Porovnání výsledků numerické analýzy programem FLUENT s měřením emisí NOx pro granulační kotel K11

Transkript

1 Porovnání výsledků numerické analýzy programem FLUENT s měřením emisí NOx pro granulační kotel K11 Pavel STŘASÁK 14 Techsoft Engineering, s.r.o., Praha Josef PRŮŠA 15 Invelt Servis,s.r.o., Praha Popis a cíl prováděných analýz Cílem numerické simulace bylo optimalizovat parametry kotle tak, aby při dodržení výkonových parametrů kotle došlo ke snížení množství produkovaných emisí NOx, pro výpočet byl použit komerční CFD systém FLUENT od společnosti Fluent Inc, který byl proveden společností TechSoft Eng., s.r.o., Praha. Varianta, která vykazovala nejnižší emise NOx, byla realizována na granulačním kotli ČKD 150 t/h - K11 v Teplárně České Budějovice společností Invelt Servis,s.r.o. Praha. Ověřovací měření byla provedena autorizovanou laboratoří měření emisí společnosti INPEK s.r.o., Praha. Zadání úlohy Numerická analýza kotle zahrnovala výpočet proudění, spalování a vzniku emisí NOx v granulačním kotli. Řešení bylo rozděleno na dvě části - výpočet hořáků a kotle. Napočtené rychlostní profily na výstupu z hořáků byly použity jako vstupní profily pro navazující výpočet kotle. Výsledkem výpočtu je kompletní rychlostní, teplotní a koncentrační pole uvnitř a na stěnách spalovací komory, integrální veličiny, tepelné ztráty, apod. Stručný popis použitých simulačních programů Pro řešení výpočet proudění v hořácích a spalování v kotli byly použity programy firmy Fluent Inc. (USA). Pro vytvoření modelu a vygenerování výpočetní sítě byl použit program GAMBIT. Pro provedení výpočtu a zpracování výsledků byl použit program FLUENT 6. Program GAMBIT je moderní objemový modelář pro tvorbu geometrie a generovaní výpočetní sítě. Geometrický 3D model hořáků a kotle byl vytvořen podle předané výkresové dokumentace v tomto modeláři. Program FLUENT 6 je moderní nestrukturovaný kód založený na metodě konečných objemů (FVM) s řešením rovnic Navier-Stokesových, kontinuity, energetické a turbulence, zachování složek a dalších. Umožňuje využití plně nestrukturovaných sítí (trojúhelníků a obdélníků ve 2D, resp. čtyřstěnů, pětistěnů a šestistěnů ve 3D a jejich kombinací tzv. hybridních sítí). Fluent řeší laminární i turbulentní proudění, chemické reakce, vícefázové proudění pro stacionární i nestacionární stavy v geometricky složitých úlohách. Velkou výhodou vedle používání hybridních sítí je možnost adaptivního zjemnění nebo zředění sítě podle libovolné počítané proměnné. Celý výpočetní algoritmus je doplněn multigridním řešičem urychlujícím konvergenci řešení. Program FLUENT se používá především v energetice, klimatizaci, větrání, technice životního prostředí, letectví, automobilovém průmyslu, turbinářství, v procesním inženýrství, atd. Výsledkem výpočtů jsou rychlostní, tlaková a teplotní pole, tlakové ztráty, součinitele přestupů tepla, koncentrace chemických složek při řešení spalování, apod. Popis kotle Kotel je osazen primárními a terciálními hořáky. Terciální hořáky jsou jednoduché, tvořeny kruhovou trubkou přivádějící vzduch nad primární hořáky, proto nebyly modelovány, ale zadávány až na vlastním kotli. 14 Ing. Pavel STŘASÁK, Ph.D., Techsoft Engineering, s. r. o., Táborská 31, Praha 4 strasak@techsoft-eng.cz 15 Ing. Josef PRŮŠA, Invelt Servis, s.r.o., V Nové Hostivaři 14/229, Praha 10 ins-praha@volny.cz -71-

