Разработка теоретических основ снижения образования оксидов азота в топках газотрубных котлов

В России все более широкое применение находит автономное (децентрализованное) теплоснабжение. Оно особенно развито в тех регионах России, где нет недостатка в сетевом (природном) газе и имеется достаточно развитая система газоснабжения. Эти системы обеспечивают более высокий уровень теплового комфорта и создают дополнительные возможности для энергосбережения.

Одной из важнейших частей автономного теплоснабжения является газотрубные котлы малой мощности, которые нужны для получения пара и горячей воды. Интенсифицировать процессы переноса энергии и улучшения характеристик котла возможны с помощью изменения геометрических характеристик топки котла.

Моделирование процессов, происходящих в топке газотрубного котла, осуществляется с помощью расчетного комплекса ANSYS [1, 2].

Для описания турбулентных течений реагирующих газов используется модель турбулентности с двумя уравнениями. Эта модель турбулентности получила название k-е с двумя уравнениями (k — турбулентная кинетическая энергия, е — величина рассеивания кинетической энергии).

Рассмотрим основные уравнения, которые описывают реагирующую газовую смесь при следующих основных допущениях [3]: газовая смесь, заполняющая топочный объем — серое тело; теплота от факела к стенке в основном переносится излучением, конвекцией и молекулярной теплопроводностью; внутри пограничного слоя давление не изменяется вдоль нормали к поверхности тела и равно соответственному давлению на внешней границе пограничного слоя; внутри температурного пограничного слоя члены, характеризующие изменение энергии вследствие конвекции и изменения времени одного порядка с членами, характеризующими изменение энергии вследствие молекулярной теплопроводности; суммарный перенос теплоты на границе раздела газовой смеси — стенка осуществляется за счет адвекции и излучения; реагирующий газ CH4 — 100%, окислитель — воздух.

1. Неразрывности для всей смеси:

(1).

где с — плотность газовой смеси, U — вектор скорость, t — время.

2. Неразрывности для каждого компонента:

S_I — скорость образования I-компонента, — концентрация вещества I-компонента, — плотность каждого I-компонента, — коэффициент диффузии, Г_I — коэффициент диффузии для I-компонента, µ_t — турбулентная составляющая динамической вязкости,.

— число Шмидта, н — кинематическая вязкость.

3. Моментов:

(3).

где В — сумма всех сил, действующих на объем газа, м_eff — эффективная турбулентная вязкость, Р — давление.

В формулах (1) — (3) используются следующие обозначения:

.

.

4. Энергии и диссипации:

(4).

. (5).

где S^R — источниковый член, С, С, _k , — справочные константы [1, 2], Р_k — параметр турбулентности, характеризует соотношение между силами вязкости и силами выталкивающими P_kb [1, 2]:

. (6).

5. Определение энтальпии:

Общая удельная энтальпия h_tot определяется следующим выражением:

h_tot = h + k, (7).

где.

h — удельная энтальпия неподвижной газовой смеси.

6. Определения вязкости:

k- модель основывается на концепции турбулентной вязкости, поэтому:

м_eff = м + м_t, (8).

где м — динамическая вязкость. В данной модели предполагается, что турбулентная вязкость связана с турбулентной кинетической энергией и диссипацией через выражение:

(9).

где С_м— справочная константа [1, 2].

Переменные k и е являются результатом решения дифференциальных транспортных уравнений для турбулентных кинетической энергии и диссипации:

7. Уравнение состояния:

Уравнение состояния, предложенное Редлихом-Квонгом, выглядит следующим образом [1, 2]:

(10).

где х — удельный объем. Величины a, b, с — константы, зависящие от конкретного вещества. газотрубный котел оксид азот.

8. Начальные условия:

Принимаются значения всех параметров, входящих в систему уравнений, при времени t = 0 и при начальной температуре T = 300 K.

9. Граничные условия:

Для математического моделирования конкретных течений многокомпонентного реагирующего газа необходимо поставить соответствующие граничные условия [1, 2]:

— условия прилипания на непроницаемой поверхности W

. (11).

— задаются условия сложного теплообмена на стенке.

q = q_C + q_R, (12).

где q — плотность теплового потока через пограничный слой от реагирующей газовой смеси к стенке, q_C — плотность теплового потока, переносимого объемом газа, со стороны реагирующей газовой смеси к стенке, q_R — плотность радиационного теплового потока со стороны реагирующей газовой смеси к стенке (определяется методом Монте-Карло).

