Loading...

Numerical Simulation of Reacting Flow in Large Scale Heavy Fuel Oil Fired Furnaces to Control Temperature Field and NOx Emission

Fatin, Ali | 2017

4014 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 50943 (45)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Aerospace Engineering
  6. Advisor(s): Darbandi, Masoud
  7. Abstract:
  8. Heavy fuel oil (HFO) is usually consumed in large scale furnaces, e.g., those of power plants. Experience shows that its combustion produces large amount of NOx emission. In present study, a large scale heavy fuel oil fired furnace is numerically simulated to investigate different possible solutions for NOx reduction. In this regard, a computational framework is firstly designed benefiting from the researches reported previously in literature. The results of this framework are then compared with available measurements to evaluate the accuracy of current designed computational framework. Second, the influences of a number of different controlling parameters are studied carefully to improve the reacting flow characteristics and reduce the pollution emission through a large furnace. The investigated parameters include the swirl of the burner secondary flow, the air distribution between burner’s stages, the size of fuel droplets, and the fuel injection velocity. The effect of these parameters is specially investigated to evaluate the NO emission at the stack exit. The results show that both NO emission and combustion efficiency first decrease and then increase by increasing the swirl effectiveness. On the other hand, it is shown that by increasing the air flow rate through the first stage of burner, there is reduction in NO emission. However, the combustion efficiency shows different scenarios. Indeed, no general comment can be derived for the combustion efficiency. The study of fuel droplet shows that both NO emission and combustion efficiency reduce accordingly by increasing the fuel droplet size. Similarly, the current results show that an increase in fuel injection velocity will reduce both the NO emission and combustion efficiency. Following the performed investigations, we prepare three different adjustments for the proposed burners. Then, the best adjustment is selected among these based on not only the maximum NO reduction but also the minimum combustion efficiency drop. Eventually, the current study shows that the NO emission can be reduced by 225 ppmv (39% reductions) in the best scenario. However, the combustion efficiency drops negligibly under this circumstances
  9. Keywords:
  10. Numerical Simulation ; Combustion ; Heavy Fuel Oil ; Reduction of Nitrogen Oxides ; Large Scale Furnace

 Digital Object List

 Bookmark

  • فصل 1: مقدمه
    • 1-1- مقدمه
    • 1-2- معرفی مکانیزم‏های تولید NOx در سوخت مایع سنگین
      • 1-2-1- NOx حرارتی
      • 1-2-2- NOx سوختی
        • شکل (1-1) شماتیکی از مسیر واکنش برای تولید NO سوختی از HCN [4]
      • 1-2-3- NOx فوری
    • 1-3- اهمیت پژوهش در زمینه کنترل NOx در کوره‏های مقیاس بزرگ با سوخت مایع سنگین
    • 1-4- پیشینه پژوهش
      • 1-4-1- شبیه‏سازی عددی میدان جریان احتراقی در یک کوره مقیاس بزرگ
      • 1-4-2- شبیه‏سازی عددی احتراق سوخت مایع سنگین
    • 1-5- نتیجه‏گیری
    • 1-6- اهداف و نوآوری
    • 1-7- مراحل انجام پژوهش
  • فصل 2: معادلات حاکم
    • 2-1- مقدمه
    • 2-2- معادلات پایه‏ در جریان سیال
    • 2-3- مدل‏سازی آشفتگی
    • 2-4- مدل‏سازی پاشش و حرکت قطرات مایع و تبادل جرم و انرژی
      • 2-4-1- پاشش قطرات سوخت و شکست ثانویه
      • 2-4-2- معادلات حرکت قطره‏ها
      • 2-4-3- مکانیزم انتقال جرم و حرارت بین قطره‏ها و فاز پیوسته
    • 2-5- مدل‏سازی احتراق
      • 2-5-1- مدل احتراقی کسر مخلوط و pdf
        • شکل (2-1) مکان هندسی مقادیر قابل قبول برای متغیرهای بقایی ,-.، ,-. و ,-.
