных примесей топочных газов

4.3. Выбор внешних условий разряда, обеспечивающих 136 наибольшую благоприятность условий очистки

4.4. Диапазоны внешних условий, при которых 155 применимы полученные результаты

4.5. Выводы

В связи с интенсификацией применения высоковольтных технологий для очистки газовых выбросов промышленных предприятий и сложностью проведения натурного эксперимента для анализа режимов работы очистного оборудования возникла необходимость дальнейшего развития и углубления методики исследования процессов в электрическом разряде в среде топочных газов.

Наиболее перспективным направлением в конструировании электрофильтров являются аппараты, функционирующие на основе коронного разряда. Коронный разряд характеризуется многообразием режимов горения, зависящих от конфигурации электродов, полярности напряжения на коронирующем электроде и т.д. Характерным для большинства режимов является возможность высокоскоростного ввода энергии, сопровождающегося слабым нагревом газа, и, следовательно, существенная неравновесностью газоразрядной плазмы. В этих условиях плазмохимические реакции инициируются процессами с участием электронно-возбужденных частиц, молекул и их диссоциацией электронным ударом [1].

Как показано в экспериментальных и теоретических работах по очистке газовых выбросов промышленных предприятий, наиболее перспективной для проведения очистки является стримерная форма коронного разряда наносекундной длительности положительной полярности. В качестве основных преимуществ можно назвать следующие:

- большее, по сравнению с лавинной формой разряда, соотношение пе/П| (пе - концентрация электронов, п; - концентрация ионов), что позволяет поднять процент неупругих столкновений во время развития разряда [2].

- более высокая скорость очистки от Ж)х и возможность очистки от 80г, которая происходит менее эффективно при отрицательной полярности из-за низких скоростей реакций (при условии эквивалентных энергозатрат) [3].

- более высокая электронная температура при незначительном увеличении температуры среды, свойственные для импульсной формы разряда наносекундной длительности.

Полученные экспериментальные данные о процессе очистки топочных газов от вредных примесей коронным разрядом наносекундной длительности говорят о том, что такие характеристики процесса очистки как, энергозатраты на генерацию активных частиц, эффективность очистки вредных примесей, в сильной степени зависят от ряда внешних параметров. В их число входят амплитуда, фронт прикладываемого напряжения, скорость ввода энергии в разрядный промежуток, а также начальный состав очищаемого газа. Природа влияния данных факторов сложна и ее исследование и анализ требуют проведения численных экспериментов, поскольку натурные исследования в полной мере не поясняют механизма процессов.

Таким образом, ограниченность знаний о процессах, а также сложность их объяснения на основе натурных экспериментов побуждает исследователей к математическому моделированию процессов, протекающих во время очистки. Поэтому разработка методики численного моделирования процессов очистки топочных газов коронным разрядом является важной и актуальной проблемой.

Возможности экспериментального исследования стримера ограничены измерениями таких интегральных параметров, как максимальная длина канала, средняя скорость на заданном участке, интенсивность излучения, ток через электрод, от которого стартовал стример, суммарный объемный заряд, средняя напряженность по длине стримера, перекрывшего разрядный промежуток, и средняя проводимость единицы длины его канала. Косвенными методами удается оценить полный энерговклад в стример, температуру газа в канале, порядок величины электронной концентрации.

Экспериментальными методами нельзя выяснить распределение электрического поля вдоль канала стримера, распределение концентрации компонентов стримерной плазмы в различных точках канала, динамику изменения его радиуса.

Перечисленные характеристики стримера, помимо чисто теоретической значимости, заслуживают детального изучения в связи с прикладными задачами, решение которых сводится к комплексному анализу кинетики плазмохимических реакций на разных этапах стримерного разряда и его межразрядной паузы, в различных газах. Такой анализ необходим для описания газовой кинетики разряда и достоверного определения концентраций химически активных компонентов плазмы в канале стримера, экспериментальное определение которых практически невозможно, но очень важно для процессов высоковольтных технологий.

Проведение численных экспериментов, также, позволит выявить качественные зависимости процессов очистки от широкого круга внешних параметров, что позволит в значительной степени сузить диапазон экспериментально проверяемых величин степень влияния которых потребует проверки натурным экспериментом. Так, численным экспериментом, могут быть проверены степень влияния различных добавок (аммиак, водяные пары), начальной концентрации очищаемых вредных примесей , различных изменений в режимах очистки (форма электродной системы, параметры прикладываемых импульсов напряжения и т.д.).

Учитывая важность задач, требующих решения для составления полноценной картины стримерного разряда, а также сложность и недостаточную информативность экспериментальных исследований, поиск теоретических решений является наиболее перспективным направлением в данной области.

