чиссленное исследование образования оксидов азота в топке

XVIII Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
Секция 10: Теплоэнергетика
ЧИССЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА
В ТОПКЕ КОТЛА БКЗ-320-140 ОТ ПАРОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Васильев А.А., Дубровин С.П., Н.В. Визгавлюст
Научный руководитель: Н.В. Визгавлюст
Томский политехнический университет, г. Томск, пр. Ленина, 30
E-mail: [email protected]
Защита атмосферного воздуха является одной из порциональной скорости догорания коксового осактуальных проблем современности, необходи- татка (реакция 2). Цианиды, образовавшиеся при
мость которой инициирована несовершенной хо- выходе летучих, переходят (реакция 3) в амины,
зяйственной деятельностью человека. Наиболь- которые, реагируя с О2 (реакция 4) или NO (реакшую опасность создают искусственные антропо- ция 5), могут способствовать образованию оксидов
генные источники загрязнения воздуха, в первую азота либо восстановлению N2 из NO. Кроме того,
очередь, связанные с процессами сжигания орга- важным с точки зрения конверсии оксидов азота
нических топлив. Основными, постоянно дейст- является реакции образования HCN в результате
вующими источниками загрязнения воздушного взаимодействия с NO (реакция 6) и гетерогенная
бассейна относятся работающие на угле тепло- реакция между NO и частицей кокса (реакция 7).
электростанции и промышленные топливосжи- (реакция 1) N (в летучих) → HCN;
гающие установки, поставляющие в атмосферу в (реакция 2) N (в коксе) + 0,5O2 → NO;
больших количествах кроме оксидов серы (SO2 и (реакция 3) HCN + H2O + 0,5O2 → NH3 + CO2;
SO3) и оксидов азота (NO и NO2), твердые части- (реакция 4) NH3 + O2 → NO + H2O + 0,5H2;
цы (зола, пыль, сажа), а так же (в меньших количе- (реакция 5) NH + NO → N + H O + 0,5H ;
3
2
2
2
ствах) оксиды углерода, альдегиды, органические (реакция 6) NO + углеводороды → HCN + H O;
2
кислоты [1]. Поэтому прогнозирование образова(реакция 7) C (кокс) + 2NO → CO2 + N2;
ния вредных веществ при сжигании натурального
(реакция 8) N2 + O2 ↔ 2NO;
топлива в котлоагрегатах тепловых электростан(реакция 9) H2 + 0,5O2 = H2O.
ций остается одной из актуальных задач для энерЧисленные исследования на основе предложенной
гетики.
модели проведены в камерной топке котла БКЗ–
Получение сведений с помощью методов матема320–140ПТ с последующей верификацией полутического моделирования решает проблему больченных результатов по экспериментальным даншой трудоемкости и высокой стоимости проведеным [3].
ния промышленных испытаний или физического
Котельный агрегат БКЗ–320–140ПТ спроектиромоделирования, необходимых для оценки констван для сжигания бурых углей Канско-Ачинского
руктивных изменений и оптимизации инженерных
бассейна [3]. Выполнен однокорпусным по П –
решений.
образной компоновке с симметричным располоВ данной работе описывается численное моделижением поверхностей нагрева. Топочная камера –
рование образования оксидов азота при горении
полуоткрытого типа с жидким шлакоудалением.
пылевидного топлива в топке промышленных котНа отметке 11 400 фронтальный и задний экраны
лоагрегатов на базе разработанной Митчеллом и
образуют «пережим», отделяющий камеру горения
Тэрболом [2] кинетической модели образования
от камеры охлаждения. Камера горения состоит из
NO при сжигании угольной пыли.
двух сообщающихся восьмигранных предтопков с
Эта модель удобна в использовании, т.к. ее кинефутерованными экранами, каждый из предтопков
тическая схема включает только 13 реакций (сюда
оборудован четырьмя прямоточными горизонвходят реакции догорания коксового остатка и
тально щелевыми горелками. Оси горелок каждого
выхода и горения летучих) и соответствует соврепредтопка направлены по касательной к вообраменному представлению о химических процессах,
жаемой окружности диаметром 980 мм и наклоневедущих к образованию оксидов азота при сжиганы к поду на 15°. В «пережиме» расположены
нии твердого топлива.
сбросные горелки, через которые производится
Процесс образования оксидов азота можно предсброс в топку слабо запыленного сушильного
ставить следующим образом: при быстром нагреве
агента из системы пылеприготовления.
частицы угля происходит ее термическое разложеРасчеты распределения концентрации оксидов
ние (пиролиз), в результате которого имеет место
азота, температуры и концентрации кислорода по
выход летучих компонентов угля, в том числе угвысоте топки выполнялись с использованием аэлеводородов и азота топлива. При этом часть свяротермодинамических и температурных полей,
занного азота топлива (до 70–80 %) практически
полученных с помощью пакета прикладных промгновенно) переходит, а газовую фазу в виде циаграмм FIRE 3D [4], в зависимости нагрузки котла
нидов. Затем происходит газовое горение углевопри избытке воздуха на выходе из топки 1,22.
дородных компонентов летучих и гетерогенное
На рис. 1 представлено типичное распределение
догорание коксового остатка. Остальной азот (20–
интегральных значений температуры, концентра30 %), равномерно распределенный по частице
кокса, окисляется прямо до NO со скоростью, про-
161
XVIII Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»
Секция 10: Теплоэнергетика
ций оксидов азота и кислорода по высоте топочной камеры.
а)
Рис. 2. Изменение концентрации оксидов азота в
зависимости от избытка воздуха, ● – экспериментальные данные [3]
Из рисунка 2, видно, что разработанная численная
модель имеет достаточно высокую адекватность
предсказания генерации оксидов азота, поскольку
средняя погрешность между численными результатами и экспериментальными данными составляет 2 %. И в дальнейшем может рассматриваться
как постпроцессор к пакету Fire3D [4] и вместе с
ним использоваться для вариантной проработки
конструктивных решений при проектировании и
модернизации котельных агрегатов.
б)
Список литературы:
1. Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов – М.: Энергоатомиздат, 1987 –
144 с., ил.
2. Mitchell J.W., Tarbell J.M. A kinetic model
of nitric oxide formation during coal combustion // American Institute of Chemical Engineers Journal. – 1982. – V. 28. – № 2. – P.
302–310.
3. Будилов О.И., Заворин А.С. Опыт улучшения экологических характеристик тепловой электростанции. – Томск.: Издательство «Красное знамя», 1994. – 100 с.
4. Заворин А.С., Красильников С.В., Старченко А.В. Программный комплекс для
расчета и визуализации трехмерных реагирующих турбулентных течений в топках котлов // Проблемы использования
канско-ачинских углей на электростанциях: Матер. Всеросс. научно-практ. конф. –
Красноярск: СибВТИ, 2000. – С. 369–371.
в)
Рис. 1. Распределение средних в горизонтальных сечениях по высоте топочной камеры: а)
концентрации оксидов азота, б) концентрации
кислорода, в) температуры факела
Как видно из рис. 1, распределение характеристик
по высоте топочной камеры, указывает, что процесс горения топлива завершается на высоте
≈10 м, область максимальных значений температур (до 1400°С) и процесс образования оксидов
идет в сравнительно не большой зоне выше уровня
горелочного пояса.
Сравнение полученных численных результатов с
натурными исследованиями [3] в зависимости от
избытка воздуха представлено на рисунке 2.
162