哈萨克斯坦低品位煤燃烧过程的数学模型与优化方法

© 2014年12月。斯堪的纳维亚S. Bolegenova，V. Bekmukhamet，1999别克塔耶娃山加比托娃由爱思唯尔公司出版信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectIERI Procedia 10（2014）252 - 2582014未来信息工程哈萨克斯坦共和国Zulliya Zulskarova1，Saltanat Bolegenova1，Valeryi Zulskimov2，AidynBekmukhamet3，Zarina Gabitova3，Zuleruyert Beketayeva3，*1Dr.物理-数学科学，哈萨克斯坦阿拉木图al-Farabi哈萨克国立大学教授，2 PhD，哈萨克斯坦3，* 通讯作者，哈萨克斯坦阿拉木图al-Farabi哈萨克国立大学博士生摘要固体燃料作为人类文明的主要燃料来源，在人类社会的发展中起着重要的作用.使用低等级（灰分含量~ 40-45%）煤可以部分抵消环境问题，燃烧时也会影响人体健康。由于主要工业公司使用煤炭，特别是来自Ekibastuz煤盆地的低品位高灰分煤炭，因为其成本低廉，阿拉木图等特大城市的大气受到有毒挥发物的污染。本文建立了阿克苏什卡亚热电厂SB-39燃烧室湍流传热传质过程的数学模型，用以控制挥发分浓度，并提出燃烧过程的优化方法。基于三维计算机模拟，研究了劣质煤燃烧过程中有害粉尘和气体的形成，并提出了经济有效的燃烧方法。© 2014作者。由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：空气过剩，煤，燃烧，浓度，排放，环境问题，低品位，建模，数值模拟，过程。1. 正文目前在哈萨克斯坦，大约85%的电力是由火力发电厂（TPP）产生的，这是主要的燃料是煤炭。在这些TPP中燃烧的煤的80%以上是约50%的低等级灰分含量。燃烧2212-6678 © 2014作者由爱思唯尔公司出版 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。信息工程研究所负责的选择和同行评审Aliya Askarova等人/ IERI Procedia 10（2014）252253命名法SB-39蒸汽锅炉TPP热电厂SNCR选择性非催化还原MPC最大允许浓度基本运输变量;广义汇率;输运方程中的源项;密度，kg/m3;h焓，J/kg;紊流模型温度，K;阿斯特丽德 图 尔 布紊流粘度，kg/m·s;有 效 粘 度 ， kg/m·s;p压力，Pa;<$单位质量湍动能耗散率，m2/s3;k单位质量湍动能，m2/s3;低等级煤的燃烧困难，机械不燃烧的增长，有害粉尘和气体排放（灰分，碳氧化物，五氧化二钒，氮和硫氧化物，碳氢化合物）的增加。哈萨克斯坦的工业工厂每年向大气中排放超过300万吨，其中85%是43家大型企业。在统一能源系统的各种来源的排放物中，固体占主导地位-35%，二氧化硫-31%，一氧化碳，19%，氮氧化物- 14% [1，Shabanova L. V.，2013年]。1. 特大城市污染物研究大气流域状况是反映城市生态状况的重要指标。阿拉木图的空气污染是一个因气候条件而复杂化的环境问题。城市位于空腔中，通常没有风，雾和地面反演，抑制污染物在空间中的分散。此外，考虑不周的城市发展阻止了空气流在水平方向上的自然运动[2，Nurkeev S.S.，等等，2005年]。根据长期观测KAZHYDROMET，主要污染物包括粉尘（颗粒物），二氧化硫，一氧化碳，氮氧化物和二氧化物，苯酚，甲醛。