Численное моделирование образования оксидов азота в пылеугольных топках котлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.14, кандидат наук Визгавлюст, Наталья Викторовна

• Визгавлюст, Наталья Викторовна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Визгавлюст, Наталья Викторовна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

1.1 Газообразные вредные вещества, образующиеся при сжигании натуральных топлив

1.2 Генерация оксидов азота при горении топлива

1.3 Способы подавления оксидов азота при сжигании твердого топлива

1.4 Современные кинетические схемы генерации оксидов азота при горении пылевидного топлива и их использование в математических моделях

1.5 Обоснование задач исследования

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ В ПЫЛЕУГОЛБНЫХ ТОПКАХ

2.1 Физическая постановка задачи

2.2 Математическая постановка задачи

2.3 Краткие выводы

ГЛАВА 3 МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ И РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ

3.1 Численные методы решения систем уравнений химической кинетики

3.2 Метод решения конвективно-диффузионно-кинетического уравнения для концентрации топочных газов

3.3 Описание пакета FIRE 3D

3.4 Результаты тестирования различных кинетических схем

3.5 Краткие выводы

ГЛАВА 4 ПРИМЕНЕНИЕ ПАКЕТА FIRE 3D-NOx ДЛЯ АНАЛИЗА СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА В ТОПКЕ КОТЛА

4.1 Характеристика объекта исследования

4.2 Базовый вариант расчета теплообмена и аэродинамики в топке

4.3 Численное моделирование образования оксидов азота при изменении паропроизводительности котла

4.4 Численное моделирование образования оксидов азота в топочной камере при изменении избытка воздуха

4.5 Численное моделирование образования оксидов азота при ступенчатой подаче топлива в топку

4.6 Краткие выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Численное моделирование образования оксидов азота в пылеугольных топках котлов»

ВВЕДЕНИЕ

Жизненно важной проблемой современности является защита воздуха, возникающая как следствие несовершенной хозяйственной деятельности человека. Рост потребления энергии сопровождается увеличением вредных выбросов, загрязняющих окружающую среду. При этом не менее 40% от общего количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота приходится на долю тепловых электрических станций (ТЭС), работающих на органическом топливе. Образование оксидов азота при горении такого топлива приводит к существенным нарушениям природного равновесия. К основным, постоянным источникам загрязнения атмосферного воздуха, относятся работающие на угле ТЭС, поставляющие в атмосферу в больших количествах кроме оксидов серы (802 и 803) и оксидов азота (N0 и N02), твердые частиц, а также оксиды углерода, альдегиды, органические кислоты [1].

Частица пылевидного топлива, попадая в топочную камеру котла с воздухом через горелочное устройство, вступает в процесс реагирования с внешней поверхности, а внутренняя масса до некоторого времени остается инертной. Топливно-воздушная струя расширяется в топочном объеме и увлекает за собой горячие топочные газы, перемешиваясь с ними, нагревается. Нагрев потока струи осуществляется от дымовых газов и внутренней поверхности топки в основном излучением, а также в меньшей мере конвекцией и теплопроводностью при контакте с топочными газами. Угольная пыль находится в состоянии полета в топочном объеме, проходя последовательно этапы тепловой обработки, сопровождаемые сушкой, выходом и горением летучих веществ, догоранием кокса и выделением шлакового остатка. Подготовленная в системе пылеприготовления угольная пыль состоит из частиц различной тонины помола, вследствие чего воспламеняются и сгорают первыми более мелкие пылинки. Для крупных частиц нагрев и начало горения несколько затягивается. Поэтому по длине

пылеугольного факела происходит совмещение отдельных стадий горения различных по размеру частиц.

При нагревании в потоке и возгонке летучих вокруг частицы образуется газовый объем [2]. Соотношение исходных азотсодержащих газообразных компонент в составе этих летучих веществ определяется природой топлива, поскольку состав органической массы твердых топлив зависит от степени углефикации. Поэтому при выходе летучих из геологически старых углей материнский азот конвертирует в основном в цианид водорода. Чем меньше степень углефикации топлива, тем меньше в нем углерода, и азот топлива переходит в газовую фазу в виде аммиака. Цианиды НСК и аммиак КН3 в процессе горения летучих реагируют по развернутому цепному механизму с образованием топливного оксида азота N0 и молекулярного азота N2 [1].

Топливный азот, оставшийся в коксовом остатке, при догорании последнего теоретически так же может конвертировать в N0 и N2.

При сжигании сернистых топлив происходит относительное снижение эмиссии оксидов азота, что связано с более сильным химическим сродством серы к кислороду. Сера в процессе горения интенсивно «захватывает» атомы кислорода, образуя различные оксиды серы (БО, 802, ЭОз), конкурируя тем самым с процессами окисления топливного и атомарного азота [3].

Характеристики процессов образования оксидов азота в топочных условиях можно определить как экспериментально, так и теоретически.

Самую полную информацию можно получить путем измерений на исследуемом объекте в натуральных условиях сжигания. При проведении экспериментального исследования в полномасштабной топочной камере котлоагрегата принципиально можно определить образование 1Ч0Х и Б0Х в естественных условиях. Но во многих случаях полномасштабные исследования очень дороги и часто невозможны. Другой альтернативой могут послужить эксперименты, проведенные на маломасштабных установках. Однако в этом случае полученные экспериментальные данные

необходимо переносить на реальный объект, а общие закономерности для этого, как правило, не существуют. Более того, на маломасштабных установках воспроизвести все свойства реального объекта не всегда возможно, и это тоже снижает достоверность полученных результатов. И надо всегда иметь в виду, что во многих случаях получение экспериментальных данных затруднено, а измерительные приборы могут давать значительные погрешности [4].

