The Optimization And Diagnostics Of Combustion Process With Numerical Modelling Application

• Autorzy: Zajemska M. , Radomiak H. , Poskart A.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0193

Warianty tytułu

PL

Optymalizacja i diagnostyka procesu spalania z wykorzystaniem modelowania numerycznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The progressing development of industry and the associated rising environmental pollution create the need for the intensification of combustion processes and the implementation of increasingly stringent environmental protection standards. Therefore, an intensive progress in scientific and research work that is lately observed and studies with the use of numerical methods, are becoming an indispensable element of experimental research. This allows for: optimization of combustion processes, development of new designs of burners and technologies of low-emission combustion, as well as prediction of ecological effects. This article presents the possibilities of numerical modelling in combustion processes in heat furnaces. The chemistry of the combustion process was modelled in CHEMKIN software, while the dynamics of flue gas flow in the combustion chamber was modelled with the use of FLUENT software. Numerical computations were performed for both, the experimental chamber and the real objects, i.e. a pusher furnace and a sheet hardening furnace. The results of obtained measurements and numerical calculations clearly show that the use of hot air affects the growth of emissions, in particular NO_x. Furthermore, it has also been proved that the design and the appropriate location of the lance supplying the secondary air result in the reduction of emissions of nitrogen oxides.

PL

Postępujący rozwój przemysłu i związany z tym wzrost zanieczyszczenia środowiska stwarza potrzebę intensyfikacji procesów spalania oraz wprowadzenia coraz to bardziej rygorystycznych norm ochrony środowiska. W związku z tym w ostatnim czasie obserwuje się intensywny postęp w pracach naukowo-badawczych, a badania z wykorzystaniem metod numerycznych stają się nieodzownym elementem badań eksperymentalnych. Umożliwia to optymalizację procesów spalania przy jednoczesnym oszacowaniu efektów ekologicznych, a w rezultacie rozwój nowych konstrukcji palników i specjalnych, niskoemisyjnych technologii spalania. W artykule przedstawiono możliwości modelowania numerycznego procesów spalania i dynamiki gazów w piecach grzewczych. Chemię procesu spalania zamodelowano przy wykorzystaniu oprogramowania CHEMKIN, natomiast dynamikę przepływu spalin w komorze spalania programem FLUENT. Obliczenia numeryczne przeprowadzono zarówno dla komory eksperymentalnej, jak i dla rzeczywistych obiektów, a mianowicie pieca przepychowego i pieca do hartowania blach. Wyniki uzyskanych badań pomiarów i obliczeń numerycznych jednoznacznie wskazują, że zastosowanie gorącego powietrza wpływa na wzrost emisji zanieczyszczeń, a w szczególności NO_x. Ponadto udowodniono, że na obniżenie emisji tlenków azotu ma wpływ konstrukcja i odpowiednie umiejscowienie lancy doprowadzającej powietrze wtórne.

Słowa kluczowe

EN

combustion; optimization; diagnostics; numerical modelling

PL

spalanie; optymalizacja; diagnostyka; modelowanie numeryczne

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 2A
• Strony: 687--695
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Zajemska M.

• Technical University of Czestochowa, Faculty of Production Engineering and Materials Technology, The Department of Industrial Furnaces and Environmental Protection, 19 Armii Krajowej Str., 42-200 Częstochowa, Poland

autor

Radomiak H.

• Technical University of Czestochowa, Faculty of Production Engineering and Materials Technology, The Department of Industrial Furnaces and Environmental Protection, 19 Armii Krajowej Str., 42-200 Częstochowa, Poland

autor

Poskart A.

• Technical University of Czestochowa, Faculty of Production Engineering and Materials Technology, The Department of Industrial Furnaces and Environmental Protection, 19 Armii Krajowej Str., 42-200 Częstochowa, Poland

