Лисиенко Ресурсы и факторы управления в енергосбережении 2011

сокие температуры, высокие начальные концентрации азота и свободного кислорода в газовой смеси, увеличение времени пребывания смеси при высокой температуре, быстрое охлаждение смеси.

На рис. 5.1 приведены величины равновесных концентраций

[NO] в продуктах сгорания метановоздушной смеси при различ-

ных температурах продуктов сгорания и коэффициентах расхода воздуха. Из рисунка видно, что повышение энтальпии исходной смеси увеличивает температуру продуктов сгорания и, соответственно, выход оксида азота.

Рис. 5.1. Зависимость равновесной концентрации оксида азота [NO] при сжигании

метано-воздушной смеси от коэффициента расхода воздуха α (1) и от температуры Т в топочном объеме при α = 1,0 (2)

Сжигание горючей смеси с коэффициентом расхода воздуха, значительно большим единицы, а также понижение температуры горения другими способами приводит к уменьшению выхода окислов азота.

Однако в реальных теплотехнических агрегатах время пребывания газов, как правило, в несколько десятков раз меньше времени, необходимого для достижения равновесной концентрации. Поэто-

71

му многие исследователи идут по пути дальнейшего углубления механизма образования оксида азота, предложенного Я. Б. Зельдовичем, пытаясь уточнить и исследовать сам механизм реакций и значения констант, входящих в расчетные формулы, применительно к конкретным условиям развития факелов.

Во всех случаях для расчета образования NО по термическому механизму требуется знание полей температур в рабочем пространстве печи и изменение концентраций компонентов продуктов горения, особенно N2 и О2, и в более сложных механизмах – NО, Н2

и СН4.

Таким образом, в соответствии с термическим механизмом, содержание NO экспоненциально растет с увеличением температуры. При температурах выше 1100 °С образование NO по этому механизму становится значительным, делает этот механизм важным применительно к промышленным энерготехнологическим агрегатам.

«Быстрый» механизм. По этому механизму NO формируется при относительно быстрой реакции между азотом, кислородом и радикалами углеводородов, которые являются промежуточными продуктами реакции горения.

Впервые NO в зоне горения был обнаружен в 1971 г. Фенимором. Это явление не может быть объяснено с помощью термического механизма и требует рассмотрения более быстрых, чем термическая диссоциация N2, процессов образования атомов азота и их последующего окисления. Фенимор предложил схему, в которой атомы азота образуются в реакции с радикалом СН:

СН + N2 → HCN + N (5.8)

и далее окисляются в реакциях с участием молекулярного кислорода и гидроксила

N + ОН → NО + Н,	(5.9)
О2 + N = NО + О.	(5.10)

Этот механизм образования NO имеет важную роль именно в зонах горения.

Топливный механизм. Топливный NO формируется прямым окислением азотосодержащих органических соединений, входящих в состав топлива. Топливный NO не касается топливных газов с

72

высокой теплотой сгорания таких, как природный газ или пропан, в состав которых обычно не входят азотосодержащие органические компоненты. Однако топливный NO играет важную роль при сжигании жидких нефтепродуктов (мазута), угля или отходов, которые могут содержать значительное количество азотосодержащих органических компонентов.

Совместное решение тепломассообменной задачи и экологической задачи на примере эмиссии оксидов азота. Как отмеча-

лось, сложившиеся к настоящему времени модельные представления об образовании NО и возможности современных методов моделирования уже позволяют подойти к анализу и прогнозной картине образования NО в рамках факельных процессов с учетом как равновесного состояния, так и динамики процессов. Естественно, при решении этих проблем нужно преодолеть еще немало трудностей, но имеющиеся модельные трактовки применительно к пламеням и печам высвечивают возможные пути расчетнотеоретического анализа и прогноза.

Как установлено в современных исследованиях, в углеводородных пламенях возможны следующие пути образования NО: 1) быстрое «prompt»; 2) термическое; 3) образование, включая промежу-

точное N2О.

Третий путь образования NО возможен лишь при высоких давлениях. «Быстрое» NО отсутствует в углеродных пламенях, но имеет место в метановых пламенях. Для метановых пламен возможно применить простое аддитивное соотношение для концентрации NО ([NО]):

[NO] = [NO]p + [NO]т,

(5.11)

где [NО]р – концентрация NО, образующегося быстрым («рromрt») путем; [NО]т – то же, но термическим путем. В мазутных и угольных факелах добавляется еще и NО, полученная путем непосредственного окисления азота, содержащегося в топливе.

Имеются попытки построить очень сложные модели химической кинетики образования NО при горении метана. В частности, в работе М.В. Бочкова, Л.А. Ловачева и Б.Н. Четверушкина применительно к изотермической пространственно однородной модели учитывалось 196 химических реакций для 32 веществ. В американ-

73

ских программах расчет уже ведется для почти 500 химических реакций.

Имеющиеся модельные представления о механизме образования NO позволяют ставить вопрос об исследовании условий формирования NO при развитии факельных процессов. В этом плане исследования условий образования NO в однородных изотермических слоях являются лишь первым шагом на пути представлений о реальных условиях формирования NO в процессе горения топлива в факеле.

В рамках факельно-зональных расчетов, в процессе которых имеется информация о подсосе окислителя в факел и степени выгорания топлива и появляются расчетные данные о температуре газовой среды, постановка вопроса об образовании NO вполне правомерна.

Ниже предлагается методика анализа образования NO в факельных процессах применительно к факельно-зональным постановкам в разработке В. Г. Лисиенко.

При этом модели подсоса окислителя в факел αг и степени вы-

горания топлива по длине факела k позволяют перейти к оценке концентрации кислорода и азота в продуктах сгорания по длине факела, требуемые для расчетов в модели образования NO:

[О2 ] = 2 (

г −

)

βг ,

(5.12)

α

k

KO

(5.13)

[N2

] = 2 αг

βг ,

2

где

100

βг

=

,

(5.14)

1 + 2αг (1 + KО2 )

KО2 – соотношение содержания азота и кислорода в окислителе, для воздуха KО2 = 3,76; для чистого кислорода KО2 = 0.

Зная температуры газа Тг, получаемые в результате зонального расчета, и концентрации О2 и N2 в продуктах сгорания можно определять скорости образования NO по длине зоны горения факела.

Накопление NO по длине зоны горения NOΣ находится путем интегрирования (суммирования) скоростей образования

74

NO =	[NO]i
		dτ
в каждой i-й зоне по времени пребывания газов в зоне Δτпрi.
NOΣ = ∑	[NO]i		Δτпрi ,		(5.15)
i		dτ
где	х/wгi,
Δτпрi =					(5.16)

хi – протяженность объемной газовой зоны i, wгi – скорость газов в пределах объемной зоны i.

В последнее время, как отмечалось, удалось существенно продвинуться в модельных представлениях об эмиссии оксидов азота в факеле. Это стало возможным, благодаря организации сочетания современных методов определения температурных, концентрационных и скоростных полей в энерготехнологических агрегатах (на базе, например, динамического зонально-узлового (ДЗУ) метода расчета) с разветвленными современными представлениями о кинетике процессов горения с участием оксидов азота.

При этом реализуется численная схема, позволяющая объединить проведение детального гидродинамического и теплового расчета при турбулентном горении метано-воздушных факелов с раздельным вычислением термических и быстрых оксидов азота в каждом узле расчетной области. Расчет быстрых оксидов азота предлагается выполнять с помощью специальных таблиц, полученных в результате предварительных вычислений по пакету GRI-Месh, кстати, доступному через Интернет. Эти таблицы представляют собой своего рода базу данных, охватывающую реальные диапазоны параметров для многих типов горелочных устройств, которые работают на природном газе и применяются в нагревательных и термических печах.