      • 2-5-2- مدل احتراقی ED
      • 2-5-3- مدل احتراقی EDC
    • 2-6- انتقال حرارت تشعشع
    • 2-7- مدل‏سازی تولید NOx
      • 2-7-2- NO حرارتی
      • 2-7-3- NO سوختی
      • 2-7-4- NO فوری
      • 2-7-5- باز-سوزش NO
    • 2-8- مدل‎‏سازی دوده
  • فصل 3: اعتبارسنجی شبیه‏سازی احتراق با اسپری سوخت مایع سنگین
    • 3-1- مقدمه
    • 3-2- اعتبارسنجی شبیه‏سازی اسپری و شکست قطره‏های سوخت
      • 3-2-1- معرفی آزمایش تجربی لیو و ریتز
        • شکل (3-1) شماتیک کلی از تجهیزات آزمایش تجربی لیو و ریتز [42]
          • جدول (3-1) شرایط آزمایش برای حالت‏های 2 و 9 تست پاشش سوخت در جریان عرضی [42]
          • جدول (3-2) خواص فیزیکی سوخت مورد استفاده در آزمایش تجربی لیو و ریتز [42]
      • 3-2-2- مدل‏سازی اسپری آزمایش لیو و ریتز
        • شکل (3-2) میدان حل و شرایط مرزی برای اعتبارسنجی شبیه‏سازی اسپری
        • شکل (3-3) مقایسه مسیر حرکت قطره‏ها برای عدد وبر 36 در پژوهش حاضر و پژوهش‏های سابق
        • شکل (3-4) تغییرات قطر SMD در راستای محور x و مقایسه آن با نتایج ارائه شده در پژوهش‏های سابق برای عدد وبر 36
        • شکل (3-5) مسیر قطره‏ها برای عدد وبر 638 در پژوهش حاضر و مقایسه آن با نتایج ارائه شده در پژوهش‏های سابق
    • 3-3- اعتبارسنجی چارچوب شبیه‏سازی میدان جریان احتراقی چرخشی با سوخت مایع سنگین
      • 3-3-1- معرفی پژوهش ساریو و همکاران
        • شکل (3-6) شکل شماتیک تجهیزات آزمایش در پژوهش ساریو و همکاران [19] الف) کوره، ب) مشعل
          • جدول (3-3) مشخصات سوخت مصرفی در آزمایش ساریو و همکاران [19]
          • جدول (3-4) شرایط کاری کوره در آزمایش ساریو و همکاران [19]
      • 3-3-2- ارائه نتایج شبیه‏سازی احتراق سوخت مایع سنگین و اعتبارسنجی آن
        • شکل (3-7) شبکه باسازمان غیریکنواخت تولید شده برای کوره آزمایش ساریو و همکاران
  • فصل 4: شبیه‏سازی عددی کوره مقیاس بزرگ با احتراق سوخت مایع سنگین
    • 4-1- مقدمه
    • 4-2- معرفی کوره مقياس بزرگ تحت بررسی
      • 4-2-1- معرفی کوره
        • شکل (4-1) شکل شماتیک از کوره تحت بررسی
        • شکل (4-2) چیدمان مشعل‏های کوره در هر ردیف
          • جدول (4-1) مشخصات عملکردی بویلر در شرایط بار حداکثر (MCR) و سوخت مایع سنگین
        • شکل (4-3) چیدمان تمام 24 مشعل بر اساس جهت چرخش هوا با نگاه از داخل کوره، الف) به دیوار جلو، ب) به دیوار عقب
      • 4-2-2- معرفی مشعل
        • شکل (4-4) شکل شماتیک از مشعل تحت شبیه‏سازی
          • جدول (4-2) مشخصات عملکردی مشعل‏های مورد استفاده در کوره در شرایط MCR
          • جدول (4-3) مشخصات سوخت مایع سنگین مصرفی در کوره مقیاس‏بزرگ تحت بررسی
    • 4-3- شبیه‏سازی کوره و مشعل‏های آن
      • 4-3-1- مدل‏سازی و شبکه‏بندی کوره و مشعل‏ها
        • شکل (4-5) مدل سه‌بعدی کوره مقیاس بزرگ تحت شبیه‏سازی
      • 4-3-2- تعیین شرایط مرزی مسئله میدان جریان احتراقی
        • جدول (4-4) شرایط مرزی ورودی هوای هر مشعل
      • 4-3-3- بیان روش انجام شبیه‏سازی میدان جریان احتراقی سوخت مایع سنگین
      • 4-3-4- بررسی استقلال حل از شبکه و اعتبارسنجی شبیه‏سازی عددی
        • شکل (4-6) پروفیل سرعت در راستای y بر روی خط افقی گذرنده از مرکز مشعل‏های fb2 و rb2
        • شکل (4-7) پروفیل دما بر روی خط افقی گذرنده از مرکز مشعل‏های fb2 و rb2
