Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология - Лисиенко В.Г.
ISBN 5-98457-018-1
Скачать (прямая ссылка):
В последнее время удалось существенно продвинуться в модельных представлениях об эмиссии оксидов азота в факеле. Это стало возможным благодаря сочетанию современных методов определения температурных, концентрационных и скоростных полей в печах (на базе ДЗУ-метода) с современными представлениями о кинетике процессов горения оксидов азота.
При этом реализуется численная схема, позволяющая объединить проведение детального гидродинамического и теплового расчета при турбулентном горении метановоздушных 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-Mech, 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 конвективного и радиационного переноса и горения при использовании хорошо развитых и достаточно эффективных методов. Для описания кинетики процессов горения применена 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 N0 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 N0, рассчитываются концентрации оксидов азота.
При определении эмиссии быстрых оксидов азота каждая элементарная ячейка расчетной области рассматривается как изотермический реактор идеально-
4‘
99
го перемешивания, в котором известны начальные концентрации метана, кислорода и азота, а также температура. Предполагается, что в таком реакторе начальный состав химических реагентом эквивалентен составу, полученному в результате расчетов, проведенных на нервом этапе. Для этого реактора запускается кинетический пакет GRI-Mech (при отключенном термическом механизме) и рассчитывается индекс эмиссии быстрых N0 за время 0,015 с (индекс эмиссии это количество граммов N0 на 1 кг сгоревшего метана). Данное значение времени выбрано по результатам нескольких серий численных экспериментов, часть из которых представлена на рис. 4.33. 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 N0 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.
Таким образом, индекс эмиссии в каждой ячейке-реакторе является монотонной функцией состава (концентрации основных химических компонентов) и температуры:
EI=fla,d,T), (4.148)
где а — коэффициент расхода воздуха; d — отношение концентрации дыма к концентрации несгоревшей смеси.
Для ускорения последующих расчетов функция (4.148) предварительно рассчитывается в достаточно широком диапазоне изменения переменных (Г = = 1400-2200 К; а — 0,3-20; d = 0-10) и табулируется. Представляем характерный фрагмент полученной таким образом базы данных, насчитывающей несколько тысяч значений индекса эмиссии (?7):
NO, ppm 100
50
0
2000 1800
/
г, 1600
1400
10 10^ 10“3 10~2 10"' 1 Время от начала реакции, с
Рис. 4.33. Концентрация (эмиссия) оксидов азота в зависимости от времени реакции (т) и температуры (цифры у кри-10 вых — К) изотермического реактора идеального вытеснения. Расчет проведен на базе механизма GRI-Mech 2.11
100
т, к а d El
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 2,676
2200 1,0 5,0 1,629
Эмиссия быстрых оксидов в каждой ячейке определяется по уравнению:
6'NO/c'i = ?7(<ЗСН4/<Зт) [г/с]. (4.149)
где индекс эмиссии Е1 определяется интерполяцией из упомянутой базы данных по значениям a, d, Т в каждой ячейке в результате расчета на первом этапе.
Эмиссию термических оксидов азота рассчитывали по известному механизму Я. Б. Зельдовича, в соответствии с которым можно записать следующее выражение для скорости реакции:
