Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проблемы снижения выбросов вредных веществ, образующихся при сжигании твердого топлива
1.1 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 47 60 61
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 65
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 104
4.4 Численное моделирование образования оксидов азота в топочной камере при изменении избытка воздуха
4.5 Численное моделирование образования оксидов азота при ступенчатой подаче топлива в топку
4.6 Краткие выводы
Заключение список литературы
- Генерация оксидов азота при горении топлива
- Математическая постановка задачи
- Метод решения конвективно-диффузионно-кинетического уравнения для концентрации топочных газов
- Базовый вариант расчета теплообмена и аэродинамики в топке
Генерация оксидов азота при горении топлива
Значимой группой токсичных веществ, попадающих в атмосферу, являются газы неполного горения топлива: оксиды углерода (CO), альдегиды (HCHO) и органические кислоты.
В конечных продуктах сгорания концентрация оксидов углерода зависит от аэродинамики топочной камеры и организации сжигания топлива: эффективности смешивания холодного потока «топливо-воздух» с рециркулирующими дымовыми газами, расположения поверхностей нагрева по отношению к факелу, взаимного расположения горелок и других факторов [2, 5].
Большой канцерогенной активностью обладает 3, 4-бенз(а)пирен. Он относится к достаточно хорошо изученным канцерогенным веществам. Образование бенз(а)пирена протекает с участием углеводородов ряда ацетилена. Значительное количество бенз(а)пирена выделяется при режимах горения, сопровождающихся сажеобразованием, и зависит прежде всего от избытка воздуха в топке и температуры факела. В топочных устройствах с хорошей организацией процесса горения концентрация бенз(а)пирена не превышает 0,410-4 мкг/м3 в продуктах сгорания топлива [6].
Для угольной теплоэнергетики наибольшее значение имеют оценки выбросов диоксида серы (SO2) и оксидов азота (NOx), так как выбросы серы и азота всегда вместе присутствуют в продуктах сгорания и обладают суммированным воздействием [7].
Выбросы оксидов серы занимают второе место (после оксидов углерода) по массе загрязняющих атмосферный воздух веществ. Одна из техногенных причин наличия выбросов серы в атмосфере – использование твердого топлива, в частности, угля. В топках котлов диоксид серы образуется при сгорании топливной серы. Поэтому в технологии топливосжигания основным направлением предотвращения выбросов SO2 является использование низкосернистых топлив. Концентрация серного ангидрида зависит от температуры и содержания окислителя, а также связана с количеством оксидов азота в продуктах сгорания по реакциям с учетом оксида серы [8]: S02+2NO = S03 + N20; S02 + N02= S03 +NO. Оксиды азота содержатся в атмосфере в значительно меньших количествах, чем молекулярный азот (79 % от атмосферного воздуха), но несмотря на это, их влияние на жизнь человека и биосферу в целом очень значимо.
Оксиды азота разделяют на группы по степени окисления азота. По мере увеличения валентности образуются гемиоксид N2O, монооксид NO, азотистый ангидрид N203, диоксид NO2, тетраоксид N204 и азотный ангидрид N205. Для охраны окружающей среды большое значение имеют моно- и диоксид азота, сумму которых обозначают как NOx. Другие оксиды азота не являются настолько важными с этой точки зрения, либо их присутствие в атмосферном воздухе очень мало из-за неустойчивости [9-11].
В настоящее время в российских директивных документах по охране окружающей среды предполагают полный переход NO в NO2 в атмосфере, что, конечно, приводит к завышению расчетной загазованности воздуха по сравнению с фактической. Такое решение принято несколько десятилетий назад в связи с невозможностью рассчитывать долю перехода NO в NO2 [8]. Исследования, проведенные в 70-х годах советскими (А.К. Внуков, И.Я. Сигал и др.) и зарубежными (Бейлке, Элшоут) учеными, позволили оценить с достаточной точностью степень перехода NO в NO2 в зависимости от некоторых атмосферных параметров.
Реакция (1.1) играет роль только при достаточно высоких концентрациях NO, скорость её уменьшается по мере снижения концентрации NO и быстро становится несущественной. Еще меньшую роль играет реакция (1.3): превращение оксида азота в диоксид с помощью пероксидного радикала имеет значение лишь тогда, когда высоки концентрации углеводородных радикалов и интенсивность ультрафиолетового облучения. Наибольшее значение имеет реакция (1.2) -окисление NO озоном [8].
