CC BY
10
УДК 621.18 01
4HC.ill.HHOi. НС СЛЬ ДО ВАНИ*. ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИИ ОКСИДА АЗОТА В ТОПКИХ НЕКРУГЛОГО ПРОФИЛЯ
П. А. Батраков1, А. Н. Мракин2, А. А. Селиванов' 'Омский государственный техническийуниверситет, г. Омск Россия Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. Л.,
г. Саратов, Россия
Аннотация - Б работе рассмотрены результаты численного расчета процессов теоломлссопереноса при течении ррагирующлт газон я топке яекруглого профиля газотруйиыт клтлак. Расчеты осущестяле-пы с применением .\NSYS СТХ. Численно решены уравнения неразрывности для осей смссп, перазрыв есстн для каждого компонента, моментов, энергпн и дпееппяппп. определены энтлльппп, вязкости, а также уравнения состояния. Представлены графические результаты исследования с использованием переменных, характеризующих экологические характеристики работы топки и котла в целом. Приведены знлчрнпя темпрратур п концентрапип лкпдак азота на выгоде при различных геометрпчеекпт размерах топки.
Ключевые слова: горение, оксиды азота, термический, быстрый, топливный, топка, газотрубный ко-аёл.
К процессе лбгцегтяекного производства челочек ялн*ет на окружающую его греду и это (тягш^тг* одной из наиболее актуальных современных проблем. Процесс сжигания органического топлива связан с загрязнением воздуха, поэтому эффективность работы котла в настоящее время в значительной мере определяется экологическими требованиями [1, 2, 3]. Основными токсичными компонентами, образующимися в процессе гэрения топлива, являются оксиды азога N0, [Ч 31 Наибольшую опасность при сжигании природного топлива пред-гтаяляют ежгиды азота которые примерно я 10 раз более опасные, чем угарный газ [7, Ч]
В процессе горепия оргашпеского топлива э топхах газотрубных котлоз аоот, содержащийся в воздухе и топливе, активно взаимодействует с кислородом. образу* utu.nu ¿йога N0. оксид диалога N20. а также диоксид азота N02- Основная доля N0^ образующихся з процессе горения з топках газотрубных котлов продуктов сгорания (95 - 99 %), приходится на моноохенд азота N0. Другие оксиды азота образуются в меньших количествам
Профилированные топки мало изучены. Даппые по результатам теоретических исследовании при измепешш фориь. при4»ила тонки, ирямиуюльнош. кьалрашию. круиюю. горизонтально (жшшижюшш о ашшиса. ъерги-кальнс расположенного эллипса показали, что минимальною концентрацию нз выходе нз топки имеет газотрубный котел с топкой с фермой профиля в виде вертикального эллипса. По отношению к кругу концентрация КО на выходе ниже н может лпгтипот. % [4]
I. ВВЕДЕНИЕ
П. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
-I
I 5
Рис 1. Схема объекта: 1 - водяная рубашка; 2 - горелка, 3 - топка; 4 - поворотная камера; 5 - конвективный пучок труб; а - большая полуось; Ь - малая полуось
Объектом исследования образования оксидов азота является газструЬнын котел с топкой формой поперечного сечения вертикального эллипса при различных отношениях большей полуоси а, у малой полуоси Ъ (риг I) Базовой моделью с характеристиками которой будет происходить сравнения является топка с формой поперечного сече:пш круг.
В качестве величин характеризующих экологии ее гуто эффективность топки, было выбрано отношение массовых концентраций оксидов азота па выходе из тошен mass fraction XO^ mass fraction NO^m* 1J для тспок с lAJXJcpcuHbiu сечением а форме всушкальнши з-иашеа л круга соо.веюиешю.
Ш ТЕОРИЯ
Необходимым этапом моделирования высокотемпературных процессов в агрегатах энергоустановок является построение кпнстпчссенх схем химического взаимодействия. В общем случае кинетическая схема представляет гобой набор /элементарных химических реакции. описывающих процесс преобразования компонентой рабочего тела.
