Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор состояния и накопленного опыта по горелочным и топочным устройствам, работающим на природном газе, экологическим вопросам и численному моделированию топочных процессов 11
1.1 Обзор механизмов образования вредных выбросов при сжигании газообразного топлива 11
1.2 Методы снижения выбросов оксидов азота 15
1.3 Обзор энергетических горелочных устройств для сжигания газообразного топлива 17
1.4 Требования к вновь проектируемой горелке 26
1.5 Перевод котлов на сжигание газового топлива 27
1.6 Экспериментальные исследования горелочных устройств 30
1.7 Современный этап инженерных расчетов - численное моделирование физико-химических процессов 31
1.8 Выводы по первому разделу 47
2 Исследование топочных процессов с вихревыми газовыми горелками 49
2.1 Особенности технологии численного моделирования 49
2.2 Подготовка исходных данных для проведения численных
экспериментов 52
2.3 Численное моделирование топочных процессов с полной геометрией одной вихревой горелки 62
2.4 Результаты численного моделирования топочных процессов котла БКЗ-320-140 с вихревыми горелками 63
2.5 Реконструкция двухпоточной вихревой газовой горелки 65
3 Исследование топочных процессов с прямоточно-вихревыми горелками 77
3.1 Прямоточно-вихревая горелка: конструкция и особенности 77
3.2 Подготовка данных для проведения моделирования 79
3.3 Ряд исследований с прямоточно-вихревой горелкой 80
3.4 Результаты численного моделирования с прямоточно-вихревыми горелками 80
3.5 Выводы по результатам моделирования 83
3.6 Общие выводы по разделу 83
4 Исследование топочных процессов с плоскофакельными горелками 85
4.1 Плоскофакельная горелка: параметры, конструкция и особенности 85
4.2 Компоновка плоскофакельных горелок 87
4.3 Подготовка данных для проведения моделирования 88
4.4 Результаты и выводы по первому варианту 89
4.5 Исследование параметров топочного процесса с плоскофакельными горелками 90
4.6 Выводы по результатам исследования топочных процессов с плоскофакельными горелками 97
5 Обработка и анализ полученных результатов исследований 101
5.1 Представление результатов 101
5.2 Сравнительный анализ результатов с различными конструкциями горелочных устройств 103
5.3 Распределение температур по высоте топки 106
5.4 Уточнение расчета коэффициентов распределения тепловых потоков по нормативной методике 109
5.5 Уточнение расчета температуры на выходе из топки 115
5.6 Рекомендации по принятию проектных решений при переводе котлов, геометрически подобных БКЗ-320-140, с угля на сжигание природного газа 116
5.7 Оценка экономического эффекта от внедрения разработанных мероприятий 123
Заключение 127
Список сокращений и условных обозначений 129
Список использованных источников 130
- Обзор энергетических горелочных устройств для сжигания газообразного топлива
- Численное моделирование топочных процессов с полной геометрией одной вихревой горелки
- Ряд исследований с прямоточно-вихревой горелкой
- Результаты и выводы по первому варианту
Обзор энергетических горелочных устройств для сжигания газообразного топлива
Значительный рост промышленности второй половины XX века обусловил целый ряд проблем, одной из важнейших проблем является защита окружающей среды от загрязнений [78].
Основным источником загрязнений атмосферного воздуха являются тепло- и электрогенерирующие установки, в основе которых заложены процессы сжигания. Крупнейшим загрязнителем являются тепловые электрические станции, на которых происходит сжигание большого объема органического топлива и образуется соответствующее количество токсичных веществ, в частности - оксиды азота и серы [67, 24].
В начале 2000-х годов доля природного газа и мазута составляла более 73% от всего сжигаемого в теплоэнергетике топлива [67]. Согласно энергетической стратегии России [97, 98] в обозримом будущем газовое топливо останется доминирующем в топливно-энергетическом балансе страны.