Процессы образования оксидов азота при горении изучены не в полной мере и требуют дальнейшей детальной проработки сложной кинетики химического процесса с совместным изучением тепломассообмена и его влияния на кинетическую картину процесса в целом. Во второй половине XX века (60-70е гг.) почти во всех публикациях в СССР и за рубежом за основу модели образования NO принималась схема, разработанная Я.Б. Зельдовичем [12], согласно которой выход оксидов азота определяется реакцией между атомом кислорода и молекулярным азотом, а образование атомарного кислорода - диссоциацией молекулы O2. Эти процессы имеют высокий энергетический потенциал (Е=561 кДж/моль) и определяются температурой процесса. Однако опыты показывали [12, 13], что: - образование NO в факеле происходит в зоне горения и зависит от многих химических реакций, при этом процесс образования NOx протекает не только при реакции атомарного кислорода с молекулой азота, но и в других реакциях;
Математическая постановка задачи
Реакции (1.6)-(1.8) обладают сильной температурной зависимостью. Ниже температуры 1100 К происходит уменьшение содержания оксидов азота согласно реакции (1.4). С повышением температуры доминируют реакции, в которых радикал амина взаимодействует с NH и HNO, что ведет к образованию оксида азота, например: NH2+HNO - NH3+NO. (1.9) Дальнейшее повышение температуры препятствует образованию радикала амина, и при температуре выше 1540 К аммиак полностью превращается в оксид азота. Для продуктов элементарных реакций согласно уравнению (1.9) возможны различные пути: NH2+NO N2+H20; NH2+NO NNH+OH.
Из вышеизложенного следует, что основной проблемой при моделировании процесса окисления азота является не столько недостаток кинетических данных для необходимого температурного диапазона, сколько выбор схем взаимодействия компонентов и промежуточных продуктов. В литературе имеется несколько кинетических схем [1-3, 27-36], которые представлены в нижеприведенном обзоре. Критериями выбора из них схемы для модели является достаточная точность воспроизведения экспериментальных данных расчетами, оптимальное число реакций и участвующих компонент.
А.М. Дином [27] представлена кинетическая схема образования оксидов азота при горении азотосодержащего топлива, которая опирается на подробное описание реакций между аммиаком и другими компонентами, включая промежуточные продукты. Кинетическая схема Дина [27] включает 30 элементарных реакций между 15 веществами:
Данная кинетическая схема применялась в работах А.С. Аскаровой с соавторами [37] для моделирования образования NOx в пылеугольных топках, в частности, для котла ПК–39 паропроизводительностью 475 т/час Ермаковской ГРЭС при сжигании экибастузского угля. Для этого при использовании реакционно-кинетической схемы по модели [27] предварительно рассчитывались поля скоростей и температуры, определяющие конвективные и диффузионные потоки. Затем решались обыкновенные дифференциальные уравнения для реагирующих компонентов. Источниковые члены в этих уравнениях были получены с учетом кинетической схемы Дина (рис. 1.5). Численное решение нелинейной системы обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих изменения концентраций соответствующих компонентов, было найдено методом Гира [38, 39]. Полученные результаты [37] позволили оптимизировать процесс сжигания высокозольного топлива в направлении повышения степени его выгорания и снижения выбросов вредных веществ (NOx, СО).
Модель генерации NO при сжигании пылевидного топлива, в основе которой лежит кинетический механизм, включающий 12 обобщенных суммарных химических реакций, предложена Дж.В. Митчеллом и Дж.М. Тэрбеллом [28]. Она воспроизводит сложный процесс преобразования азотсодержащих веществ топлива в NO во время процесса горения.
Значимые суммарные реакции, которые участвуют в генерации NOx при сгорании пылевидного топлива (рис. 1.6), учитывают процессы пиролиза угля, гетерогенного горения коксового остатка, образования топливных, «быстрых» и термических NOx. Стехиометрия суммарных реакций, включенных в кинетическую модель, приведена ниже [28]:
Пиролиз угля описывается реакциями (1.13) и (1.15), а горение кокса – реакцией (1.10). Горение углеводородов, вышедших с летучими веществами во время газификации угля, учитывается реакцией (1.14). Реакция (1.18) представляет механизм образования термических NOx, а генерация топливных и «быстрых» NOx описывается реакциями (1.11), (1.16), (1.17) и (1.19) – (1.21).