Целью работы является разработка усовершенствованной модели процесса очистки топочных газов с помощью стримерной короны, которая включала бы неисследованные ранее моменты, связанные с учетом процессов возникновения активных частиц в стримерах при их развитии, учетом основных прямых и обратных плазмохимических реакций взаимодействия активных частиц с молекулами вредных примесей, с учетом влияния внешних факторов на энергозатраты образования активных частиц, с объяснением влияния начального состава примесей на эффективность очистки.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать комплексную модель кинетики очистки топочных газов от вредных примесей, включающую следующие важные моменты:

- учет начальных условий возникновения и развития стримеров в разрядной камере в среде топочных газов;

- подробное моделирования всех этапов развития стримера;

- детальная кинетическая модель процессов очистки вредных примесей на базе комплексной методики отбора всех наиболее значимых плазмохимических реакций в разряде и после него;

- определение начальных условий для анализа плазмохимических реакций в межразрядную паузу;

- моделирование и анализ кинетических процессов удаления вредных примесей в межразрядную паузу.

2. Выполнить анализ влияния внешних условий на характер развития разряда и динамику генерации активных частиц. Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработана комплексная инженерная методика описания плазмохимических процессов очистки топочных газов от оксидов азота и серы в наносекундной импульсной короне, включающая конверсию газов под действием импульсов напряжения на стадии распространения стримеров и плазмохимические реакции в паузах между импульсами напряжения. Методика реализована в виде программного комплекса для ЭВМ, позволяющего провести численное моделирование процесса очистки топочных газов и определить наиболее благоприятные условия его реализации.

1.1. Как часть общей методики разработан алгоритм отбора реакций взаимодействия частиц плазмы коронного разряда для включения в модель расчета , что позволяет минимизировать число реакций при сохранении достоверности описания кинетических процессов. Основным критерием отбора является степень влияния отбираемых реакций на концентрацию частиц в канале и в головке стримера, участвующих в образовании химически активных компонентов плазмы как в условиях приложенного напряжения, так и в межразрядную паузу.

1.2. Для расчета степени очистки разработана программа расчета изменения концентраций компонентов плазмы в следе стримера в послеразрядную паузу. Начальными условиями расчета являются распределения концентраций всех компонентов плазмы, получаемые не на базе в-факторного метода, а расчетом по 1.5-мерной модели развития стримера.

2. Выявлены наиболее значимые факторы, влияющие на эффективность образования активных частиц в процессе развития стримера, а именно: средняя напряженность поля в разрядном промежутке, при увеличении которой в 2 раза (с 4.8 до 11.6 кВ/см), число генерируемых химически активных частиц возрастает более чем в 3 раза, и длительность фронта импульса напряжения, уменьшение которой до 1-2 не в 2-3 раза повышает концентрацию нарабатываемых активных частиц.

3. Расчетным путем показано и объяснено, что с ростом начальной концентрации N0 эффективность удаления этой примеси снижается за счет обратных реакций, что согласуется с известными экспериментальными данными.

4. Расчетным путем впервые выявлены временные интервалы и зоны стримера, в которых максимальна активность частиц, участвующих в удалении вредных примесей.

5. В результате исследований впервые установлено, что эффективность образования активных частиц и их средние концентрации определяются не только процессами на головках стримеров в области сильного поля, но и процессами в канале стримера при относительно слабой напряженности поля.

Практическая значимость полученных результатов

Разработанная комплексная модель процессов очистки топочных газов от вредных выбросов импульсным разрядом наносекундной длительности позволяет проводить подробный анализ всех этапов процесса очистки, выявлять факторы влияющие на энергозатраты получения химически активных частиц, определять степень влияния состава топочных газов на эффективность его очистки. Разработанная модель и связанные с ней программы могут быть использованы как для теоретических исследований химической кинетики коронного разряда в топочных газах, так и для поисков направлений оптимизации технологических режимов промышленных электрофильтров.

На защиту выносятся

1) Усовершенствованная комплексная модель процесса очистки топочных газов с помощью стримерной разряда. 2) Методика отбора реакций и констант кинетических процессов для различных газов. 3) Новые результаты численных экспериментов описывающих процесс очистки вредных выбросов топочных газов, выполненных на ЭВМ.

Методы исследования

Комплексный метод, заключающийся в сочетании теоретического анализа и численного экспериментального исследования всех стадий очистки топочных газов как на этапе разряда так и в межразрядную паузу. Численное исследование проводилось в широком диапазоне режимов очистки топочных газов в импульсом стримерном разряде с привлечением ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 217 страниц. Основная часть работы состоит из 186 страниц, из которых 151 страниц машинописного текста, 8 таблиц и 63 рисунка. Список литературы включает 95 наименования.

4.5. Выводы

Изложенный в данной главе анализ результатов расчетов плазмохимических процессов, происходящих при развитии стримера в топочном газе и после снятия воздействующего напряжения, позволяет сделать важные не только теоретические, но и практические выводы.