Основные загрязняющие вещества, образующиеся при сжигании природного газа в топках котлов: оксид и диоксид азота, сумму которых принято обозначать как NOx; бенз(а)пирен - сильнодействующее канцерогенное вещество [4]; оксид углерода СО, концентрация которого при достаточном уровне окислителя и температуры полностью зависит от условий перемешивания топлива и воздуха [7]. В данной работе будут рассматриваться топочные процессы с различными горелочными устройствами и одним топливом - природный газ, поэтому основной акцент при составлении аналитического обзора будет сделан на особенности сжигания природного газа. Имеющиеся данные [104] свидетельствуют о значительном загрязнении крупных промышленных центров канцерогенными веществами. Результаты исследований образования бенз(а)пирена в зависимости от режимных условий сжигания природного газа [24] показали, что его содержание зависит от избытка воздуха. Минимальная концентрация достигнута при ат,,=1.05-1.15, при этом как увеличение, так и снижение избытка воздуха влечет повышение концентрации. Снижению концентрации способствует улучшение смешения топлива и воздуха.
При сгорании органического топлива образуется главным образом оксид азота NO, доля диоксида азота N02 в продуктах сгорания котельных установок составляет обычно 2-5%. В атмосфере происходит доокисление большей части NO до N02. При этом токсичность диоксида азота в несколько раз выше токсичности оксида азота [40, 78].
Источником оксида азота является азот воздуха N2 и азотосодержащие компоненты топлива. В природном газе, как правило, содержание азота ничтожно мало и вкладом топливных оксидов азота можно пренебречь.
В 60-80-е годы XX столетия были проведены многочисленные исследования по образованию NOx в топочных процессах, результаты которых освещены в сборниках [47, 48 и др.] и монографиях [40, 78 и др.]. Исследования проводились на работающих котлах и лабораторных стендах [37] при сжигании различных видов топлива, в результате были установлены основные закономерности образования оксидов азота и предложены методы их подавления. К настоящему времени большинство методов прошли промышленные испытания и успешно внедрены на объектах тепловой энергетики.
Выделяют три механизма образования оксида азота при горении: термический, быстрый и топливный [67, 78].
Итоги накопленного к 1988 году научного материала по механизмам образования оксидов азота подведены И.Я. Сигалом [78]. Предложено использовать зональный подход к объяснению выхода вредных веществ. Факел делится на три зоны: зона I - начальная зона факела (Т 1800 К), где выгорают углеводороды и образуются «быстрые» и топливные оксиды азота; зона II -зона максимальных температур, в которых образуются термические оксиды азота; зона III - хвостовая область факела, в которой оксиды азота не образуются и имеет место их частичное восстановление.
Наибольшие концентрации NO в турбулентном факеле природного газа достигаются в зоне, в которой горение исходных углеводородов (СН4 ,С2Н6 и др.) завершилось, а концентрации промежуточных продуктов реакции (СО, СН, СН2, и др.) достигают максимальных значений.
С увеличением турбулентности пламени выход NO возрастает. Концентрация NOx линейно увеличивается с увеличением концентрации атомарного кислорода и экспоненциально с увеличением температуры [78, 119]. Для турбулентного диффузионного пламени максимальные концентрации оксидов азота наблюдаются при оц- = 1.1 +- 1.2 [78, 7].
Термические оксиды азота образуются в результате цепных реакций в пламени, ведущую роль в которых играет окисление молекулярного азота атомарным кислородом. Их образование в области высоких температур, обычно превышающих 1800 К, связано с высокой энергией активации реакции [67, 107, 123]. На образование термических NO значительно влияет сочетание максимальной температуры горения и времени протекания реакции, которое характеризуется темпом охлаждения в зоне максимальных температур.
В зоне I, где температура еще не достигла 1800-1900 К, активно образуются оксиды азота, которые можно разделить на топливные [112, 134] и «быстрые». Установлено, что при температурах 1100-1800 К на начальном участке факела выход NO значительный [78].