Следуя этой схеме (рис. 1.6), процесс образования оксидов азота можно представить следующим образом. При быстром нагреве частицы угля происходит ее термическое разложение (пиролиз), в результате которого имеет место выход летучих компонентов и азота топлива. При этом часть связанного азота топлива (70–80 % от общего количества) [28] сразу преобразуется в газовую фазу в виде цианидов (направление реагирования 1, рис. 1.6). Затем происходит газофазное горение углеводородных компонент летучих и гетерогенное догорание коксового остатка. Остаточный азот (20– 30 % от общего количества азота топлива), распределенный по частице кокса равномерно, преобразуется в NO со скоростью, эквивалентной скорости догорания коксовой частицы (направление реагирования 2). Образующиеся при выходе летучих веществ цианиды преобразуются (направление реагирования 3) в амины, которые, вступая в реакцию с кислородом О2 (направление реагирования 4) или с монооксидом азота NO (направление реагирования 5), могут способствовать либо генерации оксидов азота, либо восстановлению N2 из NO.
Рисунок 1.6 Схема суммарного кинетического механизма горения угольной частицы и образования оксидов азота(по модели Дж. В. Митчелла и Дж. М. Тэрбелла) [28]
Важным взаимодействием с точки зрения конверсии оксидов азота являются реакции образования HCN в результате взаимодействия углеводородов с NO (направление реагирования 6) и гетерогенная реакция между NO и частицей кокса (направление реагирования 7) [28].
При помощи модели [28] рядом исследователей [25, 41] проводилось моделирование генерации оксидов азота при горении угольного топлива в топках энергетических котлов ПК–39–2 Ермаковской ГРЭС, БКЗ–210–140Ф Владивостокской ТЭЦ–2, ТПЕ–427 Новосибирской ТЭЦ–3, в том числе в камере сгорания со ступенчатой системой сжигания. Полученные результаты расчетов сравнивались с данными, полученными на основе полуэмпирических соотношений [40], и с экспериментами, проведенными непосредственно на котлах [25, 41]. В целом, применение модели [28] для исследования процессов, протекающих в пылеугольных топках со ступенчатой системой сжигания, с одной стороны, подтвердило перспективность такого метода для уменьшения выбросов вредных оксидов азота, с другой стороны, показало возможности модели.
И.Н. Гусев, Л.И. Зайчик и Н.Ю. Кудрявцев [29] предложили полагать, что все топливные оксиды азота генерируются из азота топлива, преобразовавшегося вместе с летучими веществами в газообразную фазу. При этом азот, оставшийся в коксовой частице, не учитывается. Образование топливных NО происходит и учитывается одновременно с выходом и горением летучих веществ во время разложения азотосодержащих соединений топлива. Продуктами разложения последних являются либо активный атомарный азот N либо цианид водорода HCN. Затем процесс развивается по двум путям. Первый из них - окисление азота или цианидов с образованием оксида азота по схеме: N(HCN)+О2NО. Второй путь приводит к рекомбинации атомарного азота 2NN2 с образованием молекулярного азота либо тот же самый результат дает восстановление оксида азота по схеме: N(HCN)+ NО N2 .
Метод решения конвективно-диффузионно-кинетического уравнения для концентрации топочных газов
Задание граничных условий системы уравнений (2.1)-(2.30) определено типом границы: на входных границах для всех характеристик применяются однородные распределения; на выходных границах применяются так называемые мягкие граничные условия, означающие равенство нулю производных по нормали от зависимых величин (выходные границы в этом случае должны быть расположены в достаточной удаленности от зон возможной рециркуляции потока); на стенках канала при условии прилипания: граничные условия первого рода для скорости, для температуры газа - равенство нулю производной по нормали параметров диспергированной фазы и концентраций газовых компонентов, а также метод пристеночных функций [68-70] при определении трения на стенках, конвективной составляющей теплового потока, энергии турбулентности и скорости ее диссипации (в пределах области) [25].