При численном исследовании определяют результаты решения некоторой задачи согласно применяемой математической модели, а не характеристики действительного физического процесса. При исследовании физических процессов образования оксидов азота при сжигании угля в топках котлов математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений. Классические работы по теплообмену и гидроаэромеханике дают основания для вывода о том, что получить аналитические решения возможно только для ограниченной части представляющих практический интерес задач. Кроме того, эти решения бывают сложными и сами по себе, поскольку зачастую содержат бесконечные ряды, специальные функции и т.д., и их численная оценка может представлять трудную задачу.

Однако уровень развития численных методов ч наличие суперкомпьютеров дают все основания полагать, что для практически любой задачи есть принципиальная возможность составления математической модели и выполнения ее численного исследования. Главное упрощение, которое делает численный метод широко применимым, связано с использованием не дифференциальных, а алгебраических уравнений [4].

Известные преимущества численного решения по сравнению с соответствующим натурными исследованиями сводятся к следующим положениям [4].

Во-первых, низкая стоимость в большинстве случаев, а особенно при использовании специального программного обеспечения. Стоимость

потраченного вычислительной машинной времени на много порядков ниже стоимости соответствующего натурного исследования, причем значение этого фактора увеличивается с возрастанием масштабов и усложнением изучаемого физического процесса. Во-вторых, оперативность получения результатов. Численное решение можно провести относительно быстро, так что опытный инженер-конструктор имеет возможность проработать несколько вариантов рассматриваемой проблемы и выбрать оптимальную конструкцию, в то время как соответствующее по информативности экспериментальное исследование длилось бы многократно дольше. В-третьих, численное решение даёт возможность получить полную информацию, с ее помощью можно найти значения всех переменных в топочном объеме, таких как скорости, давление, температура сред, концентрация оксидов, интенсивность турбулентности. При этом для расчета доступен весь исследуемый объем и отсутствуют погрешности физической картины, вносимые датчиками при натурном исследовании. В-четвертых, возможность моделирования как реальных, так и при необходимости идеальных условий протекания процесса.

Тем не менее, при всех признанных достоинствах численное решение получает в виде результата количественные закономерности, свойственные лишь данной математической модели. В противоположность этому с помощью натурного исследования можно фиксировать саму действительность. Таким образом, полезность от численного расчета топочной камеры ограничена обоснованностью математической модели, хотя результат зависит не только от математической модели, но и от метода численного моделирования. Иначе говоря, если применяется математическая модель, которая плохо моделирует исследуемое явление, то с помощью даже очень хорошего численного метода можно получить ненадежные и даже негодные результаты [1,4].

Также к недостаткам численного решения относятся: рост погрешности округления, проблема задания граничных условий, стоимость

вычислительной техники. Однако, несмотря на все недостатки, численное моделирование в настоящее время является одним из основных методов исследования окружающих нас процессов и явлений. В свою очередь, прогнозирование исследуемых процессов аэродинамики, теплообмена и горения в теплоэнергетических и т.п. установках является в настоящее время важным фактором развития вычислительных методов.

Изложенное выше объясняет актуальность исследования образования оксидов азота в топках пылеугольных котлов средствами численного моделирования. Во-первых, прогнозирование образования вредных веществ при сжигании топлива в котлах ТЭС остается одной из первостепенных и масштабных задач для теплоэнергетики, поскольку нетехнологическое снижение выбросов вредных веществ при больших объемах приводит к существенному удорожанию продукции. Во-вторых, этот вопрос имеет глобальное значение для охраны планетарной окружающей среды и следовательно для выживания человечества. В-третьих, получение данных, необходимых для внедрения вариантов реконструкции или проведенных ремонтных работ, путем промышленных натурных испытаний или моделирования физических процессов на маломасштабных установках, как показано выше, имеет ограничения из-за высокой трудоемкости и стоимости, а единственным выходом, по сути, в такой ситуации является применение численного моделирования. Хотя в этом направлении выполнено немало работ, но остается потребность в совершенствовании и развитии расчетных методик образования вредных выбросов. Прежде всего, это относится к процессам генерации оксидов азота в условиях сжигания топлива, для расчетной оценки которых важное значение имеют кинетические модели. Однако именно вопросы выбора и использования химических кинетических схем, их значимости для расчетных оценок образования оксидов азота применительно к численному моделированию в приложении к исследованию реальных технологий топливосжигания нуждаются в дальнейшей проработке.

Целью диссертационного исследования является развитие математической модели процесса образования оксидов азота применительно к пылеугольным топкам котлов на основе анализа кинетических схем генерации NOx, разработка усовершенствованного пакета прикладных программ и его апробирование в численных исследованиях для оценки технических решений по внутритопочному подавлению вредных выбросов.

Достижение поставленной цели обеспечивалось решением следующих задач:

- теоретический и расчетный анализ используемых в расчетной практике кинетических схем химических реакций образования оксидов азота;

- разработка физической и математической модели генерации оксидов азота при сжигании пылевидного топлива в топках котлоагрегатов с учетом выбранной кинетической схемы;

- разработка численного метода решения трехмерных конвективно-диффузионно-кинетических уравнений, составляющих основу математической модели образования оксидов азота при сжигании пылевидного топлива;

- разработка NOx-постпроцессора для пакета прикладных программ FIRE 3D, тестирование на его основе используемых моделей и численного метода путем сравнения с другими кинетическими схемами генерации NOx и с данными экспериментов при сжигании угольной пыли;

- проведение вычислительного эксперимента, позволяющего оценить влияние технологических методов снижения образования оксидов азота (изменение избытка воздуха, организация ступенчатого сжигания и т.п.), с выявлением наиболее перспективных решений для действующего котлоагрегата.