Образование «быстрых» оксидов азота связано с процессом горения вообще, а не только с горением углеводородов [40, 78]. Максимальный выход «быстрых» оксидов азота для разных топлив и условий смешения наблюдается при (ХпокЪ диапазоне от 0.65 до 0.8 [62, 60]. Кроме того, выход NOE увеличивается с ростом температуры и темпов прогрева факела. В результате численных экспериментов, выполненных в МЭИ [65], были обнаружены две различные области избытков воздуха, в которых механизмы образования быстрых оксидов азота существенно различаются. В зонах горения с локальными избытками воздуха алок 0,7 имеет место монотонное увеличение содержания NO до определенных значений. Далее по факелу в зоне высоких температур происходит образование термических оксидов азота. В зонах горения с алок 0,65 после интенсивного выхода быстрых NO наблюдается их частичное восстановление до молекулярного азота N2 в реакциях с не полностью прореагировавшими углеводородными СНІ И азотсодержащими NHi радикалами. Степень восстановления NO до N2 тем больше, чем меньше коэффициент локального избытка воздуха и чем больше время пребывания в данной зоне [62, 60].
Численное моделирование топочных процессов с полной геометрией одной вихревой горелки
Существует широкий спектр признаков, по которым производят классификацию горелочных устройств [96, 33, 43, 86, 6]. В труде Ю.В. Иванова [33] весь спектр газовых горелок классифицирован по относительному количеству первичного воздуха и процессу смешения газа с первичным воздухом. Шатиль А.А. разделяет горелочные устройства на три типа: вихревые, прямоточные и плоскофакельные [96]. В работе Р.Б. Ахмедова [6] приведена классификация горелочных устройств, в основу которой положен способ подвода воздуха, по мнению автора это наиболее глубокий критерий, характеризующий как конструкцию горелки, так и особенности аэродинамической структуры факела, обусловленную конструкцией горелки. В книге В.А. Спейшера и А.Д. Горбаненко [86] освещены различные подходы по классификации горелок. В качестве наиболее существенного признака классификации выделен способ смешения сжигаемого газа с воздухом. Приведена классификация в зависимости от параметра крутки: прямоточные, вихревые горелки со слабой круткой потока, вихревые горелки со значительной круткой потока и «плоскопламенные» горелки (в настоящее время -плоскофакельные) [86]. На наш взгляд наиболее актуальная и полная классификация горелок представлена в методических указаниях 1996 г. [43]. Газовые и газомазутные горелки энергетических котлов относят к классу дутьевых горелок без предварительного смешения горючего газа с воздухом, которые классифицируются по следующим аэродинамическим и конструктивным признакам [43]: по способу аэродинамической организации факела - вихревые, прямоточные и прямоточно-вихревые; по количеству раздельных воздушных потоков (каналов) - одно- и двухпоточные, многопоточные; по способу подачи газа в воздушный поток - с центральной подачей, переферийной подачей, с комбинированной подачей газа, с промежуточной подачей (между смежными потоками воздуха); по способу подачи рециркулирующих газов через горелки - в смеси со всем воздухом; в смеси с одним из потоков воздуха; отдельным каналом; по способу закрутки воздуха - с осевым завихрителем; с тангенциальным завихрителем.
Предлагаем взять за основу классификации - аэродинамическую структуру факела, как наиболее существенный фактор, влияющий на топочный процесс и выделить типы горелок: прямоточные, прямоточно-вихревые, вихревые, плоскофакельные. Дальнейший обзор горелочных устройств приведем в виде подразделов основанных на данной классификации.
Вихревые горелки
Опыт эксплуатации и исследований топок с вихревыми и прямоточными, пылеугольными и пылегазовыми горелками чрезвычайно обширен. Он отражен в многочисленных статьях, монографиях и обобщен в руководящих указаниях по их проектированию [43, 90, 91].
В монографии А.А. Шатиля [96] отмечено: «несмотря на призматическую форму топок, с которыми хорошо сочетаются щелевые горелки, наибольшее распространение получили круглые (вихревые) горелки». Это объясняется благоприятной аэродинамикой вихревых горелок: создание пригорелочных зон обратных токов (приосевая и периферийная), что обеспечивает устойчивость факела на любом виде топлива [96].