1. Определен состав и средняя концентрация основных частиц, образующихся в канале стримера, развивающегося в топочном газе. Установлены основные активные частицы и реакции с ними, приводящие к очистке топочных газов от примеси N0.

2. Анализом процессов, происходящих по всей длине стримера, выявлены временные и пространственные зоны максимальной активности частиц, участвующих в удалении вредных примесей. Атомы О, 14, ОН активны в области канала, головки и в прианодной области, время их действия распространяется на весь цикл очистки (вплоть до времени приложения следующего импульса напряжения). Молекулы 03 и Н02, накопив достаточную концентрацию ко времени снятия напряжения, активно проводят удаление вредных примесей в межразрядную стадию очистки.

3. Эффективность образования активных частиц и их средние концентрации определяются не только процессами на головках стримеров в области сильных полей, но и процессами в канале стримера в условиях слабого поля. Зону разряда, по интенсивности наработки активных частиц, можно разделить на три части: прианодная, зона канала и головки стримера. Вклад каждой из них в наработку, например, атомов О составляет соответственно 20%, 20% и 60% для длинных стримеров ( >3 см) и 5%, 10% и 85% для коротких. 4. С точки зрения влияния характерных условий, определяющих работу технологических установок с использованием наносекундного импульсного разряда, важными внешними факторами, которые должны быть учтены при анализе кинетических процессов, являются амплитуда и длительность фронта импульса воздействующего напряжения, а также начальная концентрация вредных примесей N0 и БОг- На основе проведенных расчетов проанализировано влияние этих факторов на производство активных частиц в стримере. Получено в частности, что: увеличение длины фронта импульса напряжения с 0 до 30 не уменьшает число нарабатываемых в канале атомов N в 3.5 раза, атомов ОН в 2.01 раз, атомов О в 1.86 раз.; с ростом средней напряженности в разрядном промежутке с 4.76 кВ/см до 11.1 кВ/см абсолютное число генерируемых химически активных частиц возрастает в 3.1 раза, однако их число на единицу вложенной в разряд энергии падает с 3.7 1/100эВ при средней напряженности 4.76 кВ/см до 2.4 1/100 эВ при 11.1 кВ/см.

Принимая во внимание конкретные цифры данных выводов, при определении путей оптимизации внешних условий протекания разряда, следует учитывать, что для их получения была использована модель стримерного разряда, не позволяющая рассчитывать стримерную корону целиком, а моделирующая лишь одиночный стример. Тем не менее, опираясь на данные предварительных расчетов, можно отметить, что вышеуказанное допущение не меняет качественно характера процессов, их динамику и тенденцию изменения, оно лишь определяет количественные параметры и значения.

5. Проведенные расчеты показали, что изменение начальной концентрации молекул N0 в очищаемом газе с 150 ррт до 900 ррт приводят к уменьшению процента удаляемых молекул оксида азота с 18% за один импульс в одиночном следе стримера до 10.2%. Таким образом получено и впервые объяснено, что рост начальной концентрации N0 при прочих равных условиях снижает эффективность удаления этой примеси, что согласуется с экспериментальными данными, приведенными в литературе.

6. Определен диапазон внешних условий, при которых применимы полученные результаты моделирования. Выявлено, что состав газа (топочные газы нефтяного и угольного происхождения, воздух и кислород) вносит только количественные изменения, в получаемые расчетом данные меняя концентрации основных частиц, участвующих в кинетических реакциях при развитии разряда. При этом механизмы образования активных частиц и каналы их взаимодействия с вредными компонентами топочного газа сохраняются. Для упрощения задачи моделирования стримерного разряда в среде топочных газов, расчет полей может быть проведен с использованием модели для воздуха. Сравнение результатов расчета по обоим моделям показывает, что токовые характеристики разряда * в воздухе и в топочных газах практически совпадают, с достаточной для оценок точностью.

Заключение

1. На основании обзора и анализа литературы установлено, что экспериментальные исследования процессов технологии очистки газовых выбросов ТЭС (топочных газов) в импульсной наносекундной короне не дают объяснения ряду важных для практики зависимостей эффективности очистки от таких существенных моментов, связанных с технологическим режимом очистки, как средняя напряженность электрического поля в разрядном промежутке Еср, длительность фронта кривой воздействующего напряжения, начальная концентрация вредных примесей N0 и 802 в очищаемом топочном газе. Эти объяснения могут быть получены только с помощью математического моделирования всех этапов процесса очистки, включая этап развития стримерного разряда.