8个城市的空气污染水平很高：阿拉木图、乌斯凯门、克孜勒奥尔达、奇姆肯特、卡拉甘达、特米尔套、塔拉兹（表1）[3，2014年3月哈萨克斯坦境内的环境状况]。254Aliya Askarova等人/ IERI Procedia 10（2014）252以下信息显示了阿拉木图市的主要污染物及其最大扩散浓度。冬季粉尘浓度的日变化比夏季明显。表1.哈萨克斯坦城市空气污染指数城市空气中最危险的一氧化碳浓度是在傍晚和夜间，甚至有些日子的日平均值也超过MPC好几倍。在夏季，一氧化碳的主要来源（排放锅炉和加热炉）缺失，因此观测浓度低于MPC（平均不超过1.5-2.0 mg/m3）。二氧化氮浓度几乎全年都超过MPC，因为收入排放的主要来源-内燃机并不取决于一年中的时间。在冬季的下午和晚上观察到的最高浓度的日常过程中。苯酚和甲醛的浓度冬季低于夏季，且有相似的过程，下午最低。与上述观测到的相应MPC夏、冬季平均值比较。在夏天的时候甲醛的浓度往往超过MPC几倍，因为高温有助于有机物的分解过程，而他的主要收入来源在大气中。湿法冶金的地形条件和特定的位置阿拉木图有助于有害排放物在空气盆地的积累，因此没有特别的措施，以减少有害排放物的环境状况不会得到改善。电力系统与环境相互作用的问题是非常多方面的，处于科学思想的前沿，需要特别关注[4，Askarova A.S.，等等，2013]，[5，Askarova A.S.，等等，2012年]。在减少人类活动对环境的影响方面，人们对能源的极大兴趣是研究和开发新的工艺并改进现有工艺，以改进低级固体燃料，从而减少污染物向大气中的排放，同时改进能源综合体的基本指标。燃烧流动传热传质过程数学模拟方法的发展导致了各种面向软件包的出现，这些软件包或多或少地成功地解决了基本问题并得到了应用。进行物理数学和化学模型和计算实验，以确定阿克苏TPP SB-39燃烧室整个体积中的空气动力学，热特性和挥发物浓度场。结果将开发一个模型来描述在哈萨克斯坦TPP的热脱氮的基础上，在燃烧环境中的氮氧化物的选择性非催化还原的过程。确定了氮氧化物选择性非催化还原（SNCR）最有效的温度范围和最有利的初始参数。阿克苏TPP SB-39燃烧室燃烧Ekibastuz煤的“清洁”技术是利用选择性非催化还原环境中的氮氧化物排放而开发的。Aliya Askarova等人/ IERI Procedia 10（2014）252255我的2. 学习的数学和物理公式这一环境问题可以通过新的信息技术和反应介质过程数学模拟的现代软件产品来解决。在这方面，数值实验正在成为详细分析和理解燃烧室中发生的复杂物理和化学现象的最经济和最方便的方法之一。利用信息技术的最新进展，对热力工程和热力工程中的过程进行建模，可以对真实TPP上人造气体中有害物质的形成进行分析研究。这个问题的数学模型是基于质量、动量和能量守恒定律。为了描述真实几何区域中反应流的三维运动，使用了微分方程系统[6，Lawn C.J.，1987年]：质量平衡方程和连续性方程： u（一）阿夫拉克斯i动量守恒定律u u up中国（2）拉吉吉xj我jxi、jxj式中，fi  qrespp吉乌河hx 胡鲁吉XJuix吉什（3）第一个条件其中：h本文的研究对象-锅炉SB-39块的燃烧室，以300 MW的蒸汽容量-475 t/h。安装在阿克苏热电厂的锅炉（哈萨克斯坦）。燃烧室配有12个三通涡流燃烧器。燃烧器以两层相对布置，每层6个燃烧器。燃烧器有两种尺寸，允许不同的过量空气率：下层燃烧器=1.4，最高层为0.9。燃料均匀地分布在各层上。在大多数能源设施中用作原材料的Ekibastuz煤的组成：Wp2. 数值模拟以SB-39锅炉为例，计算机模拟的结果使我们能够估计涡旋燃烧室中二氧化碳形成的基本规律。