О рециркуляции. Индустриализация общества приводит к уве
 Скачать 432.19 Kb.
|
|
Введение Индустриализация общества приводит к уве= личению загрязнения атмосферы в основном продуктами сжигания органических топлив. За исключением водяных паров, все остальные про= дукты сгорания активно влияют на окружающую среду. Оксиды азота являются наиболее опасны= ми среди всех продуктов сгорания, которые за= грязняют атмосферу, поэтому для уменьшения не= гативного влияния необходимо предпринимать меры по уменьшению образования оксидов азота в процессе горения. Это достигается усовершен= ствованием процесса горения (первичные мето= ды) или путем очистки продуктов сгорания (вто= ричные методы). К первичным относятся следующие методы: дожигания, стадийной пода= чи воздуха, рециркуляции дымовых газов, модер= низации горелок, впрыска воды или пара. Селек= тивное некаталитическое и селективное каталитическое восстановления представляют группу вторичных методов. Метод дожигания – один из эффективных первичных методов снижения эмиссии NO x Идея этого метода состоит в разделении расхода топлива на две части, а расхода окислителя – не менее чем на две части. На предварительном эта= пе сжигания происходит сжигание основной массы топлива с выделением около 80% энергии. Коэффициент избытка воздуха в первичной зоне горения поддерживают на уровне 1,05 … 1,2. Ок= сиды азота в первичной зоне образуются в коли= честве, которое зависит от условий горения и со= держания азота в топливе. На второй стадии в зону дожигания подается только топливо в коли= честве, необходимом для формирования зоны восстановления, с коэффициентом избытка воз= духа 0,7…0,9. Количество топлива на дожигание составляет около 20% от общей мощности котло= агрегата. При сжигании мазута данная техноло= гия обеспечивает 50% снижения выбросов NO x При сжигании пылеугольного топлива можно достигнуть до 50% снижения выбросов оксидов азота, а в случае сжигания природного газа сни= жение выбросов NO x может составить 80%. К не= достаткам данного метода следует отнести необ= ходимость остановки котла на реконструкцию. Стадийная подача воздуха. Данный метод за= ключается в разделении зоны горения на две: бо= гатую и бедную. В первой зоне организуется сжи= гание топлива с недостатком кислорода и большим временем пребывания продуктов реак= ций. Частично охлажденные продукты неполно= го горения дожигаются в зоне дожигания с из= ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 5 ТЕПЛО И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Проведено дослідження зниження викидів оксидів азоту методом рецирку- ляції димових газів. Встановлено, що оптимальне значення відносної частки рециркуляції для котла ДКВр-4/13 з пальниками ГМГ – 2 знаходиться поміж 15 та 20 %. Проведено исследование снижения выбросов оксидов азота методом ре- циркуляции дымовых газов. Установле- но, что оптимальное значение относи- тельной доли рециркуляции для котла ДКВр-4/13 с горелками ГМГ – 2 нахо- дится между 15 и 20 %. Investigation of the nitrogen oxides reduction by the flue gas recirculation technique was carried out. As found the optimal value of the recirculation rate for the DKVr-4/13 boiler with GMG-2 burners is between 15 and 20%. УДК 662.995:662.61 К ОБЗАРЬ С.Г., Х АЛАТОВ А.А. Институт технической теплофизики НАН Украины СНИЖЕНИЕ ВЫБРОСОВ ОКСИДОВ АЗОТА В ГАЗОВЫХ КОТЛАХ МЕТОДОМ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ k – кинетическая энергия турбулентности; P – избыточное давление; T – абсолютная температура; v – полная скорость; ε – диссипация турбулентной энергии; ρ – плотность. бытком воздуха. Время пребывания продуктов горения во второй зоне должно быть значительно меньше, чем в первой. Следует отметить, что данный метод эффективен для топлив с постоян= ным содержанием азота в них. В случае измене= ния содержания азота в топливе суммарная эмиссия оксидов азота будет зависеть как от тем= пературного режима в топке, так и от концентра= ции азота в топливе. Рециркуляция дымовых газов. Один из самых дешевых и легко реализуемых методов снижения оксидов азота в котлах малой и средней мощнос= ти. Этот метод заключается в подаче инертной среды (дымовых газов) в зону горения при темпе= ратуре ниже температуры пламени. Относитель= ная доля