2. Анализ литературных данных позволил сформулировать основную цель работы, заключающуюся в разработке комплексной инженерной методики анализа процессов и эффективности очистки топочных газов от вредных примесей оксидов азота и серы в наносекундной стримерной короне. Разработанная с этой целью методика включает анализ процессов взаимодействия продуктов разряда с молекулами очищаемого газа как на стадии развития стримерной короны, так и в паузу между импульсами воздействующего напряжения. Существенным моментом разработанной методики является этап сбора, анализа и отбора основных химических реакций, определяющих процесс очистки, и обоснованный выбор констант этих реакций. Центральным моментом методики является модель возникновения и развития стримера, в которую введены характеристики всех основных плазмохимических реакций.

3. Основные преимущества разработанной методики заключаются в том, что: 1) она позволяет более корректно учитывать условия плазмохимических превращений в коронном разряде, в частности, различие условий наработки активных частиц в различных элементах стримера; 2) в нее включен более полный перечень химических реакций, имеющих место при возникновении и развитии стримера, включая обратные реакции восстановления молекул примесей; 3) методика позволяет расчетным путем определять начальные концентрации частиц и начальные условия процессов очистки в межразрядную паузу и оценивать эффективность этих процессов в зависимости от внешних условий развития стримерной стадии, таких как амплитуда и длительность импульса воздействующего напряжения, средняя напряженность электрического поля в разрядном промежутке.

4. Блок методики, описывающий разрядную стадию процесса очистки, реализован программным комплексом, включающим 1,5-мерную модель одиночного стримера, методику расчета поля объемного заряда стримера с учетом конкретного состава газа и позволяющим оценить возможность перехода от расчетов одиночного стримера к расчетам в условиях стримерной зоны.

5. Основным моментом разработанной модели развития стримера является включение в систему уравнений, описывающих процессы в стримере, уравнений неразрывности для каждой частицы плазмы и газа, причем правые части этих уравнений содержат члены, определяющие все процессы появления и исчезновения данной частицы, что требует знания всех реакций с ее участием. С учетом значений констант реакций на каждом временном этапе проводится анализ их перечня, что позволяет выбрать те из них, которые вносят значимый вклад в процесс наработки частиц. Это является основным критерием отбраковки реакций. Такая процедура позволяет на каждом этапе учитывать минимально необходимое число реакций, что сокращает время расчета.

6. При расчете напряженности поля объемного заряда по уравнению Пуассона в его правую часть включены концентрации заряженных частиц, определяемые не с помощью обобщенных коэффициентов, а с помощью расчета плазмохимических реакций, происходящих при развитии стримера. Это позволяет более корректно рассчитывать поле как перед головкой стримера, так и в его канале.

7. Для демонстрации применения методики расчета приведено подробное изложение всех этапов расчета для наиболее простого случая - развития стримера в кислороде - вплоть до процессов наработки химически активных частиц, которыми в кислороде являются атомы О и молекулы озона 03. Расчет охватывает стадию выбора основных реакций и их констант, стадию образования и развития стримера и стадию взаимодействия частиц после снятия воздействующего напряжения. Оценено влияние на результаты расчета размеров разрядного промежутка и показано, что вплоть до длины межэлектродного расстояния, не превышающей 10 см, можно проводить расчет характеристик стримера по модели для одиночного электрода.

8. На примере развития стримера в кислороде показано влияние на результаты расчета концентраций нарабатываемых активных частиц условий параллельного развития стримеров. Известный из литературы факт снижения интенсивности развития каждого индивидуального стримера при их параллельном развитии в воздухе подтвержден и для случая кислорода, при этом получено, что происходит заметное (на два порядка) снижение интенсивности образования активных частиц при учете параллельно развивающихся стримеров.

9. Для осуществления расчетов плазмохимических процессов в топочных газах проведен анализ основных реакций, которые могут иметь место при развитии разряда и в межразрядную паузу и их констант. Определен перечень основных активных частиц, принимающих участие в уничтожении примеси N0 в топочном газе как на стадии развития стримера, так и в межразрядную паузу. Приведены результаты отбора основных реакций для учета в модели стримера. В отличие от методик отбора реакций, описанных в литературе, основным критерием отбора в которых является оценка проводимости канала стримера, основным критерием отбора в разработанной методике является степень влияния отбираемых реакций на концентрацию образующихся активных частиц.

Показаны особенности учета фотоионизации в модели развития стримера в топочном газе. Установлены основные требования в выбору шага расчета по времени для моделирования развития стримера в топочном газе, в котором происходят реакции с большим различием констант. Рассмотрены основные процессы уничтожения частиц N0 в межразрядную паузу и показано изменение состава частиц газа к моменту приложения следующего импульса напряжения.

10. Для подтверждения достоверности результатов расчета параметров стримера в топочных газах по предложенной модели сопоставлены скорости развития стримера и формы кривых тока с приводимыми в литературе экспериментальными данными, полученными в близких условиях. Сопоставленные данные показали хорошее согласие, различие не превышает 20%, что лежит в пределах точности проводимых расчетов. Такое же согласие наблюдается и при сравнении найденного расчетом распределения напряженности поля по каналу стримера с расчетными данными, приводимыми в литературе.