Научная новизна полученных результатов:

- разработана новая математическая модель образования оксидов азота в топках котлоагрегатов, отличающаяся тем, что наряду с химическими реакциями при сжигании твердого топлива по кинетической схеме

Митчелла-Тэрбелла учитывает перенос компонентов конвекцией и диффузией, а также зависимость скорости выхода топливного азота из угольных частиц на стадии пиролиза от температуры и содержания летучих;

- создан NOx-постпроцессор для пакета FIRE 3D, предназначенный для расчета локальных концентраций оксидов азота и их предшественников внутри топочного объема котла, который использует оригинальный численный метод решения трехмерных конвективно-диффузионно-кинетических уравнений;

- получены новые данные и дополнены представления о взаимосвязи параметров топочной среды с генерацией оксидов азота применительно к котлу с жидким шлакоудалением при сжигании ирша-бородинского угля;

- разработана методология применения пакета FIRE 3D с NOx-постпроцессором (ППП FIRE 3D-NOx) для прогнозирования и управляющего воздействия на генерацию оксидов азота в пылеугольных топках, позволяющая оптимизировать применение вариантов подавления вредных выбросов в атмосферу.

Практическая значимость работы:

- полученные результаты исследования и методология численного анализа образования NOx могут применяться при проектировании и реконструкции котельных агрегатов с пылеугольными топками с целью снижения вредных выбросов;

- показана возможность применения пакета прикладных программ FIRE 3D-NOx для решения задач при разработке и выборе вариантов технических решений по улучшению экологических характеристик для котельных установок на пылеугольном топливе;

- данные, полученные в результате численного исследования топочных процессов для котла БКЗ-320-140ПТ, могут использоваться для наладки и ведения эксплуатационных режимов, обеспечивающих минимализацию вредных выбросов с дымовыми газами.

Разработанный программный комплекс FIRE 3D-NOx принят к использованию Барнаульским подразделением ОАО «Подольский машиностроительный завод» (ЗИО) для предпроектного анализа и выбора вариантов модернизации пылеугольных топок. Программа для расчета концентрации монооксида азота в пылеугольной топке котлоагрегата зарегистрирована в Реестре программ для ЭВМ (свидетельство о государственной регистрации № 2014611378)

Методика проведенного исследования используется в Томском политехническом университете в учебном процессе по направлению 141100 «Энергетическое машиностроение» по профилю «Котлы, камеры сгорания и парогенераторы АЭС» в лекционных курсах и лабораторных практикумах.

Апробация результатов: основные положения диссертационной работы были представлены на семнадцати научно-технических конференциях разного уровня и опубликованы в 20-ти работах, в том числе трех статьях в рецензируемых изданиях из списка ВАК РФ, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение и список литературы (98 наименований), приложение. Работа содержит 129 страниц, 7 таблиц и 46 рисунков.

На защиту выносится:

— математическая модель генерации оксидов азота в топках котлоагрегатов при сжигании высокореакционного твердого топлива;

— численный метод решения конвективно-диффузионно-кинетических уравнений и разработанный NOx-постпроцессор;

— результаты расчетов аэротермохимических топочных процессов, полученные с использованием модернизированного пакета FIRE 3D-NOx и разработанной технологии его применения для прогнозирования уровня NOx в топке.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

1.1 Газообразные вредные вещества, образующиеся при сжигании натуральных топлив

Значимой группой токсичных веществ, попадающих в атмосферу, являются газы неполного горения топлива: оксиды углерода (СО), альдегиды (НСНО) и органические кислоты.

В конечных продуктах сгорания концентрация оксидов углерода зависит от аэродинамики топочной камеры и организации сжигания топлива: эффективности смешивания холодного потока «топливо-воздух» с рециркулирующими дымовыми газами, расположения поверхностей нагрева по отношению к факелу, взаимного расположения горелок и других факторов [2, 5].

Большой канцерогенной активностью обладает 3, 4-бенз(а)пирен. Он относится к достаточно хорошо изученным канцерогенным веществам. Образование бенз(а)пирена протекает с участием углеводородов ряда ацетилена. Значительное количество бенз(а)пирена выделяется при режимах горения, сопровождающихся сажеобразованием, и зависит прежде всего от избытка воздуха в топке и температуры факела. В топочных устройствах с хорошей организацией процесса горения концентрация бенз(а)пирена не превышает 0,4-10"4 мкг/м3 в продуктах сгорания топлива [6].

Для угольной теплоэнергетики наибольшее значение имеют оценки выбросов диоксида серы (БОг) и оксидов азота (КОх), так как выбросы серы и азота всегда вместе присутствуют в продуктах сгорания и обладают суммированным воздействием [7].

Выбросы оксидов серы занимают второе место (после оксидов углерода) по массе загрязняющих атмосферный воздух веществ. Одна из техногенных причин наличия выбросов серы в атмосфере - использование твердого топлива, в частности, угля. В топках котлов диоксид серы образуется при сгорании топливной серы. Поэтому в технологии

12

топливосжигания основным направлением предотвращения выбросов 802 является использование низкосернистых топлив. Концентрация серного ангидрида зависит от температуры и содержания окислителя, а также связана с количеством оксидов азота в продуктах сгорания по реакциям с учетом оксида серы [8]:

Оксиды азота содержатся в атмосфере в значительно меньших количествах, чем молекулярный азот (79 % от атмосферного воздуха), но несмотря на это, их влияние на жизнь человека и биосферу в целом очень значимо.

