Моделирование природоохранных технологий в

Вестник СГТУ. 2011. № 1(54). Выпуск 3
УДК 621.311.22:662.756
И.А. Ростунцева
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИРОДООХРАННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ С УЧЕТОМ МАКРОКИНЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Представлена аналитическая модель оценки экологического воздействия теплоэнергетического оборудования на окружающую среду. В основу разрабатываемой модели положен макрокинетический закон протекания брутто-реакции образования оксидов азота в
зоне высоких температур, отражающий закономерности образования оксидов азота по
термическому механизму. Получены концентрации кислорода и азота в зоне реакции в зависимости от режимов работы горелок и топки котла, а также от возможного их изменения за счет ввода добавочной влаги. Определены аналитические зависимости скорости реакции, концентрации оксидов азота и коэффициента выхода оксидов азота при сжигании
топлива с учетом ввода влаги.
Теплоэнергетическое оборудование, концентрация оксидов азота, аналитическая модель, скорость реакции образования оксидов азота, константы реакции
I.A. Rostuntseva
MODELING OF ENVIRONMENTAL TECHNOLOGIES
THERMAL ENGINEERING BASED MACROKINETIC PROCESSES
Presented an analytical model for evaluating the environmental impact of power equipment
on the environment. The basis of the model of the law laid macrokinetic flow gross reaction of nitrogen oxides in the zone of high temperatures, reflecting the regularities of formation of nitrogen
oxides on the thermal mechanism. Received oxygen and nitrogen in the reaction zone, depending on
the modes of operation of burners and furnaces of the boiler, as well as their possible changes due
201
Вестник СГТУ. 2011. № 1(54). Выпуск 3
to entry of additional moisture. Defined analytical reaction rate, concentration of nitrogen oxides
and exit rates of nitrogen oxides from fuel combustion, taking into account the input of moisture.
Power equipment, the concentration of nitrogen oxides, an analytical model, the rate of reaction of nitrogen oxides, the constants of the reaction
При проектировании нового и модернизации действующего теплоэнергетического
оборудования ТЭС необходима теоретическая оценка его экологического воздействия на
окружающую среду, позволяющая быстро и с достаточной точностью определять допустимое загрязнение атмосферного воздуха и степень снижения вредных выбросов при внедрении природоохранных технологий.
Первым этапом в разработке аналитической модели образования вредных выбросов в
факеле энергетической установки является исследование физико-химических механизмов
образования вредных выбросов, в частности одного из наиболее токсичных компонентов в
составе дымовых газов – оксидов азота (NOx) при сжигании различных видов топлива.
В рамках данной разработки проведено теоретическое исследование возможности образования термических, «быстрых» и топливных оксидов азота на различных уровнях прохождения дымовых газов по тракту энергетической установки, а также факторов, влияющих
на количественную характеристику выхода оксид азота при сжигании топлива.
Из проведенного анализа установлено, что преобладающее влияние на формирование
концентраций NOx в зоне активного горения оказывают термические оксиды азота, для снижения, образования которых целесообразно регулировать температурный уровень и концентрацию свободного кислорода, что, возможно, осуществлять путем ввода влаги в топочные
процессы.
Исходя, из последнего разработана аналитическая модель исследования образования
вредных выбросов с учетом ввода влаги в зону горения.
В основу разрабатываемой модели положен макрокинетический закон протекания
брутто-реакции образования оксидов азота в зоне высоких температур. Методика отражает
закономерности образования NOx в основном по термическому механизму Я.Б.Зельдовича,
исходя из избирательного воздействия дополнительно вводимой влаги преимущественно на
термические оксиды азота. В методике определено влияние, оказываемое на образование оксидов азота температурного уровня, концентрации реагирующих веществ и время нахождения их в зоне высоких температур.
При разработке модели образования оксидов азота с учетом ввода влаги использовались известные положения, изложенные в работах Я.Б.Зельдовича, И.Я.Сигала, Т.Б. Эфендиева и ряда других авторов [1-5].
Для определения концентраций оксидов азота, образующихся в процессе горения, использовался метод разложения экспоненты, согласно которому концентрация NO находится
из выражения
dC
СNO= ( NO ) · τ NO ,
(1)
dτ
dC
где ( NO ) – скорость реакции образования оксидов азота при максимальной температуре
dτ
факела Тm , % об./с; τ NO – условное время реакции, с.
С учетом макрокинетического закона выход оксидов азота будет описываться уравнением
dC
( NO ) = 2 · КII · СO2 · СN2 ,
(2)
dτ
202
Вестник СГТУ. 2011. № 1(54). Выпуск 3
где КII – константа скорости реакции, (% об./с)-1; СO2 и СN2 – объемные концентрации соответственно атомарного кислорода и молекулярного азота в зоне максимальной температуры
Тm , % об.