11. На основании расчетов, проведенных по разработанной методике для топочных газов разных составов получены данные, позволяющие сделать ряд выводов, имеющих как теоретическую, так и практическую значимость:

- установлен перечень основных химически активных частиц и реакций с ними, приводящих к очистке топочных газов от примеси N0 как на стадии развития стримера, так и в межразрядную паузу;

- впервые подтверждено и объяснено экспериментально установленное влияние начальной концентрации примеси N0 на эффективность ее очистки; показано, что снижение эффективности очистки связано с усилением роли обратных реакций восстановления молекул примеси за счет роста концентрации молекул N02; в частности получено, что при росте начальной концентрации N0 со 150 до 900 ррш интенсивность удаления молекул этой примеси в результате прохождения одного стримера снижается с 18% до 10%;

- впервые установлены области стримера, в которых активность частиц, участвующих в удалении примесей, максимальна, и определено, какие это частицы и в течение какого времени это происходит. Показано, что с участием электронов интенсивное удаление примесей происходит лишь в узкой зоне сильного поля головки стримера и только в период приложения импульса напряжения; частицы О, N и ОН активны в области канала стримера, его головки и в прианодной области, время их действия распространяется на весь период очистки (вплоть до момента приложения следующего импульса напряжения), молекулы

Оз и НО2, концентрация которых к моменту окончания импульса напряжения становится достаточно высокой, активно участвуют в удалении примесей в межразрядную стадию очистки;

- на основании расчета установлено, что основной состав очищаемого газа (содержание кислорода, воды, С02) влияет только на количественные характеристики процесса очистки, меняя концентрацию основных частиц, участвующих в реакциях. При этом механизм образования активных частиц и цепочки реакций их взаимодействия с молекулами вредных компонентов топочного газа сохраняются.

12. Расчетом впервые установлены основные внешние факторы, определяющие эффективность очистки топочного газа от вредных примесей. Такими факторами являются средняя напряженность электрического поля в разрядной зоне, параметры импульса воздействующего напряжения (его амплитуда и длительность фронта импульса) и начальная концентрация вредных примесей. Так увеличение средней напряженности с 4,8 до 11 кВ/см приводит к увеличению числа активных частиц, нарабатываемых в стримере, в три с лишнем раза. В то же время увеличение длительности фронта Тф импульса напряжения с 0 до 30 не для стримеров одинаковой длины снижает число нарабатываемых активных частиц: N - в 3,5 раза, ОН - более, чем в два раза, атомов О - более, чем в полтора раза. Расчетом показано, что подобный характер изменения наработки частиц с ростом тф связан с изменением времени формирования стримера.

13. Специальным анализом установлено, что одним из способов упрощения расчетов для получения оценочных данных по наработке активных частиц в стримере в топочных газах может быть использование при определении распределения напряженности поля

1. Мнацаканян А.Х., Найдис Г.В. Моделирование плазмохимических процессов в коронных разрядах для очистки дымовых газов.// Сборник тезисов докладов, Москва, ИВТАН -1991, с. 35-48;

2. Clements J.S., Mazino A. Combined removal of S02 and NOx and fly ash from simulated flue gas using pulsed streamer corona. IEEE Trans. Industry Applic.,1989, 25, 62-69;

3. Masuda S., Nakao H. Control of NOx by positive and negative pulsed corona discharges. IEEE Trans. Industry Applic.,1990, 26, 374-383;

4. Masuda S., Nakao H. Control of NOx by Positive and Negative Pulsed Corona Discharges. Rec. IEEE/IAS 1986 Ann. Conf, pp. 1173 1182;

5. Dinelly G., Civitano L., Rea M. Industrial Experiments on Pulse Corona Simultaneous Removal of NOx and S02 from Flue Gas IEEE Transactions on Industry Applications. Vol. 26, №3,1990, pp.533 539;

6. Оптимизация параметров электрофизических установок для очистки воздуха от экологически вредных газообразных примесей/ Понизовский А.З., Понизовский JI.3., Абрамов А.А., Шведчиков А.П. и др.// Электротехника, №3,1993,с.59-67;

7. Surika P., Babicky V. Positiv Pulsed Corona Discharge in Coaxial Geometry, Intern. Symp. on High Pressure Low Temperature plasma chemistry «Hakone V». Milovy, 1996, pp. 305 -309;

8. Верещагин И.П., Белогловский А.А. Отчет по НИР «Разработка теории импульсной короны и ее применение в технологии очистки выбросов ТЭС», этап 4, Москва, 1997, 74с;

9. Железняк М.Б., Филимонова Е.А. Моделирование газофазного химического реактора на основе импульсного стримерного разряда для удаления токсичных примесей.// ТВТ, 1998, т.36, №3, с. 374-379;

