Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология - Лисиенко В.Г.
ISBN 5-98457-018-1
Скачать (прямая ссылка):
дЫО/дт = (5-1011/(02)12)ехр[-43370/7]х
х {02-N2(64/3)exp[-21684/7] - [NOJ2}. (4.150)
Здесь 02, N2, NO — концентрации избыточного кислорода, азота и оксида азота, моль/л; т — время реакции, с.
Для рассматриваемого класса горелок и печей влиянием второго члена в фигурных скобках (квадрат равновесной концентрации N0) можно пренебречь и записать уравнение (4.150) в другом виде с единицей измерения концентраций в кг/м3:
дНО/дх = 5,63-1013exp[-65054/7](02)1/2N2. (4.151)
Предлагаемая модель расчета позволяет количественно определить долю быстрых и термических оксидов для каждого горелочного устройства.
Сравнение расчетных данных с опытными представлено на рис. 4.34. Опыты были проведены с использованием горелочного устройства, дающего и диффузионный факел и установленного в торце футерованной цилиндрической камеры диаметром 600 мм и длиной 3 м. По основным размерам и конструкции примененная горелка близка к горелке ГНП-4, но в ней организована прямоструйная подача газа и воздуха. Диаметр газового сопла равнялся 12,5 мм, воздушного — 65 мм, расход природного газа составлял 20,4 м3/ч. При подогретом воздухе доля быстрых оксидов азота равнялась лишь 17 % термических, тогда как на холодном воздухе быстрые N0 составили 50 % термических. При работе горелки на холодном воздухе выход оксидов азота был всего ~30 ppm. Это можно объяснить сравнительно невысоким уровнем максималь-
101
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Расстояние вдоль камеры, м Расстояние вдоль камеры, м
Рис. 4.34. Распределение температуры и концентраций N0 вдоль оси факела при температурах подогрева воздуха 300 и 843 К (точки — экспериментальные данные)
ных температур (1700-1800 К) и сравнительно небольшим (около 2 с) временем пребывания в этом диапазоне температур. В случае горячего воздуха уровень максимальных температур повысился до 1800-2000 К, а время пребывания составило около 0,5 с. Эмиссия оксидов азота при этом значительно возросла, достигнув 100 ppm. Предлагаемая модель расчета позволяет, таким образом, достаточно четко разделить образующиеся оксиды азота на быстрые и термические. Это позволяет не ограничиваться только суммарной оценкой эмиссии оксидов азота, а выявлять путем численных экспериментов возможности уменьшения выхода N0, образующихся по этим двум механизмам, применительно к разнообразным промышленным условиям.
На рис. 4.35 приведены опытные и расчетные данные о концентрациях N0 и температуре на оси цилиндрической печи, торцы которой теплоизолированы. Длина печи составляет 6,3 м, диаметр рабочего пространства 3,4 м. Данные, необходимые для проведения расчетов, заимствованы из известных работ. 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 состав-
Расстояние вдоль оси печи, м
Рис. 4.35. Распределение температуры и концентрации N0 вдоль оси факела по расчету (кривые) и фактическое (условные обозначения)
ляла 28 м/с, а его температура 300 К. На рис. 4.35 видно, что высокая температура диффузионного факела на оси печи устанавливается практически сразу за срезом сопла горелки. Это можно объяснить наличием уступа, который стабилизирует горение, создавая соответствующую картину течения на входе в печь. Суммарная концентрация оксидов азота нарастает по оси печи, достигая максимума, согласно опытным данным, на расстоянии 2-3 м от 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 ppm, а быстрых — 14 ppm. Таким образом, расчетная усредненная суммарная концентрация N0 на выходе равнялась 53 ppm. Учитывая, что диапазон опытных значений для данного сечения печи составляет 50-60 ppm, полученное соответствие между расчетом и экспериментом можно считать хорошим. Отметим, что большая часть термических оксидов азота, рассчитанных по механизму Я. Б. Зельдовича, образовывалась в основном при большей длительности пребывания компонентов продуктов сгорания (около 4 с) в диапазоне температур 1700-1800 К.
Проведенный анализ приводит к следующим важным выводам.
1. Разработанная модель расчета позволяет прогнозировать с хорошей точностью (30-50 %) эмиссию оксидов азота как для диффузионных, так и для гомогенных факелов в широком диапазоне конструктивных и режимных параметров. Предлагаемая методика дает контролируемую точность при вычислении концентрации быстрых оксидов азота, поскольку опирается на широко апробированный пакет GRI-Mech 2.11 и, следовательно, учитывает весь спектр химических реакций, входящих в этот пакет. Модель позволяет количественно оценить многие практические методы подавления выбросов оксидов азота.