рециркуляции определяется как отно= шение дымовых газов, которые идут на рециркуляцию, к суммарной массе дымовых га= зов, выходящих из топки. Температура дымовых газов, которые подаются на рециркуляцию, вли= яет на эффективность снижения эмиссии окси= дов азота – эффективность повышается с умень= шением температуры дымовых газов. Вид топлива также оказывает влияние на эффектив= ность. Лучшие результаты по уменьшению вы= бросов оксидов азота получаются при исполь= зовании газообразного топлива, меньшая эффективность достигается при сжигании жид= кого топлива, а при сжигании каменного и буро= го углей снижение выбросов составляет 15% и 10% соответственно. Модернизация горелок (низкоэмиссионные горел$ ки). Модернизация горелок приводит к измене= нию конструкции стандартных горелок с целью организации более длинного факела. Увеличение длины факела затягивает процесс горения и уменьшает пик температуры, что, в свою оче= редь, дает уменьшение генерации оксидов азота в зоне горения топлива. Данная технология может применяться на большинстве котлов, и наиболь= ший результат по снижению выбросов оксидов азота получается для газообразного топлива. Впрыск воды/пара. Впрыск воды или пара в фа= кел приводит к снижению температуры пламени и тем самым снижает образование оксидов азота по термическому механизму и, как следствие, суммарную эмиссию. При сжигании природного газа этим методом можно достичь снижения выбросов оксидов азота до 80%. Количество во= ды или пара ограничивается условием предотвра= щения конденсации. Впрыск воды или пара при= водит к снижению КПД котла на 3…10%. Часто данный метод применяется вместе с методами модернизации горелок и рециркуляции дымовых газов. Селективное некаталитическое восстановле$ ние. Данный метод заключается во впрыске реа= гента (аммиак или мочевина) в дымовые газы котла при температуре газов 750…900 о С. Реагент преобразует содержащийся в дымовых газах NO x в молекулярный азот и воду. Метод позволяет снизить выбросы оксидов азота до 70%. Селективное каталитическое восстановление. В основу метода положен впрыск аммиака в ды= мовые газы котла в присутствии катализатора. Катализатор позволяет снизить уровень выбро= сов NO x при меньшей температуре, чем для се= лективного некаталитического восстановления. Селективное каталитическое восстановление может быть применено, в зависимости от вида катализатора, при температуре дымовых газов в диапазоне 260…650 о С. Данный метод позволяет снизить выбросы оксидов азота до 90%. Одним из недостатков данного метода является его вы= сокая стоимость. Финансовые затраты и эффективность умень= шения выбросов оксидов азота разными метода= ми показаны на рис. 1 [1]. Из рис.1 видно, что од= ним из эффективных и дешевых методов снижения выбросов оксидов азота является ме= тод рециркуляции дымовых газов. Работы [2, 3] подтвердили возможность сни= жения выбросов оксидов азота при использова= нии метода рециркуляции дымовых газов на кот= лах ТГМ=84, КВГМ=180, ДЕ=25=14Г, ДКВр=10/13 и ДКВр=4/13. Используя упрощенную схему ре= циркуляции с подачей дымовых газов на вход дутьевого вентилятора, экспериментально было показано, что организация рециркуляции дымо= вых газов в диапазоне 5…20% приводит к сниже= нию выбросов оксидов азота на 45…80%. Пре= имущество упрощенной схемы рециркуляции заключается в малозатратности, отсутствии до= полнительного вентилятора, хорошем переме= шивании газов рециркуляции с дутьевым возду= хом, возможности внедрения собственными 6 ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ силами без привлечения специализированных организаций. Вместе с тем упрощенная схема ме= нее экономичная по затратам энергии на тягу и дутье. Недостаточно изучено оптимальное соот= ношение относительной доли рециркуляции ды= мовых газов, степени уменьшения эмиссии окси= дов азота и увеличения затрат энергии на организацию рециркуляции. Цель исследования Данная работа посвящена изучению влияния содержания дымовых газов (доли рециркуляции) в дутьевом воздухе на образование оксидов в топ= ке котла и определению оптимального соотно= шения доли рециркуляции, которая обеспечива= ет приемлемый уровень снижения выбросов оксидов азота при умеренных затратах энергии на обеспечение требуемого расхода смеси возду= ха и дымовых