Оксиды азота разделяют на группы по степени окисления азота. По мере увеличения валентности образуются гемиоксид N20, монооксид NO, азотистый ангидрид N203, диоксид NO2, тетраоксид N2O4 и азотный ангидрид N2O5. Для охраны окружающей среды большое значение имеют моно- и диоксид азота, сумму которых обозначают как NOx. Другие оксиды азота не являются настолько важными с этой точки зрения, либо их присутствие в атмосферном воздухе очень мало из-за неустойчивости [9-11].

В настоящее время в российских директивных документах по охране окружающей среды предполагают полный переход N0 в N02 в атмосфере, что, конечно, приводит к завышению расчетной загазованности воздуха по сравнению с фактической. Такое решение принято несколько десятилетий назад в связи с невозможностью рассчитывать долю перехода NO в N02 [8]. Исследования, проведенные в 70-х годах советскими (А.К. Внуков, И.Я. Сигал и др.) и зарубежными (Бейлке, Элшоут) учеными, позволили оценить с достаточной точностью степень перехода N0 в NO2 в зависимости от некоторых атмосферных параметров.

Окисление N0 в N02 может протекать по трем реакциям [1]:

S02+2N0 = S03 + N20; S02 + N02= S03 +N0.

2N0+02—>2N02; NO+O3—>N02+02;

(1.1) (1.2)

Ж>+К02->Ж)2+К0. (1.3)

Реакция (1.1) играет роль только при достаточно высоких концентрациях N0, скорость её уменьшается по мере снижения концентрации N0 и быстро становится несущественной. Еще меньшую роль играет реакция (1.3): превращение оксида азота в диоксид с помощью пероксидного радикала имеет значение лишь тогда, когда высоки концентрации углеводородных радикалов и интенсивность ультрафиолетового облучения. Наибольшее значение имеет реакция (1.2) -окисление N0 озоном [8].

1.2 Генерация оксидов азота при горении топлива

Процессы образования оксидов азота при горении изучены не в полной мере и требуют дальнейшей детальной проработки сложной кинетики химического процесса с совместным изучением тепломассообмена и его влияния на кинетическую картину процесса в целом. Во второй половине XX века (60-70е гг.) почти во всех публикациях в СССР и за рубежом за основу модели образования N0 принималась схема, разработанная Я.Б. Зельдовичем [12], согласно которой выход оксидов азота определяется реакцией между атомом кислорода и молекулярным азотом, а образование атомарного кислорода - диссоциацией молекулы 02. Эти процессы имеют высокий энергетический потенциал (Е=561 кДж/моль) и определяются температурой процесса. Однако опыты показывали [12, 13], что:

— образование N0 в факеле происходит в зоне горения и зависит от многих химических реакций, при этом процесс образования ЫОх протекает не только при реакции атомарного кислорода с молекулой азота, но и в других реакциях;

— образование О в факеле происходит как за счет диссоциации 02, так и в других реакциях;

— наибольшая температура в ядре горения меньше расчетной теоретической из-за концентраций промежуточных продуктов реакций и теплообмена;

- влияние температуры на выход N0 значительно меньше, чем предполагалось ранее.

Исходя из результатов исследований [12, 13], можно выделить три основных группы образования оксидов азота при горении органического топлива: термические, «быстрые» и топливные N0.

Термические оксиды азота возникают только при высоких температурах. Процесс идет по реакциям окисления молекулярного азота, для которых Я.Б. Зельдовичем разработан цепной механизм, в котором активными центрами являются атомарный азот и атомарный кислород [1, 12, 14]. Цикл цепного механизма по Я.Б. Зельдовичу состоит из следующих взаимодействий:

инициирующий импульс - М + 02 = М + 20' (эндоэффект 494 кДж/моль); эндотермическое развитие - N2 + О' = N + N0 (эндоэффект 314 кДж/моль); экзотермическое развитие - + 02 = О + N0 (экзоэффект 134 кДж/моль);

обрыв - 20 + М = Ог + М (экзоэффект 494 кДж/моль).

Зависимость концентрации оксидов азота от концентрации атомарного кислорода является линейной, а от температуры - экспоненциальной [1, 13, 14]. Поэтому главными факторами образования термических Ж)х выступают максимальная температура (Ттах) и время реакции (г), которое характеризует темп охлаждения в зоне высоких температур:

>ЮХТ6РМ = ^(Тщах, т) = иТтах,^).

йт

Для топок больших размеров характерно более медленное охлаждение продуктов сгорания и увеличенный период реакции образования оксида азота по сравнению с менее габаритными топочными камерами.

Наиболее полный анализ уравнений, моделирующих процессы, протекающие в зоне горения и оказывающие влияние на образование N0 в пламени, содержится в работе Л.А. Лобачевского [2].

«Быстрые» оксиды азота образуются при контакте промежуточных углеводородных соединений топлива с поступающим в горелки воздухом

(молекулярным азотом) на начальном участке зоны горения факела при температурах более 1000 К. Свое название они получили в связи с тем, что в углеводородных пламенах непосредственно в зоне горения фиксируется достаточно большие концентрации N0, хотя время горения на порядок меньше, чем период времени, необходимый для получения равновесных концентраций N0 даже при горении метановоздушной смеси стехиометрического состава [6, 15]. С. Фенимор [16] на основании анализа ряда реакций предложил объяснение этого экспериментального факта. Слишком быстрое образование N0 он объяснил тем, что молекулы азота связываются радикалами типа СН и СН2, вступая в реакции с очень маленькими энергетическими затратами. К таким реакциям С. Фенимором [16] были отнесены:

]Ч2+СН=СК+]Ч(-8,38кДж/моль); К2К>С=СК+СЫ(-16,72кДж/моль);

К2+2СН2=2Ш+2НС (-37,6кДж/моль); ОНШ= Н + N0.