В начале 70х годов прошлого века высокими темпами осваивалось применение газового топлива в энергетике, и основной проблемой было обеспечить полноту выгорания газа с наиболее низкими избытками воздуха [33, 85]. Иванов в 1972г. [33] утверждает, что основной параметр горелки для обеспечения высокой эффективности топочного процесса - распределение газа в воздушном потоке на выходе из горелки. Отмечено, что применение вихревых горелок обусловлено необходимостью попеременно сжигать жидкое, газовое, пылевидное топливо, при этом газовое топливо можно эффективно сжигать в прямоточных горелках [33].
Обширные исследования по сжиганию газа и мазута выполнил Р.Б. Ахмедов, основные результаты которых приведены в авторских работах [6, 9, 7, 21], его заключения и выводы согласовываются с работами Ю.В. Иванова.
Богатый материал по конструкциям и характеристикам вихревых горелок представлен в работе коллектива Подольского машиностроительного завода имени С. Орджаникидзе (ЗиО) [2]. Особенностью вихревых горелок ЗиО является преимущественное использование тангенциального завихрителя. Из опыта эксплуатации, наиболее надежным механизмом регулирования расходов по каналам горелки является установка поворотных шиберов на входе в каналы
Вихревой факел характеризуется ранним воспламенением и высокой интенсивностью горения. Благодаря хорошему перемешиванию топлива и воздуха, высоким температурам и локальным тепловым напряжениям основная масса (около 80%) оксида азота образуется уже на начальном участке факела на расстоянии 2-3 калибров от выходного сечения горелки. Эти же условия способствую минимальному недожогу [34, 31]. Повышение интенсивности крутки способствует сокращению длины факела и увеличению угла его раскрытия [6]. С увеличением параметра крутки, уменьшением длины факела возрастает его объемное тепловое напряжение и максимальная температура горения, что способствует образованию термических оксидов азота, причем максимум NO соответствует такому избытку воздуха, при котором в данных условиях достигается минимальный недожог [86, 6]. Увеличение параметра крутки приводит к росту выхода NOx [34,86,6,60].
Установлено, что внутрифакельная рециркуляция при сжигании высококалорийного топлива приводит к повышению концентраций оксидов азота [86, 16, 80].
В опытах И.Я. Сигала [78], максимальная локальная температура факела при интенсивности крутки потока, равной 1,86 на 150-170 С превышала температуру, наблюдаемую при сжигании природного газа в прямоточном факеле.
В газомазутных горелках с центральной раздачей газа перегреву и обгоранню подвержены газораздающие насадки [36], температура которых может достигать 1000 и более градусов [2]. Интенсивному обгоранню также подвержены лопатки аксиального завихрителя [2, 43]. Поэтому выходные участки обечаек, лопатки аксиального завихрителя, газораздающие насадки и другие элементы, подвергающиеся воздействию из топки, изготавливаются из жаростойких сталей (20Х23Н18, 20Х23Н13, и др.) [2, 43].
Ряд исследований с прямоточно-вихревой горелкой
Для моделирования процессов горения в камерах сгорания рекомендовано выбирать модель горения на основе характера подачи топлива: заранее перемешанная топливовоздушная смесь или раздельная подача воздуха и топлива [106]. В нашем случае имеет место раздельная подача воздуха и топлива, для которого рекомендовано использование моделей горения: модель вихревого рассеяния (EDM), комбинированная модель конечной скорости химической реакции и EDM (FRC/EDM), Flamelet модель.
Для предварительного анализа высокоскоростного турбулентного потока EDM - разумный выбор, но не позволяет моделировать скорость горения и расположение фронта пламени. Модель Flamelet требует наличие химической библиотеки и подходит для «быстрой» химии (большое число Дамкёлера (Da)) и турбулентного режима сжигания [106].
В статье Хорвата [114] горение струи метанола в воздухе описывается моделью вихревого рассеяния (EDM), предложенной Магнусен и Чертейгер [122], которая основана на условии, что химическая реакция - значительно быстрей процессов переноса в потоке. Модель предполагает, что скорость реакции может быть связана напрямую со временем, требуемым для смешения реагентов на молекулярном уровне. Уровень турбулентного смешивания, определяется масштабом времени турбулентности tjiow= к/є, что является управляющим условием для реакции горения. Другим лимитирующим условием реакции горения является наличие топлива и кислорода. Несмотря на явные недостатки EDM часто используется при моделировании промышленных установок, т.к. решение на ее основе - устойчиво и требует минимальное количество вычислительных ресурсов [116, 114].
