RESEARCH OF INFLUENCE OF AIR TEMPERATURE ON THE LEVEL OF NITROGEN OXIDES IN SMOKE GASES OF BOILER PLANTS

Full Text

Повышение объема потребления энергии и тепла приводит к увеличению вредных выбросов, загрязняющих окружающую среду. Атмосферные выбросы котельных, работающих на газообразном топливе, содержат оксиды углерода, азота и диоксид углерода [1]. Вопрос снижения концентрации наиболее токсичного из компонентов дымовых газов котельных - оксида азота на данный момент является актуальным, особенно для районов сосредоточения большого количества энергетических установок. Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 28 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Согласно Государственному докладу «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2017 году» в 50 городах России среднегодовая концентрация диоксидов азота превышает 1 ПДК по данным Росгидромета [2]. Ощутимую роль в части поступления в атмосферу оксида азота играют предприятия по обеспечению теплоснабжения и электрической энергии. В результате соединения азота с кислородом, в зависимости от степени окисления образуются азотный ангидрид N2O5, тетраоксид диазота N2O4, азотистый ангидрид N2O3, гемиоксид N2O, диоксид NO2, оксид NO. Практическое значение с экологической точки зрения представляют NO и NO2. В процессе сжигания природного газа в основном образуется оксид азота NO. Дальнейшее окисление NO до более токсичного NO происходит 2 в шлейфе дымовых газов [1]. Механизм окисления NO до NO2 можно представить в виде следующих реакций [1]: (1) (2) (3) В спектре температур 1300-1500 °С значительно увеличивается скорость возникновения оксида азота в соответствии с реакцией [1]: (4) В нижних слоях атмосферы при нормальных условиях распространения шлейфа дымовых газов основной интерес представляет первая реакция. Воздушные оксиды азота образуются в соответствии со следующими механизмами [1]: 1. Окисление атомарным кислородом молекулярного азота при больших температурах (механизм Зельдовича). 2. Разложение молекулярного азота под действием углеводородных радикалов с дальнейшим взаимодействием атомарного азота с гидроксильной группой OH (механизм Фенимора). На процесс образования NOx оказывают влияние различные параметры топочного процесса, содержание связанного азота в топливе и температура в зоне горения. Концентрация оксидов азота линейно увеличивается с увеличением концентрации атомарного кислорода и экспоненциально с увеличением температуры [3]. Решающее влияние на образование «термических» NO оказывает максимальная температура и время реакции образования NO [3]: (5) где Tmax - максимальная температура, °С; τp - время реакции образования NO, с. Для снижения концентрации оксидов азота применяются методы, основанные на уменьшении концентрации окислителя и температуры в зоне факела, а кроме того, методы восстановления оксидов азота в топочной камере [4]. Для оптимизации работы существующих горелок требуется исследовать возможные режимы горения газа при варьировании технологических параметров [5]. В экспериментальных исследованиях варьирование параметров в широкой области их изменения весьма затруднительно. Поэтому для изучения режимов горения прибегают к математическому моделированию [5]. Известные в настоящее время теоретические работы по фильтрационному горению газов ограничены либо аналитическим обзором данных эксперимента, описанием физических явлений и формулировкой проблемы, либо отдельными частными расчетами на основе достаточно сложных моделей и алгоритмов, либо условиями, реализуемыми в лабораторном эксперименте [5]. Моделирование струйного течения является достаточно актуальным, особенно в части применения к газовым горелкам струйного типа [6]. Ниже предложена и исследована модель горения газа в цилиндрической горелке. Постановка задачи. Для исследования влияния температуры подаваемого в качестве окислителя воздуха на уровень выделения оксидов азота был использован программный продукт САПР FlowVision. Многофункциональная система FlowVision позволяет моделировать трехмерное течение газа в технических объектах. В результате расчета строились графики полей концентраций NOx терм и температур в расчетной области. Модель «Горение» описывает процессы горения газовых смесей при дозвуковых числах Маха и основана на уравнениях Навье-Стокса и неразрывности [7]: (6) где t - время, с.; x, y, z - координаты частицы; νx, νy, νz - проекции скорости частицы; X, Y, Z - О. А. Баландина, С. М. Пуринг 29 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 проекции объемной силы; p - давление, Па; ν - коэффициент кинематической вязкости, м2/с; ρ - плотность, кг/м3. Процесс горения представляется в виде брутто-реакции: (7) где W - скорость брутто-реакции. Скорость брутто-реакции определяется скоростью турбулентного смешения топлива и окислителя. Для расчета скорости брутто-реакции Wбыла использована турбулентная модель горения. Данная модель справедлива для предварительно несмешанных потоков топлива и окислителя. Для предварительно несмешанных потоков топлива и окислителя скорость W брутто-реакции определяется скоростью турбулентного смешения (модель Магнуссена) [7]: (8) где f - концентрация топлива; o - концентрация окислителя; j - массовый стехиометрический коэффициент; μ - турбулентная вязкость, кг/ м·с; ρ - плотность, кг/м3; k - пульсация; ε - масштаб турбулентности; Wmax - скорость горения несмешанного потока компонентов [6]. Расчетная о бласть была задана в виде параллелепипеда 40×200×8 мм, в центре левой грани которого была задана точка ввода струи газа. Струя газа подавалась со скоростью v = 0,003374 кг/(м2с) через условное отверстие сечением 8×8 мм. Поток воздуха подавался со скоростью v = 0,07445 кг/(м2с) через два симметричных сечения размерами 16×8 мм [8]. С помощью предложенного алгоритма можно определять температуру в зоне факела горения, обеспечивающую устойчивую работу и распределение концентраций оксида азота. Решение задачи. В проведенном моделировании расчет производился для температур воздуха 20, 60, 100, 150 и 200 °С. Были получены распределения температуры и концентрации оксида азота для пяти рассматриваемых вариантов. Ниже приводятся результаты расчета интенсивности образования оксидов азота в зависимости от температуры окислителя, подаваемого к факелу горения. На рис. 1 показано распределение поля температур факела в продольном сечении расчетной области. График зависимости образования оксидов азота при сжигании природного газа от температуры окислителя представлен на рис. 2. Как видно из графика, образование термических оксидов азота при сжигании природного газа значительно зависит от температуры воздуха, подаваемого в горелку для образования газовоздушной смеси. Максимальные значения объемной концентрации оксидов азота наблюдаются при температуре окислителя tв= 200 °С. График распределения температур факела в расчетной области по длине при сжигании природного газа от температуры окислителя представлен на рис. 3. На основании графика можно сделать вывод, что температура подаваемого в зону горения окислителя оказывает незначительное влияние на распределение температур в зоне факела горения. График зависимости концентраций оксидов азота по сечениям топочного пространства при различных температурах окислителя представлен на рис. 4. Зависимость концентраций оксидов азота по сечениям топочного пространства при различных температурах окислителя описывается уравнением (9) где a, b - коэффициенты, зависящие от расположения сечения топочного пространства и температуры окислителя (a = 239,25÷166,9; b = 0,2604÷0,2564). Сходимость данных моделирования с предложенными экспоненциальными зави- Рис. 1. Поля распределения температур факела в продольном сечении расчетной области Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 30 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Рис. 2. График распределения концентраций оксида азота по длине при различных температурах окислителя 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 L, м 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 rNO2 , ppm tB = 200 °C tB = 100 °C tB = 20 °C tB = 150 °C tB = 60 °C Рис. 3. График распределения температур факела в расчетной области по длине при различных температурах окислителя 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 L, м 0 500 1000 1500 2000 2500 t, °C tB = 200 °C tB = 100 °C tB = 20 °C tB = 150 °C tB = 60 °C Рис. 4. График зависимости концентраций оксидов азота по сечениям топочного пространства при различных температурах окислителя 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 rNO2 , ppm 20 60 100 150 200 Температура окислителя, °С x = 0,036 м x = 0,05 м x = 0,1 м x = 0,15 м x = 0,2 м О. А. Баландина, С. М. Пуринг 31 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 симостями характеризуется коэффициентом детерминации R2 = 0,9933. Влияние температуры в зоне горения факела на генерацию термических оксидов азота рассмотрено в исследованиях М.А. Таймарова, Д.Е. Чикляева и др. Исследование химических процессов образования оксидов азота при сжигании газа, проведенное данными авторами [9, 10], подтвердило экспоненциальный характер повышения концентраций оксидов азота с увеличением температуры смеси. Полученные результаты соответствуют теоретически ожидаемым, и подобное моделирование может быть в дальнейшем использовано. Выводы. Полученные результаты свидетельствуют о том, что температура потока окислителя существенно влияет на распределение концентрации оксида азота в дымовых газах: уменьшение температуры подаваемого в качестве окислителя воздуха приводит к падению концентрации оксидов азота в дымовых газах; наибольшее снижение концентрации наблюдается при температуре воздуха 20 °С, при этом температура в зоне факела снижается незначительно. В данном исследовании рассмотрен только один из факторов, влияющих на уровень выделения оксидов азота в дымовых газах котельных установок, но методика численного расчета характеристик процесса горения природного газа позволяет проводить исследования широкого круга изменяющихся параметров. Предложенная модель может быть использована для получения предварительных значений температур в зоне горения и концентраций оксидов азота в дымовых газах. Для оптимизации работы котельного агрегата, в том числе разработки эффективных мероприятий по снижению уровня оксидов азота, необходимо исследование целого ряда параметров, что предполагает выполнение дальнейших исследований.

About the authors

Olga A. BALANDINA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Svetlana M. PURING

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files