Измеренные впоследствии концентрации НСК в зонах факела подтверждают возможность образования некоторого количества N0 с участием реакций, которые протекают достаточно заметно даже при 1600 К, когда термические оксиды азота практически не образуются.

Р. Гаррис с соавторами [17], изучая горение смеси СН4-02-К2 при варьировании концентрации 02 от 33,3 до 80 %, около области горения всегда обнаруживали сверхравновесные концентрации ОН. Это дало им основу для объяснения образования N0 в зоне горения по следующей схеме реагирования:

Топливные NOx образуются при продувании топлива горячим воздухом при температуре газовой среды 800-2100 К. Образование топливных NOx слабо зависит от температуры, особенно в диапазоне температур больше 1200 К, и происходит на начальном участке факела (по времени и

hc+n2=hcn+n; cn+02=c0+n0; oh+nh=h2+no;

hcn+(h,0h)=cn+(h2,h20);

cn+oh=nh+co;

nh+no=oh+n2.

пространству между образованием «быстрых» и термических оксидов N0) [1, 14].

Работы С. Фенимора [16] и некоторые другие, проведенные в США, а также исследования В.И. Бабия и сотрудников [18] в России показали, что источником образования части оксидов азота, поступающих в атмосферный воздух с дымовыми газами, является азот, содержащийся в составе топлив.

Изучению процесса образования топливных оксидов азота в России уделяется особое внимание в связи с проблемой сжигания экибастузского (Ыр=1,0—1,7 %), канско-ачинских (1\1Р=0,6-1,1 %) и других бурых углей. При относительно низких температурах (1600-1700 К), при которых происходит их сжигание, выход термических 1\ЮХ незначителен, зато выход в долевом отношении по топливным 1"ЮХ достигает существенных значений (при 1600 К до 75 % общего выхода Шх) [16, 18].

1.3 Способы подавления оксидов азота при сжигании твердого топлива

Процессы образования Ж)х, описанные выше, показывают, что при образовании топливных 1ЧОх важным фактором является концентрация кислорода в зоне горения летучих, а температура процесса играет второстепенную роль. Для термических оксидов азота температурный уровень является основным показателем интенсивности образования Ж)х, но и концентрация окислителя имеет немалое значение. Это обстоятельство определило главные направления борьбы технологическими методами с выбросами азота для котлов, работающих на твердом топливе: снижение максимальной температуры и снижение концентрации окислителя [1,2].

С учетом этого и имеющегося опыта оказалось возможным сформулировать меры снижения образования термических оксидов N0 в практических условиях путем снижения скорости реакции их генерации [1,2, 6-8, 19]. В частности, к достаточно апробированным из них относятся нижеследующие. Очень распространено снижение общего уровня температур в топке путем введения в топочный объем охлаждающего агента, в качестве которого используют рециркулирующие газы с температурой не более 400°С,

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Визгавлюст, Наталья Викторовна, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 144 с.

2. Сигал И .Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Недра, 1988. - 321 с.

3. Егорова Л.Е., Росляков П.В., Буркова A.B., Чжун Б. Математическое моделирование и расчет эмиссии токсичных продуктов сгорания органических топлив // Теплоэнергетика. - 1993. - № 7. - С. 63-68.

4. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

5. Защита атмосферы от промышленных загрязнений: справочник в 2 ч. пер. с англ. / Под ред. С. Карверта, Г.М. Инглунда. - М.: Металлургия, 1988. -Ч. 1.-760 с.

6. Жабо В.В. Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС: учебник. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 240 с.

7. Беликов С.Е., Котлер В.Р. Снижение вредных выбросов в атмосферу от пылеугольных котлов промышленной ТЭЦ // Теплоэнергетика. - 2004. -№ 9. - С. 49-52.

8. Внуков А.К. Теплохимические процессы в газовом тракте паровых котлов / А. К. Внуков. - М.: Энергоиздат, 1981. - 296 с.

9. Котлер В.Р. Выбросы оксидов азота при совместном сжигании угля с газом или мазутом // Теплоэнергетика. - 1996. - № 5. - С. 47-52.

Ю.Уорк К., Уорнер С. Загрязнение воздуха. Источники и контроль / Под ред. E.H. Теверовского. - М.: Мир, 1980. - 540 с.

11.Гаврилов А.Ф. Уменьшение вредных выбросов при очистке паровых котлов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 240 с.

12.Зельдович Б.Я., Садовников П.Я., Франк-Каменецкий Д.А. Окисление азота при горении. - М.: Наука, 1947. - 146 с.

13.Природоохранные технологии на ТЭС и АЭС. Защита атмосфера от вредных выбросов ТЭС и АЭС: учебное пособие. / A.C. Носков, З.П. Пак,

B.В. Саломатов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998. - 203 с.

14.Росляков П.В. Расчет образования топливных оксидов азота при сжигании азотсодержащих топлив // Теплоэнергетика. - 1986. - № 1. - С. 37-41.

15.Буров Д.В., Биленко В.А., Черноковский В.З. Сравнительный анализ динамики исследуемых вариантов регулирования NOx // Теплоэнергетика. -1995.-№7.-С. 68-76.