• — непроницаемость;
• — градиент давления в направлении нормали к поверхности.

На проницаемой границе, которой является вход в топке, задаются:

• — массовая скорость;
• — концентрации газов;
• — интенсивность турбулентности, которая является приближенным значением для внутреннего течения в трубе;

На проницаемой границе, которой является выход в топке, задается:

— давление P, которое является характеристикой системы для удаления продуктов сгорания.

Уравнения (1 — 12), входящие в k-е модель, при соответствующих граничных и начальных условиях в трехмерной постановке численно решаются с использованием программы ANSYS CFX [1, 2].

Расчетная область представляет собой горизонтальный цилиндр длиной 1,0 м, с площадью поперечного сечения 0,66 м² (рисунок 1) при массовом расходе топливо-воздушной смеси на входе 0,061 кг/с.

Рисунок 1. Распределение температур в топке.

Основными результатами расчетов явилось определение значений температур, скоростей и состава продуктов сгорания. В том числе и концентрации соединений азота с кислородом [4].

При сжигании органических топлив в топках котлов азот, содержащийся в воздухе, взаимодействуя с кислородом, образует оксиды:

NO_х = NO + NO₂+ N₂О,.

Основная доля образовавшихся в продуктах сгорания паровых и водогрейных котлов NO_х (95…99%) приходится на монооксид (оксид) азота NО. Диоксид NO₂ и гемиоксид N₂O азота образуются в значительно меньших количествах.

Образование монооксида (оксида) азота при сжигании органическго топлива CH₄ происходит за счет окисления азота воздуха N₂. В настоящее время известны три механизма, по которым происходит образование оксидов азота: термический, быстрый и топливный. При образовании термических и быстрых NО — источником азота является воздух, а в случае образования топливных NО азотсодержащие составляющие топлива.

Механизм образования термических оксидов азота при соответствующих граничных и начальных условиях в трехмерной постановке решаются с использованием программы ANSYS CFX [2]. Он был предложен Я. Б. Зельдовичем [5, 6, 7, 8] и включает следующие реакции:

O + N₂ > NO +N,.

N + O₂ > NO + O,.

Позднее он был дополнен реакцией атомарного азота с гидроксилом и получил название расширенного механизма Я. Б. Зельдовича:

OH + N >NO +H,.

Реакции образования термических NО характеризуются высокой энергией активации, поэтому образование оксидов азота происходит в области высоких температур, превышающих 1800 К. Концентрация термических NО интенсивно возрастает от начала зоны горения и достигает наибольших значений непосредственно за зоной максимальных температур. Далее по длине факела концентрация оксидов азота практически не изменяется. Выражения для констант скоростей k каждой из трех реакций представлены в работе [2] и выглядят следующим образом:

.

.

k₃=3,0?10¹³.

Образование термического NO определяет следующие основные факторы: температура в зоне горения, коэффициент избытка воздуха и время пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур. Количество этого компонента S_{NO, thermal} определяется выражением:

S_{NO, therma} =W_NOk_thermal[O][N₂],.

где k_thermal=2k₁, W_NO - молярная масса термического NО; [O], [N₂] - мольные концентрации кислорода и азота.

Исследования по сжиганию углеводородных топлив, проведенные Фенимором [2, 6, 7, 8], показали, что во фронте пламени за весьма короткий промежуток времени происходит образование оксидов азота по механизму, отличному от предложенного Я. Б. Зельдовичем. Обнаруженный оксид азота был назван быстрым из-за достаточно большой скорости его образования в корневой части факела. При этом вблизи зоны горения наблюдались значительные количества цианида водорода HCN, что объясняется реагированием молекулярного азота с углеводородными радикалами:

CH + N₂ > HCN +N,.

HCN + O₂ >NO + …,.

Реакции образования быстрых оксидов NO протекают достаточно энергично при температурах 1200…1600 К, когда образование термических оксидов азота практически не происходит.

Количество этого компонента S_{NO, prompt} определяется выражением согласно [2]:

.

k_prompt =A_prompt exp (- TA_prompt)/T.

где W_NO обозначает молярную массу NO, A_prompt — число Аррениуса. Приведенные формулы для вычисления скоростей реакций применимы только к течениям с небольшими значениями Re (критерий Рейнольдса). В турбулентных системах колебания параметров могут оказать доминирующее влияние на скорость формирования NO. В этом случае для расчетов используются статистические методы [2].