Комбинированная модель конечной скорости химической реакции и EDM (FRC/EDM) подходит для широкого спектра числа Дамкёлера, для нее требуются кинетические данные для скоростей реакции. В CFX представлены библиотечные данные для реакции горения метана в воздухе, в частности двухступенчатая реакция, примененная в настоящем исследовании: ҐСН4+1.502- СО+2Н20
Для описания образования оксида азота в исследовании используется два механизма предустановленных в ANSYS CFX: быстрый по Фенимору и термический по Зельдовичу. Учет температурных пульсаций, оказывающих значительное влияние на выход NO, выполняется методом вычисления взвешенного среднего значения скорости реакции с помощью функции плотности вероятности (PDF) [106].
Модель теплового излучения
Программа ANSYS CFX реализует спектральное уравнение распространения излучения (приведено в обозначениях [106]): где v - частота излучения; г - вектор положения; s - вектор направления; s - длина пути; Ка - коэффициент поглощения; Ks - коэффициент рассеяния; 1ъ -интенсивность излучения абсолютно черного тела; Iv - спектральная интенсивность излучения, которая зависит от положения (г) и направления (s); Т - локальная абсолютная температура; Q - телесный угол; Ф - функция фазы рассеяния; S - интенсивность излучения источника.
Уравнение переноса (1.6) может быть решено с помощью различных методов и допущений. В ANSYS CFX реализовано 4 метода: приближение Росселанда, Р1-модель (или метод сферических гармоник в первом приближении) [116, 124], метод дискретного переноса и метод Монте-Карло [106].
Наиболее универсальными, но требующих относительно высоких затрат расчетного времени, являются методы Дискретного переноса и Монте-Карло [не]. Кокаэф и др. [120], дали заключение, что метод дискретного переноса обладает хорошей точностью и низкими затратами расчетного времени [109].
В ряде работ по моделированию топочных процессов [19, 41, ПО] радиационный теплообмен в двухфазном потоке представляется в рамках Р1 приближения метода сферических гармоник, который показывает хорошие результаты применения к пылеугольным топкам [130]. Но по результатам опытно-расчетной работы [116] для оптически тонких сред не рекомендуется модель Р1 в том виде, в котором она реализована в CFX [116].
Модель дискретного переноса основана на трассировке домена множеством лучей, покидающих ограничивающие поверхности. Методика была разработана Шахом (1979) [131] и зависит от дискретизации уравнения переноса вдоль лучей [106]. Граничная поверхность интерпретируется как множество излучающих узлов [124], испускающих лучистый поток по определенным направлениям. Эти направления определяются разбиением единичной полусферы, в центре которой находится излучающий узел, на равные телесные углы [106, 136]. При осуществлении, так называемой операции трассировки, вычисляются траектории лучей испущенных и отраженных от поверхности. Сравнительные расчеты показали, что увеличение количества лучей вдвое для рассматриваемой задачи (поток горячих газов в выходном устройстве авиационного двигателя) сказывается незначительно: разница максимальных и минимальных значений радиационной яркости на стенке не превышает 0,4 и 1,5% соответственно, при этом размер файла трассировки увеличивается в 10 раз [30, 29].
Преимущества модели: может использовать спектральную информацию; гибкая; совместима с численными алгоритмами. К недостаткам относят: значительные затраты времени, если описывать рассеивание частицами; недостаточная точность, если недостаточно лучей рассматривается в рассеивающей среде [109].
Результаты и выводы по первому варианту
В России накоплен опыт по переводу пылеугольных котлов на сжигание природного газа, краткий обзор имеющихся данных приведен в разделе 1.
Рассматривая исходную задачу - перевод пылеугольного котла БКЗ-320-140 на сжигание газа, в первую очередь следовало бы рассмотреть вариант установки комбинированных пылегазовых горелок взамен пылемазутных. Но, как указано во введении, в настоящей работе акцент сделан на рассмотрение и сопоставление работы различных типов горелочных устройств, при расположении газовых горелок на боковых стенах пылеугольной топки, согласно проекту реконструкции котла. В данной постановке задача ранее в полной мере не рассматривалась и научно-технических данных для обоснования и принятия решений явно недостаточно (раскрыто в разделе 1).
