Анотація до роботи:

П’яних К.Є. Математичне моделювання низькоемісійного спалювання природного газу та вдосконалення пальникових пристроїв на цій основі. Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06. – Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика.- Національна академія наук України, Київ, 2004.

Розроблена комплексна модель процесу низькоемісійного спалювання природного газу, заснованого на сполученні двостадійного спалювання і рециркуляції продуктів згоряння. Модель включає опис фізичних складових – процесів переносу: аеродинаміки, масо- та теплообміну, а також механізми хімічної кінетики горіння та утворення оксидів азоту. Рух в пальниковому пристрої моделюється з використанням закономірностей розвитку турбулентних неізотермічних струменів у супутньому та перехресному обмеженому потоках в рамках модифікованої теорії Прандтля і концепції Бусінеска; процес змішування схематизується з використанням чарунок ідеального перемішування (PSR) та ідеального витіснення, що чередуються. Радіаційний теплообмін розраховується моделі Х.Хоттеля - зваженої суми сірих газів, конвективний теплообмін – з використанням критеріальних залежностей. Процес горіння описано з використанням reduced механізму, запропонованого Б. Сорокою. Розрахунок утворення оксидів азоту враховує термічні (за Зельдовичем-Боумену) та швидкі (prompt - по де Соєте) складові NО_x.

Систематичні чисельні розрахунки, проведені з використанням комп’ютерної програми, дозволили провести аналіз впливу конструктивно-геометричних та режимних параметрів пальникових пристроїв на їх енергетичні та екологічні характеристики з метою забезпечення максимальної ефективності використання палива та мінімуму [NО_x]. Розроблені та прийняті розробниками рекомендації щодо внесення змін в конструкцію пальникових пристроїв типу FIRB для жаротрубних котлів та радіаційних труб.

Ключові слова: пальниковий пристрій, оксиди азоту, двостадійне спалювання, природний газ, математична модель, кінетика горіння, рециркуляція, теплообмін, турбулентний струмінь, оптимізація.

1. Розроблено (на прикладі пальників типу FIRB) комплексну математичну модель процесу спалювання природного газу в низькоемісійних пальникових пристроях різного призначення. В розробленому математичному комплексі об’єднано моделі процесів переносу (аеродинаміка, масо- та теплопереніс), термодинаміки та кінетики горіння, моделі утворення токсичних речовин (перш за все оксидів азоту NO_x).

2. Створено комп’ютерну програму розрахунку топкового процесу при двостадійному спалюванні природного газу за умов рециркуляції продуктів незавершеного згоряння.

3. Достовірність комплексної моделі та комп’ютерної програми підтверджена порівнянням з літературними даними та результатами експериментів по кожній складовій моделі. Забезпечено задовільне співпадання розрахункових та експериментальних даних щодо енергетичного ККД топок, розподілу температур та теплових потоків на поверхнях, а також за рівнем [NO_x] на виході з пальникових пристроїв. Похибка при співставленні даних по температурі та тепловим потокам не перевищила 9...18%. Для радіаційних труб розбіжність розрахункових та експериментальних даних щодо нерівномірності температурного поля по довжині стінок не перевищила 70С.

4. З використанням розробленої програми виконано аналіз впливу конструктивних та режимних параметрів пальникових пристроїв, які є об’єктом дослідження, на їхній енергетичний ККД, викиди NO_x, величини та рівномірність температур і теплових потоків вздовж випромінюючих та приймальних поверхонь та інш.

5. Показано, що вплив на вихід NO_x коефіцієнту надлишку повітря b_р на першій стадії згоряння має екстремальний характер. Винайдено оптимальне значення 0,7р<0,8 в залежності від рівня робочих температур паливовикористовуючих агрегатів та кратності рециркуляції.

6. Показано, що вплив кратності рециркуляції на утворення оксидів азоту в пальниках двостадійного спалювання природного газу також має екстремум (мінімум), який залежить від коефіцієнту надлишку повітря b_р на першій стадії згоряння і температури рециркулюючих продуктів згоряння.