газов. Анализ котельного оборудо= вания, которое используется на промышленных предприятиях и в сфере жилищно=коммунально= го хозяйства, показал, что наиболее приспособ= ленными для организации рециркуляции дымо= вых газов являются котлы серии ДКВр, в част= ности котел ДКВр=4/13. Объект и методы исследования Котел ДКВр=4/13 оснащен двумя газомазут= ными горелками ГМГ=2,0. Подача воздуха разде= лена на два потока: первичный воздух в объеме 10% от общего расхода подается в центральное круглое отверстие. Тракт первичного воздуха ос= нащен завихрителем с параметром закрутки 0,9. Газообразное топливо подается через кольцевую щель, расположенную между трактами первично= го и вторичного воздуха. Тракт вторичного возду= ха имеет завихритель с параметром закрутки 1,6. Исследование проводилось с привлечением методов компьютерного моделирования с ис= пользованием пакета прикладных программ Phoenics 2008. Так как основной процесс сго= рания происходит в топке котла, то исследова= ние образования оксидов азота проводилось на модели топки котла. Топка котла была пост= роена в препроцессоре в декартовой системе координат. Для расчета полей скорости, концентрации и температуры решались осредненные уравнения движения Рейнольдса и уравнение энергии в форме энтальпии. Для замыкания гидродинами= ческих уравнений использовалась RNG k= ε мо= дель турбулентности, которая дает наилучшие результаты при расчете течений с закруткой. Ра= диационный теплообмен моделировался при по= мощи модели Radiosity [4]. Степень черноты сте= нок топки принималась постоянной и равной 0,9. Температура трубных поверхностей в топке принималась постоянной и равной 194 о С, что соответствует температуре кипения воды при из= быточном давлении 13 МПа. Для моделирования процесса горения природ= ного газа в топке котла ДКВр использовался двухстадийный механизм горения метана [5]: 4 2 2 2 2 3 CH O CO 2H O; 2 1 CO O CO . 2 + → + + → ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 7 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рис. 1. Финансовые затраты и эффективность снижения оксидов азота разными методами: РДГ – рециркуляция дымовых газов; НЭГ – низкоэмиссионные горелки; СКВ – селективное каталитическое восстановление. Средняя скорость первой реакции горения ме= тана определялась при помощи стандартной мо= дели разрушения вихрей (EBU) [6,7] с констан= той модели C EBU = 2,0: R [кг/(м 3 ·с)], а средняя скорость реакции окисления CO до уг= лекислого газа определялась как минимальное значение скорости реакции по модели разруше= ния вихрей и закону Аррениуса: R CO = – min ( R EBU , R Ar ), где R [CO][O 2 ] 0,25 [H 2 O] 0,5 [кмоль/(м 3 ·с)] [6]. Моделирование эмиссии оксидов азота проводи= лось с учетом двух основных механизмов образова= ния: термического и Prompt [8 – 10]. При этом счита= лось, что NО x имеет молекулярную массу M NO = 30. Влияние рециркуляции дымовых газов на эмиссию оксидов азота Базовый вариант. На первом этапе проведен анализ работы топки котла ДКВр=4/13 на номи= нальном режиме без системы рециркуляции ды= мовых газов. Было принято, что горелки работа= ют при коэффициенте избытка воздуха α = 1,15, суммарном расходе топлива G = 0,0912 кг/с, что соответствует мощности котла 4 МВт при значе= нии КПД 90%. Результаты расчета базового ва= рианта показаны на рис. 2 – 4. Все результаты компьютерного моделирования представлены на рисунках в горизонтальном сечении, располо= женном на высоте осей горелок. Расчеты гидродинамики топки котла ДКВр=4/13 показали сложный и трехмерный характер пото= ка в нем (рис. 2). Закрученные потоки от двух го= релок “раскрываются” с образованием зоны об= ратного течения на оси каждой горелки. В зоне обратного течения наблюдается повышенная ге= нерация турбулентности, что позитивно влияет на перемешивание топливно=воздушной смеси и горения топлива, о чем свидетельствуют результа= ты расчета поля температуры (рис. 3). Совместная работа горелок образует два отдельных факела длиной около 1,5 м. Анализ полей концентрации топлива показал, что основная часть топлива сгорает на расстоя= нии 0,5 м от среза горелок, а процесс дожигания оксида углерода длится дольше и в основном за= вершается на расстоянии 1,2 м от среза горелок. Результаты расчета полей концентрации окси= дов