CFD MODEL SNCR TECHNOLOGIE

CFD MODEL SNCR TECHNOLOGIE Ing., Ph.D, Tomáš, BLEJCHAŘ, VŠB-TU OSTRAVA, tomas.blechar@vsb.cz Bc., Jří, PECHÁČEK, ORGREZ a.s., r.pechacek@orgrez.cz Ing., Rostslav, MALÝ, ORGREZ a.s., rostslav.maly@orgrez.cz Annotaton The paper deals wth numercal smulaton of pulverzed coal combuston n boler and numercal smulaton of SNCR technology respectvely. Expermental measurement was used to defnton of boundary condtons and as solver the commercal CFD code CFX was used. The results of smulatons were compared wth process measurng and tral test of SNCR. Degrease of NO x emsson was evaluated n the process of SNCR technology. Anotace Článek e zaměřen na numercké modelování procesu spalování přáškového uhlí ve spalovací komoře a následné smulac SNCR technologe. Okraové podmínky smulací byly defnovány pomocí expermentálního měření a pro řešení byl použt komerční program CFX. Výsledky smulací byly porovnány s provozním měřením a nástřkovým testem SNCR. Vyhodnocení spočívalo v ohodnocení poklesu emsí NOx př provozu SNCR. Úvod Na základě budoucích platných legslatvních lmtů pro emse oxdů dusíku NO x e v současnost naléhavá otázka ech snžování. Exstuí dvě základní možnost snžování emsí 1) Prmární opatření 2) Sekundární opatření. Prmární opatření spočívá zamezení vznku NO x během procesu hoření. Jedná se např. o nízkoemsní hořáky. Prmární opatření byla vyvnuta k redukc tvorby NO x v kotl, zatímco sekundární opatření sou koncovým technkam snžování emsí NO x. Sekundární opatření tedy spočívá v chemckém odstranění - NO x ze spaln. Všechny sekundární metody sou založeny na reakc ontů NH 2 s NO za vznku molekulárního dusíku N 2 a vody H 2 O. Exstue několk modfkací této základní metody. My se zde budeme zabývat technologí s obchodním názvem NOxOut, která snžue emse NO x prostřednctvím selektvní nekatalytcké redukce SNCR (Select Non-Catalytc Reducton), a spočívá ve vstřkování roztoku močovny (NH 2 ) 2 CO do teplotního okna 800-1100 C. Samotná úloha se zabývá matematckým modelováním spalování uhlí v kotl za účelem stanovení teplotních polí, která sou důležtá pro stanovení teplotního okna pro vstřkování roztoku močovny. Dále byla detalně modelována horní část kotle, kde byly navrženy místa pro vstřkování močovny a ověření návrhu umístění vstřkovacích míst v kotl. Matematcký model proudění skutečné tekutny Základní rovnce popsuící lamnární turbulentní režm proudění tekutn představuí aplkac základních fyzkálních zákonů. Př popsu proudění e použt zákon zachování hybnost, zákon hmoty, a energe. Zákon zachování hmoty reprezentue rovnce kontnuty, zákon zachování hybnost reprezentuí Naver-Stokesovy rovnce a zákon zachování energe rovnce pro statckou entalp. V případě nestaconárního nestlačtelného nezotermního proudění maí následuící tvar [1], [2], [3]: Rovnce 1:Rovnce kontnuty 1

ρ + t ( ρ v ) = 0 Rovnce 2: Rovnce Naver-Stokesova ( ρ v ) ( ρ v v ) + = t p = + v η + ρ δ 3 g + ρ f c ε 3 v + ρ f Rovnce 3: Rovnce energe t [ ρh ] + [ u ρh ] 0 0 p = + ρu t f + ( τ u ) l l + T λ x kde: v sou složky rychlost, p e tlak, x souřadnce, η e dynamcká vskozta, ρ e hustota a h 0 e celkové entalpe. Pro smulac byl použt, vzhledem velkost Re-čísla, klascký model dvourovncový model k-ε. Zahrnutí chemckých reakcí do CFD smulací Chemcké reakce sou založeny na Arrhenově rovnc, která popsue rychlost chemckých reakcí. Rovnce 4: Arrhenova rovnce k = A e E RT T β kde: A e rychlostní součntel, E e aktvační energe reakce, T e absolutní teplota, R unverzální plynová konstanta, n e řád reakce a β e teplotní součntel. Předchozí rovnce nepopsue samotnou chemckou reakc ale defnue rychlostní součntel. Samotná chemcká reakce e defnována prostřednctvím materálů, které do reakce vstupuí (reaktanty) a materálů, které z reakce vystupuí (produkty). Hmotnostní resp. obemové podíly ednotlvých složek v chemcké reakc sou dány prostřednctvím stechometrckých poměrů, které e nutné defnovat u každé chemcké reakce. Model SNCR e založen na dentcké flozof, ale v tomto případě se edná o odpařování tekuté látky z povrchu kapček. V modelu SNCR sou použty následuící chemcké reakce: Termcký rozklad vodného roztoku močovny: (NH 2 ) 2 CO+H 2 O 2NH 3 +CO 2 Redukce NO bez přítomnost O 2 v rozmezí teplot 850-1050 C: 4NH 3 +6NO 5N 2 +6H 2 O Redukce NO za přítomnost O 2 v rozmezí teplot 850-1050 C:4NH 3 +6NO+O 2 4N 2 +6H 2 O Hoření NH 3 nad teplotou 1050 C:4NH 3 +5O 2 4NO+6H 2 O Odpařování vody z kapčky: H 2 O (kapalna) H 2 O (pára) Všechny chemcké reakce sou na sobě nezávslé, a probíhaí až př dosažení určté aktvační energe (dodání tepla). V modelu e tedy možné sledovat hmotnostní koncentrace všech 2

reaguících plynných látek, tedy: O 2, N 2, CO 2, NH 3, NO H 2 O. Dále e možné sledovat průběh odpařování, t. zmenšování částce a eí traektor. Pops kotle Na základě předané výkresové dokumentace byl v modulu DesgnModeler vytvořen parametrcký model kotle. Spalovací komora e tvořena čtyřm stěnam výparníku, které sou membránového provedení. Spalovací komora e zavěšena na stropě nosné konstrukce kotle a dlatue směrem dolů. Kotel e vybaven čtyřm práškovým štěrbnovým hořáky, které sou umístěny v rozích spalovací komory nad podlažím + 8,0 m a sou tangencálně nasměrovány na pomyslnou kružnc uprostřed spalovací komory o průměru 900 mm. Do vzduchových dyšen každého hořáku e přváděn horký spalovací vzduch (382 C), který se dá seřídt vhodným nastavením klapek ovládaných buďto ručně, nebo automatckou regulací. Do každého hořáku e přváděn uhelný prášek práškovody ze dvou tlukadlových mlýnů. Řešené úlohy Vzhledem ke složtost úlohy byl proveden výpočet ve dvou krocích. Neprve byl zpracován model spalování v celé spalovací komoře až k teplosměnným plochám druhého tahu vz Obrázek 1, a to pro menovtý výkon 60, 80, 100%. Následně byl zpracován model SNCR technologe pouze v horní část kotle v okolí šotových přehříváků vz Obrázek 1. Model technologe byl zpracován pro výkon 80, 100 % a dvě varanty rozmístění trysek pro každý výkon. Geometre kotle pro model spalování Geometre pro model SNCR technologe Obrázek 1.:Zobrazení výpočtové oblast Okraové podmínky Veškeré nastavení bylo provedeno na základě provedeného fyzkálního měření, a nebo na základě předaných provozních nformací, které byly zaznamenány ze systému během měření. Analyzováno bylo také uhlí, a to kvůl chemckému složení, které musí být nutně defnováno v matematckém modelu. 3

Výsledky tohoto modelu spalování sloužly ako zdro nformací pro detalní model SNCR technologe. Ve vodorovné rovně + 16,8 m byl zapsán profl rychlost, teploty a koncentrace CO 2, NO x, H 2 O, O 2. Tento profl (pro každý výkon) byl načten do detalního modelu SNCR na vstupu. Tím se odstraní část spalovací komory, v níž není vstřkována močovna a není nutné tuto část spalovací komory řešt. Výsledky V prvním kroku byl sestaven matematcký model pro celý kotel. V modelu bylo zahrnuto spalování uhlí a produkce NOx. Model byl odladěn pro výkon 100%, kde chyba tvorby NO x byla mnmální. Pro výkon 80 a 60 % byl proveden výpočet se steným nastavením, změněny byly pouze toky palva a vzduchu dle ednotlvých výkonů. Výsledkem těchto výpočtů e vyobrazení teplotního, rychlostního pole a pole koncentrací CO 2, NO, O 2, vz. Obrázek 2 a Obrázek 3. Výkon 100% Výkon 80% Obrázek 2. Teplotní pole v kotl př výkonu 100% 4