Горение газообразного топлива описывается следующей реакцией: СШ +■ 20з = СОз + 2МзО. В данных реакциях одно веществе соединяется с другим з строго определенных количествах. Эгн количества регламентируются сгехномегрнчесхим соотношением для необратимей и обратимой реакций, протекающих з един этап [S].
Г V'nK* I Г'стЛ (I)
1-А.2.С 1-ЛЛС
где /Vс - количество компонентов участвующих в реакции Va - стехксметрические коэффициенты для Т-компоиеггга в элементарной реакции К.
Скорость Л/п6рагочани$г /-компонента рассчитывается следуютим обрядом-
Sj = Щ I (У"п&)
А'=1
где TT j - молярный вес .'-компонента;
п ОТ" -ъ п ОТ"">> со
1-.1В,С 1-Л,В.С
где Rz - скорость прямой эяементарной реакции с участием /-компонента; [/] - мольная концентрация Т-компоиехгга: г'и порядок К й реакции для I компонента.
Гс-ЛгГ*схр( ^Ч. (4)
RT
= p(-|L, (s)
где FK Кг - константы скоростей соответгтченно прямой и обратной реакции (чакон Аррениусд); Ак- предэкс-понсицнальный множитель: коэффициент, зазнеяшкк от температуры; Е^ = 124024 кДж/кмсль - энергия активации: R - газовая постоянная; Г- температура Г721. А^Тв]С «1,0 для гомогенных смесей
Далее рассмотрим основные уравнения, которые описывают реагирующую газовую смесь при следующих основных допущениях [1,4, *>]•
теплота ст факела к стенке переносится излучением и ксивеюишплм теплообменом:
- внутри пограничного слоя давление не изменяете* вдоль нормали к контуру тела и равно ^ответственному давлению на внешней границе пограничного слоя,
- суммарный перенос хешины на i раним: раздела .азовая смесь - стеши» исущесшияегсл за счег коавсктв-ного теплообмена и излучения:
- реагирующий газ С11» - 100 %. окислитель - воздух. Расчетная область представлена на рис. 2
1. Неразрывности для осей смеси:
о, (б)
at
где ]} - ил01 huclo 1изовой СМССИ. / - время. U — вскюр ck.jpiX. lb.
2. Неразрывности для каждего компонента
*(p*l) C("UJY*) * \ Ti ML
ct civ. dxj ™ dxj
где 5>- скорость образования /-компонента; У> = р/р - концентрация вещества 1-компоненга, Г,+///5Я -
коэффициент диффузии; р1 - тптотногп» каждого /-кпштпнеята; Г7 - коэффициент диффузии для /-компонент?.; <5с/ - у/Г} - число Шмидта. V - кинематическая вязкость, ц, - турбулентная состав.шошая динамической вязки-
Рнс 2. Расчетные модели тошш: а о объеме. 5 вид сбоку
3. Моментов:
где В - сумма всех сил. действующих на ооьем газа; Р - давление: э4фсктивная турбулентная вязкость. 4. Энергии и диссипации:
Нрк)
г*
л
/И
"с)
V*
я
-Ъ-ре-Я",
Я'» д1
V*
А*
(9) (1С)
Яу ^ др.7.
УА--- I I---- I —- I-.
дх ду б2 йх ду д~
где Сг1. Сл. а*, о - справочные константы [73]; 5» - ксточниковый член; Р*- параметр турбулентности, характеризует соотношение между силами вязкости н силами выталкивающими Р№_ [73]:
(11)
5 Определение энтальпии-
Обида удельная знгальним п.^ лфашаи! следующим выражением.
Ьм = Ь + к,
где Н удельная энтальпия пеподвижпой газовой смеси.
6. Определение вязкости:
к-£ модель основывается на концепции туроулентнои вязкости, поэтому
/Ьг'М + Рн
1 дс ¡л - динамическая вязкость.