азота (рис. 4) показали, что основная масса их образуется в области около оси каждой горел= ки (в зоне высокой температуры), а в дальней= [ 9 Ar 15000 5,4 10 exp T ⎛ ⎞ = ⋅ − ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 4 2 CH 4 O C min CH ; 3,0 k EBU ε ⎛ ⎞ = − ρ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 8 ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рис. 2. Поле полной скорости. Рис. 3. Поле температуры. шем под действием вихревого потока они расп= ределяются по всему объему топки. Анализ распределения объемной скорости обра= зования оксидов азота по термическому и Prompt механизмам показал, что основной вклад в образо= вание оксидов азота вносит термический механизм. Можно выделить две зоны максимальной генерации оксидов азота: первая (основная) расположена по границе движения вторичного воздуха и топлива; вторая – на оси горелки на расстоянии одного диа= метра тракта первичного воздуха горелки. Интегрируя результаты расчетов на выходе из топ= ки, для базового варианта были получены следующие значения: концентрация СО = 5,94 мг/нм 3 ; концент= рация NO x = 166 мг/нм 3 ; максимальная температу= ра в топке T max = 1915 К; давление на прокачку ΔP = 700 Па. Результаты базового варианта взяты за основу при изучении влияния рециркуляции дымовых газов на экологические характеристики котла. Эти данные использовались в дальнейшем при обобщении результатов расчетов при различ= ных условиях рециркуляции продуктов сгорания. Влияние рециркуляции дымовых газов. Анализ результатов базового варианта привел к выводу о необходимости исследования двух способов по= дачи продуктов сгорания для рециркуляции. Первый способ заключается в равномерном раз= бавлении дымовыми газами дутьевого воздуха (равномерная рециркуляция), а второй – в пода= че дымовых газов только в тракт вторичного воз= духа горелки (рециркуляция во вторичный воз= дух). Для обоих случаев расчеты выполнены при различных значениях доли рециркуляции дымо= вых газов. Температура дымовых газов принима= лась равной 180 о С, массовые концентрации хи= мических соединений в первичном и вторичном воздухе пересчитывались с учетом их концентра= ции в дымовых газах и количества дымовых га= зов, которое взято для рециркуляции. Результаты расчета полей температуры и кон= центрации оксидов азота для 20 % равномерной рециркуляции представлены на рис. 5 и рис. 6. Анализ полученных результатов показал, что для различных способов подачи дымовых газов гид= родинамика существенно не изменяется, а уменьшение пика локальной температуры боль= ше при равномерной рециркуляции. Уменьшение выбросов оксидов азота достига= ется вследствие уменьшения локальных пиков температуры. На рис.7 представлено изменение максимальной температуры в топке в зависимос= ти от относительной доли рециркуляции дымо= вых газов. Из рис. 7 следует, что для случая рав= номерной рециркуляции, рост рециркуляции на 10% приводит к снижению максимальной темпе= ратуры в среднем на 50 градусов. В случае рецир= куляции дымовых газов во вторичный воздух наблюдается уменьшение максимальной темпе= ратуры в среднем на 35 градусов на каждые 10% рециркуляции. Снижение локальной температу= ры приводит к уменьшению образования оксидов азота по термическому механизму, который вносит ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 9 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рис. 4. Поле концентрации оксидов азота. Рис. 5. Поле температуры. Доля рециркуляция 20%. основной вклад в общее количество оксидов азота при сжигании природного газа. На рис. 8 представ= лена зависимость снижения оксидов азота от отно= сительной доли рециркуляции дымовых газов. Эти данные показывают, что существует возможность снижения выбросов оксидов азота до 80 % при ис= пользовании метода рециркуляции дымовых газов. Данные рис. 8 подтверждают принципиаль= ную возможность снижения оксидов азота мето= дом рециркуляции дымовых газов, но они не да= ют возможности оценить оптимальное значение доли рециркуляции. Для проведения оптимиза= ционного анализа результаты расчетов по перепа= ду давления, эмиссии оксидов углерода и азота бы= ли нормированы соответствующими значениями расчета базового варианта котла ( ΔP 0 , NO x0 , CO 0 ). Результаты обработки представлены на рис. 