Задача решается поэтапно в определенной последовательности. Вначале составляется расчетная схема для системы горелка + камера сгорания или горелка + промышленная печь. После этого (на первом этапе) находятся поля скоростей, температур и концентраций горючего и окислителя из решения системы уравнений Навье– Стокса для турбулентных течений совместно с уравнениями кон-

75

вективного и радиационного переноса при использовании хорошо развитых и достаточно эффективных методов. Для описания кинетики процессов горения применяется модель распада вихрей. На втором этапе по уже найденным полям скоростей, температур и концентраций горючего и окислителя, которые рассматриваются как заданные, вычисляется эмиссия быстрых NO в каждой расчетной ячейке. На третьем этапе при тех же значениях скоростей, температур и концентраций горючего и окислителя определяется эмиссия термических NO в каждой расчетной ячейке. На четвертом этапе из уравнений переноса при условиях Неймана на всех границах и с источниками, взятыми как сумма термических и быстрых NO, рассчитываются концентрации оксидов азота.

При определении эмиссии быстрых оксидов азота каждая элементарная ячейка расчетной области рассматривается как изотермический реактор идеального перемешивания, в котором известны начальные концентрации метана, кислорода и азота, а также температура. Предполагается, что в таком реакторе начальный состав химических реагентов эквивалентен составу, полученному в результате расчетов, проведенных на первом этапе. Для этого реактора запускается кинетический пакет GRI-Месh (при отключенном термическом механизме) и рассчитывается индекс эмиссии быстрых NO за время около 0,015 с (индекс эмиссии – количество граммов NO на 1 кг сгоревшего метана). Данное значение времени выбрано по результатам нескольких серий численных экспериментов, часть из которых представлена на рис. 5.2.

Из рисунка следует, что эмиссия (и индекс эмиссии) быстрых оксидов азота практически не меняется со временем на интервале 0,011–0,2 с в диапазоне характерных температур 1400–2000 К. Очевидно, быстрые NO образуются скачком за время порядка 0,001–0,01 с, а по истечении этого времени нарастания их эмиссии не происходит. Поэтому практически не имеет значения, какое время из интервала 0,011–0,2 с выбрать в качестве характерного времени реакции. Величина 0,015 с выбрана лишь потому, что она однозначно определяет индекс эмиссии быстрых оксидов для самого широкого круга параметров, характерных для промышленных горелочных устройств.

76

Рис. 5.2. Концентрация (эмиссия) оксидов азота в зависимости от времени реакции и температуры (цифры у кривых – К) изотермического реактора идеального вытеснения. Расчет проведен на базе механизма GRI-Месh 2.11

Таким образом, индекс эмиссии в каждой ячейке – реакторе является монотонной функцией состава (концентрации основных химических компонентов) и температуры:

EI = f (α, d, T), (5.17)

где α – коэффициент расхода воздуха; d – отношение концентрации продуктов сгорания к концентрации несгоревшей смеси.

Для ускорения последующих расчетов функция (5.17) предварительно рассчитывается в достаточно широком диапазоне изменения переменных (Т = 1400…2200 К; α = 0,3…20; d = 0…10) и табулиру-

ется. Характерный фрагмент полученной таким образом базы данных, насчитывающей несколько тысяч значений индекса эмиссии (ЕI), показан в табл. 5.1.

				Таблица 5.1
	Фрагмент базы данных
Т, К	α		d	ЕI
1600	0,60		5,00	0,183
1800	0,90		2,00	0,6456
1900	0,90		2,00	0,9561
2200	1,0		0,0	2,676
2200	1,0		5,0	1,629
		77

Эмиссия быстрых оксидов в каждой ячейке определяется по уравнению:

dNО/dτ = ЕI (∂СН2 / ∂τ) г/с,

(5.18)

где индекс эмиссии ЕI определяется интерполяцией из упомянутой базы данных по значениям α, d, Т в каждой ячейке в результате расчета на первом этапе.

Эмиссия термических оксидов азота рассчитывается по известному механизму Зельдовича, в соответствии с которым используется выражение (5.5) для скорости реакции.