Obrázek 3. Koncentrace O 2 v kotl př výkonu 100% Výsledky CFD modelu byly srovnávány s výsledky měření a na základě tohoto srovnání byla vypočtena relatvní chyba. Srovnání e provedeno ve výškové hladně +16,8m. Výsledná chyba dosahue max. cca 10 % vz Tabulka 1 a vzhledem z relatvní nestotě některých parametrů lze považovat výpočet za dostatečně přesný. Tabulka 1: Srovnání výsledku CFD modelu s výsledky měření Výkon Výkon CFD model Měření Relatvní chyba [%] 100 325 327-0.61 80 305 280 +8.92 NO [mg.m N -3 ] Průměrná teplota [ C] Výkon 100% Výkon 80% 60 479 538 +10.96 100 920,67 1086,11-15.23% 80 804,87 1002,44-19,70% + 16,7 m 60 719.06 934,44-23,04% Výsledky tohoto modelu pak sloužly ako vstupní data pro detalní model v okolí nosu a šotových přehříváku, kde byly navrženy otvory pro vstřkování močovny.detalní model byl zpracován obdobným způsobem ako model celého kotle. Pouze byla odstraněna oblast kotle pod výškovou úroveň + 15 m. Do modelu byla také zahrnuta korekce teploty. Teplota byla korgována pro ednotlvé výkony na základě provedeného měření, tak aby na výškové úrovn + 16,8 m byla průměrná teplota měřená a průměrná teplota v modelu téměř shodná. Chyba se pohybovala v rozmezí ±1%. Tento model tedy mnohem lépe řeší teplotní pole. Umístění trysek bylo navrženo na základě provedeného měření, a př návrhu se také vycházelo z výsledků CFD modelu. Trysky sou navrženy na základě měření tak, aby co nelépe zasahovaly do teplotního okna 850-1050 C, současně byl tento návrh také potvrzen 5

výsledky CFD modelu. Umístění trysek není zcela optmální. Je to dáno především konstrukcí kotle a omezením, která sou na straně šotového přehříváku a ústí dýz tercálního horního vzduchu.vzhledem k posunu teplotního okna 950-1050 C byly navrženy prostupy ve dvou výškových úrovních. Močovna tedy bude vstřkována spalovací komory na měření teploty ve spalovací komoře. Výsledky modelu SNCR sou přehledně seřazeny v Tabulka 2. Výkon Varanta 100% 80% Tabulka 2: Odhad účnnost SNCR technologe Koncentrace Koncentrace NO NO x x s SNCR bez SNCR [mg.m N -3 ], 6% O 2, t=0 C % Účnnost snížení NO x Skluz NH 3 [mg.m N -3 ], 6% O 2, t=0 C 1 325 143 56 8.8 2 325 210 35 75 1 305 122 60 12 2 305 106 65 95 Z výsledků e zřemé výrazné snížení koncentrace NO x dochází ve všech případech. Další důležtým srovnávacím krtérem e skluz NH 3. Jedná se o čpavek, který nesthl zreagovat s NO a dostal se mmo teplotní okno. Z výsledků tedy vyplývá následuící závěr: u varanty č2 pro výkon 100% e močovna vstřkována do nevhodného místa. U varanty č2 pro výkon 80% e vstřkováno přílš mnoho močovny, to e dáno zeména nízkou koncentrací NO a vysokým skluzem NH 3. 950 C 1050 C Obrázek 4.: Zobrazení teplotního okna, a traektorí vstřkovaných kapček močovny, výkon 100% 6

950 C 1050 C Obrázek 5.: Zobrazení koncentračního pole NH 3 výkon 100% 950 C 1050 C Obrázek 6. Zobrazení koncentračního pole NO, výkon 100% ZÁVĚR Cílem této práce bylo zpracování CFD modelu kotle, který by popsoval s dostatečnou přesností spalovací procesy, a byl tak použtelný pro další následné výpočetní úlohy. Hlavním výsledkem této úlohy byla tedy analýza teplotního pole a ověřením návrhu umístění trysek pro vstřkování močovny. Vytvořený model spalování a SNCR technologe lze považovat za dostatečně přesný, elkož se ednalo u SNCR technologe o první výpočet, bude nutné tento model dále verfkovat na zcela odlšných případech, a pak bude možné považovat tento model za unverzálně platný. 7

Varanta 1 Spodní patro Výkon 100% 1 Spodní patro Výkon 80% 2 Horní patro Výkon 80% Tab. 1. Porovnání výsledků CFD modelu s výsledku expermentu Účnnost Bez SNCR s SNCR Skluz NH snížení NO 3 x Koncentrace NO [mg.m -3 [mg.m -3 % N ], 6% O 2, N ], 6% O 2, t=0 C t=0 C CFD 325 143 56 9 Test 376 136 63 neměřen CFD 305 122 60 12 Test 324 136 58 neměřen CFD 305 106 62 95 Test 338 125 63 neměřen LITERATURA [1] Kozubková, M., Drábková, S.: Numercké modelování proudění. [Onlne]. c2003. Ostrava: VŠB TUO, 116 s, poslední revze 6.1.2005, [ct. 2006-08-14]. Dostupné z: <URL: http://www.338.vsb.cz/seznam.htm>. [2] Ansys Inc. CFX 11.0 ANSYS CFX, Release 11.0: [3] Janalík, J., Šťáva, P.: Mechanka tekutn. [Onlne]. c2002. Ostrava: VŠB TUO, 126 s, poslední revze 10.8.2006 [ct. 2006-08-14]. Dostupné z: <URL: http://www.338.vsb.cz/seznam.htm>. 8