По результатам анализа компоновки горелочных устройств и в целом геометрии топочного устройства сделаны следующие выводы: выбор вихревых горелочных устройств, для сжигания исключительно высококалорийного газообразного топлива нерационален: высокая масса и стоимость изготовления; высокое сопротивление - необходимость в достаточной мощности дутьевого оборудования и повышенные затраты на дутье; большой диаметр амбразуры - усложнение разводки экранов, снижение лучевоспринимающей поверхности топки, повышенная вероятность заноса золой выходных сечений при работе на угле; встречное расположение горелок при глубине топочного объема по оси горелок 12 м позволяет увеличить фронт горения за счет увеличения длины факела; наличие низкоскоростного ввода третичного воздуха через пылевые горелки требует качественного перемешивания в зоне догорания, что особенно важно в случае принятия решения о переходе на сжигание с предельно малыми избытками воздуха.
Принимая данные выводы и сформулированные в п. 2.4 требования к горелочному устройству, проведя анализ накопленного опыта по проектированию газовых горелочных устройств (раздел 1), для замены вихревых горелок выбрано два типа горелок: прямоточно-вихревые (раздел 3) и плоскофакельные (раздел 4).
Представляет интерес сопоставление работы вихревых, прямоточно-вихревых и плоскофакельных горелочных устройств, по результатам которого можно сделать выводы и составить рекомендации по переводу пылеугольных котлов подобных БКЗ-320-140 на сжигание высококалорийного газообразного топлива. Прямоточно-вихревая горелка: конструкция и особенности
Инженерами отдела конструирования энергетического оборудования ОАО ВНИИАМ г. Таганрог при участии специалистов ЗАО «Югтеплокомплект» была разработана конструкция прямоточно-вихревой горелки, предназначенной для эффективного сжигания газа и мазута.
Для обеспечения возможности глубокой регулировки мощности и наладки оптимального режима сжигания топлива воздух разделен на два канала: внутренний - вихревой и периферийный - прямоточный. Учитывая относительно высокое сопротивление внутреннего канала, для регулирования доли воздуха, подаваемого в прямоточный канал на входе в распределительный короб прямоточного канала установлен шибер. Степень открытия шибера обеспечивает требуемое соотношение расходов по каналам, в результате на всех режимах нагрузки можно обеспечить оптимальную работу горелочных устройств.
Для снижения сопротивления, завихритель внутреннего канала разделен на две части цилиндрической проставкой.
Газ в зону горения поступает по газовыпускным трубкам трех типов: два типа - с выходной частью отогнутой внутрь относительно оси горелки, отличающиеся углом наклона и трубки, отогнутые наружу относительно оси горелки. Газ подается через два вынесенных за корпус горелки раздающих кольцевых коллектора. В один врезаны трубки, отогнутые наружу, в другой -трубки отогнутые внутрь. Выходя из коллекторов газовыпускные трубки, пронизывают стенку прямоточного канала проходят через него и выступают за край образующей внутреннего канала. Трубки располагаются равномерно поочередно по периметру прямоточного канала. Подвод газа в раздающие коллектора производится отдельными штуцерами. Выбранные скорости и соотношения аэродинамических сопротивлений коллектора и раздающих трубок обеспечивают необходимую равномерность раздачи газа по трубкам.
Разделение подводов газа к разным типам трубок позволяет регулировать доли газа поступающих в вихревой и прямоточный канал. Данное решение позволяет реализовать нестехиометрическое горение топлива и как следствие снизить концентрацию оксидов азота в дымовых газах.
Газ по отогнутым внутрь трубкам поступает в закрученный воздушный поток внутреннего канала в соотношении с воздухом менее стехиометрического, тем самым образуя восстановительную область. Газ по отогнутым наружу трубкам поступает в прямоточный канал в соотношении с воздухом более стехиометрического, образуя окислительную зону.
