CC BY
238
Хайбулин Р.Г. , Тененев В.А. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В КАМЕРЕ ДОЖИГАНИЯ ЖИДКИХ ОТХОДОВ
В статье рассмотрена технология термического обезвреживания отходов. На основе численного моделирования процесса горения исследованы гидродинамические и термические режимы в камере дожигания.
Технология термического обезвреживания отходов
Установка термического обезвреживания отходов (УТО) состоит из печи обезвреживания, отделения сжигания жидких отходов, сточных вод и газовой смеси, отделения очистки дымовых газов, отделений приемных емкостей жидких отходов, сточных вод, твердых отходов, щелочи, а так же наружной площадки разгрузки твердых отходов. Твердые отходы подаются в печь с выдвижными подовыми тележками, состоящей из камеры с туннелеобразной футеровкой. Камера обогревается расположенными на боковых стенках горелками, питаемыми природным газом. Путем повышения температуры внутри печи с 800 до 11000С в пределах временного интервала, определяемого в зависимости от качественных характеристик твердых отходов, достигается их полный обжиг. Дымовые газы выходят из верхней части печи и поступают в камеру дожигания через боковые штуцера. В камеру дожигания также подается вторичный воздух, отработанный воздух из шлюзовых участков отделения сжигания твердых отходов, жидкие отходы, сточные воды и газовая смесь (ацетилен + азот).
Жидкие отходы и сточные воды насосом по трубопроводам перекачиваются к сопловым трубам (форсункам), расположенным в камере дожигания. Через эти форсунки жидкости в тонкодисперсной форме впрыскиваются в камеру дожигания.
Газовая смесь водокольцевым вакуум-насосом направляется в горелку камеры дожигания.
В расположенных перед УТО отделениях переработки высокотоксичных ОВ (люизит, иприт) на базе С1 и АЗ получаются растворенные жидкие соединения (реакционные массы), при сжигании которых образуются соли. Поэтому в камере дожигания возможно отложение солей и плавких шлаков. Из-за этого топочная камера расположена вертикально, в которой поток дымовых газов проходит сверху вниз, а на дне топочной камеры они удаляется вместе с расплавленными шлаками.
Форсунки для подачи и распыления водяных отходов с малой теплотворной способностью расположены в верхней части топочной камеры вокруг направленной вниз газовой горелки, установленной по центру в верхней части топочной камеры. Жидкие органические отходы с большой теплотворной способностью распыляются с помощью центральной форсунки, расположенной внутри горелки. Через форсунки, установленные в головной части топочной камеры, органические отходы с большой теплотворной способностью распыляют с помощью сжатого воздуха, а другие водяные отходы с малой теплотворной способностью распыляют с помощью пара и направляются в зону пламени топочной камеры. Состав подаваемых в камеру дожигания отходов представлен в табл.1.
Таблица 1
Состав суммарных жидких и газообразных отходов
Вещество Формула Содержание, кг
Ацетон СзИ60 2,858
Гексан С6Н14 2,858
Хлорид Ыа ЫаС1 0,000871
Каустик ЫаОН 1,009
Метанол СН4О 2,858
Мышьяковистокислый натрий ЫаДэОз 0,005
Хлорвенил- арсиноксид С8Н8СІ4Д32 0 1,5х10-5
Вода (жидкость) Н2О 567,55
Ацетат Ыа ЫаСзНз02 0,00079з
Азотнокислый Ыа ЫаЫОз 0,000186
К2СГ2О7 0,000526
Сульфат Ыа Ыа23О4 0,000249
Тетрахлорэтан С2Н2СІ4 0,8ззз
Ацетилен С2Н2 з9,66
Азот N2 245,8
Вода (пар) Н2О 6,12з
Итого: 869,55
В вертикально стоящей камере дожигания разлагаются все органические компоненты отходов. Для этого средняя температура внутри камеры дожигания с помощью газовой горелки, расположенной в верхней части камеры, удерживается на уровне 12000С, время пребывания веществ в реакционной зоне камеры составляет больше двух секунд.
Минеральные компоненты отходов, а также соли, которые в процессе сжигания частично образуются, при таких температурах формируются частично как в жидком, так и в газообразном видах. Жидкая фаза по стене камеры дожигания течет вниз в аппарат резкого охлаждения. Газообразная фаза выводится вместе с дымовым газом. Дымовые газы выходят из камеры дожигания через ее нижнюю часть и, в дальнейшем, поступают в аппарат резкого охлаждения.
Камера дожигания является важным и ответственным элементом установки термического обезвреживания. Организация дожигания вредных веществ должна обеспечивать полное их разложение. Для оценки условий сжигания целесообразно выяснить гидродинамическую картину горения в камере дожигания.