7. Уравнение состояния:
Уравнение состояния, предложенное Рсдлнхом - Кзонгом, выглядит следующим образом |5|:
(12)
Р = -
ИТ
у-Ь I с I Ь)"
где о - удельный объем. Величины с., Ь,с- константы, завнеящне от конкретного всцссгва [51 . 8. Начальные условия:
(13)
Пригашаются значения всех параметров. входящих о систему уравнешш, при Бремени г ~ 0 и при начальной температуре Т— 300 К
S. Задаются соответствующие граничные условия.
Определение образования моноокенда (оксида) азота при сжигании органических тонлив происходит как за счет окисления азота воздуха М2, так и за счет окисления азота, содержащегося в топливе. В настоящее время известны три механизма по которым происходит образование оксидов азота- -ермический быстрый и тошптв-ныи. При оЗразонтнит. термических и быстрых N0 источником азота является воздух, а в случае образевания топливных NO азотсодержащие состаолшощ![е топлива [5], но при принятых памп основных допущениях pea гирующнн газ СЩ - 100 %, образование последних оксидов азота не рассматривалось.
Механизм образования термических оксидоа язо-а был предложен Я Б Зельдовичем и включает гледующие реакции [1]:
О + N2 —> NO +■ N, N ■+• 02 —1 NO +■ О, ОН - N —'NO +Н.
Реакции обоазовання термических N0 характеризуются высокой энергией активации, поэтому образование оксидов азоте прсисходзгг в области высоких температур. преьышающзгх 13Э0 К. Концентрация термических NO интенсивно возрастает от начала зоны горения и достигает наибольших значении непосредственно за зоной максимальных. leMucpaiyp. Далее ко ¿лине факела кони ей .рай ия оксидсь азота практически не шленжпся. Выражения для констант скоростей к каждой из трех реакций представлены е работе [1. 5] и выглядят следующим образом:
^ =11-8.1^ )ехр(-^), *2=(М.10у)ехр|-^
fc3=3,0 ю13
Образование термических NO определяю! следующие основное факторы, тсмиерагууа в зоне трения, коэффициент избытка воздуха и время пребывания поодуктов сгооания з зоне высоких температур. Скорость об-раэоваош термического N0 компепепта Sn-q formi, спределяется выражением
^«гшА0\Ш СМ)
где = 2ki, ITNL)- молярная масса термического NO; [Oj: [NJ - мольные концентрации кислорода и азота.
Исследования по сжиганию углеводородных топлкв, проведенные Фенимором [1], показ яти. что во фронте нламсни за весьма кирсткии промежуток времени происходи! образование оксидов азота по механизму, отличному от предложенного Я Б. Зельдовичем. Обнаруженный оксид азога был наззан быстрым из-за достаточно большой скорости его образования в корпезон части факела. При этом вблизи юны горения наблюдались зна чительные количества цианида водорода HCN, что объясняется реагированием молекулярного азота с углеводородными радикалами-
CH + N- > НСУ + N, HCN 02 —* NO +■____
Реакции образования быстрых оксидов Ж) протекают достаточно энергично при температурах 1200 К. ко. да образование термических оксидов азо.а практически не .фоислоди..
Скооосгь образования быстрого NO - компонента nMwy,r- определяется выражением согласие '51:
ixo^w =
fcprempt — ЛргопрРХр (— ТЛp^rñp^]: Т
где .¿.^им ~ число Арр синуса.
IV. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Далее предг-авлены результат--»! решение уравнечий лрелстанленной вьттге математичегкоЯ модели [1 ] реализованных в ANSYS CFX [5].
Расчетная область лредстапляет собой горизонтально раслолслсеипый цилизшр. ь топке установлена газовая горелка с предварительной подготовкой тоилизовоздушной смеси, площадь стен топочного пространства остается постоянной. Изменяемыми ве,ти чинами при членением исследовании являлись. скорос.и топдивовиздуш-ной смеси на входе в топку и формы профиля топки, изменялись отношения большей полуоси а к малой полуоси Ь. Базовой моделью, с характеристиками которой будут происходить сравнения, является топка с формой
- 1600
а>) (16)
поперечного сечения vpyr В качестве величин характеризующих экологическую эффективность -опки являет ся. прежде всего, концентрация NOt на выходе из топки.