图1显示了实际燃烧室中燃烧器区域内二氧化碳浓度的三维分布。可以看出，二氧化碳CO2的最快速形成发生在与入口的距离增加的情况下，即，我我我我J我256Aliya Askarova等人/ IERI Procedia 10（2014）252在燃料和氧化剂从相对燃烧器喷射的碰撞中。色标允许确定在燃烧室中的任何点和在它的输出处的CO2a）、b）、Fig. 1. SB-39燃烧器燃烧室内CO2三维浓度分布（a）-下层;（b）-上层本文在Mitchell和Tarbell NO生成动力学模型的基础上，对阿克苏热电厂SB-39锅炉燃烧室内主要组分（HCN、NH3和NO）的生成和破坏规律进行了计算实验。数值模拟结果以燃烧室不同区域含氮组分的三维浓度分布的形式呈现。图2（a，b，c）以氨NH3（a）、氢氰酸HCN（b）和氮氧化物NO（c）浓度三维分布的形式表示了参与氮氧化物形成的含氮组分浓度分布模式。作为具体平面，选取了所研究燃烧室上下两层燃烧器水平的水平面。（a）（b）c）、图二. SB-39型锅炉燃烧室内燃烧器下部区域（a）-NH3;（b）- HCN;（c）- NO浓度分布Aliya Askarova等人/ IERI Procedia 10（2014）252257煤在燃烧过程中，燃料中的氮主要分布在挥发分和焦炭之间.由焦炭产生的氮氧化物的份额相对较小，约为20%。浓度分布分析表明，燃烧器是含氮气体生成的主要区域，也是直接生成NO的区域。单元内过量空气系数在NOx生成机理中起着重要作用。对于所有组分，在火炬的根部观察到它们出现的相对高的水平，即在燃烧器的区域中，因此在燃料和氧化剂的区域中具有最大浓度。当你把混合气移到燃烧室的出口时，它们的浓度会降低。图3显示了SB-39阿克苏TPP锅炉燃烧室出口处氮化合物（HCN、NH3图3.第三章。阿克苏TPP SB-39燃烧室出口氮化合物浓度分布3. 结论基于三维计算机模拟方法，研究了固体能源燃料燃烧过程中真实几何场（燃烧室TPP）内复杂的传热传质过程。在哈萨克斯坦共和国的实际能源对象（阿克苏TPP锅炉SB-39的燃烧室）上燃烧高灰分低级燃料（Ekibastuz煤）时，形成有害粉尘和碳氧化物（CO和CO2），氮氧化物NOx（NO和NO2）和氮化合物（HCN和NH3）的气体排放的主要特征和特征，这将有助于改进工艺流程，并找到可靠的燃烧参数。引用[1] Shabanova L.V.，Dzussupov Kachestvo vozduha - indicator «zelenoi economiki».在线：http://www.group-global.org/ru/publication/view/8460[2] Nurkeev S.S.，Musina U.Sh.生态学2005年。(inruss.）[3] 2014年3月哈萨克斯坦境内的环境状况。在线：http://kazhydromet.kz/ru/about_oksreda[4] Askarova A.S.，Bolegenova S.A.，Maximov V.Yu.，Bekmukhamet A.，别克塔耶娃体育场阿拉木图热电联产实际锅炉燃煤的计算研究国际能源杂志2013; 1，7：47-58。258Aliya Askarova等人/ IERI Procedia 10（2014）252[5] Askarova A.S.，F.Jirous，J. Bolegenova，U.S. Maksimov，M.贝克穆恰梅特J.在BKZ-160型阿拉木图热电厂锅炉燃烧室燃烧煤粉时使用“超细空气”技术，以减少排放。Journal Energetika 2012;1（62）：22-29.[6] 劳恩·C·J锅炉燃烧工程原理北京：人民出版社，1987.