ELEKTRANE 2010M đ d k f ijMeđunarodna konferencija26-29. oktobar 2010. Vrnjačka Banja, Srbija

MODELIRANJE I ANALIZA FORMIRANJA I DESTRUKCIJE NOx U LOŽIŠTUENERGETSKOG KOTLA SA SAGOREVANJEM UGLJENOG PRAHA

MODELING AND ANALYSIS OF NOX FORMATION AND DESTRUCTION IN A PULVERIZED COAL-FIRED UTILITY BOILER FURNACE

Branislav Stanković, Srđan Belošević, Miroslav Sijerčić, Nenad Crnomarković,Dragan Tucaković,

Sl b d Đ kićSlobodan Đekić

Institut za nuklearne nauke – VINČA, Laboratorija za termotehniku i energetikuPO Box 522, 11001 Beograd, Srbija

Mašinski fakultet Univerziteta u Beogradu, Kraljice Marije 16, 11120 Beograd 35,Srbijaj

Elektroprivreda Srbije, Vojvode Stepe 412, 11000 Beograd, Srbija

UVODUVOD__________________________________________________________________________________________________________________________________________

Glavni cilj rada ⇒razvoj matematičkog modela formiranja i destrukcije azotnih oksida u ložištu kotlaj g j jsa sagorevanjem ugljenog praha i njegova primena kroz numeričke simulacije uticajarazličite raspodele ugljenog praha po visini gorionika na emisiju NOx iz ložišta kotla.

Oksidi azota ⇒koji imaju najveći uticaj na zagađenje životne okoline su azot-monoksid (NO), azot-di k id ( O ) i b k id ( O) O i O j d č j k Odioksid (NO2) i azot-suboksid (N2O). NO i NO2 se zajedno označavaju kao NOx.

Postupci za smanjenje emisije ⇒azotnih oksida mogu se podeliti u dve grupe: primarni (modifikacije procesa sagore-vanja u ložištu) i sekundarni (prečišćavanje dimnih gasova). Primarne mere predstav-ljaju najekonomičniju mogućnostljaju najekonomičniju mogućnost.

Preliminarna validacija modela ⇒izvršena je poređenjem proračunatih vrednosti emisije azotnih oksida sa raspoloživimizvršena je poređenjem proračunatih vrednosti emisije azotnih oksida sa raspoloživimrezultatima periodičnih merenja emisije na predmetnom kotlu – TE Kostolac B.

MEHANIZAM PROCESA NASTAJANJA NOMEHANIZAM PROCESA NASTAJANJA NOXX

__________________________________________________________________________________________________________________________________________

Obrazovanje azotnih oksida ⇒značajan uticaj imaju: karakteristike goriva, konstruktivne karakteristike kotla ij j j gkarakteristike procesa sagorevanja. Veoma složeni mehanizmi hemijskih reakcija.Glavni oksid azota ⇒

l žišti š i lj j t k id ( k 90%) t di k id ( j du ložištima na sprašeni ugalj je azot-monoksid (oko 90%); azot-dioksid (manje od 10%) i azot-suboksid (manje od 1%).Tri osnovna mehanizma formiranja NO ⇒ju procesu sagorevanja uglja dovode do nastanka sledećih “tipova” NO: termički NO,promptni NO i gorivi NO. Doprinos promptnog NO se može zanemariti.T ički NO ⇒Termički NO ⇒predstavlja 5-25% ukupne količine NOx ; veoma je izražena zavisnost od temperature,postaje značajan za temperature u plamenu veće od 1650 K (često tek za > 1800 K).Gorivi NO ⇒predstavlja 75-95% ukupne količine NOx . Prvenstveno zavisi od sadržaja azota u go-rivu, znatno manje od temperature, a više od odnosa goriva i vazduha. Azot iz gorivarivu, znatno manje od temperature, a više od odnosa goriva i vazduha. Azot iz goriva oslobađa se devolatilizacijom u formi HCN kao intermedijara, koji dalje reaguje u gasnoj fazi.

Podmodel formiranja i destrukcije NOx-a

- Sveobuhvatno modeliranje procesa: detaljan CFD, pojednostavljena hemijska kinetikaSveobuhvatno modeliranje procesa: detaljan CFD, pojednostavljena hemijska kinetika- Sistem “postprocessing-a”: proračun NOx se izvodi u već iskonvergiranim poljima- Termički NO: pojednostavljen mehanizam Zeldovich-a za ukupnu brzinu formir./destr.