Концентрация атомарного кислорода в зависит от максимальной температуры в зоне
горения. При температурах выше (1800-2000) 0К ее можно найти из условия равновесия при
горении с избытком окислителя по формуле
(3)
СO = [К] · С О2 ,
где [К] – константа равновесия , (% об./с)-0,5 , С О2 – концентрация кислорода в продуктах
сгорания, % об.
Константы КII и [К] могут быть определены по выражениям:
75400
],
(4)
КII = 6,1·107 · exp · [R · Tm
59300
[К]= 0,75 · 104 · exp · [
],
(5)
K · Tm
где R – универсальная газовая постоянная (R=8,326 Дж/моль · К ), Тm – максимальная температура факела, 0К.
Подставив (3)-(5) в (2), получим следующее соотношение для определения скорости
образования оксидов азота:
dC
134700
( NO ) = 2 · КII · С О2 · СN2= 9,15 · 1011 · С O2 · СN2 · exp · () , (6)
dτ
R · Tm
Концентрации кислорода и азота в зоне реакции определяются согласно принятому в
методике допущению при окислении азота воздуха. При этом указанные концентрации зависят от параметров, характеризующих режимы работы горелок и топки котла, а также от возможного их изменения за счет ввода добавочной влаги.
21 · V 0· (α
СО2=
гор
+ 0,5 · ∆α -1)
т
,
(7)
0
[V + (α
+ 0,5 · ∆α -1) · V 0 + ϑ · g
]
г
гор
т
п впр
79 · V 0 · (α
+ 0,5 · ∆α - 1)
гор
т
СN2=
,
(8)
[V 0 + (α
+ 0,5 · ∆α - 1) · V 0 + ϑ · g
]
г
гор
т
п впр
где α
– коэффициент избытка воздуха в горелках; ∆α – присосы воздуха в топке;
гор
т
V 0 и V 0 – теоретические объемы соответственно продуктов сгорания и воздуха, м3/м3
г
(м3/кг); ϑ – удельный объем пара м3/кг; g
– водотопливное отношение кгводы/м3топлива
п
впр
(кгводы/кгтоплива).
Подставляя (7), (8) в (6) и сделав ряд преобразований, получим зависимость изменения скорости образования оксидов азота от количества вводимой влаги:
L
dC
L1
( NO ) g = 9,15 · 1011 ·
(9)
· exp[ - 3 ] ,
dτ
3
Tm
(L + ϑ · g
)
2
п впр
где L = 21 · V 0 · (α
+ 0,5 · ∆α - 1) · [ 79 · 0 · (α
+ 0,5 · ∆α - 1) ]
V
1
гор
т
гор
т
,
(10)
203
Вестник СГТУ. 2011. № 1(54). Выпуск 3
+ 0,5 · ∆α - 1) · V 0 ,
L = V 0 + (α
2
г
гор
т
(11)
134700
L =
.
(12)
3
R
При расчете уровня максимальных температур Тm с учетом ввода влаги в зону горения использовалась методика, в основу которой положено определение адиабатической температуры в топке и критерия Больцмана.
Адиабатическая температура горения рассчитывается по известной зависимости, когда все тепловыделение в топке воспринимается продуктами сгорания с учетом поправки на
дополнительно вводимую влагу.
Получены зависимости адиабатической температуры горения Т а , критерия Больцмана и максимальной температуры дымовых газов в ядре факела Тm от условий теплообмена и
с учетом влияния ввода влаги.
В итоге получены аналитические зависимости для определения концентраций оксидов
азота С gNO2 (г/м3), учитывающая ввод дополнительной влаги в топку котла и коэффициента
выхода оксидов азота при сжигании топлива также с учетом ввода влаги.
(L
2
+ϑ
П
·g
T 4 − (T
− ∆T) 4
3 ]· m
m
4
Tm
T 4 · (T
− ∆T)
m
m
L
L · A
1
Т
g
С NO2 = 286,99 · 10 11 ·
впр
)
3
· exp[ −
.
(13)
Таблица 1
Расчет теоретической зависимости образования оксидов азота
от количества вводимой влаги в топку котла
Расчетные параметры
Максимальная температура факела
Tm, 0К
Объемная концентрация атомарного
кислорода СО2, % об.
Объемная концентрация
молекулярного азота СN2, % об.
Скорость образования оксидов
азота (dCNO2/dτ), % об.