D качеств? величии, характеризующих эффективность тспки. были вкбранк огнощения чисел Рейнольде.
и отношения массовых концентрации сксидов азота на выходе из толки mass fraction NO^'ms fraction NOfKii [1, 5] для топок с поперечным сечением d форме вертикального эллипса и круга соотаетственно.
На рис. 5 приведены iрафики зависимостей О -jXyL). где О - (ТгТ^ЖТмсСТ„„) (J, - средняя зекушая .ем. пература. Tnin - минимальная температура, Т^ - максимальная температура), х - текущая координата и V = f(x!L}. где V = I', / V^ (1>'г - текущая скорость. - скорость на входе r топку) (Ншагги максимальны:
температур и скоростей совпадают и находятся в оЬласги формирования факела.
На рнс. 4 изображена зависимость =АС ,Ь), где Re,}^ ~ критерий Рейнольде а в топке с попе
речным сечением в форме вертикального эллипса. Red** - критерий Рейнольдса в топке с поперечным сеченп ем в форме круга. С увеличением отношения с к b до - 1,3 наблюдается рост RcvjIJIJt//RolinM вследствие деформа пии поля скоростей. Дальнейший рост alb лэизодит к уменьшению ReBi4,jRefiri3 из-за роста злияния присге ночных эффектов.
Одновременно с измеиепнем формы профиля и увеличением числа Re уменьшается массозая копцептраци: иксидоз азота (mass aacliou NO) (рис. 4) на выходе из юикн koijih. iiv доегшиегел за снег увсмичения скороси газового потока Л.8, уменьшения средней температуры l ^ws* газевой смеси в топке и благодаря процессам ре циркуляции в соответствии с уравнением
NO i vfFue! > * N2 1 vCO-C°2 1 V,H,0H20 » где v - стехиометрический коэффициент: Fuel -вид топлива [>].
Рис. 3. График распределения температур и скоростей в топке газотрубного котла по длине тогасп
1,07 1,06 1,05 ; 1/04 1,0? 11,02 3 1,01 1
0,99 0,98
1.1
Л,)
а/Ь
1..Н
Is.
Рис. 4. Зависимость P.e^JRe^^и NO^,^ NO,.*,, от отношения cifb
V. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, изменение формы профиля топочной камеры газотрубного котла с круглой на вертикально ряс положенный эллипс ггрн а/Ь в пределах 1,25 - 1.45 ведет:
1) к интенсификации конвективной составляющей теплового потока - росту числа Рейнольдса 92-10" до 93,5 103,
2) увеличению ц в пределах 3,3 %;
3) уменьшению массовой доли N0 в пределах 23 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Mikhailov A G., Batrakov P. A., Terebilov S. V. Problems of heat transfer in the furnace of boilers Overv iew of calculation methods Recearch Bulletin SWorld 2013. T. J21310. no 5. URL: http ://www. iworld.com.ua/ mdex.php Ые-} ourua 1/sworld-j oumal/222 7-69 20/J213/2094S-J 21310
2. Havhurst A. X.. Lawrence A. D. Emission1; of nitrous oxide from combustion H Progress in Energy and Combustion Science. 1992. Vol. IS, uo. 6. P. 529-552,
3 Srivastava R K_, Hall R. E.. Khan S. Nitrogen Oxides Emission Control Options for Coal-Fired Electric Utility Boilers // Journal of the Air & Waste Management Association 2005. Vol. 55. P. 1367-13BE.
4. Батраков П. А.. Чнсленное исследование образования оксида азота при сжигании природного газа в топках различного профиля газотрубных котлов // Омский научный вестник. С:ер. Приборы, машины и технологии. 2015. №3 (143). С. 111-114.
5. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS С FX Release 110 / ANSYS, Inc / Southpointe 275 Technology Drive Camonsburg : PA 15317, 2006. 312 p.