В качестве объектов для расчетных исследований авторами рассмотрены топки газотрубного котла с профилями окружность и эллипс. Расчетные модели имеют следующие геометрические характеристики (Рисунок 2).

а) б) Рисунок 2. Геометрические характеристики расчетных моделей:

а — окружность: a — диаметр окружности;

б — эллипс вертикальный: a — большая полуось, b — малая полуось Установлено, что с изменением формы профиля с окружности на эллипс наблюдается рост конвективных явлений. Это сопровождается снижением относительной концентрации оксидов азота NO_эл / NO_окр (NO_эл — массовая концентрация оксидов азота на выходе из топки с формой поперечного сечения эллипс, NO_окр — массовая концентрация оксидов азота на выходе из топки с формой поперечного сечения окружность) на выходе из топки газотрубного котла (Рисунок 3), уменьшением максимальной и средней температуры T (Рисунок 4) газовой смеси внутри топки и процессами рециркуляции в соответствии с уравнением:

(11).

где v — стехиометрический коэффициент; Fuel — разновидность топлива.

Все выше перечисленные явления приводят к уменьшению относительной концентрации NO_эл / NO_окр на выходе из топки до 22% в диапазоне a/b от 1,2 до 1,4.

Рисунок 3. Зависимость относительной концентрации NOэл / NOокр от отношения большей полуоси к малой полуоси эллипса Рисунок 4. Зависимость температуры газовой смеси осредненной по объему от отношения большей полуоси к малой полуоси эллипса Рисунок 5. Зависимость температуры газовой смеси осредненной по объему от коэффициента оребрения Аналогичные эффекты — уменьшение средней температуры в газовом объеме (Рисунок 5), явление рециркуляции достигаются с использованием цилиндрической топки с внутренним поперечным оребрение (Рисунок 6).

Рисунок 6. Расчетная схема цилиндрической топки с внутренним поперечным оребрением На рисунке 7 приведена зависимость относительной концентрации NO_ор / NO_окр от коэффициента оребрения д, где NO_ор — массовая концентрация оксида азота на выходе из цилиндрической топки с оребренной внутренней поверхностью топки, д — отношение площади поверхности оребренной топки к неоребренной. Откуда следует, что данная конструкция топки позволяет снизить концентрацию оксидов азота до 50% в диапазоне значений коэффициента оребрения от 1,05 до 1,5.

Рисунок 7. Зависимость относительной концентрации NOор / NOокр от коэффициента оребрения.

Выводы

Показано, что процессы горения в топках газотрубных котлов всегда сопровождаются движением газов — воздуха, газообразного топлива, продуктов сгорания и являются совокупностью взаимообусловленных аэродинамических, тепловых и химических процессов. Так же при сжигании органического топлива происходит образование монооксида азота (оксида) за счет окисления азота воздуха.

Изменение формы поперечного сечения топочной камеры с окружности на эллипс, а также оребрение внутренней поверхности цилиндрической топки приводит к:

• 1. Интенсификации конвективных явлений.
• 2. Увеличению рециркуляции продуктов сгорания.
• 3. Уменьшению концентраций оксидов азота на выходе из топки.

• 1. Михайлов А. Г., Батраков П. А., Теребилов С. В. Численное моделирование процессов тепломассопереноса при горении газообразного топлива в топочном объеме // Естественные и технические науки. — 2011. № 5(55).- С. 354−358.
• 2. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS CFX Release 11.0 / ANSYS, Inc. // Southpointe 275 Technology Drive. — Canonsburg: PA 15 317, 2006. — 312 p.
• 3. Алексеев Б. В. Физическая газодинамика реагирующих сред. — М.: Высшая школа, 1985. — 464 с.
• 4. Михайлов А. Г. Вопросы образования оксидов азота при сжигании газообразных и жидких топлив // Омский научный вестник. — 2009. — № 3 (83). — С. 103 — 106.
• 5. Пашков Л. Т. Основы теории горения. — М.: МЭИ, 2002. — 136 с.
• 6. Росляков П. В., Закиров И. А. Нестехиометрическое сжигание природного газа и мазута на тепловых электростанциях. — М.: МЭИ, 2001. — 144 с.
• 7. Fenimore C.P. Formation of nitric oxide in premixed hydrocarbon flame // 13-th Sympos. (Interm.) On Combustion. 1971. P. 373.
• 8. Hayhurts A.N., Vince I.M. Nitric oxide formation from N2 in flames: The importance of «prompt» NO // In Progress in Energy and Combustion Science. Oxford, 1980. Vol. 6. P. 35 — 51.