Автор: А.А.Редько, А.В.Давиденко, С.В.Павловский, Н.В.Куликова
Источник: А.А.Редько, А.В.Давиденко, С.В.Павловский, Н.В.Куликова.Моделирование рабочих процессов в топке парового водотрубного котла с целью снижения выбросов оксида азота/Электронный журнал«Проблемы региональной энергетики». – №1(33). – 2017.
А.А.Редько, А.В.Давиденко, С.В.Павловский, Н.В.Куликова Моделирование рабочих процессов в топке парового водотрубного котла с целью снижения выбросов оксида азота.
Приведены результаты численного исследования процессов сжигания газообразного топлива в топке парового водотрубного котла ДЕ-10/14.Результаты численного исследования показывают, что размещение вторичного излучателя обеспечивает более равномерное температурное поле по длине топки и более низкое значение температуры в объёме топке.
При сжигании органического топлива в котлах наибольший вред окружающей среде наносят оксиды азота. В настоящее время разработаны различные методы снижения выбросов NOx. Внедрение данных методов позволяет снизить выбросы NOx на 20-70%. Однако, опыт внедрения экологических технологических мероприятий показывает, что устаревшие конструкции котлов не обеспечивают оптимального сочетания условий для снижения NOx и полного сжигания топлива. При этом, наблюдается снижение КПД котла за счёт увеличениянедожога и температуры уходящих газов, уменьшение надёжности котлов и сужение диапазона регулирования. Использование технологических мероприятий, таких как ступенчатое сжигание, рециркуляция продуктов сгорания, впрыск воды на действующих котлах требуют значительного объёма реконструкций. Актуальными являются технологические мероприятия, позволяющие снизить эмиссию NOx и при этом повысить КПД котла.
В [1-7] исследовались различные методы снижения выбросов оксидов азота в топливоиспользующих агрегатах в энергетике и промышленности, в котельных и технологических установках.
В работах [7] выполнены исследования процессов образования NOx в жаротрубных котлах. В работе [6] выполнялось моделирование котла НИИИСТУ-5 и обосновано использование блочной горелки ГБГМ-0,85НД со струйной стабилизацией пламени и плавным регулированием мощности. В работе [3] показано, что в топке жаротрубного котла мощностью 100 кВт с вторичным излучателем возможно снижение NOx до значения 80 мг/м3 . В работе [7] установлены опытные значения доли рециркуляции продуктов сгорания для котла ДКВР-4/13 с двумя горелками ГМГ-2, что обеспечило на выходе из топки котла снижении концентрации NOx до значения 166 мг/м3 .
Снижение выбросов NOx методом рециркуляции продуктов сгорания на котлах ТГМ-84, КВГМ-180, ДЕ-25/14Г, ДКВР-10/13, ДКВР-4/13 исследовалось в работах [1, 3, 5].
Исследование эффективности методов снижения оксидов азота путём проведения натурных огневых теплотехнических и экологических испытаний затратные и трудоёмкие. [1, 2]. При этом топочные устройства котельных установок характеризуются разнообразием аэродинамических схем (встречная компоновка вихревых и прямоточных горелок, тангенциальная компоновка, циклонные и кольцевые топки, топки с плоскофакельными горелками и др.), геометрией и объёмом топок, что затрудняет экспериментальное моделирование. Поэтому в настоящее время при исследовании процессов сжигания топлив широко используются численные методы моделирования и компьютерные технологии [6-7, 2, 3].
Разработка численных методов и моделей основывается на теоретических исследованиях физико-химических процессов сжигания топлив [4-6]. Достаточно полные сведения по химической кинетике процессов горения отсутствуют, и поэтому применяются приближенные постановки. Поиск методов снижения выбросов оксида азота продолжается, что и определяет актуальность настоящего исследования.
Полученные расчётные данные определяющие значения температуры топочных газов, концентрации топлива и кислорода позволили оценить образование
Основная масса оксидов азота образуется в области высокой температуры факела горения (более 1500°С), а в дальнейшем под действием вихревого газового потока NOx перемещается по всему объёму топки. Вблизи зоны дожигания топлива при температуре 900-920°С наблюдаются высокие значения концентрации NOx, составляющие 350 мг/м3 , но эти зоны небольшие по объёму. В топочном объёме область с максимальной генерацией NOx наблюдается на оси горелки на расстоянии 1,5-2,5 м от среза горелки, а в диаметре зона дожигания достигает 1,2-1,5 м.
В вертикальном разрезе топки концентрация NOx увеличивается в верхней зоне топки и составляет 230-290 мг/м3 , а в нижней зоне – около 100-110 мг/м3 . Вблизи боковых экранных поверхностей концентрация NOx ниже (100-130 мг/м3 ), чем на оси топки (250-360 мг/м3 ). Процессы сжигания топлива характеризуются такжеданными по концентрации кислорода в топочном объёме. Зона горения топлива с первичным воздухом составляет около 0,5 м от среза горелки. Зона выгорания кислорода составляет 2,5-3 м от среза горелки. Вблизи боковых поверхностей концентрация кислорода составляет 3-5%. В левой боковой поверхности топки (по ходу движения газов) концентрация кислорода выше (5-7%), чем вблизи правой боковой поверхности (1,5-2%), т.к. вихревое движение топочных газов правостороннее и по ходу движения газов концентрация кислорода уменьшается. В верхней зоне топки концентрация кислорода ниже (0,7-1,4%), чем в нижней части топки (5-7%), что и определило образование NOx.
Результаты численного исследования показали, что модернизация водотрубного парового котла ДЕ-10/14 путём размещения тупикового трубчатого вторичного излучателя в топке водотрубного котла, обеспечивает рециркуляцию топочных газов в объёме 80- 100%, а также дожигание топлива и снижение вредных выбросов оксидов азота до 125 мг/м3 на выходе из топки котла. При этом установлено, что оптимальный диаметр трубчатого излучателя составляет 2Dгор. (два диаметра выходного патрубка горелки), и размещён вторичный излучатель на расстоянии одного метра от среза горелки, длиной 3,5 м.