7. Доведена можливість оптимізації режимних та конструктивно-геометричних параметрів жаротрубного котла та радіаційної труби за теплотехнічними і екологічними показниками, що підтверджено з високою точністю за результатами промислових випробувань. Оптимізація жаротрубного котла дозволила знизити [NO_x] на виході з нього до 15 ppm.

8. Комплексна математична модель та створена на її основі комп’ютерна програма використовуються авторитетним науково-технічним центром США – Інститутом газової технології GTI при удосконаленні та оптимізації екологічно чистих пальникових пристроїв нового покоління (FIRB). Інститут GTI спільно з Інститутом газу НАН України використав моделі та програми при розробці конструкцій жаротрубних котлів та радіаційних труб, а також виборі режимних параметрів експлуатації цих пристроїв.

9. Розроблена в ході виконання роботи методика розрахунку розвитку струменю в зношуючому потоці була використана при створенні системи живлення дизельних двигунів ЯМЗ-236 та ЯМЗ-238, які працюють на суміші газ-дизельне паливо (Військовий інститут керівного інженерного складу НАО, м.Київ, Україна) та при розробці лінії випарювання табачного екстракту на підприємстві компанії “Japan Tobacco International” - “J.T.I.-Елец” (Росія).

Перелік умовних позначень

А- поглинаюча спроможність; а - коефіцієнт турбулентної структури струменю; b – товщина шару змішування; d - діаметр каналу; E_a – енергія активації; f – молярна доля компоненту; І – ентальпія; К - константа рівноваги хімічних реакцій; - константа швидкості реакції; k_p- кількість сопел подачі первинної суміші; L_р,c – довжина потенційного ядра; M - молекулярна маса суміші; - масовий потік; Р – сумарний тиск; р – парціальний тиск компонента; Q - тепловий потік; q – питомий тепловий потік; r - радіус каналу; R – газова стала (кДж/(г-мольК)); R_d – газова стала (барл/(г-мольК)); Т – температура; – відношення швидкостей; w – швидкість; [Х] - концентрація компоненту Х; Y(х) – координата у границі струменю; a- кут між струменем та зношуючим потоком; b - коефіцієнт надлишку повітря;- ефективна довжина проміню; e - випромінююча спроможність газу;- приведена оптична характеристика системи “газ-стінка”; r - густина; s₀ – стала Стефана–Больцмана; t - час; x- рекомендовані значення величини;

Індекси:

conv – конвективний; ex – значення параметру на виході агрегату; f – зношуючий потік; g – газ; ig – спалахування (початок горіння); ins – вставка (поверхня); jet – струмінь; m – максимальне значення параметру; mix – основний потік; n – n-на складова випромінювання; p – первинна суміш; r – рециркуляція; rad – радіаційний; rec – рециркуляційний стакан; s– труба вторинного повітря; surf – поверхня; Т – стосується температури; w – стосується швидкості; t – зовнішня теплообмінна поверхня; S– сума складових.

Основні результати дисертації знайшли відображення в наступних роботах:

1. Сорока Б.С., Пьяных К.Е., Згурский В.А., Апальков А.П. Математическое моделирование горелочных устройств с пониженным выходом NOx// Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2000, №1. - С.69-73.

2. Б.С. Сорока, К.Е. Пьяных, В.А. Згурский, А.П. Апальков. Комбинирование способов снижения образования оксидов азота при горении – основное направление обеспечения экологических нормативов// Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2000, №5. - С.60-70.

3. Сорока Б.С. Пьяных К.Е. Развитие струй в сносящем потоке при сжигании топлива.// Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2001, №2. - С.59-66.

4. Мартиненко М.М., Поляков А.П., Півень С.О., П’яних К.Є. Дослідження змішування повітря та газу у впускному колекторі газодизеля/ Автошляховик України. Вісник північного наукового центру транспортної академії України.- 2002, №5. - С.42-44.