          • جدول (4-5) مقایسه نتایج شبیه‏سازی عددی کوره با داده‏های اندازه‏گیری
    • 4-4- نتایج شبیه‌سازی و ارزیابی توزیع ناکس در داخل کوره
      • جدول (4-6) سهم هر یک از مکانیزم‏های مؤثر در تولید NO
      • شکل (4-8) پروفیل دمای میانگین و حداکثر در راستای ارتفاع کوره (Y)
      • شکل (4-9) کانتور دما در مقاطع y=7 m، y=10 m و y=13 m و y=25m
      • شکل (4-10) کانتور دما در مقاطع z=0 m، z=1.3335 m و y=3.9243 m و y=6.3 m
      • شکل (4-11) کانتور کسر مولی گونه O2 در مقاطع y=7 m، y=10 m، y=13 m و y=25 m
      • شکل (4-12) کانتور کسر مولی گونه O2 در مقاطع z=0 m، z=1.3335m، z=3.9243m و z=6.3 m
      • شکل (4-13) کانتور نرخ تولید NO سوختی در مقاطع y=7m، y=10m، y=13m و y=25m
      • شکل (4-14) کانتور نرخ تولید NO سوختی در مقاطع z=0 m، z=1.3335m، z=3.9243m و z=6.3 m
      • شکل (4-15) کانتور نرخ تولید NO حرارتی در مقاطع y=7 m، y=10 m، y=10 m و y=25 m
      • شکل (4-16) کانتور نرخ تولید NO حرارتی در مقاطع z=0 m، z=1.3335m، z=3.9243m و z=6.3 m
      • شکل (4-17) خطوط جریان در کوره و کانتور اندازه سرعت، سمت راست نمای x-y و سمت چپ نمای x-z
      • شکل (4-18) الگوی خطوط جریان به همراه کانتور کسر مولی گونه OH در صفحات افقی مقابل مشعل‏ها شامل الف) y=7، ب) y=10 و ج) y=13
    • 4-5- علل بالا بودن میزان NO در کوره
  • فصل 5: راهکارهای کنترل میدان دما و میزان NOx تولیدی در کوره مقیاس بزرگ با سوخت مایع سنگین
    • 5-1- راهکار‏های کاهش میزان NOx تولیدی
      • شکل (5-1) دسته‏بندی استراتژی‏های کنترل و کاهش NOx [3]
      • 5-1-2- کاهش NOx حرارتی
        • جدول (5-1) عوامل مؤثر در میزان NOx حرارتی [2]
        • شکل (5-2) تغییر غلظت NOx و دمای شعله آدیاباتیک برای سوخت گاز طبیعی و با تغییر هوای اضافه در دماهای مختلف برای هوای احتراق [3]
        • شکل (5-3) مرحله‏بندی تزریق سوخت جهت کنترل میزان NOx
        • شکل (5-4) مرحله‏بندی تزریق هوا جهت کنترل میزان NOx
        • شکل (5-5) شماتیک کنترل میزان NOx با استفاده از روش گردش گاز (GR)
      • 5-1-3- کاهش NOx سوختی
      • 5-1-4- جمع‏بندی
    • 5-2- بررسی اثر میزان چرخش هوای ثانویه بر غلظت NO تولیدی
      • شکل (5-6) توزیع دمای میانگین در راستای ارتفاع کوره (y) برای چرخش‏های مختلف هوا ثانویه
      • شکل (5-7) توزیع دمای حداکثر در راستای ارتفاع کوره (y) برای چرخش‏های مختلف هوا ثانویه
      • شکل (5-8) تغییرات میزان NO تولیدی و بازده احتراق در کوره با تغییر میزان چرخش هوای ثانویه
      • شکل (5-9) کانتور دما در مقطع Z=1.3335 m و به ازای عدد چرخش 5/0، 85/0، 1، 2/1 و 3/1
      • شکل (5-10) کانتور دما در مقطع Z=3.9243 m و به ازای عدد چرخش 5/0، 85/0، 1، 2/1 و 3/1
      • شکل (5-11) کانتور کسر مولی گونه O2 در مقطع Y=10 m و به ازای عدد چرخش 5/0، 7/0، 85/0، 1/1، 2/1 و 3/1
      • شکل (5-12) خطوط مسیر و کانتور کسر مولی گونه OH در مقطع Y=10 m و به ازای عدد چرخش 5/0، 7/0، 85/0، 1/1، 2/1 و 3/1
    • 5-3- بررسی اثر تغییر در نحوه تقسیم هوا بین مراحل مختلف مشعل
      • شکل (5-13) توزیع دمای میانگین در راستای ارتفاع کوره (y) برای توزیع‏های مختلف هوا بین مراحل سه‏گانه مشعل