16.Fenemore С.Р. Formation of nitric oxide from fuel nitrogen in ethylene flames. // Combustion and Flames. - 1972. - P. 102.

17.Harries R.S., Nafall M., Williams A.A. Formation on oxides of nitrogen in high temperature CH4-02-N2-flame // Combustion Science and Technology. -1976.-№4.-P. 85-94.

18.Титов С.П., Бабий В.И., БарбарашВ.М. Исследование образования NOx при горении пыли каменных углей // Теплоэнергетика. - 1980. - № 3. -

C. 64-67.

19.Яворский И.А. О путях предотвращения выбросов оксидов азота технологическими методами сжигания твердых топлив // Теплоэнергетика. - 1992. - № 2. - С. 17-23.

20.Росляков П.В., Егорова JÏ.E., Чжун Б. Принципы стадийного горения твердых топлив, обеспечивающие минимальный выход оксидов азота // Теплоэнергетика. - 1994. - № 12. - С. 51-55.

21.Козлова С.Г, Кухто В.А., Потепалова И.П. и др. Образование вредных выбросов при горении экибастузского угля // Горение органического топлива: материалы конф. - Новосибирск: ИТФ СО АН СССР, 1985. -4.2.-С. 284-288.

22.Сидельковский Л.Н., Юренев В.Н. Котельные установки промышленных предприятий: учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 528 с.

23.Енякин Ю.П., КотлерВ.Р., Бабий В.И., Штальман С.Г., Щербаченко С.И. Работы ВТИ по снижению выбросов оксидов азота техническими методами // Теплоэнергетика. - 1991. - № 6. - С. 33-38.

24.Будилов О.И., Заворин А.С. Опыт улучшения экологических характеристик тепловой электростанции. - Томск: Издательство «Красное знамя», 1994. - 100 с.

25.Бубенчиков A.M., Старченко А.В. Численные модели динамики и горения аэросмесей в каналах. - Томск: Изд-во ТГУ, 1998. - 236 с.

26.Волков Э.П., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Моделирование горения твердого топлива. - М.: Наука, 1994. - 320 с.

27.Dean A.M., Hardy J.E., Lyon R.K. Kinetics and Mechanism of NH3 Oxidation// The Combustion Institute: 19th Symposium of Combustion. -1982.-P. 97-103.

28.Mitchell J.W., Tarbell J.M. A kinetic model of nitric oxide formation during coal combustion // AlChE Journal. - 1982. - Vol. 28. - № 2. - P. 302-311.

29.Гусев И.Н., Зайчик Л.И., Кудрявцев Н.Ю. Моделирование образования оксидов азота в топочных камерах // Теплоэнергетика. - 1993. - № 1. -С. 32-36.

30.Герасимов Г.Я., Лосев С.А., Макаров В.Н. Моделирование кинетики образования топливных оксидов азота при горении пылевидного топлива. Сокращение механизма реакций // Теплоэнергетика. - 1988. - № 5. -С.39—46.

31.Guo Y.C., Chan С.К. A multi-fluid model for simulating turbulent gas-particle flow and pulverized coal combustion // Fuel. - 2000. - № 79. - P. 1467-1476.

32.Xu M., Azevedo J.L.T., Carvalho M.G. Modeling of the combustion process and NOx emission in a utility boiler // Fuel. - 2000. - № 79. - P. 1611-1619.

33.De Soete G.G. Overall reaction rates of NO and N2 formation from fuel nitrogen. // Fifteenth Symposium (International) on Combustion. The Combustion Institute, Pittsburgh. - 1975. -P. 1093-1102.

34.Chen W.A. A Global Reaction Rate for Nitric Oxide Reburning 11 PhD thesis of Brigham Young University. -1994. - P. 427^36.

35.Ubhayakar S.K., Stickler D.B., Rosenberg C.W.V., Gannon RE. Rapid Devolatilization of Pulverized Coal in Hot Combustion Gases. // Sixteenth Symposium (International) on Combustion. The Combustion Institute, Pittsburgh. - 1977. - P. 427—436.

36.Kobayashi H., Howard J.B., Sarofim A.F. Rapid Kinetics Devolatilization of Pulverized Coal. // Sixteenth Symposium (International) on Combustion. The Combustion Institute, Pittsburgh. - 1977. - P. 411-424.

37.Аскарова A.C., Мессерле B.E., Локтионова И.В., Устименко А.Б. Моделирование образования оксидов азота при сжигании твердого топлива в топочных камерах // Теплоэнергетика. - 2003. - № 8. - С. 22-26.

38.Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. - Томск: Раско, 1992. - 271 с.

39.Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы - М.: Наука, 1989. - 429 с.

40.Безгрешнов А.Н., Липов Ю.М., Шлейфер Б.М. Расчет паровых котлов. -М.: Энергоатомиздат, 1991. -240 с.

41.Красинский Д.В., Саломатов В.В. Численное моделирование процессов факельного сжигания пылеугольного топлива и образования NOx в вихревой топке // Теплоэнергетика. Физико-технические и экологические проблемы, новые технологии, технико-экономическая эффективность. — Новосибирск: НГТУ, 2000. - Вып. 4. - С. 24-36.

42.Роджерс Л.У., Морис Т.А. Снижение выбросов оксидов азота топочными методами // Теплоэнергетика. - 1994. - №6. - С. 10-15.

43.Быстрицкий Г.Ф. Общая энергетика: учеб. пособие. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 208 с.