]NO[d 37038]smmol[],N[]O[k2

dt]NO[d 13

21−− ⋅⋅⋅⋅= ]smmol[,e108.1k 131T

370388

1−−−

⋅⋅⋅⋅=

OO5.0]O[],m/mol[]NO[],N[],O[ 23

2 ⇔⋅≈ konstanta brzine reakcije

- Gorivi NO: brzina reakcije formiranja → ]s[,eXX105.3dt

dX 1T5.73233

OHCN10NO

2

−−α ⋅⋅⋅⋅=

1014X1 3≤ −

030X10111Xln10350

1011.1X101.4,Xln9.095.3

101.4X,1

22

2

2

2O

3O

3O

≤≤⋅⋅−−=α

⋅≤≤⋅⋅−−=α

⋅≤=α

−

−− α zavisi od lokalne koncentracije O2

prema de Soete-u

- 3 5 je korigovana vrednost koficijenta (prema Lockwood-u i Romo-Millares-u za uslo-

03.0X,0

03.0X1011.1,Xln1.035.0

2

22

O

OO

≥=α

≤≤⋅⋅−−=α]mol/mol[X,X,X NOOHCN 2

3.5 je korigovana vrednost koficijenta (prema Lockwood u i Romo Millares u za uslove sa relativno niskom koncentracijom goriva koji preovlađuju kod ložišta sa sagore-vanjem ugljenog praha) u odnosu na vrednost tog koeficijenta kod De Soete-a.

dX 2.20830

- Gorivi NO: brzina reakcije destrukcije → ]s[,eXX100.3dt

dX 1T2.20830

NOHCN12NO −−

⋅⋅⋅⋅−=

Transportne jednačine za NO i HCN ⇒

NOi

NO

ii

NOi S

xYD

xxYu +⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

ρ∂∂

=∂∂

ρ HCNi

HCN

ii

HCNi S

xYD

xxYu +⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂

∂ρ

∂∂

=∂

∂ρ

iii ⎠⎝ ⎠⎝

- YNO [kg/kg], YHCN [kg/kg]

- SNO → izvor NO-a dobija se prema ukupnoj neto brzini formiranja/destrukcije NO

- SHCN → izvor HCN obuhvata kako izdvajanje HCN devolatilizacijom, tako i trošenjeHCN u gasnoj fazi

Ukupna neto brzina formiranja/destrukcije NO ⇒

HCN u gasnoj fazi.

( )promptthermal2 NONONOcharNNONO RRMRRRR ++−−=

- Pretpostavljeno je da se uticaj promptnog NO i reakcije redukcije NO sa koksnimk i iostatkom mogu zanemariti.

3D MATEMATI3D MATEMATIČKI MODELČKI MODEL PROCESA U LOPROCESA U LOŽIŠTUŽIŠTU

Matematički model stvaranja i destrukcije NOx inkorporiran je u ukupan prethodno razvijen i verifikovan 3D CFD diferencijalni matematički model dvofaznog gas-čestice turbulentnog strujanja sa sagorevanjem ugljenog praha radijaciono-čestice turbulentnog strujanja sa sagorevanjem ugljenog praha, radijaciono-konvektivnom razmenom toplote i mase, sa Euler-Langrange-evim pristupom modeliranju dvofaznog toka.

Testiran je uticaj gustine mreže na rezultate proračuna i procenjena je razlika u l i d bij i li i i j d d b jrezultatima dobijenim na mrežama različite gustine, što je ovde od posebnog značaja

jer se razmatraju problemi u realnoj industrijskoj razmeri. Kao zadovoljavajući kompromis između numeričke tačnosti i proračunske efikasnosti usvojena je mrežakompromis između numeričke tačnosti i proračunske efikasnosti, usvojena je mreža sa 130x65x65 =549250 kontrolnih zapremina.

Što se tiče numeričkog praćenja čestica, posmatra se 200 trajektorija po etaži gorioni-ka. Na osnovu sitovne analize, Rozin-Ramler raspodele i numeričkih eksperimenata

i l ij l č j j j i i č ik č i diu simulacijama test-slučajeva usvojen je reprezentativni prečnik čestice monodisper-znog ugljenog praha: dp=150μm.