Для характерного класса горелок и печей влиянием второго члена в фигурных скобках (квадрат равновесной концентрации NО) можно пренебречь и записать уравнение (5.5) в другом виде с еди-

ницей измерения концентраций в кг/м3:
	dNO		13	65054					(5.19)
		= 5,63	10 ехр					O2 N2 .
	dτ				T

Предлагаемая модель расчета позволяет количественно определить долю быстрых и термических оксидов для каждого горелочного устройства.

Соответствие приведенных методов расчета опытным данным было установлено на примере использования горелочного устройства, дающего диффузионный факел и установленного в торце футерованной цилиндрической камеры диаметром 600 мм и длиной 3 м (рис. 5.3). По основным размерам и конструкции примененная горелка близка к горелке ГНП-4, но в ней организована прямоструйная подача газа и воздуха. Диаметр газового сопла 12,5 мм, воздушного – 65 мм.

При нагретом воздухе (840 К) доля быстрых оксидов азота составляет лишь 17 % от термических, тогда как на холодном воздухе быстрые NO составили 50 % от термических. Отмечен также значительно меньший (всего около 30 ррm) выход оксидов азота при работе горелки на холодном воздухе по сравнению с работой горелки на нагретом воздухе (до 100 ррm). Расчетная модель достаточно четко улавливала эти различия, одновременно позволяя выделить в сумме NO быстрые термические оксиды.

78

Рис. 5.3. Распределение температуры и концентрации NО вдоль оси факела при температурах подогрева воздуха 300 и 840 К

(точки – экспериментальные данные)

На рис. 5.4 приведены опытные и расчетные данные о концентрации NO и температуре на оси цилиндрической печи, торцы которой теплоизолированы.

Длина печи составляет 6,3 м, диаметр рабочего пространства 3,4 м. На входе в печь установлено очень мощное горелочное устройство для сжигания природного газа (12 МВт), конструкция которого принципиально напоминает горелку ГНП-9, но имеет значительно большие размеры. Диаметр воздушного сопла составляет 550/350 мм; 72 газовых сопла диаметром 6 мм направлены по нормали к воздушному потоку. Эксперименты проводили при расходах газа 0,254 кг/с и воздуха 4,3 кг/с (параметр крутки 0,58). Скорость воздуха составляла 28 м/с, а его температура 300 К.

На рис. 5.4 видно, что высокая температура диффузионного факела на оси печи устанавливается практически сразу за срезом сопла горелки. Это можно объяснить наличием уступа, который ста-

79

билизирует горение, создавая соответствующую гидродинамическую картину течения на входе в печь.

Рис. 5.4. Распределение температуры и концентраций NO вдоль оси факела по расчету (кривые) и фактическое (точки)

Суммарная концентрация оксидов азота возрастает по оси печи, достигая максимума, согласно опытным данным, на расстоянии 2– 3 м от среза горелки. По результатам расчета максимальные значения устанавливаются на расстоянии 3–4 м. Вычисления показали, что на выходе из печи содержание термических оксидов азота составляет 39 ррm, а быстрых – 14 ррm. Таким образом, расчетная усредненная суммарная концентрация NO на выходе равнялась 53 ррm. Учитывая, что диапазон опытных значений для данного сечения печи составляет 50–60 ррm, полученное соответствие между расчетом и экспериментом можно считать хорошим. Отметим, что большая часть термических оксидов азота, рассчитанных по методике Я.Б. Зельдовича, образовывалась в основном при сравнительно большей длительности пребывания компонентов продуктов сгорания (около 4 с) в диапазоне температур 1700–1800 К.

На лабораторной печи струйно-факельного нагрева (DFI) в совместных российских (В.Г. Лисиенко, Г.К. Маликов) и американских исследованиях (стенд в Чикаго, США) ставилась цель оценить влияние подогрева воздуха для горения на эмиссию оксидов азота при струйно-факельном отоплении (российские разработки).

80