Bibliografia

• [1] W. Bialik, S. Gil, P. Mocek, Prediction of CFD processes of gaseous pollutants emission in high-temperature combustion chamber, Ęnvironment 11, 3, 3-12 (2009).
• [2] R. Bilbao, M.U. Alzueta, A. Millera, V. Cantín, Experimetal study and modeling of the burnout zone in the natural gas reburning process. Chemical Engineering Science 50, 16, 2579-2587 (1995).
• [3] A. Bogusławski, A. Tyliszczak, S. Kubacki, Numeryczne modelowanie procesów przepływowych, Materiały dydaktyczne Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, www.imc.pcz.czest.pl 2008.
• [4] M.E. Bulewicz, Spalanie a ochrona środowiska, Materiały konferencyjne VI Ogólnopolskiej Konferencji nt.: Gospodarka cieplna i eksploatacja pieców przemysłowych, Poraj, 7, 1998.
• [5] A.M. Eaton, L.D. Smoot, S.C. Hill, C.N. Eatough, Components, formulations, solutions, evaluation, and application of comprehensive combustion models, Progress in Energy and Combustion Science 25, 387-436 (1999).
• [6] P. Glarborg, M.U. Alzueta, K. Dam-Johansen, J. Miller, Kinetic modeling of hydrocarbon / nitric oxide interactions in a flow reactor, Combustion and Flame 115, 1-27 (1998).
• [7] B. Gradoń, J. Tomeczek, Prediction of N2O and NH inn fuel – rich gaseous Flames, Combustion and Flame 126, 1856-1859 (2001).
• [8] B. Gradoń, Rola podtlenku azotu w modelowaniu emisji NO z procesów spalania paliw gazowych w piecach wysokotemperaturowych, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2003.
• [9] http://www.reactiondesign.com
• [10] http://www.sandia.gov
• [11] H.R. Jones, J. Leng, The influence of Fuel Combustion on emissions of CO, NO, and NO2 from gas – fired pulsed combustor, Combustion and Flame 104, 419-430 (1996).
• [12] X. Jun, L. Min, S. Lushi, L. Jidong, S. Xuein, Comparison of nitrogen oxide emissions from boilers for a wide range of coal qualities, International Journal of Thermal Sciences 39, 833-841 (2000).
• [13] J. Kapitaniak, Rodzaje dodatków do paliw i ich oddziaływanie na proces spalania, zmianę właściwości osadów i emisję, Materiały konferencyjne Konferencji nt.: Niskoemisyjne techniki spalania, Ustroń, 127-133 (1997).
• [14] W. Kordylewski, Combustion and fuels, Publishing House of Technical University of Wroclaw, Wroclaw, 2008.
• [15] A. Kotyra, Diagnosis of pulverized coal combustion with the use of image processing methods, Technical University of Lublin University, Lublin, 2010.
• [16] S.C. Li, F.A. Williams, NOx formation in Two-Stage Methane-Air Flames, Combustion and Flame 118, 399-414 (1999).
• [17] J. Michalczyk, Transport gazowych zanieczyszczeń w powietrzu – symulacje numeryczne w skali lokalnej, Rozprawa doktorska, Politechnika Lubelska, Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Lublin, 2003.
• [18] J.D. Miller, C.T. Bowman, Mechanism and Modeling of Nitrogen Chemistry in Combustion, Progress in Energy and Combustion Science 15, 287-338 (1989).
• [19] L.J. Muzio, G.C. Quartucy, Implementing NOx control: Research to application, Progress in Energy and Combustion Science 23, 233-266 (1997).
• [20] M. Poskart, L. Szecówka, H. Radomiak, The CHEMKIN software with the use of to modeling of co-combustion process with biofuels and natural gas, 10th International Scientific Conference Energy Transformations in Industry, Vysokie Tatry, Acta Metallurgica Slovaca 13, 307-310 (2007).
• [21] S. Postrzednik, Stosunek nadmiaru tlenu (powietrza) jako parametr procesu spalania, Gospodarka Paliwami i Energią 5, 6 (1999).
• [22] M. Rozpondek, A. Puszer, Wpływ kąta zawirowania powietrza na emisję NOx przy dyfuzyjnym spalaniu gazu ziemnego, Materiały konferencyjne VI Ogólnopolskiej Konferencji nt.: Gospodarka cieplna i eksploatacja pieców przemysłowych, Poraj, 197-201 (1998).
• [23] W. Rybak, Struktura węgla a emisja zanieczyszczeń podczas spalania, Materiały konferencyjne Konferencji nt.: Niskoemisyjne techniki spalania, Ustroń, 13-26 (1996).
• [24] R.P. Van der Lans, P. Glarborg, K. Dam-Johansen, Influence of process parameters on nitrogen oxide formation in pulverized coal burners, Progress in Energy and Combustion Science 23, 349-377 (1997).
• [25] W. Wang, S.D. Brown, C.J. Hindmarsh, K.M. Thomas, NOx release and reactivity of chars from a wide range of coals during combustion, Fuel 73, 9, 1381-1388 (1994).
• [26] R. Wilk, Podstawy niskoemisyjnego spalania, Wydawnictwo Gnome, Katowice, 2000.
• [27] R. Wilk, Metody ochrony środowiska w energetyce, Materiały konferencyjne VII Ogólnopolskiej Konferencji nt.: Gospodarka cieplna i eksploatacja pieców przemysłowych, Poraj, 7-20 (1999).
• [28] R. Wilk, A. Szlęk, Method of NOx reduction during the combustion of oil, Energy Conversion and Management 39, 16-18, 1957-1965 (1998).
• [29] G.B. Wilson, G.W. McNeill, Noble gas recharge temperatures and excess air component, Applied Geochemistry 12, 747-762 (1997).
• [30] A. Sobiesiak, S. Rahbar, H.A. Becker, Performance Characteristics of the Novel Low - NOx CGRI Burner For Use with High Air Preheat, Combustion and Flame 115, 93-125 (1998).
• [31] L. Szecówka, Wpływ pulsacji na spalanie paliw gazowych i emisję zanieczyszczeń, Seria Metalurgia, nr 17, Częstochowa, 2001.
• [32] A. Szlęk, Modelowanie matematyczne kinetyki chemicznej spalania gazów, Wydawnictwa Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2004.
• [33] K. Świtalski, Reduction of air emissions and optimization of combustion in industrial furnaces and boilers – some examples of the implementation of new technologies, Warsaw, 2011, PDF dokument: Zmnijszenie_emisji_zanieczyszczen_atmosfery_Optymalizacja_spalania_w_kotlach_przemyslowych.pdf
• [34] J. Zhao, C. Brereton, J.R. Grace, C.J. Lim, R. Legros, Gas concentration profiles and NOx formation in circulating fluidized bed combustion, Fuel 76, 9, 853-860 (1997).
• [35] I. Zsély, T. Turányi, Investigation and reduction of two methane combustion mechanisms, Archivum Combustionis 21, 3 (2001).
• [36] J. Żelkowski, Zmniejszenie emisji gazów w energetyce niemieckiej, Materiały konferencyjne Konferencji nt.: Niskoemisyjne techniki spalania, Ustroń, 21-31 (1997).

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.