PREDMETNO LOPREDMETNO LOŽIŠTE I RADNI USLOVIŽIŠTE I RADNI USLOVI____________________________________________________________________________________________________________________________Ložište kotla sa sagorevanjem ugljenog praha Kostolac-B 350 MW sa 8 tangencijalnoLožište kotla sa sagorevanjem ugljenog praha Kostolac-B 350 MWe sa 8 tangencijalnopostavljenih gorionika

• Radni uslovi pri punom opterećenju (sa 7 gorionika)• Produkcija pregrejane pare → 1000 t/h.• Lignit Kostolac-Drmno → tehnička analiza (%), na dostavno stanje: vlaga 43,93, pepeo 22,25, volatili 21,39;ugljeni prah: vlaga 8,83% ; R90=55% , R1000=2%. g j p g , ; 90 , 1000

B1 blok → centrifugalni razdvajači (~ 70% ugljenog praha preko glavnih gorionika)B2 blok → inercijalni razdvajači (~ 80% ugljenog praha preko glavnih gorionika)

P đ j

ANALIZA REZULTATAANALIZA REZULTATA____________________________________________________________________________________________________________________________

Poređenje ⇒proračunatih vrednosti emisije azotnih oksida sa raspoloživim rezultatima periodičnih merenja emisije na predmetnom kotlu – TE Kostolac B (i graničnim vrednostima emisije).

Emisija NOx iz ložišta prema rezultatima numeričkih simulacija

Emisija NOx [mg/Nm3]

TE Kostolac – *G ič d irezultatima numeričkih simulacija [mg/Nm3]

TE Kostolac rezultati periodičnih

merenja emisije

*Granične vrednosti emisije (GVE)

TEKO B-1 TEKO B-2 B-1 B-2Sl. glasnik

RS br. 30/97

Direktiva Evropske

Unije 2001/80/EC2001/80/EC

TS 1 TS 2 TS 41051 893 450 500 (**200)1051 893 450 500 ( 200)

1037 1148 931

*Granične vrednosti emisije NOx (mereno kao NO2, referentni udeo 6% O2 u suvim produktima sagorevanja , za čvrsta goriva i snagu kotla > 500 MWth)**Važiće od 2016. god.

Numerički proračunate vrednosti srednje temperature na izlazu iz ložišta i emisije NOx

Raspodela ugljenog praha po gorionicima (%) Udeo Udeo

protoka Emisija

x

Test-slučajevi

po gorionicima (%) protokaotparakakroz GG

(%)

protoka sekundarnog vazduhakroz GG

tizl(oC)

Emisija NOx

iz ložišta[mg·Nm-3]

Glavni gorionici (GG)

Bridovigorionici (%) (%)

( ) g

donji gornji donji gornji

1 45.5 24.5 19.5 10.5 57.0 67.8 1021 1037

2 30.6 25.6 30.7 13.1 48.9 74.8 1096 1148

3 40 50 4.5 5.5 64.0 74.2 997 841

4 28 48 11 13 55.1 71.4 1047 931

5 27 43 13 17 51 3 71 4 1075 11185 27 43 13 17 51.3 71.4 1075 1118

6 26 38 15 21 47.8 71.4 1100 1244

Numerički rezultati za referentni test-slučaj 1

t 1021 ˚C

Gorionici bridovi

t izl = 1021 C

10.5 % →19.5 % →24.5 % →45 5 % →45.5 % →

Glavni gorionici

Polja temperature gasova i masenih udela O2 , HCN i NOx u ložištu TEKO B

Emisija NOx=1037 mg/Nm3

Numerička analiza uticaja raspodele ugljenog praha po gorionicima na emisiju NOxt izl = 1021 ˚C t izl = 1096 ˚C t izl = 997 ˚C

Gorionicibridovi10 5 % →

Gorionicibridovi13 1 % →

Gorionicibridovi

5 5 % →10.5 % →19.5 % →24.5 % →45.5 % →

13.1 % →30.7 % →25.6 % →30.6 % →

5.5 % →4.5 % →

50.0 % →40.0 % →

Glavni gorionici

Glavni gorionici

Glavni gorionici

Emisija NOx 1037 mg/Nm3 Emisija NOx 1148 mg/Nm3 Emisija NOx 841 mg/Nm3Emisija NOx=1037 mg/Nm3 Emisija NOx=1148 mg/Nm3 Emisija NOx=841 mg/Nm3