10. Железняк М.Б., Филимонова Е.А. Использование импульсного стримерного разряда для удаления оксидов азота из продуктов сгорания углеводородных топлив.//Физика низкотемпературной плазмы. Петрозаводск. 1995. с.395-400;

11. Лозанский Э.Д., Фирсов О.Б. Теория искры. /М.: Атомиздат,1975,271 с;

12. Ретер Г. Электронные лавины и пробой в газах. /М.: Мир, 1968,357 с;

13. Dutton J. A Survey of Electron Swarm Data J.Phys.Chem.Ref.Data,vol.4, N3, 1975, p.577-878;

14. Gallagher J.W., Beaty E.G., Dutton J., Pitchford L.C. An Annotated

15. Compilation arid Appraisal of Electron Swarm Data In Electronegative Gases. J. Phys. Chem. Ref. Data, vol.12, No 1, 1983;

16. Creyghton Y.L.M. Pulsed positive corona discharges (Fundamentalstudy and application to flue gas treatment). Ph.D. thesis -Eindhoven: University of Technology, The Netherlands, 1994;

17. Соколова M.B., Жуков C.B. Простой метод расчета коэффициента ионизации топочных газов.// Физика газового разряда, Рязань, 1996;

18. Моделирование длинных стримеров в газе атмосферного давления./Александров H.JL, Базелян А.Э., Базелян Э.М., Кочетов И.В.//Физика плазмы, 1995, т.21, №1, с.60-80;

19. Gordiets B.F., Ferreira С.М. Kinetic model of low pressure N2-C>2flowing glow discharge, IEEE Trans, on Plasma Science, v.23, N4,1995, 750-768;

20. Gallimberti I., Rea M. Flue gas simultaneous DeNOx/DeSOx by impulse corona energization, Non thermal plasma techniques for pollution control, Part A. NATO ASI series. 1987. Vol.10 p.55-84;

21. Kulikovsky A.A. Production of chemical active species by positivestreamer in air, XXIIIICPIG, 1997,1-258;

22. Sigmond R.S. Basic corona phenomena: the poles of space chargesaturation and secondary streamers in breakdown, XVI ICPIG, 1990, p. 174-186;

23. Babaeva N. Yu., Naidis G.V. Two dimensional simulation of positiveand negative streamer in air. International Symposium on High Pressure, Low Temperature Plasma Chemistry, Czech Republic,1996, p. 128-132;

24. Marode E., Bastien F. A model streamer induced spark formationbased on neutral dynamics, J. Appl. Phys. 1979. Vol. 7. P. 140-146;

25. Gallimberti I. The mechanism of the long spark formation, Journal dephysique: Colloque C7, N 7, Volume 40, 1979, pp. 193-250;

26. Kulikovsky A.A. Positive streamer between parallel plate electrodesin atmospheric pressure air, J. Phys. D: Appl. Phys., v 30, 1997, p. 441-450;

27. Акишев Ю.С., Дерюгин А.А., Кочетов И.В. Эффективность генерации химически активных частиц в самостоятельном тлеющем разряде.// Физика плазмы, 1994, том 20, № 6, с. 585592;

28. Железняк М.Б., Филимонова Е.А. Моделирование газофазного химического реактора на основе импульсного стримерного разряда для удаления токсичных примесей.// Теплофизика высоких температур, 1998, т.36, №4,с. 557-564;

29. Penetrante В.М. Plasma chemistry and power consumption in nonthermal DeNOx, Non thermal plasma techniques for pollution control, Part A. NATO ASI series. 1993. Vol.34, p. 65-89;

30. Dhali S.K., Williams P.F. Numerical simulation of streamer propagation in nitrogen at atmospheric pressure, Phys. Rev A, 1985, V31, p.1219;

31. Теория электрических разрядов в энергетике./ Дьяков А.Ф., Никитин О.А., Верещагин И.П., Максимов Б.К., Темников А.Г. // Сборник «Теория и практика электрических разрядов в энергетике» под редакцией Дякова А.Ф. Москва, 1997. 315 с;

32. Naidis G.V. On streamer interaction in a pulsed positive corona discharge, J. Phys. D: Appl. Phys., 1996, 29, p. 779-783;

33. Wang M.C., Kunhardt E.E. Streamer dynamics, Phys. Rev. A, 1990,1. Vol. 42, p. 2366-2371;

34. Kulikovsky A.A. Two-dimensional simulation of the positive streamer in N2 between parallel-plate electrodes. J. Phys. D: Appl. Phys., 1995, 28, p. 2483;

35. Верещагин И.П., Темников А.Г., Белогловский A.A. Отчет по НИР «Математическое моделирование стадий электрическихразрядов в воздухе и других смесях газов», этап 5, Москва, 1997, 184с;