44.Виленский Т.В., Хзмалян Д.М. Динамика горения пылевидного топлива. -М.: Энергия, 1978.-248 с.

45.Рихтер Л.А., Волков Э.П., Покровский В.Н. Охрана воздушного бассейна от выбросов тепловых электростанций: учебник для вузов / Под ред. П.С. Непорожнего. - М.: Энергоиздат, 1981. - 296 с.

46.Старченко А.В. Математическое моделирование образования оксидов азота при горении пылеугольного топлива // Физика горения и взрыва. -1998.-Т. 34.-№6.-С. 3-13.

47.Рубашкин А.С., Рубашкин В.А. Моделирование процессов в топке парового котла // Теплоэнергетика. - 2003. - № 10. - С. 14-18.

48.Кудрявцев Н.Ю., Волков Э.П. Математическая модель процесса образования оксидов азота и определение их концентраций в уходящих газах паровых котлов // Теплоэнергетика. - 1988. - № 4. - С. 49-53.

49.Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. - Л.: Энергоатомиздат, 1984.-240 с.

50.Померанцев В.В. Основы практической теории горения. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 312 с.

51.Старченко А.В, Заворин А.С., Красильников С.В. Применение пакета Fire 3D к анализу процессов шлакования // Известия Томского политехнического университета. - 2002. - Т. 305. - № 2. - С. 152-157.

52.Magnusen B.F., Hjertager В.Н. On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion // Proc. 16th Intern. Symp. on Combustion. The Combustion Inst., Pittsburg. - 1976. -P. 719-727.

53.Росляков П.В., Чжун Б. Природа быстрых оксидов азота при сжигании органических топлив // Теплоэнергетика. - 1994. - № 1 . - С. 71-75.

54.0цисик М.Н. Сложный теплообмен. - М.: Мир, 1976. - 616 с.

55.Pourahmadi F., Humpherey J.A.C. Modeling solid-fluid turbulent flows with application to predicting erosive wear // Physic-Chemical Hydrodynamics. -1983.-Vol. 4. -№ 3. - P. 191-219.

56.Fischer К., Leithner R., Muller H. Three-dimensional of the gas-solid flow in coal-dust fired furnace // Proceeding of the First Int. Symposium on Two-Phase Flow Modelling and Experimentation. Rome. - 1995. - Vol. 1. - P. 1387-1393.

57.Дектерев A.A., Каменщиков Л.П., Ковалевский A.M. Программа AEROCHEM для моделирования трехмерных турбулентных реагирующих течений излучающего газа при наличии распыленных частиц // Вычислительные технологии. - 1994. - Т. 4. - № 12. - С. 107-111.

58.Emami M.D., Lazopulos G., Lockwood F.C. The computation of heat transfer in engineering combustion equipment // Proc. of the 37 EUROTHERM Seminar. Sallugia: ENEA. - 1994. - P. 83-105.

59.Мостафа A.A., Монджиа Х.Ц., Макдонелл В.Г., Самуэльсен Г.С. Распространение запыленных струйных течений. Теоретическое и экспериментальное исследование // Аэрокосмическая техника. - 1990. -№ 3. - С. 65-82.

60.Асланян Г.С., Майков И.А. Численное исследование влияние турбулентности на процессы горения // Теплофизика высоких температур. - 1994. - Т. 32. - № 6. - С. 892-901.

61.Кроу С., Шарма М., Сток Д. Численное исследование газокапельных потоков с помощью модели «капля-внутренний источник» // Теоретические основы инженерных расчетов. - 1977. - Т. 99. - № 2. -С. 150-159.

62.Основы практической теории горения / Под. ред. В.В. Померанцева - Л.: Энергия, 1973.-264 с.

63.Горение натурального твердого топлива / Под ред. А.Б. Резнякова. -Алма-Ата: Наука, 1968.-410 с.

64.Семенов Н.Н. Развитие цепных реакций и теплового воспламенении. - М.: Знание, 1969.-94 с.

65.Чернецкий М.Ю., Дектерев А.А. Математическая модель процессов теплообмена и горения пылеугольного топлива при факельном сжигании // Физика горения и взрыва. - 2011. - Т. 47. - № 3. - С. 37^46.

66.Горение твердого топлива: материалы IV Всесоюзной конференции / Под. ред. Н.В. Свобода. - Новосибирск: Наука, 1974. - 205 с.

67.Волков Э.П., Зайчик Л.И., Першуков В.А. Моделирование горения твердого топлива. - М.: Наука, 1994. - 320 с.

68.Bubenchikov A.M., Starchenko A.V. A numerical prediction of the coal combustion in boiler furnaces // Proceedings of EUROTHERM Seminar № 37 «Heat Transfer in Radiating and Combusting Systems 2». ENEA Research Centre, Saluggia, Italy. - 1994. - P. 297-308.

69.Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. -М.: Энергоатомиздат, 1986. -208 с.

70.Launder В.Е., Spalding D.B. The numerical computation of turbulent flows // Comput. Meth. In Appl. Mech. And Eng. - 1974. - V. 3. - № 2. - P. 269-289.

71.0ртегаДж. Введение в численные методы решения дифференциальных уравнений. - пер. с англ. - М.: Наука : Физико-математическая лит-ра, 1986.-288 с.

72.Гулин А.В., Ионкин Н.И., Морозова В.А. Устойчивость нелокальных разностных схем. - М.: Изд-во ЛКИ, 2008. - 318 с.

73.Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Численные методы решения задач конвекции-диффузии. - М.: Эдиториал УРСС, 1999. - 248 с.

