Зниження викидів оксидів азоту в промислових котлах шляхом ступеневого спалювання
Вантажиться...
Дата
2025
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Логвинюк М.О. Зниження викидів оксидів азоту в промислових котлах шляхом ступеневого спалювання. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 142 «Енергетичне машинобудування». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2025.
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної проблеми зниження викидів оксидів азоту в промислових котлах методом ступеневого спалювання палива при використанні двох чисельних методик моделювання роботи топки котла. У вступі обґрунтовано актуальність розробки спеціальних процедур, подано загальну характеристику роботи, сформульована її мета, основні задачі, об’єкт та предмет досліджень, наведена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, представлено інформацію про особистий внесок здобувача та апробацію роботи, її структуру та обсяг. У першому розділі автором проведено літературний огляд за темою дисертації. В розділі відображається сучасний стан енергетичних та промислових котлоагрегатів України та світу, та проблеми із зменшенням утворенням оксидів азоту. Проаналізовано вирішення проблеми зниження утворення оксидів азоту на іноземних котлоагрегатах при експлуатації котлів на різному виді палива та різної потужності. Проаналізовано різні методи зниження оксидів азоту, наведено можливості та обмеження застосування методики ступеневого спалювання палива при реконструкції промислових котлів енергетичного сектору України для забезпечення Європейських нормативних значень. На основі розробки першого розділу дисертації було поставлено мету та завдання дослідження. У другому розділі представлено дві чисельні методики розрахунку топкової камери котла та утворення оксидів азоту для вирішення поставленої задачі. Перша методика представляє собою систему емпіричних рівнянь позонного теплового розрахунку топкової камери, з розширеною функцією розрахунку утворення оксидів азоту по висоті топки. Друга методика представляє собою систему диференційних рівнянь, що описують процеси горіння природного газу, променевого теплообміну та утворення оксидів азоту в об’ємі топкової камери. Також наведена методика регресійного аналізу, що використовується для обробки результатів чисельних експериментів. У третьому розділі проведено апробацію методик, що наведено в другому розділі. Проведено чисельне моделювання процесів горіння палива та утворення оксидів азоту в топковій камері котла ГМ-50-14/250 за методикою системи емпіричних рівнянь з використанням MS Excel. Аналогічні розрахунки були проведені за системою диференціальних рівнянь, за допомогою програмного забезпечення ANSYS FLUENT. Результати чисельного моделювання за двома методиками порівняно між собою, та з даними вимірювань на такому ж працюючому обладнанні. За двома методиками визначено розподіл температури по висоті топки та теплове навантаження на екранні панелі. Визначено екологічні показники топки, а саме утворення NOx при різних теплових навантаженнях. Визначено максимальну потужність котла, при якій його робота відповідає європейським екологічним стандартам. Відхилення розрахунків по утворенню NOx в котлі ГМ-50-14/250 при 40% від номінальної потужності порівняно з результатами натурних випробувань за допомогою методики системи диференціальних рівнянь склало 8%, а за допомогою системи емпіричних рівнянь – 27%. При роботі на номінальній потужності відхилення результатів зменшилися до 2% і 8% відповідно. Відхилення результатів теплових розрахунків за різними методиками в зоні активного горіння і на виході з топки становить до 3% при різних навантаженнях. У четвертому розділі представлено результати чисельного моделювання ступеневого спалювання палива за методиками наведеними в розділі 2. В розділі проаналізовано вплив розподілу повітря між пальниковими пристроями на утворення оксидів азоту при горінні природного газу. Розглянуто два варіанти розподілу повітря: для стандартного двоярусного компонування пальників та двоярусного із додаванням сопел третинного повітря. Для чисельного моделювання були побудовані матриці експериментів з різним розподілом повітря між пальниками та соплами. Для найбільш репрезентованих матриць було проведено чисельне моделювання за двома методиками та виконано порівняння результатів, які корелюються між собою. Наведено результати при навантаженні котла від 40 до 100%. Виконано моделювання зміни втрат хімічного недопалу при застосуванні методики ступеневого спалювання палива. Отримано залежності прогнозування утворення оксидів азоту при різних коефіцієнтах надлишку повітря з використанням сопел третинного повітря з представленням у форматі діаграм при різних потужностях котла. Наведено обґрунтування можливості застосування даної методики на існуючому обладнанні. Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі наведено результати, які отримано вперше, а саме: 1. Вперше проведено порівняння двох методик для теплового розрахунку топкових камер котлів та процесів утворення оксидів азоту, що використовуються в світі та в Україні. 2. Отримано подальший розвиток методики теплового розрахунку топкової камери котла з використанням системи емпіричних рівнянь з можливістю розраховувати утворення оксидів азоту в окремих зонах топкової камери. 3. Набула подальшого розвитку теорія ступеневого спалювання природнього газу в топковій камері котла, для зменшення утворення оксидів азоту. В роботі запропоновано та обґрунтовано розподіл повітря між пальниками та соплами третинного повітря. 4. Вперше побудовано регресивну модель прогнозування утворення оксидів азоту та хімічного недопалу, при різному навантаженні котла від 40 до 100%, із застосування двоярусного компонування пальників та з додаванням сопел третинного повітря. Вперше побудовано діаграми для прогнозування утворення оксидів азоту та хімічного недопалу при різному розподілу повітря по ярусам та соплам при різному навантаженні котлів від 40 до 100%.
Опис
Ключові слова
теплообмін, гідродинаміка, густина теплового потоку, діапазон температур, чисельні методи, математичне моделювання, моделювання обчислювальної гідродинаміки (CFD), інтенсивність теплообміну, ступеневе спалювання палива, процеси горіння, шкідливі викиди, оксиди азоту, зменшення викидів, теплова електростанція, закручені потоки, heat transfer, hydrodynamics, heat flux density, temperature range, numerical methods, mathematical modeling, computational fluid dynamics (CFD) modeling, heat transfer intensity, staged fuel combustion, combustion processes, harmful emissions, nitrogen oxides, emission reduction, thermal power plant, swirling flows
Бібліографічний опис
Логвинюк, М. О. Зниження викидів оксидів азоту в промислових котлах шляхом ступеневого спалювання : дис. … д-ра філософії : 142 Енергетичне машинобудування / Логвинюк Максим Олександрович. – Київ, 2025. – 142 с.