36. Babaeva N. Yu., Naidis G.V. Simulation of positive streamer propagation in flue gases, XXIIIICPIG, 11-246;

37. Сергеев Ю.Г. Учет фотоионизации при математическом моделировании газового разряда./ Под ред. И.П. Верещагина. М. МЭИ, 1996, 50 с;

38. Eliasson В., Kogelschatz U. Basic data for modeling of electricaldischarges in gases: Oxygen, 1986, 140 ps.;

39. Отчет о НИР «Расчет и составление банка данных по скоростямвзаимодействия электронов с молекулами воздуха и других газов в электрическом поле».// УНЦ «МЭИ-ВЭИ», Москва, 1995, 30с;

40. Базелян А.Э., Базелян Э.М. Параметры плазмы катодонаправленного стримера в воздухе: влияние на ток и скорость распространения.// Теплофизика высоких температур, 1994, т.32, №3, с.354-362;

41. Плазмохимические процессы в неравновесной азотно-кислородной смеси./ Коссый И.А., Костинский А.Ю., Матвеев А.А.//Труды ИОФАН, 1994, том 47, с. 37-57;

42. Акишев Ю.С., Дерюгин А.А. Экспериментальное исследование ичисленное моделирование тлеющего разряда постоянного тока атмосферного давления.// Физика плазмы, 1994, том 20, №6, с.571-584;

43. Бычков B.JL, Юровский В.А. Моделирование пучковой плазмыпаров воды.// Теплофизика высоких температур, 1993, т.31, №1, с.8-17;

44. Guberman S.L. The production of 0(1D) from dissociative recombination of 02+, Planet. Space Sci. 1988. V.36, №1, p.47;

45. Fehsenfeld F.G. Ion-molecule reactions in O2-H2O system, J. Chem. Phys. 1971, V.55, №5, p.2115;

46. Shofield K. Critically evaluated rate constants for gaseous reactions of several electronically excited species, J. Phys. Chem. Ref. Data, 18 (3), 1979, 723;

47. Cox R. Evaluated kinetic and photochemical data for atmospheric chemistry, J. Phys. Chem. Ref. Data, 1980, 9 (2), p. 295;

48. Niles F.E. Air like discharges with C02, NO, N02 and N20 as impurities, J. Chem. Phys. 1969, V52, N1, p.408;

49. Shul RJ. Ion-molecule reactions involving H30+, H20+ and 0H+ at thermal energy, J. Phys. Chem., 1988, V92, N17, p.4947;

50. Davies D.K. Measurements of Swarm Parameters in Dry and Humid Air. 1987, Proc. of the 18th Int. Conf. on Phenomena In Ionized Gases, Swansea, UK, p.2-3;

51. Verhaart H.F.A. & van der Laan P.C.T. The Influence of Water Vapor on Avalanches in Air. J. Appl. Phys. 1984 vol.55, pp.32863292.

52. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизованных газах./ М.:Изд."МИР". 1967;

53. Fehsenfeld F.G. Ion-molecule reactions in N0+-H20 system, J. Chem. Phys. 1971, V.55, №5, p.2120;

54. МессиГ. Отрицательные ионы./М.: Изд."МИР", 1979;

55. Смирнов Б.М. Ионы и возбужденные атомы в плазме./ М.: Атомиздат, 1974, 456 с;

56. Дерюгин А.А., Акишев Ю.С. Экспериментальное исследование и численное моделирование тлеющего разряда постоянного тока атмосферного давления.// Физика плазмы, 1994, т.20, № 6, с.571;

57. Zhukov S.V., Beloglovsky А.А., Sokolova M.V. Positive streamer development in a short gap in air and oxygen, ISH 99, London, 1999;

58. Guberman S.L. The production of 0(!D) from dissociative recombination of 02+, Planet. Space Sci. 1988. V.36, №1, p.47;

59. Fehsenfeld F.G. Ion-molecule reactions in 02-H20 system, J. Chem. Phys. 1971, V.55,№5,p.2115;

60. Shofield K. Critically evaluated rate constants for gaseous reactions of several electronically excited species, J. Phys. Chem. Ref. Data, 18 (3), 1979, 723;

61. R. Cox Evaluated kinetic and photochemical data for atmospheric chemistry, J. Phys. Chem. Ref. Data, 9 (2) 1980, 295;

62. Hampson R.F. Chemical kinetic and photochemical data for modeling atmospheric chemistry, NBS technical note #866 , 1975, p. 1-113;

63. Shul RJ. et al. Ion-molecule reactions involving H30+, H20+ and ОНГ at thermal energy, J. Phys. Chem., 1988, V92, N17, p.4947;

64. Laufer A.H. Deuterium isotope effect in vacuum ultraviolet absorption coefficients of water and methane, Can. J. Chem., 1965, v.43, 3487;