Математическая модель
Реальные продукты горения представляют смесь вязкого газа и высокодисперсных частиц. Вязкие эффекты желательно учесть при наличии в камере сгорания циркуляционных зон и струйных течений. Течение в циркуляционных зонах влияет на траектории дисперсных частиц и полноту сгорания. Для движения продуктов сгорания характерна развитая турбулентность,
При рассмотрении уравнений, описывающих движение вязкого теплопроводного газа, влияние сжимаемости учитывать не будем. Это вызвано тем, что вязкие эффекты проявляются в камере сгорания, где уровень скоростей течения делает предположение о несжимаемости оправданным. Плотность может изменяться только за счёт изменения температуры потока при учёте процессов горения частиц и теплообмена со стенкой.
Стационарные уравнения вязкого течения запишем в криволинейной ортогональной системе координат в осесимметричной постановке
F{+ Gv= P + R{+ H,+ S ,
(1)
где векторы F,G,P,R,H,S определяются следующим образом
F = yD
f pU f pV f о 1
pUu pVu p(x( - P^t
pUv pVv p^y^ + p4x(
pUT % II О pVT , P и- У о
pUc pVc о
pUK pVK о
Kp]Sj ,pVeJ , о ,
R = УМ
f о ^ f о 1
u un
vt vv
T^a-1 y и H Ta-1
C(°cl caC
K(a--1 Ka-
,ea- )
S = yD
fie[xe(UD)e -yi(UD)4] + ^v[x^(VD)? -ysVD)4]
М [y^ (UD){ + x{ (UD)V ] + Mv [y^ (VD){ + x{ (VD)v ] - Mvly1 H H
1е
(В -е)р ре(( С1в-С2е)/ К)
где р - плотность газа; Р - давление; и,у - составляющие вектора скорости на оси х,у; и,У - кон-травариантные составляющие скорости на оси 4,Х , определяемые по формулам
и = м<4х + у<4у,У = Щх+ \>ху ; П = х^у^—х^у^ - якобиан преобразования координат;
£ Уч £ Хх У4 х4
дх =—^ ,4у = — -х = — ~£^'’Ху =~ - метрические коэффициенты; М - коэффициент динамическои вязкости; Т
- температура газа; С - содержание окислителя в потоке; ,&с&е - числа Прандтля и Шмидта; т -
массовая скорость образования газообразных продуктов при горении конденсированной фазы; НТ - тепловой эффект сгорания конденсированной фазы; ^ - газовая постоянная смеси продуктов сгорания. Плот-
ность p определяется из уравнения состояния p=
RcT
Система уравнений движения рассматривается совместно с уравнениями переноса кинетической энергии К и скорости диссипации £ . Коэффициент вязкости М определяется суммой М = М , где мт , Мт -
коэффициенты молекулярной и турбулентной вязкости, В, С, С, сц - коэффициенты, определённые в [1],
К2
Мт = сцр— .
£
Для расчета массовой скорости испарения О капель жидкой фазы в потоке газа применялась формула
^-Г h
[2] G и---------------ln
cr
1 +
С, (T-Tf)
H
f
, где X, ct - теплопроводность и теплоемкость пара; Ту ,H у
температура ки-
4 з
пения и теплота парообразования жидкости; rs - радиус капель; ms = — ftprs .
При записи уравнения энергии не учтено изменение кинетической энергии, что оправдано невысокими скоростями течения и высокими температурами потока.
Граничные условия
На границах со вдувом задана нормальная к поверхности скорость вдува v0 , температура Т0 , содержание окислителя С0 , значения K0 ,Sq .
На твёрдой границе заданы условия прилипания и равенство нулю теплового и диффузионного потоков. На оси симметрии задаются условия симметрии для всех переменных.
На выходной границе задано давление рЕ и "мягкие" условия (равенство нулю вторых производных) для остальных переменных.
В плоскости x, у ортогональная разностная сетка строилась комплексным методом граничных элементов [3,4].
В основу решения системы уравнений (1) положен метод SIMPLE [5], разновидность которого, ориентированная на применение криволинейных координат в случае несжимаемого течения, реализована в работе [6].
ТТ П+1 П + 1 . 1 * *
По этому методу величины и ,V на п +1 итерации определяются через промежуточные значения и ,V
, полученные по значениям давления рп на п -й итерации:
01 = +} + ++ 1}~ 8Р<-1,}++ +++ = +} + ++ 1}~ 8Ри}-1) ,
где 8р - поправка к давлению и рп +1 = рп +3р , Аи,^ - разностные коэффициенты [6].