74.Роуч П.Дж. Вычислительная гидродинамика / Под ред. П.И. Чушкина. -М.: Мир, 1980.-616 с.

75.Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена. - пер. с англ. - М.: Мир, 1988.-544 с.

76.Ильин В.П. Методы конечных разностей и конечных объемов для эллиптических уравнений. - Новосибирск: Изд-во Ин-та математики СО РАН, 2000. - 345 с

77.Есаулов А.О., Старченко А.В. К выбору схем для численного решения уравнений переноса // Вычислительная гидродинамика. - 1999. - № 2. -С. 27-32.

78.Van Leer В. Towards the ultimate conservative difference scheme. IV. A second order sequel to Godunov's method // Journal of Physics. - 1979. -Vol. 32.-P. 101-136.

79.Иванова H.B., Старченко A.B. Красильников C.B. Численное исследование топочных процессов при сжигании пылеугольного топлива// XXVI Сибирский теплофизический семинар: тез. докл. -Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2002. - С. 225-226.

80.Старченко A.B., Красильников C.B. Математическое моделирование горения полидисперсных пылеугольных топлив // Известия ТПУ. - 2002. -Т. 305.-№2.-С. 54-60.

81.Старченко А.В, ЗаворинА.С., Гиль A.B., Красильников C.B., Обухов C.B. Применение пакета прикладных программ Fire 3D для исследования вариантов перевода котлов на непроектное топливо // Горение твердого топлива: сб. докладов. - Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2006. - Ч. 1. - С. 214-220.

82.Красильников C.B. Численное исследование пространственных двухфазных течений и горения в пылеугольной топке с учетом шлакования: дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2003. - 155 с.

83.Гиль A.B., Старченко A.B. Математическое моделирование физико-химических процессов сжигания углей в камерных топках котельных агрегатов на основе пакета прикладных программ FIRE 3D // Теплофизика и аэромеханика. - 2012. -Т. 19. -№ 5. - С. 655-671.

84.Гиль A.B., Старченко A.B., Заворин A.C. Применение численного моделирования топочных процессов для практики перевода котлов на непроектное топливо. - Томск: STT, 2011. - 184 с.

85.Визгавлюст Н.В. Моделирование образования оксидов азота в пылеугольных топках при сжигании органического топлива // Известия ТПУ.-2010.-№4.-С. 57-61.

86.Иванова Н.В., Старченко A.B. Моделирование образования оксидов азота при горении угольной пыли в топках // Наука. Техника. Инновации: тез. докл. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. -Ч. 2. - С. 119-121.

87.Иванова Н.В., Старченко A.B. Численное исследование образования оксидов азота при горении угольной пыли в топках // Энергия: экология, надежность, безопасность: материалы докладов. - Томск: Изд-во ТПУ, 2003.-С. 178-182.

88.Федецкий И.И. Исследование процессов в минеральной части назаровского угля в топке с плоскими параллельными струями: дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 1980. - 255 с.

89.Исследование топочного процесса на котле ПК-39-2 блока 300 МВт Ермаковской ГРЭС при сжигании экибастузских углей по схеме прямого вдувания: Отчет о НИР ОРГРЭС. Сибирское отделение / Науч. рук. Ф.А. Серант. - Новосибирск, 1975. - 264 с.

90.Волковский В.А., Роддатис К.Ф., Толчинский E.H. Системы пылеприготовления с мельницами вентиляторами / Под ред. К.Ф. Роддатиса. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 272 с.

91.Визгавлюст Н.В., Старченко A.B. Расчет образования оксидов азота при сжигании пылеугольного топлива в топочной камере котла ПК-39-2 Ермаковской ГРЭС // Современные техника и технологии: сб. трудов. -Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - Т. 3. - С. 345-349.

92.Визгавлюст Н.В., Старченко A.B., Гиль A.B., Васильев A.A. Численное исследование образования оксидов азота в топке котла БКЭ-320-140 // Теплофизические основы энергетических технологий: сб. трудов. - Томск: Изд-во ТПУ, 2012. - С. 183-187.

93.Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод) / Под ред. Н.В. Кузнецова. - М.: Энергия, 1973. - 295 с.

94.Наладка и испытание головного котла БКЭ-320-40ПТ с полуоткрытой топкой (2-я модификация) на ирша-бородинском угле: Отчет по НИР ЦКТИ им. И.И. Ползунова / науч. рук. В.В. Митор. - Ленинград, 1969. - 130 с.

95.Будилов О.И. Совершенствование экологических характеристик действующей ТЭС на ирша - бородинском угле: автореф. дис. на соиск. учен, степ. канд. техн. наук : 05.14.14 / О.И. Будилов; Том. политехи, ин-т им. С. М. Кирова. - Томск, 1991. - 21 с.: ил.

96.Визгавлюст Н.В., Старченко A.B., Гиль A.B., Васильев A.A. Исследование образования оксидов азота в топке котла БКЭ-320-140 // Химическая физика и актуальные проблемы энергетики: сб. тезисов и докладов. -Томск: ТПУ, 2012. - С. 60-61.

97.Визгавлюст Н.В., Старченко A.B., Гиль A.B. Численное исследование влияния избытка воздуха на образование оксидов азота в топочной камере котла БКЗ-Э20-140 // Горение твердого топлива: сб. тезисов. -Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН, 2012. - С. 41.

98.Визгавлюст Н.В., Старченко A.B. Прогнозирование образования оксидов азота при сжигании пылеугольного топлива на примере топочной камеры котла БКЗ-320-140 // Теплофизические основы энергетических технологий: сб. трудов. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011. - С. 219-222.