Исследование процесса сжигания топлива в топочных камерах паровых котлов



Ключевые слова: оксид углерода, токсичные компоненты, теплоэнергетика, моделирование.

На основе методов расчета равновесного и неравновесного составов химических реакций процесса горения рассмотрим модель впрыска пара в зону горения в начальный момент времени, что является простой моделью реального подвода массы. С ее помощью можно проследить основные закономерности влияния различных параметров (количество массы, температуры, скорости охлаждения, коэффициента избытка окислителя) на процессы образования и дожигания токсичных оксидов углерода СО и азота NО [1].

В рамках этой модели рассматривается следующая задача. Многокомпонентная смесь продуктов сгорания при течении по каналу (например, испытательный стенд, тракты некоторых металлургических производств, газоотходы паровых котлов ТЭЦ и т. п.) остывает. Теплосъем задается линейным законом. Для снижения концентрации оксида углерода СО и оксида азота NO в продуктах сгорания предлагается в многокомпонентную смесь подвести водяной пар.

Целью этой задачи является определение влияния на кинетику образования оксидов углерода СО и азота NO таких параметров, как скорость охлаждения многокомпонентной смеси продуктов сгорания, количество подводимой массы, коэффициентов избытка окислителя.

Таким образом, рассматривается многокомпонентная смесь продуктов сгорания при течении по каналу. Теплообмен между продуктами сгорания и стенками канала моделируется заданием закона изменения температуры во времени

, (1)

где Т- температура, Т₀ –начальная температура, - скорость охлаждения в К/с, t — время. Для подавления токсичных компонентов в начале канала производится подвод водяного пара.

Химические реакции между компонентами газовой смеси описываются уравнениями химической кинетики:

(2)

Правая часть этого уравнения определена в работе [2].

Решение рассматриваемой задачи заключается в численном интегрировании системы уравнений химической кинетики (2) при заданной временной зависимости температуры (1).

Исследовались влияния на образование токсичных компонентов оксида углерода СО и оксида азота NO массовой доли впрыска, скорости охлаждения многокомпонентной смеси продуктов сгорания, коэффициента избытка окислителя смеси. Начальная температура была во всех случаях 2400 К, давление — 0,1 МПа. Скорость охлаждения варьировалась от 5*1О ² К/с до IO ⁶ К/с, коэффициент избытка окислителя от 0.95 до 1.05, массовая доля впрыска — до пятипроцентной. В результате многопараметрических расчетов получены следующие результаты, представленные в виде графиков.

На рисунке 1 показана зависимость в процентах содержания концентрации СО и NO от коэффициента избытка окислителя при пятипроцентном впрыске от 0.95 до 1.05 по температуре. Из рисунков нетрудно заметить, что при значении коэффициента избытка окислителя больше единицы содержание концентрации СО так мало, что из-за достаточного содержания кислорода почти всё количество оксида углерода СО догорает. А при значении коэффициента избытка окислителя меньше единицы находится достаточное количество оксида углерода СО для подавления. Например, при 0.95 концентрация оксида углерода СО подавляется до 56 %. Снижение концентрации оксида азота NO не очень заметно, например, наименьшее подавление концентрации оксида азота NO при 1.05 на 8 %, а при 0,95 на 5.3 %. Отсюда можно сделать следующий вывод: для снижения концентраций оксида углерода СО впрыск следует производить при и при высоких температурах; большое количество впрыска заметно снижает концентрации оксида углерода.

Рис. 1. Зависимость концентрации СО и NO от температуры при различных коэффициентах избытка окислителя и постоянной скорости охлаждения 10⁴ К/с: 1- C_NO при  = 0.95; 2- C_NO при =1.05; 3- C_CO при  = 0.95; 4- C_CO при =0.97;5- C_CO при =1.00; 6- C_CO при =1.05

На рисунке 2 представлено изменение концентрации оксида углерода СО и азота NO по температуре при различных скоростях охлаждения газовой смеси, при коэффициенте избытка окислителя 0.95, пятипроцентной массовой доли впрыска.

Рис. 2. Зависимость концентрации оксида углерода и азота от температуры при различных скоростях охлаждения и постоянном =0,95: 1- C_NO при  = 10⁶ K/c; 2- C_NO при =10⁴ K/c; 3- C_NO при  = 10³K/c; 4- C_NO при  = 5^.10² K/c; 5- C_CO при  = 10⁶ K/c; 6- C_CO при  = 5^.10² K/c.

Подавление концентрации оксида углерода СО при скорости охлаждения составляет 58.3 %, а при скорости охлаждении составляет 50 %.

Подавление концентраций оксида азота NO из рисунка очень заметно. Например, при концентрация оксида азота NO уменьшается на 46.7 %, а при концентрация оксида азота NO почти не уменьшается. Отсюда можно сделать следующий вывод: чем медленнее скорость охлаждения, тем больше подавляются токсичные компоненты СО и NO.

Существуют два принципиально различных источников образования оксидов азота при горении энергетических топлив. Это — окисление молекулярного (атмосферного дутьевого) воздуха и окисление азотосодержащих веществ, находящихся в горючем. К двум названным источникам образования добавляют “быстрые” оксиды азота, образующиеся в корневой зоне факела при сравнительно низких температурах с участием углеводородных радикалов. Их значимость во вклад суммарной концентрации оксидов азота в дымовых газах зависит как от вида сжигаемого топлива, так и от организации процессов сжигания. При сжигании мазута в топках паровых котлов образуются все три вида оксидов азота, однако преобладающими являются термические. Поэтому нами рассматриваются механизмы образования термических оксидов азота.

Таким образом, в результате большого количества параметрических расчетов получены новые качественные и количественные оценки эффективности метода подавления концентраций оксидов углерода СО и азота NO; исследовано влияние параметров тепловых режимов охлаждения и количество вводимой влаги на многокомпонентную смесь продуктов сгорания.

В реальных топочных устройствах паровых котлов процесс горения сильно отличается от адиабатического. Применение кинетических моделей для расчетов процессов сжигания топлива в топках паровых котлов решается введением граничных условий процесса горения, результатами позонных расчетов топки. Например, температурный режим в топке парового котла ТГМЕ-464 паропроизводительностью 500 т/ч, приблизительно может быть представлен следующей моделью. При нагреве газовой смеси за счет теплоты химических реакций из нее отводится излучением до 20 % теплового потока. После того, как температура горения достигла уровня 2100 К, она замораживается и остается на этом уровне примерно 0,1 с, соответствующую нахождению реагирующих компонентов в ядре факела. Далее по тракту идет охлаждение продуктов сгорания сначала с темпом теплоотвода 2000 К/с до 1000 К/с, а после этого с темпом теплоотвода 400 К/с. Такая аппроксимация составлена на основе опытных данных и позонных расчетов температур топки паровых котлов данной модели. Начальная температура для расчета выбрана на уровне 1200 К из тех соображений, чтобы интервал воспламенения не превышал 1 м, что является характерным для организации процессов сжигания топлива в паровых котлах.

Результаты аналогичных расчетов при значениях коэффициентов избытка воздуха 1,01 и 1,04 сопоставлены с опытными данными, полученными на котле ТГМЕ-464. Замеры проб для определения концентраций оксида углерода в высокотемпературной смеси проводились с помощью специальных зондов.

Как следует из представленных данных [1], имеется некоторое несоответствие расчетных и замеренных значений концентраций СО. Для объяснения этого факта предлагаются следующие гипотезы:

– продукты неполного сгорания СО и Н₂ могут появиться в дымовых газах при довольно низком для эксплуатации избытке воздуха  = 1,01 за счет неидеального перемешивания с окислителем, так называемого химического недожога топлива;

– при контроле процесса сжигания топлива в производственных условиях трудно определить истинное значение микроконцентраций О₂ в дымовых газах, особенно при сжигании топлива в режимах, приближающихся к стехиометрическим.

В целом же, параметрический анализ процесса сжигания топлива позволяет выявить основные его закономерности при варьировании режимно-технологических методов с количественной их оценкой по экологическим (NO, NO₂) и технико-экономическим показателям (СО, Н₂, О₂, СО/Н₂), что способствует более глубокому проникновению в химико-физическую сущность процесса и рациональной организации процесса сжигания топлива c учетом ее математической модели.

Литература:

1 К. Е. Арыстанбаев. Метод определения концентрации оксида углерода с использованием охлаждаемых зондов для отбора проб из зон горения// Измерительная техника № 2, 2013, С. 68–71.

2 Айнабеков А. И., Сембиев О. З., Арыстанбаев К. Е.. Исследование процесса образования токсичных компонентов в охлаждаемых зондах в момент подвода массы //Наука и образование Южного Казахстана, 2002. -№ 28. -C. 147–150.