energsecurityНадежность и безопасность энергетикиSafety and Reliability of Power Industry1999-55552542-2057ООО «НПО Энергобезопасность»10.24223/1999-5555-2020-13-3-188-196energsecurity-713Research ArticleОБЩИЕ ВОПРОСЫ НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЭНЕРГЕТИКИGENERAL ISSUES RELATED TO RELIABILITY AND SAFETY OF THE POWER INDUSTRYМоделирование сжигания топлива в котлоагрегатах большой и малой производительности для понижения токсичности продуктов горенияModeling of fuel combustion in boilers of large and small capacity to reduce the toxicity of combustion productsЖелтухинаЕ. С.ZheltukhinaE. S.

ул. Габдуллы Тукая, д. 162, 420021, г. Казань, Россия

Gabdulla Tukay str., 162, 420021, Kazan, Russia

elizavetazheltukhina@ya.ruПавловаМ. В.PavlovaM. V.

ул. Адоратского, д. 29В, 420132, г. Казань, Россия

Adoratsky str., 29B, 420132, Kazan, Russia

ЗиганшинМ. Г.ZiganshinM. G.

ул. Красносельская, д. 51, 420066, г. Казань, Россия

Krasnosel’skaya str., 51, 420066, Kazan, Russia

АО "Казэнерго"РоссияJSC "Kazenergo"Russian FederationООО "Параллакс"РоссияLLC "Parallax"Russian FederationКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power UniversityRussian Federation202026102020133188196Copyright © Желтухина Е.С., Павлова М.В., Зиганшин М.Г., 20202020Желтухина Е.С., Павлова М.В., Зиганшин М.Г.Zheltukhina E.S., Pavlova M.V., Ziganshin M.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sigma08.ru/jour/article/view/713

Рассматриваются вопросы, связанные с выбросом атмосферных загрязнителей при оказании услуг энергоснабжения и обращения бытового мусора в поселениях. Анализируются пути загрязнения воздуха селитебной зоны токсичными соединениями, которые образуются при существующих методах термообработки мусора, а также при эксплуатации индивидуальных источников теплоснабжения жилых объектов. Вопросы снижения содержания токсичных выбросов в продуктах горения изучаются на основе численного эксперимента средствами вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics, CFD). Рассмотрены топочные процессы в энергетическом котле ТП-14А (Е 220/100) и индивидуальном водогрейном котле Vitocrossal 200 VIESSMANN. Определены адекватные граничные условия процессов аэродинамики, теплообмена и сжигания газового топлива. Численные исследования проведены на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса (RANS), с замыканием уравнений при помощи двухпараметрической k-ε модели. Процесс горения моделировался как перенос реагирующих веществ Species Transport. Расчеты горения выполнялись по модели рассеивания вихрей Eddy-dissipation. Использовалась схема одноступенчатой реакции окисления до конечных продуктов CO2 и H2O, исходного газообразного топлива — метана для котла VIESSMANN Vitocrossal 200, и продуктов газификации угольной пыли для котла ТП-14А. Определены температурные, скоростные и концентрационные поля в топках исследованных котлов. По результатам выполненных расчетов прогнозируется образование химического недожога и оксидов азота. Показаны возможности численного моделирования таких процессов на основе новых направлений в технологии моделирования Chemkin и применении алгоритма ISAT. Отмечено, что они перспективны и для моделирования кинетики процессов горения при использовании в качестве топлива бытового мусора, однако в этой области исследований их применение пока сильно ограничено вычислительной мощностью доступных процессоров.

The issues related to the emission of atmospheric pollutants during the provision of energy supply services and the circulation of household waste in settlements are considered. The ways of air pollution of the residential area with toxic compounds, which are form by the existing methods of heat treatment of waste and during the operation of individual sources of heat supply for residential buildings, are analyzed. The issues of reducing the content of toxic emissions in combustion products are studied based on a numerical experiment using Computational Fluid Dynamics (CFD). Furnace processes in the energy boiler TP-14A (E 220/100) and the individual hot water boiler Vitocrossal 200 VIESSMANN are considered. The appropriate boundary conditions for the processes of aerodynamics, heat exchange and combustion of gas fuel have been defined. Numerical researches were carried out based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS), with the closure of the equations using the two-parameter k-ε model. The combustion process was modeled as the transport of reactants Species Transport. The combustion calculations were performed using the Eddy-dissipation model. The scheme of a one-stage oxidation reaction to the final products of CO2 and H2O, the initial gaseous fuel — methane for the VIESSMANN Vitocrossal 200 boiler, and the products of coal dust gasification for the TP-14A boiler was used. The temperature, velocity and concentration fields in the boiler fireboxes have been determined. Based on the results of the calculations performed, the formation of chemical underburning and nitrogen oxides is predicted. The possibilities of numerical modeling of such processes are shown based on new directions in Chemkin modeling technology and the application of the ISAT algorithm. It is noted that they are also promising for modeling the kinetics of combustion processes using household waste as a fuel, but in this area of research, their application is still strongly limited by the computing power of available processors.