2 Primárními hořáky je osazena přední a zadní strana, vždy čtveřice hořáků na jedné straně. Výpočetní oblast primárního hořáku zahrnovala přívod primárního vzduchu (axiální vstup), sekundárního vzduchu (obvodový vstup) a brýdových par s práškovým uhlím (střední vstup, obr.1. Na vstupu primárního a sekundárního vzduchu byl zadán průtok a teplota vzduchu. Na vstupu pro přívod brýdových par spolu s práškovým uhlím byly zadány hmotnostní tok, teplota a složení par, dále množství, složení a granulometrie uhlí. Sdílení tepla u hořáků nebylo nutné počítat, protože vzhledem k rychlosti proudění bude předané teplo mezi proudem teplejšího vzduchu a proudem chladnější směsi brýdových par a vzduchu zanedbatelné. Obdobně je možné zanedbat přestup tepla mezi jednotlivými hořákovými vstupy. Střední vstup Obvodový vstup Axiální vstup Obr.1 - Schématické znázornění uspořádání hořáků s primárním a sekundárním vzduchem Celkem bylo řešeno 5 různých variant hořáků, které se lišily geometrickými změnami a operačními parametry. Cílem změn bylo upravit dělení primárního a sekundárního vzduchu a charakter výstupního rychlostního profilu, aby byl ovlivněn průběh spalování v kotli. Model kotle je tvořen prvním a sekundárním tahem. Hořáky na přední a zadní straně modelována jsou přesazeny, takže bylo nutné modelovat celý kotel. Deskové výměníky ve vrchní části kotle vzhledem k rozsáhlosti úlohy nebyly modelovány. Uspořádaní kotle je znázorněno na obr.2. Nad čtveřicí primárních hořáků je rozmístěna vodorovná řada terciálních hořáků. Spodní část komory je ukončena nosy, ve kterých je zaústěn odtah spalin do mlýnů. Odtah spalin do mlýna Terciální hořáky II. Tah kotle Hořáky se třemi vstupy - dva vzduchové a jeden vzduchový s práškovým uhlím Obr.2 - Schématické znázornění uspořádání kotle s hořákovými vstupy -72-

3 Celkem byly řešeny 4 varianty kotle, které se lišily použitými hořáky a výkonovými parametry 150 a 170 t/hod: - K150 - původní varianta, kotel s výkonem 150 t/h, bez terciálních hořáků. - K170 - původní varianta, kotel s výkonem 170 t/h s terciálními hořáky. - K170kssv - upravené hořáky-varianta H170kssv, výkon kotle 170 t/h s terciálními hořáky. - K170h - upravené hořáky-varianta H170, změna v roztečích a výšce, pootočení hořáků způsobené změnou v uspořádání přívodů, výkon kotle 170 t/h s terciálními hořáky. Provozní stav je určen množstvím, složením a teplotou vstupujícího vzduchu, plynů a uhelného prášku. Optimalizační výpočty byly provedeny pouze pro zvýšený výkon 170 t/h, výkon kotle 150 t/hod odpovídal stávajícímu stavu. Fyzikální popis Zadání počátečních podmínek, okrajových podmínek, fyzikálních vlastností závisí na zvoleném fyzikálním modelu. Vstupní hodnoty pro výpočet kotle o výkonu 150 t/h a 170 t/h jsou uvedeny v tab.1.1. Jako vstupní okrajové podmínky kotle byly použity výstupní rychlostní profily z hořáku. Teploty, koncentrace a množství vstupujícího uhelného prášku bylo zadáno konstantní po celém průřezu. Na membránových stěnách komory byla zadána teploty, na výstupu z II: tahu hodnota statického tlaku. Parametr 150 t/hod 170 t/hod Celkový průtoku vzduchu do hořáků [Nm 3 /hod] Teplota vzduchu [ C] Poměrný axiální průtok v hořáku šroubovice 12 % 12 % Poměrný obvodový průtok v hořáku spirální skříň 88 % 73 % Poměrný průtok v terciálních hořácích nad hořáky 0 % 15 % Odtahované množství spalin do mlýna [Nm 3 /hod] Teplota brýd z mlýna [ C] Objem. podíl O 2 v brýdách 9 % 9 % Hmotnostní průtok uhlí [kg/hod] Teplota stěn kotle [ C] Tab.1.1 Vstupní parametry Použité fyzikální modely pro hořák i kotel jsou uvedeny v tab.1.2. Fyzikální popis hořáků je jednoduchý - turbulentní proudění. Fyzikální popis kotle je podstatně komplikovanější - turbulentní proudění s chemickými reakcemi a se sdílením tepla konvekcí a radiací. Model Hořák Kotel Geometrie 3D 3D Turbulentní proudění realizable k-ε model realizable k-ε model Hustota ρ(tlak) ρ(teplota) a ρ(koncentrace) Přenos tepla konvekcí, kondukcí Ne Ano Radiace Ne Discrete Ordinates Model Chemické reakce Ne PDF model Operační tlak Pa Pa Tab.1.2 Použité fyzikální modely pro hořák a kotel -73-