Результаты численных расчетов
Расчетная область представлена на рис.1.
Конечно-разностная сетка построена комплексным методом граничных элементов [4] является ортогональной и адаптированной к условиям течения. Расчетная область имеет большое удлинение и поэтому на рис.1 разбита на три части и изображена горизонтально. Конструкция камеры дожигания представляет собой вертикальную топочную камеру. Дымовые газы проходят сверху вниз и удаляются вместе с расплавленными солями, стекающими по стенкам камеры через нижний штуцер.
В верхней части топочной камеры дожигания, по центру, направленная вниз, установлена комбинированная горелка. Внутри горелки встроена центральная форсунка для распыливания жидких горючих, высококалорийных отходов. В процессе горения природного газа и впрыскиваемых высококалорийных отходов образуется факел пламени со струйным характером течения, как это видно из рис.2.
На рис.2 стрелками показаны векторы скорости движения продуктов горения. В верхней части топочной
камеры вокруг горелки установлены форсунки-инжекторы для распыления сточных вод с малой теплотворной
способностью. В результате, образуется кольцевая струя, смешивающаяся с основной струей от газовой горелки. По обеим сторонам кольцевой струи образуются зоны с возвратным циркуляционным течением. Эта часть топочной камеры образует зону пламени. После зоны пламени футеровка камеры дожигания сужается (рис.З), а затем расширяется (рис.4), образуя реакционную зону.
Рис.1. Конечно-разностная сетка в расчетной области
Рис.2. Структура течения в верхней зоне камеры дожигания
Сужение камеры дожигания препятствует возвращению дымового газа из реакционной зоны в зону пламени.
По штуцеру, расположенному ниже места сужения, в топочную камеру поступает дымовой газ из печи с выдвижными подовыми тележками, где он перемешивается с горячими дымовыми газами из зоны пламени. Перемешанные продукты сгорания проходят в нижнюю часть камеры (рис.5) и поступают в аппарат резкого охлаждения.
Температурная картина смешения и дожигания жидких и газообразных отходов показана на рис.6 и рис.7.
инемеїш эное я нин'єйоло aoaisAtfodn sirou эонсСЛлуесСэшяэ;!, -g • эи<з
винелижоИ жізиЕМ ей эИохгая eh винэьэл; еігоц ' g ' овд
• 8 • ond PH ОНЭВЭЯИЙП KHHPdOiIO XeiJL^Hodll я
нєрф иояїїиж KHHE^daBoo эинэнэиеи 'Hdairea ионьопої эное HOHHOHtrapsd я зо OOZI sdAbPdsmrai nsHHsdo ndu
КОЛЭКН'ЯЛОЭ'ШЛОО КИНРіІИЖОН sdsWPM Я ЯОНОХІО ХИЯНИЖ ЭИНР.1ИЖЗ 'ЗИНРіІИЖОН И HSdilPH ХИ PH KOiLSPaHIiPdiLPS
рішаї, чіорь. '(^-ond) яонохіїо xnHdsai иьэп иояоНоп я кинрііижо HoiM^lfodn XHHSPdgoosPii ряЛНя эное g
• noHHodoHtfo ssirog
кзіияонио HdswPM сшнэьээ on pdAiiPdstrwsi, и BciaBHnmswadsu KHHPdoiio HiiMAHodn wsiiPg -нєрф иояНиж snHsd -Епои PH pirns! iLPdiLPS э ip і чігЛє sd я KHHPdoiio HoiM^lfodn AdAiiPdstrwsi, ізржино яоНохю хияНиж XHHnndoirPM -ояЕин KAdiiO кряаїтяігоіі •инаїлгрігп ігамрф HHHdAiiPdstrwsiiOMOOHa шньипиі ізрИеоз яоНохіо XHHpdoEPMOHOOHa ілгзинрііижоН о PMirsdoj: kphospj •рниячіга;я xpoAHpdii я KoisKdawsn pdAiiPdsnwsj, ’яоНохю XHHpdoirp^oaEHH и XHHHndoifPHOHOOHH иьрНоп хр1ээи я KHHsdoo: HoiM^lfodn HwdsioEH 9HHi8hOPd HHSirHPioHsdn 9 • ond ph
яоИохлю XHtfdeaoi ей sosej хнньэы винелижоИ эное я винэьэл; зігоц • fr • овд
, , , t ( t t t Т Т Т 1 Т 1 1 Т Т Т Т Т Т Т1 1 1 1 1 1 T 1 Т r I I I I I I r t I I I I I I I r I t t t t 1 т і t t
■ І Т Г Г Т Г Т 1 Т Г 1
т г т r 111111 r r t t t t t 11 Г t TIT t
■ t t T 1 1 ! ! И ! И n nr 1 Hit 1 1 1 1 1 ГІІИІППІІШШІП 11
r r П П П п п п пи ] ] 1
! ! П ! П П Г П П П n n 1 1 1 ! n ! 1 n I Г ! H 1 T T 1 1 1 /ШШІШ^ІІИІ 1 ^iimimtiin і
і 11 m m 1 m iu -m n 111 і іпіпшіпштіии
' t 1 1 t t T T t T T t t
ИН0ИЕІШ иное enHesKirotfodu ■ £ ■ ОВД
’ 1 " 11 ч 111 m пі im її і и і 1 ’ ""ниишшшшп !