Для системы (2.31)-(2.33) граничные условия записываются следующим образом: на входных границах - нулевые значения концентраций Сш , CHCN, CNO; для выходных границ - мягкие граничные условия [46]; на стенках - равенство нулю производной от искомой величины по нормали. 2.3 Краткие выводы:
Для исследования образования оксидов азота в топках котельных агрегатов с факельным сжиганием пылевидного топлива сформулирована модифицированная математическая модель. В модели учитываются пространственные процессы движения, конвективный и радиационный теплообмен в двухфазной полифракционной среде топочной камере. При горении топливных частиц рассматриваются стадии, связанные с их инертным нагревом и охлаждением, выходом летучих и догоранием коксового остатка. Кроме гетерогенных реакций в топочной среде моделируются реакции догорания монооксида углерода, горения реагирующих летучих компонентов с учетом турбулентной диффузии. При математическом описании процессов образования вредных оксидов азота за основу взята кинетическая схема Митчелла и Тэрбелла, в которой учитываются химические реакции образования топливных, термических и «быстрых» NO, а также гетерогенная реакция взаимодействия оксидов азота с углеродом коксовых частиц. В данной работе эта кинетическая схема впервые дополнена одновременными представлениями конвективно-диффузионных процессов, более точно описаны выход азота с летучими компонентами угля и процесс горения коксового остатка. Кроме того, обоснована возможность отдельного решения задачи по определению пространственных полей концентрации NO после решения основной задачи аэродинамики, теплообмена и горения в топке с факельным сжиганием полидисперсных частиц. В вычислительной практике часто приходится иметь дело с необходимостью решения дифференциальных уравнений с начальными условиями. При решении таких задач широко используются методы Рунге– Кутты (первая группа методов), применение которых связано с определением правой части системы обыкновенных дифференциальных уравнений в промежуточных точках. Вторую группу методов составляют многошаговые, когда вычисляют три и более расчетных слоев. Выделяют в отдельную группу задачи, для решения которых имеет место определение разномасштабных гармоник (жесткие системы ОДУ).
В зависимости от вида условий, которым должно удовлетворять численное решение, рассматривают 3 вида задач, для которых доказано существование и единственность решения [39, 71, 72].
Ко второму виду задач относят граничные или краевые задачи, в которых дополнительные условия связаны с искомыми решениями через задаваемые функциональные соотношения. При этом количество дополнительных условий должно соответствовать порядку п системы или уравнения [39, 71].
Третий вид задач в виде ОДУ - это задачи на так называемые собственные значения. Отличие этих задач от других видов состоит в том, что кроме искомых функций у(х) и их производных дополнительно в уравнения входят т неизвестных параметров Л1,Л2,...,Лт. Они называются собственными значениями. Таким образом, получение единственного решения на интервале[х0,хк] требует задавать п + т граничных условий [39,
Численное решение ОДУ имеет смыл в тех случаях, когда через известные функции не удается получить аналитические решения задач. Следует отметить, что в некоторых задачах даже при существовании аналитических решений численные методы являются наиболее эффективными [38].
Основной принцип методов состоит в том, что производные на интервале [x0,x0+h] в точках, выбираемых по условию наибольшей близости алгоритма к ряду Тейлора, аппроксимируют через значения функции f(x,y) [38]. В зависимости от высшей степени h, с которой ведется учет членов ряда, вычислительные схемы Рунге-Кутты построены для разных порядков точности. В связи с этим для систем ОДУ используются классические методы Рунге-Кутты и методы многошагового решения задачи Коши [38, 71].
В вычислительных схемах методов Рунге-Кутты четвертого порядка в тейлоровском разложении искомого решения y(t) учитывают члены, которые содержат до четвертой включительно степени шага h. Аппроксимация производных правых частей системы ОДУ (3.1) дает схему Рунге-Кутты четвертого порядка, которая приведена ниже [71]:
Мерсон предложил модификацию метода Рунге-Кутты 4-го порядка для оценки погрешности на каждом шаге. Схема Мерсона позволяет оценивать правую часть ОДУ в пяти точках, но за счет только одного дополнительного коэффициента к, [38, 71]:
Базовый вариант расчета теплообмена и аэродинамики в топке
При построении дискретного аналога придерживаемся правила положительных коэффициентов, которое влияет на устойчивость и обеспечивает монотонность приближенного решения.
Во многих из интересующих нас задачах в точках, соседствующих с некоторой, называемой узловой, влияние значений зависимой переменной на значение в самой узловой точке определяется процессами диффузии и конвекции. Следовательно, при прочих равных условиях увеличенное значение в одной точке приводит к увеличенному (а не уменьшенному) значению в соседней узловой точке. Из уравнения (3.16) видно, что при увеличении СР из увеличения СЕ вытекает, что коэффициенты аЕ и ар имеют одинаковый знак [4]. Общий случай описан в уравнении (3.17):
Коэффициенты как перед переменной в соседних точках апЬ, так и перед её значением в центральной точке ар, должны иметь одинаковые знаки, что и обеспечивает полученная схема. Для решения системы сеточных уравнений (3.17) использовался инерционный метод - явный метод Н.И. Булеева [76] -который при выполнении условий диагонального преобладания матрицы системы является устойчивым.