Концентрация оксидов азота
в топке СNO2 , г/м3
0
Водотопливное отношение gвпр, %
10
20
30
40
50
2010
1997
1983
1969
1956
1942
1,3170
1,3030
1,2890
1,2750
1,2639
1,2470
71,602
70,575
69,547
68,520
68,150
66,465
0,1577
0,1272
0,0966
0,0661
0,0585
0,0049
0,2500
0,2040
0,1580
0,1392
0,1204
0,1114
Используя зависимость (13), можно оценить коэффициент выхода оксидов азота при
сжигании топлива с вводом влаги:
L
286,99 · 1011
L ·A
T 4 − (T − ∆T) 4
3
1
Т
m
К вых
=
·
,
(14)
· exp[ −
] · m
NO2
g =0
4
4
3
Tm
С NO2
T · (T − ∆T)
m
m
(L + ϑ · g
)
2
П
впр
Аналитическая проверка зависимостей (13) и (14) выполнена для энергетического
котла БКЗ-320-140 ГМ, для которого проводились опытные замеры концентраций оксидов
азота с впрыском воды в тракт горячего воздуха.
Экспериментальная зависимость изменения концентраций оксидов азота от вводимой
влаги в топку котла приведена в табл. 2 (по опытным данным [6]).
204
Вестник СГТУ. 2011. № 1(54). Выпуск 3
Таблица 2
Экспериментальная зависимость изменения концентраций
оксидов азота в зависимости от вводимой влаги в топку
Расчетные параметры
0
Концентрация оксидов азота в топ- 0,2530
ке СNO2 , г/м3
Водотопливное отношение gвпр, %
10
20
30
40
0,2065
0,1600
0,1410
0,1220
50
0,1130
Как видно из анализа табл.1, 2, получена достаточная сходимость экспериментальных
результатов и теоретических данных, рассчитанных по предлагаемой методике. Максимальная величина отклонений расчетной величины концентрации NO2 от экспериментальных
значений не превышает 1,5 %.
Для учета реальных условий эксплуатации котлов аналитическая модель дополнена
математической моделью расчета процесса горения и расчета топочной камеры.
В математической модели представлен сложный комплекс процессов, происходящих
при факельном горении, включая аэродинамику топочной камеры и теплообмен с поверхностями нагрева. В данной модели производится позонный расчет максимальной температуры
горения, скорости изменения температуры горения с учетом всех возможных режимов работы топочной камеры, что позволяет проследить влияние темпов охлаждения, начального и
конечного состава продуктов сгорания, регулируемых путем ввода активных добавок (воды)
с целью снижения концентраций вредных выбросов.
С использованием прикладного языка программирования разработан программный
комплекс макрокинетической модели снижения образования выбросов при проектировании
природоохранных мероприятий, учитывающий совместно аналитическую (кинетическую)
модель расчета образования вредных выбросов в топке котла, а также математическую модель расчета процесса горения и расчета топочной камеры, с помощью которого просто и
оперативно, а также с достаточной точностью можно произвести определение выбросов оксидов азота котельными установками.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении.
М., 1946. 245 с.
2. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Л.: Недра. 1988. 312 с.
3. Эфендиев Т.Б. Образование оксидов азота в парогенераторах // Теплоэнергетика.1975. №9.
С.20-23.
4. Росляков Л.П. Механизм влияния добавок воды и влагосодержания топлива на образование термических и топливных оксидов азота // Изв. вузов. Энергетика.1988. №7.С.59-63.
5. Рейсиг В.А., Сигал И.Я. Кинетические особенности образования оксидов азота в теплоэнергетических установках // Теплоэнергетика.1993. №1.С.28-31.
6. Шупарский А.И., Голубь Н.В., Ерофеева В.И., Ростунцева И.А. Снижение выбросов оксидов азота при вводе воды в воздуховоды котлов. // Теплоэнергетика .1991. № 8.С.104-107.
BIBLIOGRAPHY
1. Zeldovich J.B., Sadovnikov P.Ya., Frank-Kamenetsky D.A. oxidation of nitrogen at burning. M.,
1946.245 with.
2. Sigal I.JA. Protection of air pool at fuel burning. Л: Bowels. 1988. 312 with.
3. Efendiev T.B. Formation oxidation of nitrogen in steam and gas generators // Teploenergetika.1975. №9. С.20-23.
4. Roslyakov L.P. Mechanism of influence of additives of water and a fuel moisture content on obrazova-nie thermal and fuel оксидов nitrogen // Izv. High schools Energetika.1988. №7. С.59-63.
205
Вестник СГТУ. 2011. № 1(54). Выпуск 3
5. Rejsig V. A, Sigal I.JA. Kinetic of feature of formation oxidation of nitrogen in heat-power installations // Teploenergetika.1993. №1. С.28-31.
6. Decrease of emissions oxidation of nitrogen at water input in air lines of coppers / Shuparskij
A.I., Golub N.V., Yerofeev V. I, Rostuntseva I.A. // Power system.1991. № 8. С.104-107.
Ростунцева Ирина Алексеевна –
ассистент кафедры «Тепловые электрические
станции» Саратовского государственного
технического университета
206
Rostuntseva Irina Alexeyevna –
assistant of the Department «Thermoelectric
power stations» Saratov State Technical University