Моделирование сжигания топлива в котлоагрегатах большой и малой производительности для понижения токсичности продуктов горения

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.

1. Logachev 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

2. 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/10.30724/1998-9903-2019-21-6-29–38

3. 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.2018.02.092

4. Тугов А. Н. Энергетическая утилизация твердых коммунальных отходов на ТЭС: монография А. Н. Тугов //М.: ОАО «ВТИ» 2017; 178.

5. 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.2020.114888

6. 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.2020.139134

7. 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/481/1/012044

8. 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.2019.02.117

9. 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/10.30724/1998-9903-2018-20-7-8-87-98

10. 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.2018.03.282

11. 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.2018.04.011

12. 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.2018.12.009

13. 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.2018.08.018

14. 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/10.1080/13647830.2018.1513566

15. 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.2017.03.011

16. 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/10.24223/1999-5555-2019-12-2-126-134