9. Ана= лиз данных рис. 9 позволяет сделать вывод, что оп= тимальное значение доли рециркуляции для котла 10 ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Рис. 6. Поле концентрации оксидов азота. Доля рециркуляция 20%. Рис. 8. Снижение оксидов азота в зависимости от относительной доли рециркуляции дымовых газов и способа ее организации. Рис. 9. Зависимость основных интегральных характеристик работы топки котла ДКВр+4/13 от доли рециркуляции дымовых газов при равномерной рециркуляции. Рис. 7. Изменение максимальной температуры пламени в топке котла в зависимости от доли рециркуляции дымовых газов. ДКВр=4/13, оснащенного горелками ГМГ=2, нахо= дится между 15 и 20 %. Это значение рециркуляции обеспечивает снижение эмиссии оксидов азота на 50…70% при увеличении давления на обеспечение расхода в трактах воздушного дутья горелок только на 20…30%. Дальнейшее увеличение доли рецирку= ляции приводит к незначительному снижению выбросов оксидов азота при значительном увели= чении требуемого давления нагнетания. Существует также предельное значение доли рециркуляции (35…40 %), при котором еще можно применять метод рециркуляции дымо= вых газов. После 40 % доли рециркуляции мас= совая доля кислорода в потоке, который идет на горение, становится ниже 17%, что ведет к ухуд= шению условий сгорания топлива, о чем свиде= тельствует рост концентрации оксида углерода. Выводы 1. Проведен анализ методов снижения вы= бросов оксидов азота в атмосферу при сжигании углеводородов в котлах. Метод рециркуляции дымовых газов имеет лучшее соотношение эф= фективность – стоимость. 2. Исследование двух способов рециркуля= ции дымовых газов в котле ДКВр=4/13, оснащен= ного горелками ГМГ – 2, показало, что: равномерное разбавление дутьевого возду= ха дымовыми газами обладает несколько лучши= ми характеристиками по снижению выбросов оксидов азота в атмосферу; оптимальное значение доли рециркуля= ции находится в области 15…20 %. При этом обеспечивается снижение эмиссии оксидов азота на 50…70% при увеличении давления на прокач= ку дутьевой смеси на 20…30 %; после 40 % рециркуляции массовая доля кислорода в потоке, что идет на горение, стано= вится ниже 17%, что приводит к ухудшению ус= ловий сгорания топлива. ЛИТЕРАТУРА 1. Frederick N, Agrawal R.K., Wood P.E., Wood S.C. Induced Flue Gas Recirculation for NO x Control: Application on Boilers and Process Heaters// Energy Texas Industries press. – Report 03 ETEC. – 2004. – 24 р. 2. Котлер В. Р., Кругляк Е.Д., Беликов С.Е., Васильев Б.Н. Упрощенная схема рециркуляции дымовых газов как средство сокращения выбро= сов оксидов азота// Энергетика.– 1995. – № 1. – С.16–17. 3. Фаткуллин Р.М. Оценка потерь энергии при рециркуляции с подачей дымовых газов на всас дутьевого вентилятора// Теплоэнергетика. – 1997. – № 2. – С.37–40. 4. PHOENICS Reference Guide Version 3.6. CHAM, London – 2004. 5. Халатов А. А., Кобзарь С. Г., Коваленко Г.В., Демченко В. Г. Применение компьютерных тех= нологий при проектировании и модернизации котлов и камер сгорания/ Материалы междуна= родной конференции “Актуальные проблемы прикладной математики и механики” 23– 26 ок= тября 2006 г., Харьков, Украина. 6. Spalding D.B. Mixing and chemical reaction in steady confined turbulent flames. In 13th Symp. (Int.) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, 1971. – Р. 649– 657. 7. Долинский А.А., Халатов А.А., Кобзарь С.Г., Назаренко О.А., Мещеряков А.А. Использование компьютерного моделирования при малозат= ратной модернизации котла НИИСТУ=5 // Пром. теплотехника. – 2007. – Т. 29, № 5. – С. 80 – 91. 8. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либро$ вич В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая те= ория горения и взрыва. – М.: Наука, 1980. – 478 с. 9. Williams A., Clarke A.G. and Pourkashanian M. The mechanism of NO x formation during combus= tion of coal, NO x Generation and Control in Boiler and Furnace. – Plant Symposium, 8th September, Portsmouth, 1988. 10. De Soete G.G. Overall reaction rates of NO and N 2 formation from fuel nitrogen, 15th Symp. (Int.) on Combustion, The Combustion Institute, 1975. – Р. 1093 –1102. Получено 16.02.2009 г. ISSN 02043602. Пром. теплотехника, 2009, т. 31, № 4 11 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ |