Зниження викидів оксидів азоту в промислових котлах шляхом ступеневого спалювання
| dc.contributor.advisor | Новаківський, Євген Валерійович | |
| dc.contributor.author | Логвинюк, Максим Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2025-06-05T07:45:11Z | |
| dc.date.available | 2025-06-05T07:45:11Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description.abstract | 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%. | |
| dc.description.abstractother | Lohvyniyk M.O. Reduction of nitrogen oxide emissions in industrial boilers by means of staged combustion - Qualification scientific study on the rights of manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy of 142 «Power Engineering». - National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Education and science ministry of Ukraine, Kyiv, 2025. The dissertation is devoted to solving the urgent problem of reducing nitrogen oxide emissions in industrial boilers by the method of staged fuel combustion using two numerical methods of modelling the boiler furnace operation. The introduction substantiates the relevance of developing special procedures, provides a general description of the work, formulates its purpose, main tasks, object and subject of research, presents the scientific novelty and practical value of the results obtained, provides information on the personal contribution of the applicant and the approbation of the work, its structure and scope. The first section, the author conducts a literature review on the topic of the dissertation. The section reflects the current state of power and industrial boiler units in Ukraine and the world, and the problems with the formation of nitrogen oxides. The solutions to the problem of nitrogen oxides formation at foreign boiler units when operating boilers on different types of fuel and different capacities are analysed. Various methods of nitrogen oxides reduction are analysed, the possibilities and limitations of using the method of staged fuel combustion in the reconstruction of industrial boilers in the energy sector of Ukraine to ensure European regulatory values are presented. Based on the development of the first chapter of the dissertation, the research goal and objectives were set. The second section presents various numerical methods for calculating furnace chambers and nitrogen oxides formation to solve the problem. The first methodology is a system of empirical equations for the zone-by-zone thermal calculation of the furnace chamber, with an extended function for calculating the formation of nitrogen oxides along the height of the furnace. The second methodology is a system of differential equations describing the processes of natural gas combustion, radiant heat transfer and the formation of nitrogen oxides in the furnace chamber volume. The paper also presents a regression analysis methodology used to process the results of numerical experiments. The third section, the methods described in the second section were tested. Numerical modelling of fuel combustion and nitrogen oxides formation in the combustion chamber of the GM-50-14/250 boiler was carried out using the method of a system of empirical equations using MS Excel. Similar calculations were carried out using the system of differential equations, using the ANSYS FLUENT software. The results of numerical modelling by the two methods were compared with each other and with measurement data on the same operating equipment. The temperature distribution along the height of the furnace and the heat load on the screen panels were determined using the two methods. The environmental performance of the furnace, namely the formation of NOx at different heat loads, was determined. The maximum boiler capacity at which its operation meets European environmental standards was determined. The deviation of the calculations for NOx formation in the GM-50-14/250 boiler at 40% of the rated power compared to the results of full-scale tests using the methodology of the system of differential equations was 8%, and using the system of empirical equations - 27%. When operating at rated power, the deviations decreased to 2% and 8%, respectively. The deviation of the results of thermal calculations using different methods in the active combustion zone and at the furnace outlet is up to 3% at different loads. The fourth section presents the results of numerical modelling of staged fuel combustion using the methods described in section 2. The section analyses the effect of air distribution between the burners on the formation of nitrogen oxides during the combustion of natural gas. Two variants of air distribution are considered: for a standard two-tier burner arrangement and a two-tier burner arrangement with the addition of tertiary air nozzles. For numerical modelling, matrices of experiments with different air distribution between burners and nozzles were constructed. For the most representative matrices, numerical modelling was carried out using two methods and the results of which are correlated with each other. The results are presented for boiler loads from 40 to 100%. The modelling of changes in chemical underburning losses when using the method of staged fuel combustion is carried out. The dependences for predicting the formation of nitrogen oxides at different air excess coefficients using tertiary air nozzles are obtained and presented in the format of diagrams at different boiler capacities. A justification for the possibility of applying this methodology to existing equipment is given. Scientific novelty of the results. The thesis presents the results obtained for the first time, namely: 1. For the first time, two methods for thermal calculation of boiler furnace chambers and nitrogen oxide formation processes used in the world and in Ukraine were compared. 2. Further development of the methodology for the thermal calculation of the boiler furnace chamber using a system of empirical equations with the ability to calculate the formation of nitrogen oxides in individual zones of the furnace chamber was obtained. 3. The theory of staged combustion of natural gas in the boiler furnace chamber was further developed to reduce the formation of nitrogen oxides. The distribution of air between the burners and tertiary air nozzles was proposed and substantiated. 4. For the first time, a regression model for predicting the formation of nitrogen oxides and chemical underburning at different boiler loads from 40 to 100% was built using a twotiered burner layout and with the addition of tertiary air nozzles. For the first time, diagrams for predicting the formation of nitrogen oxides and chemical underburning at different air distribution over the tiers and nozzles at different boiler loads from 40 to 100% were constructed. | |
| dc.format.extent | 142 с. | |
| dc.identifier.citation | 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. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/74087 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | теплообмін | |
| dc.subject | гідродинаміка | |
| dc.subject | густина теплового потоку | |
| dc.subject | діапазон температур | |
| dc.subject | чисельні методи | |
| dc.subject | математичне моделювання | |
| dc.subject | моделювання обчислювальної гідродинаміки (CFD) | |
| dc.subject | інтенсивність теплообміну | |
| dc.subject | ступеневе спалювання палива | |
| dc.subject | процеси горіння | |
| dc.subject | шкідливі викиди | |
| dc.subject | оксиди азоту | |
| dc.subject | зменшення викидів | |
| dc.subject | теплова електростанція | |
| dc.subject | закручені потоки | |
| dc.subject | heat transfer | |
| dc.subject | hydrodynamics | |
| dc.subject | heat flux density | |
| dc.subject | temperature range | |
| dc.subject | numerical methods | |
| dc.subject | mathematical modeling | |
| dc.subject | computational fluid dynamics (CFD) modeling | |
| dc.subject | heat transfer intensity | |
| dc.subject | staged fuel combustion | |
| dc.subject | combustion processes | |
| dc.subject | harmful emissions | |
| dc.subject | nitrogen oxides | |
| dc.subject | emission reduction | |
| dc.subject | thermal power plant | |
| dc.subject | swirling flows | |
| dc.subject.udc | 621.43.043 | |
| dc.title | Зниження викидів оксидів азоту в промислових котлах шляхом ступеневого спалювання | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Lohvyniyk_dys.pdf
- Розмір:
- 24.23 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format