Gorionici Gorionici Gorionici

t izl = 1047 ˚C t izl = 1075 ˚C t izl = 1100 ˚C

bridovi13.0 % →11.0 % →48 0 %

bridovi17.0 % →13.0 % →43 0 %

bridovi21.0 % →15.0 % →38 0 %48.0 % →

28.0 % →Glavni gorionici

43.0 % →27.0 % →Glavni gorionici

38.0 % →26.0 % →Glavni gorionici

Polje masenog udela NOx u ložištu (vertikalni presek)

g g g

EmisijaNOx=931 mg/Nm3

Emisija NOx=1118 mg/Nm3 Emisija NOx=1244 mg/Nm3

Numerička analiza uticaja raspodele ugljenog praha po gorionicima na emisiju NO

t izl = 1021 ˚C t izl = 1096 ˚C t izl = 997 ˚C

Gorionicibridovi10 5 % →

Gorionicibridovi13 1 % →

Gorionicibridovi

5 5 % →10.5 % →19.5 % →24.5 % →45.5 % →

13.1 % →30.7 % →25.6 % →30.6 % →

5.5 % →4.5 % →

50.0 % →40.0 % →

Glavni gorionici

Glavni gorionici

Glavni gorionici

Emisija NOx 1037 mg/Nm3 Emisija NOx 1148 mg/Nm3 Emisija NOx 841 mg/Nm3Emisija NOx=1037 mg/Nm3 Emisija NOx=1148 mg/Nm3 Emisija NOx=841 mg/Nm3

Gorionici Gorionici Gorionici

t izl = 1047 ˚C t izl = 1075 ˚C t izl = 1100 ˚C

bridovi13.0 % →11.0 % →48 0 %

bridovi17.0 % →13.0 % →43 0 %

bridovi21.0 % →15.0 % →38 0 %48.0 % →

28.0 % →Glavni gorionici

43.0 % →27.0 % →Glavni gorionici

38.0 % →26.0 % →Glavni gorionici

Polje masenog udela NOx u ložištu (horizontalni preseci)

g g g

Emisija NOx=931 mg/Nm3

Emisija NOx=1118 mg/Nm3 Emisija NOx=1244 mg/Nm3

ZAKLJUČAKZAKLJUČAK____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Izabran je pristup modeliranju ⇒koji zahteva zajedničko rešavanje kompleksnih transportnih jednačina CFD-a za tur-b l t i t k k bi iji j d t lj i h i i č t j ćih h ij kihbulentni tok u kombinaciji sa pojednostavljenim mehanizmima učestvujućih hemijskihreakcija.

P d d l NOPodmodel NOx ⇒inkorporiran je u ukupan model reaktivnog dvofaznog turbulentnog strujanja i odgova-rajući numerički kod kao post-procesorrajući numerički kod, kao post procesor.

Numerička simulacija i analiza ⇒za nekoliko test-slučajeva u okviru čega je ispitan uticaj različite raspodeleza nekoliko test-slučajeva, u okviru čega je ispitan uticaj različite raspodele ugljenog praha po visini gorionika na emisiju NOx iz ložišta predmetnih kotlova.

Niža koncentracija NO u razmatranim slučajevima ⇒Niža koncentracija NOx u razmatranim slučajevima ⇒dobijena je u slučajevima većeg udela ugljenog praha kroz glavne gorionike.

32% ⇒ razlika najniže emisije postignute numeričkom optimizacijom i najviše, samo32% ⇒ razlika najniže emisije postignute numeričkom optimizacijom i najviše, samoprimenom pogodne organizacije sagorevanja u ložištu bez konstruktivnih izmena.

ZAKLJUČAKZAKLJUČAK____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

S j j i ij NOSmanjenje emisije NOx ⇒može se postići odgovarajućom kontrolom lokalnog koeficijenta viška vazduha u zonigorionika.g

Procesi formiranja i destrukcije NOx ⇒su veoma kompleksni; njihovo modeliranje je težak zadatak i za svaki konkretan slučajpotrebno je izvesti numeričke simulacije posebno.

Modeliranje ⇒predstavlja koristan način proučavanja koji pruža bolji uvid u suštinu problema i omo-gućava potpunije razumevanje procesa.

Modeli za predviđanje emisije NOx ⇒mogu se koristiti za ispitivanje i optimizaciju radnih i projektnih parametara i istraživa-nje različitih tehničkih rešenja postupaka i mera sa ciljem smanjenja emisije azotnihnje različitih tehničkih rešenja, postupaka i mera sa ciljem smanjenja emisije azotnih oksida u realnim sistemima za sagorevanje.

Ovakva analiza ⇒omogućava optimizaciju pogonskih uslova u ložištu istovremeno sa stanovišta sma-njenja emisije i povećanja energetske efikasnosti.