Investigation of the efficiency of the flue gas recirculation during natural gas combustion in the boiler furnace

Abstract

The aim of the work is to model and analyze the process of combustion of natural gas in a boiler furnace in a mixture with oxygen-enriched air while recirculating flue gases in various ways. To achieve this goal, the following objectives were addressed: the development of a mathematical model of a fire tube boiler furnace for operation during the combustion of natural gas in a mixture of air with pure oxygen and recirculated flue gases, a numerical study of the combustion process, including the temperature in the furnace and the composition of combustion products, depending on the method of recirculation. Combustion simulation was carried out in the computational fluid dynamics package OpenFOAM, using the XiFoam solver. The most important result is to obtain a formula for calculating the required degree of dryness of the recirculating flue gases, depending on the recirculation ratio and NOx emission limits. In addition, it was confirmed that the method of organizing flue gas recirculation is more efficient by feeding them in a mixture with an oxidizing agent going to combustion, compared to other methods, even under conditions of oxygen fuel combustion. The study was conducted for the recirculation ratio in the range from 0 to 50% with varying degrees of flue gas dryness. It is shown that controlling the moisture concentration in recirculated flue gases is an effective and technologically flexible tool for optimizing the natural gas combustion process in power boilers operating using oxygen combustion technology. The proposed approximation model makes it possible to estimate the required degree of dehumidification of recirculating gases at the design and commissioning stage, adapting the technology to the specific operating conditions of the power boiler and the requirements of environmental legislation.

Scopul lucrării este de a modela și analiza procesul de ardere a gazelor naturale într-un cuptor cazan într-un amestec cu aer îmbogățit cu oxigen, în timp ce gazele de ardere sunt recirculate în diverse moduri. Pentru a atinge acest obiectiv, au fost abordate următoarele obiective: dezvoltarea unui model matematic al unui cuptor cazan cu tuburi de fum pentru funcționarea în timpul arderii gazelor naturale într-un amestec de aer cu oxigen pur și gaze de ardere recirculate, un studiu numeric al procesului de ardere, inclusiv temperatura din cuptor și compoziția produselor de ardere, în funcție de metoda de recirculare. Simularea arderii a fost efectuată în pachetul de dinamică computațională a fluidelor OpenFOAM, utilizând solverul XiFoam. Cel mai important rezultat este obținerea unei formule pentru calcularea gradului necesar de uscare a gazelor de ardere recirculate, în funcție de raportul de recirculare și de limitele de emisie de NOx. În plus, s-a confirmat că metoda de organizare a recirculării gazelor de ardere este mai eficientă prin alimentarea lor în amestec cu un agent oxidant care merge la ardere, comparativ cu alte metode, chiar și în condiții de ardere a combustibilului cu oxigen. Studiul a fost efectuat pentru raportul de recirculare în intervalul de la 0 la 50%, cu grade variabile de uscare a gazelor de ardere. Se demonstrează că controlul concentrației de umiditate din gazele de ardere recirculate este un instrument eficient și flexibil din punct de vedere tehnologic pentru optimizarea procesului de ardere a gazelor naturale în cazanele de putere care funcționează folosind tehnologia de ardere cu oxigen. Modelul de aproximare propus permite estimarea gradului necesar de dezumidificare a gazelor de ardere recirculate în etapa de proiectare și punere în funcțiune, adaptând tehnologia la condițiile specifice de funcționare ale cazanului de putere și la cerințele legislației de mediu.

Целью работы является моделирование и анализ процесса сжигания природного газа в топке котла в смеси с воздухом, обогащенном кислородом, при организации рециркуляции дымовых газов различными способами. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: разработка математической модели топки жаротрубного котла для работы при сжигании природного газа в смеси воздуха с чистым кислородом и рециркулируемыми дымовыми газами, численное исследование процесса горения в том числе температуры в топке и состава продуктов сгорания в зависимости от способа рециркуляции. Моделирование горения проводилось в пакете вычислительной гидродинамики OpenFOAM, с использованием решателя XiFoam. Наиболее важным результатом является получение формулы для вычисления необходимой степени сухости рециркулирующих дымовых газов в зависимости от степени рециркуляции и ограничений по эмиссии NOx. Кроме того, получено подтверждение большей эффективности метода организации рециркуляции дымовых газов путем подачи их в смеси с окислителем, идущим на горение. по сравнению с другими методами, даже в условиях кислородного сжигания топлива. Исследование проводилось для степени рециркуляции в диапазоне от 0 до 50% с разной степенью сухости дымовых газов. Показано, что управление концентрацией влаги в рециркулируемых дымовых газах является эффективным и технологически гибким инструментом оптимизации процесса сжигания природного газа в энергетических котлах, работающих по технологии кислородного сжигания. Предложенная аппроксимационная модель позволяет на этапе проектирования и режимной наладки оценить необходимую глубину осушения рециркулирующих газов, адаптируя технологию к конкретным условиям работы энергетического котла и требованиям природоохранного законодательства.