5. Soroka B., Kuminsky V., Pyanykh K., Pivovarov M., Sygan D., Roberts M. Numerical Mathematical modeling and bench test of two-stage natural gas combustion with combustion products forced internal recirculation/ Paper and article presented at XIV-th Intern Symposium on Combustion Processes/ Czestochowa (Poland), Sept. 26-29, 1995. Proceedings/Polish Ac. of Sciences. -P.46.

6. Сорока Б.С., Карп И.Н., Куминский В.М., Пьяных К.Е., Хинкис М., Сайган Д., Робертс М. Сложный тепломассообмен при сжигании топлива в экологически чистых камерах сгорания// В сб.: Тепломассообмен ММФ-96. III Минский международный форум по тепло- и массообмену. -Минск.- 20-24 мая 1996.-Том II.-С.77-84.

7. Soroka B., Karp I., Kuminsky V., Pyanykh K., Khinkis M., Cygan D., Roberts M. Development of the mathematical model for combustion system's power and ecological optimization//Collection of Materials of International seminar Modeling, Advanced Process Technology, Expert and Control Systems of Heat and Mass Transfer Phenomena. - Ekaterinburg - July 8-10,1996.-P.25-26.

8. Soroka B., Kuminsky V., Pyanykh K., Pivovarov M., Roberts M., Cygan D. Simulation of NO formation in framework of computer code of low-NOx natural gas combustion/ Ibid, P.27-29

9. Б.С.Сорока, Х.Аббаси, М.Робертс, Пьяных К.Е. Влияние конструктивных параметров “low-NOx” горелочных устройств и эксплуатационных режимов на образование оксидов азота при горении природного газа// В сб.: Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики. VII конференция стран СНГ. – Севастополь - июнь 1997 г., стр 26-30.

10. Б.С.Сорока, Х.Аббаси, П.Вурм, В.М.Куминский, Пьяных К.Е. Двухстадийное сжигание природного газа в радиационных трубах при рециркуляции продуктов незавершенного горения/ Там же, С.31-36.

11. Soroka B., Abbasi H., Lisin F., Wurm P., Pyanykh K., Kuminsky V. Numerical Modelimg and the Results Validation of Two-Stage Natural Gas Combustion in The Radiant Equipped with Recirculation Burners// In: ABSTRACTS of the XV Intern. Symposium on Combustion Processes, 8-12 September, 1997, Zakopane, Poland.- 1997.-P.22-23.

12. Soroka B., Karp I., Pyanykh K., Khinkis M., Abbasi H. Low-emission two-stage natural gas combustion in combination with burning products recirculation // Proc. VII Int. Sc. Conference on Combustion and Heat Technics. – Miscolc. – 1998. – P.41-50.

13. Сорока Б.С., Пьяных К.Е., Згурский В.А. Анализ образования NO_x в “low-NO_x” камерах сгорания с оценкой влияния теплообменных процессов//“Дисперсные системы”: XVIII конференция стран СНГ – Одесса.-1998.- С.158-160.

14. Soroka B., Karp I., Pyanykh K., Khinkis M., Abbasi H. Numerical modeling of low-emission natural gas combustion // Proc. Int. Conf. “Turbo 98”. – Bucuresti. – Vol.1.– 1998 – P.177-200.

