Тепловое излучение продуктов сгорания энергетических установок теплоэлектроцентралей

На любой ТЭЦ работает большое количество различных энергетических установок, в гетерогенных продуктах сгорания которых содержится огромное количество зольных частиц и частиц не полностью сгоревшего топлива. Чтобы увеличить срок работы таких установок и аппаратов, уменьшить отрицательное влияние выбросов на окружающую среду и получить полезные продукты переработки отходов, нужно решать проблему повышения качества сжигания топлива и снижения и уничтожения отработок в котлах-утилизаторах.

Для примера методом математического эксперимента вычислены и проведен анализ радиационных характеристик и характеристик излучения для энергетической установки Казанской ТЭЦ-2.

В исследованиях данной работы использована модель: рассматривается плоский слой со свободной границей, распределение температур и давлений различное, частицы сферической формы, входными данными являются термо- и газодинамические исходные параметры (массовая доля, химический состав веществ, входящих в гетерогенные продукты сгорания, концентрация, молярная масса и т.п.). Очень важными исходными данными являются комплексный показатель преломления, определяющий оптические свойства частиц конденсата: m = n - n2 • i, здесь n i - это показатель преломления, а n2 - это показатель поглощения частиц конденсированной фазы продуктов сгорания и параметр дифракции, характеризующий влияние на рассеяние и поглощение дифракционных явлений на частицах в зависимости от соотношения между размерами частиц и длиной волны падающего излучения: р = 2пт/Я; функция распределения частиц по размерам f(r). Спектральный диапазон длин волн X выбран в пределах от 1 до 5 мкм с шагом 0,1 мкм, с той целью, чтобы доля максимального излучения попала в этот диапазон. Математическая модель производит вычисление характеристик теплового излучения методом сферических гармоник в P3-приближении, а также радиационных характеристик частиц в программе «SPEKTR», разработанной в ВятГУ под руководством д.т.н. Кузьмина В.А. на основе теории Ми и различных приближений для больших и малых частиц, что подробно рассмотрено в работах [1, 2]. При высоких температурах радиационные свойства газов вычисляются методами, описанными в работе [3].

Уравнение переноса энергии излучения для поглощающей, рассеивающей и излучающей среды задается так:

(/\ r,r',QQ' Idro + a^I0(r).

J

Для полидисперсных систем радиационные характеристики излучения единичного объема (коэффициенты ослабления k , 1/мм, поглощения а, 1/мм и рассеяния в, 1/мм) вычисляются так:

ж                     ж                      j                   J k = N - J ° осл (r )f (r )dr , a = N - J °погл (r )f (r )dr , в = N - J ° рас (r )f(r )dr , Y = J Y0 (r )f (r )dr , 00                                oo здесь N- числовая концентрация.

Радиационные характеристики излучения индивидуальных частиц (сечения ослабления о _осл , мкм², рассеяния о _рас , мкм² и поглощения о _погл , мкм²) находятся таким образом:

°осл = п К осл (m, р),  ° рас   П К рас (m, Р) ,  ^погл = ^осл  ^рас , где r - радиус частиц, m - комплексный показатель преломления и р - параметр дифракции.

Спектральные плотности потоков ( F ^ , Вт/(см²^мкм)) и интегральные плотности потоков ( F , Вт/см²), проходящие через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению нормали:

F = J I ( r Q ) Q n d Q F = J F. d A

^Z    Q ^{Х 7         ,}        0 ^A

Спектральные и интегральные степени черноты (е^ и е) находятся как:

J

^ = Fj F>   , ^е = J ⁸ > dA .

^{A A}l ^а ачт ,        ₀ ^A

Исходные данные для настоящей работы взяты из работ [4; 5].

На рис. 1 показаны графики полученных характеристик излучения продуктов сгорания (спектральные распределения плотности потока и степени черноты от длины волны).

• 1 - Плотность потока   ■ 2 - Степень черноты

Рис.1. Спектральное распределение плотности потока и спектральная зависимость степени черноты от длины волны.

Проведенный анализ результатов показывает, что спектральное

4,60 ⋅ 10 ^{- 4}

распределение плотности потока лежит в пределах значений от

Вт/(см²·мкм) до ^{2,00 ⋅ 10 -} Вт/(см²·мкм), а спектральная зависимость

- 1

значений от ,        до

степени черноты изменяется в интервале

4,65 ⋅ 10 ^{- 1}

С увеличением длины волны характеристики излучения индивидуальных частиц возрастают. Понижение температуры усиливает полосы поглощения газовой фазы. Повышение температуры гетерогенных продуктов сгорания смещает максимум излучения в сторону коротких длин волн из-за излучения частиц. Пики газовой фазы на полученных графиках это проявление химических компонентов H2O (λ=1,7 мкм), CO (λ=2,3 мкм; λ=4,7 мкм), HCl (λ=3,4 мкм).

Для проверки правильности результатов исследований сделаны сравнения с результатами, полученными в работе [4]. Графики имеют аналогичный характер, абсолютная погрешность вычислений около 4-5% [5].

Полученные в настоящей работе результаты позволяют дать некоторые рекомендации при конструировании и обслуживании энергоустановок ТЭЦ, что является немаловажным для развития современного производства, совершенствования имеющихся энергоустановок и технических аппаратов.