выбросызагрязнителитвердые бытовые отходытермообработкавычислительная гидродинамикакотелаэродинамикаокислениеугольная пыльгазметанemissionspollutantsmunicipal solid wasteheat treatmentcomputational fluid dynamicsboileraerodynamicsoxidationcoal dustgasmethaneReferencesLogachev K. et al. Improving dust capture efficiency with local exhaust hoods in manicure shops. Build. Environ 2020; (181): 107124. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2020.107124Logachev K. et al. Improving dust capture efficiency with local exhaust hoods in manicure shops. Build. Environ 2020; (181): 107124. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2020.107124 (In Eng.)Зиганшин М. Г. Методика оценки эффективности генерации на тепловых электрических станциях с учетом выброса загрязнителей. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики 2019; 21(6): 29 – 38. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-6-29–38Ziganshin M.G. Method of assessment generation efficiency at thermal power plants taking into account emissions of pollutants. Power engineering: research, equipment, technology 2019; 21(6): 29 – 38. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2019-21-6-29-38 (In Russ.)Feng Z., Xiaofei L., Jia-Wei L., Jing H., Jieru Z., Bing X., Chengyang H. Emission characteristics of PCDD/Fs in stack gas from municipal solid waste incineration plants in Northern China. Chemosphere 2018; (200): 23 – 29. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.02.092Feng Z., Xiaofei L., Jia-Wei L., Jing H., Jieru Z., Bing X., Chengyang H. Emission characteristics of PCDD/Fs in stack gas from municipal solid waste incineration plants in Northern China. Chemosphere 2018; (200): 23 – 29. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.02.092 (In Eng.)Тугов А. Н. Энергетическая утилизация твердых коммунальных отходов на ТЭС: монография А. Н. Тугов //М.: ОАО «ВТИ» 2017; 178.Tugov A. N. Energy utilization of municipal solid waste at thermal power plants: monograph by A. N. Tugov // M .: JSC «VTI» 2017; 178. (In Russ.)Xiaoqing L., Yunfeng M., Zhiliang C., Xiaodong L., Shengyong L., Jianhua Y. Effect of different air pollution control devices on the gas/ solid-phase distribution of PCDD/F in a full-scale municipal solid waste incinerator. Environmental Pollution 2020; (265): 114888. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114888Xiaoqing L., Yunfeng M., Zhiliang C., Xiaodong L., Shengyong L., Jianhua Y. Effect of different air pollution control devices on the gas/solid-phase distribution of PCDD/F in a full-scale municipal solid waste incinerator. Environmental Pollution 2020; (265): 114888. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114888 (In Eng.)Meihui R., Zhenzhong Y.L, Lin X., Qiqi L., Xuefeng Z., Ying Y., Yun F., Yuan G., Jiping C., Haijun Z. Partitioning and removal behaviors of PCDD/Fs, PCBs and PCNs in a modern municipal solid waste incineration system. Science of The Total Environment 2020; (735): 139134. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.139134Meihui R., Zhenzhong Y. L, Lin X., Qiqi L., Xuefeng Z., Ying Y., Yun F., Yuan G., Jiping C., Haijun Z. Partitioning and removal behaviors of PCDD/Fs, PCBs and PCNs in a modern municipal solid waste incineration system. Science of The Total Environment 2020; (735): 139134. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.139134 (In Eng.)Bilalov M. I., Ziganshin M. G. Estimates of the influence of the solar irradiation spectrum energy on the intensity of heat treatment of solid waste with hexavalent chromium. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 2019; (481): 012044. https://doi.org/10.1088/1757-899X/481/1/012044Bilalov M. I., Ziganshin M. G. Estimates of the influence of the solar irradiation spectrum energy on the intensity of heat treatment of solid waste with hexavalent chromium. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 2019; (481): 012044. https://doi.org/10.1088/1757-899X/481/1/012044 (In Eng.)Yun F., Meihui R., Haijun Z., Ningbo G., Yun L., Ning Z., Liang Z., Yuan G., Jiping C. Levels and fingerprints of chlorinated aromatic hydrocarbons in fly ashes from the typical industrial thermal processes: Implication for the co-formation mechanism. Chemosphere 2019; (224): 298 – 305. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.02.117Yun F., Meihui R., Haijun Z., Ningbo G., Yun L., Ning Z., Liang Z., Yuan G., Jiping C. Levels and fingerprints of chlorinated aromatic hydrocarbons in fly ashes from the typical industrial thermal processes: Implication for the co-formation mechanism. Chemosphere 2019; (224): 298 – 305. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.02.117 (In Eng.)Тугов А. Н., Рябов Г. А., Штегман А. В., Майданик М. Н. Опыт освоения современных котельных установок российского производства. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики 2018; 20(7 – 8): 87 – 98. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2018-20-7-8-87-98Tugov A. N., Ryabov G. A., Shtegman A. V., Maidanik M. N. Development experience of modern made in russia boiler installations. Power engineering: research, equipment, technology 2018; 20(7 – 8): 87 – 98. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2018-20-7-8-87-98 (In Russ.)Hongting Ma, Na Du, Xueyin Lin, Chaofan Liu, Jingyu Zhang, Zhuangzhuang Miao. Inhibition of element sulfur and calcium oxide on the formation of PCDD/Fs during co-combustion experiment of municipal solid waste. Science of the Total Environment 2018; (633): 1263–1271. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.03.282Hongting Ma, Na Du, Xueyin Lin, Chaofan Liu, Jingyu Zhang, Zhuangzhuang Miao. Inhibition of element sulfur and calcium oxide on the formation of PCDD/Fs during co-combustion experiment of municipal solid waste. Science of the Total Environment 2018; (633): 1263 – 1271. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.03.282 (In Eng.)Min Y., Liu C. J., Shi P. Y., Qin C. D., Feng Y. T., Liu B. C. Effects of the addition of municipal solid waste incineration fly ash on the behavior of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and furans in the iron ore sintering process. Waste Manage 2018; (77): 287–293. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2018.04.011Min Y., Liu C. J., Shi P. Y., Qin C. D., Feng Y. T., Liu B. C. Effects of the addition of municipal solid waste incineration fly ash on the behavior of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and furans in the iron ore sintering process. Waste Manage 2018; (77): 287 – 293. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2018.04.011 (In Eng.)Chaudhari P., Ravi B., Bagaria P., Mashuga C. Improved partial inerting MIE test method for combustible dusts and its CFD validation. Process Safety and Environmental Protection 2019; (122): 192 – 200. https://doi.org/10.1016/j.psep.2018.12.009Chaudhari P., Ravi B., Bagaria P., Mashuga C. Improved partial inerting MIE test method for combustible dusts and its CFD validation. Process Safety and Environmental Protection 2019; (122): 192 – 200. https://doi.org/10.1016/j.psep.2018.12.009 (In Eng.)Xie W., Lu Z., Ren Z., Goldin G. M. Dynamic adaptive acceleration of chemical kinetics with consistent error control. Combustion and Flame 2018; (197): 389 – 399. https://doi.org/10.1016/J.COMBUSTFLAME.2018.08.018Xie W., Lu Z., Ren Z., Goldin G.M. Dynamic adaptive acceleration of chemical kinetics with consistent error control. Combustion and Flame 2018; (197): 389 – 399. https://doi.org/10.1016/J.COMBUSTFLAME.2018.08.018 (In Eng.)Xie W., Lu Z., Ren. Z. Rate-controlled constrained equilibrium for large hydrocarbon fuels with NTC. Combustion Theory and Modelling 2018; (23): 226 – 244. https://doi.org/10.1080/13647830.2018.1513566Xie W., Lu Z., Ren. Z. Rate-controlled constrained equilibrium for large hydrocarbon fuels with NTC. Combustion Theory and Modelling 2018; (23): 226 – 244. https://doi.org/10.1080/13647830.2018.1513566 (In Eng.)Zhou H., Li S., Ren Z., Rowinski D. H. Investigation of mixing model performance in transported PDF calculations of turbulent lean premixed jet flames through Lagrangian statistics and sensitivity analysis. Combustion and Flame 2017; (181): 136 – 148. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2017.03.011Zhou H., Li S., Ren Z., Rowinski D. H. Investigation of mixing model performance in transported PDF calculations of turbulent lean premixed jet flames through Lagrangian statistics and sensitivity analysis. Combustion and Flame 2017; (181): 136 – 148. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2017.03.011 (In Eng.)Валеев М. Р., Дюдина А. А., Фатихов А. Р., Зиганшин М. Г. Моделирование топочных процессов в современных теплогенераторах малой и средней производительности. Надежность и безопасность энергетики 2019; 12(2): 126 – 134. https://doi.org/10.24223/1999-5555-2019-12-2-126-134Valeev M. R., Dyudina A. A., Fatikhov A. R., Ziganshin M. G. Simulation of combustion processes in modern heat generators of low and medium productivity. Safety and Reliability of Power Industry 2019; 12(2): 126 – 134. https://doi.org/10.24223/1999-5555-2019-12-2-126-134 (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.