4 Zadání paliva Středním vstupem proudí směs vzduchu a spalin. Složení této směsi je uvažováno tak, že k odtahovaným spalinám do mlýna je přimícháván vzduch tak, aby koncentrace O 2 v této směsi byla přibližně 9%. Spalované uhlí je definováno hořlavinou a nespalitelným podílem. Hořlavina je tvořena tuhou a těkavou složkou. Elementární rozbor hořlaviny je uveden v tab.1.3. Uvažovaných chemických složek je 16 a jsou to C, C(s), S, S(s), CO, CO 2, H, H 2, H 2 O, SO 2, N, N 2, O, O 2, OH. Symbolem (s) za značkou prvku je označena tuhá fáze, ostatní složky jsou plynné. Zadání spalitelného podílu a obsahu vody odpovídá uhlí s označením 31E a podílem vody W t r = 40% a obsahem popele A d = 17%. Obsah plynné složky v hořlavině V daf = 51%. Prvek hmot. podíl [-] atomová hmotnost počet molů molární podíl [-] C 0, , H 0, , S 0, , O 0, , N 0, , součet 1 13, Tab.1.3 Elementární rozbor hořlaviny Kotel varianta k170- rozložení teplot a emisí NOx ve vybraných řezech Způsobů a možností zobrazování je velké množství. Pro získání představy o rozložení teplot v kotli o výkonu 170 t/hod je uveden obr.3. Rozložení hmotnostních podílů NOx je uvedeno na následujícím obr.4. Obr.3 - Teplotní pole ve svislých rovinách v 1/4, 1/2 a 3/4 hloubky kotle pro variantu K

5 Obr.4 - Hmotnostní podíly NOx ve svislých rovinách v 1/4, 1/2 a 3/4 hloubky kotle pro variantu K170 Kotel porovnání výsledků řešených variant Parametry na výstupu z II. tahu kotle jsou uvedeny v tab.1.4. Podíl NO [mg/nm 3 ] ve spalinách je přepočten na normální stav suchého plynu a referenční obsah kyslíku 6% ve spalinách. Všechny hodnoty jsou počítány jako střední integrální hodnoty vážené hmotnostním průtokem. Výstupní parametry stechiometr K150 K170 K170kssv K170h Hmot.podíl CO [-] - 4, , , Hmot.podíl CO 2 [-] 0,2082 0,2080 0,2043 0,2156 0,1936 Hmot.podíl H 2 O [-] 0,0476 0,0392 0,0386 0,0405 0,0367 Hmot.podíl SO 2 [-] 0,0009 9, , , , Hmot.podíl O 2 [-] 0,0395 0,0420 0,0449 0,0357 0,0548 Hmot.podíl NO [-] 6, , , , Hmot.podíl HCN [-] 7, , Teplota [K] Průtok [kg/s] 79,9 88,46 86,6 84,4 Rychlost [m/s] 16,3 18,4 18,9 15,1 Podíl NO [mg/nm 3 ] Tab.1.4 Spočtené výstupní parametry pro řešené všechny varianty Velká výhoda numerických simulací je možnost provedení velkého počtu optimalizačních variant, atˇ hořáků nebo i kotle, které umožňují posoudit vliv měněných parametrů na sledované výsledné proměnné. Z výsledků uvedených v tab.1.4 je zřejmé, nejvyšší množství produkovaných emisí vykazuje původní stav varianta K150, tedy varianta s nejnižším výkonem 150 t/hod. -75-

6 Optimalizace hořáků spočívala v přerozdělování primárního a sekundárního vzduchu a ve změnách tvaru rychlostního profilu na výstupu z hořáků. U takto fyzikálně komplikovaných úloh je důležité ověřování měřením, nejlépe na skutečném díle. Porovnávání s měřením je důležité pro ověřování správnosti zvolených modelů a jejich konstant. Porovnání s měřením jsou uvedena v tab.1.5. Velmi dobrých výsledků numerické simulace je dosaženo při výpočtu emisí NOx. Méně přesných výsledků je dosaženo při predikci podílu CO, to je způsobeno zadáním chemické reakce pro spalování CO, protože mechanismus rozkladu byl zadán nejjednodušším způsobem. Výstupní parametry K150 měření K170 měření garantováno Podíl CO [mg/nm 3 ] 40, , Podíl NO [mg/nm 3 ] Tab.1.5 Porovnání výsledků z numerické simulace s měřením na díle Seznam literatury [1] Anderson D.J.: Fundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill, 1986 [2] Patankar, S.V.: Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere Publ. Corp. Washington, 1980 [3] Rédr M., Příhoda M. : Základy tepelné techniky. SNTL, Praha 1991 [4] Šesták J., Bukovský J., Houška M.: Tepelné pochody. Transportní a termodynamická data. Ediční středisko ČVUT, Praha 1986 [5] Šesták J., Žitný R. : Tepelné pochody II. Ediční středisko ČVUT, Praha, 1997 [6] User s Guide for FLUENT 6, Volume 1-4. Fluent Inc., Lebanon 2001 [8] Střasák P., Tuček A.: Komplexní výpočetní analýza práškového kotle. [9] Technická zpráva pro Invelt Servis s.r.o., Praha,