      • شکل (5-14) توزیع دمای حداکثر در راستای ارتفاع کوره (y) برای توزیع‏های مختلف هوا بین مراحل سه‏گانه مشعل
      • شکل (5-15) تغییرات میزان NO تولیدی و بازده احتراق در کوره با تغییر نحوه توزیع هوا بین مراحل سه‏گانه مشعل
      • شکل (5-16) کانتور دما در صفحه Z=1.3335 m و به ازای توزیع‏های مختلف هوا بین مراحل سه‏گانه مشعل‏ها
      • شکل (5-17) کانتور دما در صفحه Z=3.9243 m و به ازای توزیع‏های مختلف هوا بین مراحل سه‏گانه مشعل‏ها
      • شکل (5-18) کانتور کسر مولی گونه O2 در مقطع Y=10 m و به ازای توزیع‏ها مختلف هوا بین مراحل سه‏گانه مشعل‏ها
    • 5-4- بررسی اثر تغییر در اندازه قطره‏های سوخت بر غلظت NO تولیدی
      • شکل (5-19) توزیع‏های مختلف قطر قطره؛ مورد استفاده جهت بررسی اثر اندازه قطره‏های سوخت بر میزان NO
      • شکل (5-20) توزیع دمای میانگین در راستای ارتفاع کوره (y) برای قطر میانگین مختلف
      • شکل (5-21) توزیع دمای میانگین در راستای ارتفاع کوره (y) برای قطر میانگین مختلف
      • شکل (5-22) تغییرات میزان NO تولیدی و بازده احتراق کوره با تغییر اندازه قطر میانگین قطره‏های سوخت
      • شکل (5-23) کانتور دما در مقطع Z=1.3335 m و به ازای قطر میانگین 25، 50، 75، 100 و 150 میکرون
      • شکل (5-24) کانتور دما در مقطع Z=3.9243 m و به ازای قطر میانگین 25، 50، 75، 100 و 150 میکرون
      • شکل (5-25) کانتور کسر مخلوط (f) در مقطع y=10 m و به ازای قطر میانگین 25، 50، 75، 100، 125 و150 میکرون
    • 5-5- بررسی اثر تغییر سرعت پاشش اسپری بر غلظت NO تولیدی
      • شکل (5-26) توزیع دمای میانگین در راستای ارتفاع کوره (y) برای سرعت پاشش مختلف سوخت
      • شکل (5-27) توزیع دمای حداکثر در راستای ارتفاع کوره (y) برای سرعت پاشش مختلف سوخت
      • شکل (5-28) تغییرات میزان NOx تولیدی در کوره با تغییر سرعت پاشش قطره‏های سوخت
      • شکل (5-29) کانتور دما در مقطع Z=1.3335 m و با سرعت پاشش سوخت 20، 40، 60، 80 و 120 متربرثانیه
      • شکل (5-30) کانتور دما در مقطع Z=3.9243 m و با سرعت پاشش سوخت 20، 40، 60، 80 و 120 متربرثانیه
      • شکل (5-31) کانتور کسر مخلوط (f) در مقطع y=10 m و با سرعت پاشش 20، 40، 60، 80، 100 120 متربرثانیه
    • 5-6- جمع‏بندی ارزیابی انجام شده بر روی پارامترهای کنترلی میدان جریان درون کوره و پیشنهاد راه‏کار جهت کاهش میزان NO
      • شکل (5-32) نمودار شیب تغییرات میزان NO برای پارامتر الف) چرخش هوای ثانویه، ج) سرعت پاشش سوخت د) قطر میانگین اسپری
        • جدول (5-2) راه‏کارهای پیشنهاد شده برای بهبود تنظیم مشعل‏ها و کنترل میدان دما و کاهش NO
      • شکل (5-33) مقایسه توزیع دما میانگین در راستای ارتفاع کوره (y) برای تنظیمات 1 تا 3 با شرایط کاری MCR
      • شکل (5-34) مقایسه توزیع دما حداکثر در راستای ارتفاع کوره (y) برای تنظیمات 1 تا 3 با شرایط کاری MCR
      • شکل (5-35) کانتور دما در مقطع z=1.3335 m برای الف)شرایط MCR، ب) تنظیمات 1 و ج) تنظیمات 2 د) تنظیمات 3
      • شکل (5-36) کانتور کسر مولی O2 در مقطع y=10 m برای الف)شرایط کاری فعلی، ب) تنظیمات 1، ج) تنظیمات 2 و د) تنظیمات 3
      • شکل (5-37) مقایسه میزان NO و بازده احتراق برای تنظیمات 1 تا 3 با شرایط کاری فعلی (MCR)
  • فصل 6: نتیجه‏گيری و پیشنهاد ادامه کار
    • 6-1- نتیجه‏گیری
    • 6-2- پیشنهاد ادامه کار
  • مراجع
...see more