В данной работе для решения уравнений математической модели (2.1) - (2.30) использовался вычислительный пакет FIRE 3D, который был разработан в 2000-2005гг коллегами автора из ТПУ в сотрудничестве с учеными Томского государственного университета [51, 79-82] и предназначен для расчета пространственных характеристик аэродинамики, тепло- и массообмена и горения в топках котлоагрегатов при факельном сжигании пылеугольного топлива. ППП FIRE 3D [51, 79-84] включает в себя три последовательные части обработки данных. Во-первых, это Mesh Creator для импорта из текстового файла расчетных сеток трехмерных геометрий. Во-вторых, это основная часть Flow Searcher, используемая для расчета турбулентных течений и теплообмена с возможным применением для описания горения и движения частиц угля лагранжева подхода. Третьей частью является Data Vision, используемая для визуального представления результатов вычислений.
Предпроцессор Mesh Creator в пакете FIRE 3D предназначен для построения грубых расчетных сеток, используемых в Flow Searcher. Расчетная сетка в данном приложении строится на основе геометрических данных топки и с учетом схемы сжигания топлива, а также характеристики сжигаемого топлива. Здесь же указываются условия ввода топлива в топку через горелочные устройства.
В приложении Flow Searcher в соответствии с описанной в гл. 2 постановкой производится расчет трехмерной аэродинамики при учете переноса тепла излучением и конвекцией для горения полидисперсного пылеугольного топлива (применительно к камерам сгорания котельных агрегатов). Замыкание уравнений Рейнольдса проводится с использованием двухпараметрической «k-s» модели турбулентности [25], которая учитывает присутствие в турбулизованном потоке дисперсных частиц. Движение и теплообмен топливо-золовых частиц в камере сгорания описывается с применением Лагранжева (PSI-CELL) подхода [61], позволяющего моделировать в деталях как процессы выделения влаги и летучих из частиц, дожигания их коксового остатка, так и полидисперсный состав твердой фазы. Для представления теплопереноса излучением используется Р1-приближение метода сферических гармоник, ранее уже зарекомендовавшего себя при анализе процессов в камерных топках. Численное решение системы трехмерных уравнений проводится методом конечного объема с применением алгоритма SIMPLE Патанкара и Сполдинга [4].
Возможности программы Flow Searcher разрешают проводить расчеты в последовательности из трех режимов: сначала базовый или однофазный расчет (без горения), а затем включать учет дисперсной фазы и процессов горения.
Полученные программой FIRE 3D результаты расчетов температур, скоростей и других параметров в топке котла на следующем этапе по усмотрению пользователя могут визуализироваться программой Data Vision [82]. Визуализацию можно выполнять в двух- и трехмерном вариантах с отображением любого количества характеристик, тоже двух – или трехмерных, которые рассчитаны по шахматной сетке и записаны в файл в специальном формате. Приложение Data Vision универсально: характеристики могут представляться в векторном или скалярном виде, возможен черно-белый режим их отображения для нецветных принтеров и публикаций. Принцип программы визуализации простой: на основе расчетной сетки строятся плоскости, которые соответствуют внешним видимым ячейкам, закрашивание которых по цветовой интенсивности соответствует величине отображаемого в данной ячейке параметра.
Приложение Data Vision [82] обладает возможностью показывать разрезы по координатам X, Y, Z, и в зависимости от того, какой установлен разрез по осям, можно рассмотреть внутреннюю структуру интересующей характеристики.
Большой практический интерес в настоящее время представляют сокращенные кинетические схемы образования NOx [28–32], которые основаны на обобщенных (суммарных) химических реакциях. Эти обобщенные модели хорошо сопрягаются с двумерными и трехмерными газодинамическими моделями расчета топок и поэтому могут служить эффективным инструментом для научных и прикладных исследований.
В данной работе для обоснования выбора эффективной кинетической схемы были проведены специальные тестовые расчеты.
Тест 1. Исследование генерации топливных оксидов азота при горении пыли различных углей в экспериментальной установке ВТИ [18].