15. Сорока Б.С., Пьяных К.Е., Згурский В.А., Апальков А.П. Математическое моделирование топочных процессов при комбинировании различных методов снижения образования NO_x// Сб. “Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики”: IХ конференция стран СНГ (Севастополь).- ИПЭ: - Киев. - 1999. С. 1-5

16. B. Soroka, К. Pyanykh, V. Zgursky, M. Khinkis, H. Abbasi, J. Rabovitser. Mathematical modeling of low-emission combustion processes basing upon Monte-Carlo procedures // Proc. of 5^th European conference on industrial furnaces and boilers (11-14 April 2000). – Espinho-Porto (Portugal) – Vol. II. – P. 527-538

17. Сорока Б.С, Пьяных К.Е., Згурский В.А., Хинкис М., Аббаси Х., Рабовицер Д. Теплообменные процессы в низкоэмиссионных по NОx котельных топках в условиях двухступенчатого горения газа и рециркуляции продуктов реакции// Тепломассообмен ММХ-2000. Труды IV минского международного форума по тепломассообмену. – Минск- 2000., C. 436-445

18. B. Soroka, K. Pyanykh, V. Zgurskyy. Reduced methane combustion mechanism and its validation by two-stage low-emission natural gas burning // Proc. of the International conference on physics of low temperature PLASMA PLTP-03, Kiev, Ukraine, May 11-15, 2003. – 3 p. (10-9-81)

19. B. Soroka, V. Zgurskyy, K. Pyanykh. Development of the Monte-Carlo method to predict radiative heat transfer within the boilers and furnaces // In: ABSTRACTS of the 13^th Intern. Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry (THERMO) 18-20 June, 2003, Budapest, Hungary. – Budapest: MATE TE and TGM. - 2003. – P.69-78.

20. Сорока Б.С, Згурский В.А., Пьяных К.Е. Математическое моделирование нагревательных печей и топок котлов, работающих на природном газе// Сб. “Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики”: ХІІІ конференция стран СНГ (Севастополь).- ИПЭ: - Киев. - 2003. С. 51-55

Публікації автора:

1. Сорока Б.С., Пьяных К.Е., Згурский В.А., Апальков А.П. Математическое моделирование горелочных устройств с пониженным выходом NOx// Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2000, №1. - С.69-73.

2. Б.С. Сорока, К.Е. Пьяных, В.А. Згурский, А.П. Апальков. Комбинирование способов снижения образования оксидов азота при горении – основное направление обеспечения экологических нормативов// Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2000, №5. - С.60-70.

3. Сорока Б.С. Пьяных К.Е. Развитие струй в сносящем потоке при сжигании топлива.// Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2001, №2. - С.59-66.

4. Мартиненко М.М., Поляков А.П., Півень С.О., П’яних К.Є. Дослідження змішування повітря та газу у впускному колекторі газодизеля/ Автошляховик України. Вісник північного наукового центру транспортної академії України.- 2002, №5. - С.42-44.

5. Soroka B., Kuminsky V., Pyanykh K., Pivovarov M., Sygan D., Roberts M. Numerical Mathematical modeling and bench test of two-stage natural gas combustion with combustion products forced internal recirculation/ Paper and article presented at XIV-th Intern Symposium on Combustion Processes/ Czestochowa (Poland), Sept. 26-29, 1995. Proceedings/Polish Ac. of Sciences. -P.46.

6. Сорока Б.С., Карп И.Н., Куминский В.М., Пьяных К.Е., Хинкис М., Сайган Д., Робертс М. Сложный тепломассообмен при сжигании топлива в экологически чистых камерах сгорания// В сб.: Тепломассообмен ММФ-96. III Минский международный форум по тепло- и массообмену. -Минск.- 20-24 мая 1996.-Том II.-С.77-84.

7. Soroka B., Karp I., Kuminsky V., Pyanykh K., Khinkis M., Cygan D., Roberts M. Development of the mathematical model for combustion system's power and ecological optimization//Collection of Materials of International seminar Modeling, Advanced Process Technology, Expert and Control Systems of Heat and Mass Transfer Phenomena. - Ekaterinburg - July 8-10,1996.-P.25-26.