65. Sun H., Weissler G.L Absorption cross-sections of carbon dioxide and carbon monooxide in the vacuum ultraviolet, J. Chem. Phys., V23, 1625, 1955;

66. Hudson R.D. Critical review of ultraviolet photoabsorption cross-section for molecules of astrophysical and aeronomic interest, Rev. Geographys. Space. Phys., 1971, V.9, N2,4195;

67. Dahlquist J.A. Drift velocities of ions in nitrogen, J.Chem. Phys., 1963, v. 39, p. 1203;

68. Lowke J.J., Rees J.A. The drift velocities of free and attached electrons in water vapor, Australian J. Phys., 1963, v. 16, p. 447;

69. Даунсон Дж. Время жизни положительных стримеров в воздухе при атмосферном давление и импульсном напряжение в промежутке острие-плоскость.// Zs. Phys. 1965, №183, p.172;

70. Marode E. The mechanism of spark breakdown in air at atmospheric pressure between a positive point and plate. I. Experimental: Nature of the streamer track. J. Appl. Phys., 1975, V.45, №5, p. 2005;

71. Aleksandrov N.L., Bazelyan E.M., Kochetov I.Y. Simulation of active species production in a flue gas by a long positive streamer, International Symposium on High Pressure, Low Temperature Plasma Chemistry, Cork, Ireland, 1998, p. 235-239;

72. Мак-Даниель И., Мэзон Э., Подвижность и диффузия ионов в газах./ Изд. "Мир", Москва, 1976, 421с.;

73. Eliasson В. Electrical Discharge in Oxigen. Part 1. Basic Data and Rate Coefficients. KLR Report No KLR83-40C.1983 pp. 1-143;

74. Физические величины. /Справочник, под редакцией И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова//М: Энергоатомиздат, 1991,1232с;

75. Zhukov S.V., Temnikov A.G., Sokolova M.V. Analyze of active particle formation in streamers in flue gases, ISPC-14, Prague, 1999, p. 1085-1090;

76. Matzing H. Chemical kinetics of flue gas cleaning by electron beam, Tech. report Kernforschungzentrum Karlsruhe. KfK, 1989, p.4494;

77. Guerra V., Loureiro J. Kinetic model of low-pressure microwavedischarge in O2-N2 including the effect of О ions on thecharacteristics for plasma maintenance, Plasma Sources Sci. Technol. 8, 1999, p. 110-124;

78. Несамостоятельный СВЧ разряд в азоте при высоком давление./ Грицинин С.И., Коссый И.А., Силаков В.П.// ЖТФ. 1987. т.57. №4, с.681-686;

79. Исследование характеристик несамостоятельного разряда в азоте с примесями кислорода и воды./ Баидзе К.В., Вецко В.М., Лопанцева Г.В. //Физика плазмы. 1985, т.11, №3, с.352-360;

80. Naidis G.V., Modeling of plasma chemical process in pulsed corona discharges, J. Phys. D: Appl. Phys. 30, 1997, p. 1214-1218;

81. Расчет пространственной структуры тлеющего разряда в воздухе./ Акишев Ю.С., Дерюгин А.А., Елкин Н.Н.// Физика плазмы, 1994, том 20, №5, с. 487-491;

82. Kulikovsky A. A. The mechanism of positive streamer acceleration and expansion in air in a strong external field, Journal of Physics D: Applied Physics, 1997, V 30, N 10, p. 1515-1522;

83. Penetrante B.M., Hsiao M.C. Comparison of electrical discharge techniques for non thermal plasma processing of NO in N2, IEEE Trans, on Plasma Science, 1995, v.23, N4, p. 679-687;

84. Knijnik K., Potapkin B. About possible mechanism of high efficient ozone generation in streamer discharges, ISPC-14, Prague, 1999, p. 2319-2324;

85. Fresnet F., Baravian G. Time resolved diagnostic of NO removal in photo-triggered discharge, ISPC-14, Prague, 1999, p. 2661-2666;

86. Lowke J. J., Morrow R. Theoretical analysis of removal of oxides of sulphur and nitrogen in pulsed operation of electrostatic precipitators, IEEE Trans, on Plasma Science, 1995, v.23, N4, p. 661-671;

87. Babaeva N. Yu., Naidis G.V. Two-Dimentional modeling of positive streamer propagation in flue gases in sphere-plate gaps, IEEE Trans, on Plasma Science, 1998, V.26, №1, p. 41-45;

88. Kogelschats U., Eliasson В., Hirth M. Ozone synthesis from oxygen in dielectric barrier discharges, J. Phys. D: Appl. Phys., 20, 1987, p.1421;

89. Morrow R and Lowke J Streamer propagation in air, J. Phys. D: Appl. Phys. 30(1997)614-627;

90. Gallimberti I, Impulse corona simulation for flue gas treatment. Pure & Appl. Chem., 1988, Vol. 60, No. 5, pp. 663-674;