Численное моделирование образования оксидов азота в пылеугольных топках котлов

• Автор: Визгавлюст, Наталья Викторовна
• Шифр специальности: 05.14.14, 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 129 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

1Л Газообразные вредные вещества, образующиеся при сжигании натуральных топлив

1.2 Генерация оксидов азота при горении топлива

1.3 Способы подавления оксидов азота при сжигании твердого топлива

1.4 Современные кинетические схемы генерации оксидов азота при горении пылевидного топлива и их использование в математических моделях

1.5 Обоснование задач исследования

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ В ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ ТОПКАХ

2.1 Физическая постановка задачи

2.2 Математическая постановка задачи

2.3 Краткие выводы
ГЛАВА 3 МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ И РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ
3.1 Численные методы решения систем уравнений химической кинетики
3.2 Метод решения конвективно-диффузионно-кинетического уравнения для концентрации топочных газов
3.3 Описание пакета FIRE 3D
3.4 Результаты тестирования различных кинетических схем
3.5 Краткие выводы
ГЛАВА 4 ПРИМЕНЕНИЕ ПАКЕТА FIRE 3D-NOx ДЛЯ АНАЛИЗА СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В ТОПКЕ КОТЛА

4.1 Характеристика объекта исследования
4.2 Базовый вариант расчета теплообмена и аэродинамики в топке
4.3 Численное моделирование образования оксидов азота при
изменении паропроизводительности котла
4.4 Численное моделирование образования оксидов азота в топочной камере при изменении избытка воздуха .......................... ^ 0^
4.5 Численное моделирование образования оксидов азота при
ступенчатой подаче топлива в топку............................. ^ 0£
4.6 Краткие выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
Жизненно важной проблемой современности является защита воздуха, возникающая как следствие несовершенной хозяйственной деятельности человека. Рост потребления энергии сопровождается увеличением вредных выбросов, загрязняющих окружающую среду. При этом не менее 40% от общего количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота приходится на долю тепловых электрических станций (ТЭС), работающих на органическом топливе. Образование оксидов азота при горении такого топлива приводит к существенным нарушениям природного равновесия. К основным, постоянным источникам загрязнения атмосферного воздуха, относятся работающие на угле ТЭС, поставляющие в атмосферу в больших количествах кроме оксидов серы (802 и 803) и оксидов азота (N0 и Ы02), твердые частиц, а также оксиды углерода, альдегиды, органические кислоты

Частица пылевидного топлива, попадая в топочную камеру котла с воздухом через горелочное устройство, вступает в процесс реагирования с внешней поверхности, а внутренняя масса до некоторого времени остается инертной. Топливно-воздушная струя расширяется в топочном объеме и увлекает за собой горячие топочные газы, перемешиваясь с ними, нагревается. Нагрев потока струи осуществляется от дымовых газов и внутренней поверхности топки в основном излучением, а также в меньшей мере конвекцией и теплопроводностью при контакте с топочными газами. Угольная пыль находится в состоянии полета в топочном объеме, проходя последовательно этапы тепловой обработки, сопровождаемые сушкой, выходом и горением летучих веществ, догоранием кокса и выделением шлакового остатка. Подготовленная в системе пылеприготовления угольная пыль состоит из частиц различной тонины помола, вследствие чего воспламеняются и сгорают первыми более мелкие пылинки. Для крупных частиц нагрев и начало горения несколько затягивается. Поэтому по длине

68. CkHm+M~C2H2+H2+..., 72. C2H2+OH^CH3+CO,
69. C2H4+O^CH3+H2CO, 73. С2Н2+0<е->СН+С0.
Проверка достоверности модели и оценка погрешности расчетов проводилась ее авторами сопоставлением большого количества экспериментальных и расчетных данных по горению различных углеводородных топлив для котлов [3]: БКЗ-420-140НГМ (природный газ), ТП^З (мазут), БКЗ-75-3,9 ГМА (мазут), П-67 (березовский уголь), ТПП-21 О А и для камеры сгорания газотурбогенератора ГТГ—12.
1.4.5 Модель Герасимова-Лосева-Макарова
Г.Я.Герасимов, С.А.Лосев, В.Н.Макаров [30] предприняли попытку совместного описания кинетики выхода и горения летучих веществ с превращением азотсодержащих компонент в оксиды азота, а также упрощения механизма реакции в целях получения компактной модели этого явления.
Была принята следующая физическая модель процесса. Сжигание пылевидного топлива происходит в турбулентных пылевоздушных струях, распространяющихся в топочном объеме. При этом процесс горения угольной пыли разделяется на два периода: период горения газовой фазы, образующейся вокруг частицы в результате выхода летучих, и период горения коксового остатка.
топливный азот
Рисунок 1.9 Общая схема конверсии топливного азота (по модели Герасимова Г.Я., Лосева С.А., Макарова В.Н.) [30]
Общая сокращенная кинетическая схема конверсии топливного азота на рис. 1.9, предложенная Г.Я. Герасимовым, С.А. Лосевым, В.Н. Макаровым [30], учитывает следующие реакции:
0+Н20—ЮН+ОН; CN+02—>CO+NO;
HCN+OH—»NH2+CO; NH2+N0->N2+H20;