"ЧНИИПШШШШП ’'чи тишшіІНН 11 1
’ > ' ипиишшШІІШ I . < . чтчиштшні! I
. . і \ * и тиШШІШ t I .,., * *\\wu \и\ШШ І і 1 1
---.^v^uuUUUUIH I
.*..vwuwuu\\\\\II f , v _».-.w'awUUUU 1111 I f
uununilll
,,...^чииитШН
,,,
ii“' .,,,,ні 11
t t mi и it m 1 tt 11 tt 11111
11 mrr г f f г г f f r r 11 пі m 11 11 Hff tt t run lift 1111 m
I }}ttttt mint nt m t r і ] ] tttllimmin n 11111 t ,, t I Wllllll Пиит t,,,,
II f If ll і nun )i?>r n,,, I I I tl IIIi!!111 п/г і/,,,, I \ \\ UU Ш! 11 m t .— I N11И Ilf f /11 i/s/s,-.* ~,
I !\\\\UU!! 11 r ^ r ^ ^
I UiiUUtmrr,,,.
Щ\\ПШиГг,_
I I I H 1 f . . . "
Рис.7. Температурное поле продуктов сгорания в зоне подачи дожигаемых печных газов
Как видно из рис.8, подаваемые жидкие низкокалорийные отходы интенсивно испаряются в зоне пламени. На рис.8 показаны линии постоянных значений массового содержания жидкой фазы в продуктах горения. Испарение и дожигание жидких отходов осуществляется в непосредственной близости от высокотемпературного факела газовой горелки.
Рис.8. Массовое содержание жидкой фазы в зоне пламени
Представленные результаты расчетов соответствуют основному (рабочему режиму) работы установки термического обезвреживания. Кроме этого режима имеются режимы пожаротушения и дегазации оборудования после окончания работы объекта при которых отсутствуют жидкие отходы, требующие огневого обезвреживания.
Гидродинамическая и термическая картина процесса в камере дожигания показана на рис.9 и рис.10.
Рис.9. Гидродинамика зоны пламени без подачи жидких отходов
Без кольцевой струи жидких отходов течение в камере дожигания имеет типичный вид развития турбулентной струи в ограниченном пространстве. В зоне газовой горелки в результате интенсивного взаимодействия высокоскоростной струи с окружающими продуктами сгорания формируется крупный вихрь. В реакционной зоне течение стабилизируется и становится однонаправленным.
Рис.10. Температурное поле в режиме отсутствия жидких отходов
Температурное поле в камере дожигания в режимах без подачи жидких отходов является существенно более однородным, чем в рабочем режиме.
Проведенные расчеты показали возможность детального рассмотрения механизма горения и структуры течения в камере дожигания. Эти результаты могут быть использованы при оптимизации расположения контрольных датчиков, улучшающей достоверность контролируемых параметров. Методика расчета может применяться при получении технических решений по повышению качества процесса термического обезвреживания отходов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Курбацкий А.Ф. Моделирование турбулентных течений (обзор). //Изв.СОАН СССР. серия техн.наук. 1989.вып.5. с.119-145.
2. Сполдинг Д.Б. Горение и массобмен. - М.: Машиностроение, 1985. - 237 с.
3. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости.
М.:Энергоатомиздат. 1984.152с.
4. Громадка II Т.,Лей Ч. Комплексный метод граничных элементов в прикладных науках. М:
Мир.1990.303с
5. Бендерский Б.Я., Тененев В.А.Экспериментально-численное исследование течений в осесимметричных каналах сложной формы с вдувом Изв.РАН МЖГ, №2, 2 0 01.с.24-28.
6. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости.-
М.:Энергоиздат,1984.150с.
7. Бендерский Б.Я., Тененев В.А.Пространственные дозвуковые течения в областях со сложной геометрией Математическое моделирование, т.13, №8, 2 0 01.с.35-39.