8. Soroka B., Kuminsky V., Pyanykh K., Pivovarov M., Roberts M., Cygan D. Simulation of NO formation in framework of computer code of low-NOx natural gas combustion/ Ibid, P.27-29

9. Б.С.Сорока, Х.Аббаси, М.Робертс, Пьяных К.Е. Влияние конструктивных параметров “low-NOx” горелочных устройств и эксплуатационных режимов на образование оксидов азота при горении природного газа// В сб.: Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики. VII конференция стран СНГ. – Севастополь - июнь 1997 г., стр 26-30.

10. Б.С.Сорока, Х.Аббаси, П.Вурм, В.М.Куминский, Пьяных К.Е. Двухстадийное сжигание природного газа в радиационных трубах при рециркуляции продуктов незавершенного горения/ Там же, С.31-36.

11. Soroka B., Abbasi H., Lisin F., Wurm P., Pyanykh K., Kuminsky V. Numerical Modelimg and the Results Validation of Two-Stage Natural Gas Combustion in The Radiant Equipped with Recirculation Burners// In: ABSTRACTS of the XV Intern. Symposium on Combustion Processes, 8-12 September, 1997, Zakopane, Poland.- 1997.-P.22-23.

12. Soroka B., Karp I., Pyanykh K., Khinkis M., Abbasi H. Low-emission two-stage natural gas combustion in combination with burning products recirculation // Proc. VII Int. Sc. Conference on Combustion and Heat Technics. – Miscolc. – 1998. – P.41-50.

13. Сорока Б.С., Пьяных К.Е., Згурский В.А. Анализ образования NO_x в “low-NO_x” камерах сгорания с оценкой влияния теплообменных процессов//“Дисперсные системы”: XVIII конференция стран СНГ – Одесса.-1998.- С.158-160.

14. Soroka B., Karp I., Pyanykh K., Khinkis M., Abbasi H. Numerical modeling of low-emission natural gas combustion // Proc. Int. Conf. “Turbo 98”. – Bucuresti. – Vol.1.– 1998 – P.177-200.

15. Сорока Б.С., Пьяных К.Е., Згурский В.А., Апальков А.П. Математическое моделирование топочных процессов при комбинировании различных методов снижения образования NO_x// Сб. “Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики”: IХ конференция стран СНГ (Севастополь).- ИПЭ: - Киев. - 1999. С. 1-5

16. B. Soroka, К. Pyanykh, V. Zgursky, M. Khinkis, H. Abbasi, J. Rabovitser. Mathematical modeling of low-emission combustion processes basing upon Monte-Carlo procedures // Proc. of 5^th European conference on industrial furnaces and boilers (11-14 April 2000). – Espinho-Porto (Portugal) – Vol. II. – P. 527-538

17. Сорока Б.С, Пьяных К.Е., Згурский В.А., Хинкис М., Аббаси Х., Рабовицер Д. Теплообменные процессы в низкоэмиссионных по NОx котельных топках в условиях двухступенчатого горения газа и рециркуляции продуктов реакции// Тепломассообмен ММХ-2000. Труды IV минского международного форума по тепломассообмену. – Минск- 2000., C. 436-445

18. B. Soroka, K. Pyanykh, V. Zgurskyy. Reduced methane combustion mechanism and its validation by two-stage low-emission natural gas burning // Proc. of the International conference on physics of low temperature PLASMA PLTP-03, Kiev, Ukraine, May 11-15, 2003. – 3 p. (10-9-81)

19. B. Soroka, V. Zgurskyy, K. Pyanykh. Development of the Monte-Carlo method to predict radiative heat transfer within the boilers and furnaces // In: ABSTRACTS of the 13^th Intern. Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry (THERMO) 18-20 June, 2003, Budapest, Hungary. – Budapest: MATE TE and TGM. - 2003. – P.69-78.

20. Сорока Б.С, Згурский В.А., Пьяных К.Е. Математическое моделирование нагревательных печей и топок котлов, работающих на природном газе// Сб. “Проблемы экологии и эксплуатации объектов энергетики”: ХІІІ конференция стран СНГ (Севастополь).- ИПЭ: - Киев. - 2003. С. 51-55