Metodologia de cercetare [310547]

[anonimizat] o suprafața totală de 8,697 km2 ocupând locul 1 în Romania. Populația județului este în continua creștere nivelul actual fiind de 650,544 locuitori cu o densitate de 76 locuitori/m2 in anul 2013. Timișoara este cel mai mare oraș și este capitala administrativă cu o suprafață totală de 130.5 km2 și aproximativ 319.279 locuitori la nivelul anului 2011. Amplasarea localității pe harta județului Timiș se poate observa în fig. 3.1 [1,2].

Figura 3.1 [anonimizat] 17 centrale termice locale.

În cadrul CET Centru Timișoara sunt următoarele instalații:

Două CAF (Cazan de apă fierbinte) de 50 Gcal/h (58.15 MWt)

Trei CAF de 100 Gcal/h (116.3 MWt)

Trei CAE (Cazan de abur energetic) [anonimizat] 12.5 t/h și unul de 30t/h.

O turbină de abur AKTP 4, cu o putere de 3MWe

Căldura necesară pentru termoficare este asigurată de un schimbător cu plăci cu o putere 21.5 MWt (18.5 Gcal/h)

CET Sud Timișoara este echipat cu următoarele instalații:

Două CAF de 100 Gcal/h cu funcționare mixta pe lignit și gaze naturale

Trei CAE de 100 t/h cu funcționare pe lignit și gaze naturale

O turbină de abur de 19.7 MWe

Căldura necesară pentru termoficare este obținută cu ajutorul a trei schimbătoare de căldură cu o capacitate de 50 Gcal/h (58.15 MWt)

Patru CAE de 10 t/h [anonimizat] 100 t/h din CET Sud Timișoara.

Descrierea constructivă a cazanelor de abur ce urmează a fi retehnologizate se regăsește în tabelul 3.1 [3]

Tabel 3.1 Descriere constructiva CAE 100t/h

Cazanul CAE de 100 t/h este de tip clasic cu 4 drumuri verticale ale gazelor de ardere. Cărbunele utilizat este lignit de la exploatarea Motru Rovinari cu următoarele caracteristici: umiditate 32 ÷ 44%; cenușa 16 ÷ 30%; putere calorifica inferioara 1750÷2100 kcal/h. Debitul de combustibil este de 43,400 kg/h la sarcina nominala. Praful de cărbune este preparat cu ajutorul a patru mori dispuse conform figura 3.2. Suportul pentru susținere este asigurat de 4 arzătoare pe gaz poziționate la cota +7.900 m cu un debit de 530 Nmc/h .Gazul natural are puterea calorifica inferioara de 35.6 MJ/Nmc (8500 kcal/Nmc).

Din punct de vedere constructiv toate echipamentele ce fac parte din instalația de preparare a [anonimizat], transport și uscare rămân neschimbate. Moara de cărbune ventilator cu ciocane tip MVC17 este utilajul principal al instalației de uscare și preparare a prafului de cărbune necesar arderii.

Moara de cărbune are rolul de a [anonimizat] a [anonimizat], în vederea arderii amestecului în stare pulverizata în focar.

Sistemul de uscare și preparare a prafului de cărbune pentru cazanul de 100 t/h – lignit este compus din 4(patru) mori pentru cărbune tip MVC17, dispuse în jurul focarului cazanului conform figurii 3.2. Arderea combustibilului solid se face cu ajutorul a [anonimizat]. Arzătorul combustibilului solid este de tipul constructiv cu 3 fante de praf separate de cate o fanta pentru insuflarea aerului secundar. Acestea sunt prevăzute și cu fante pentru aerul superior și inferior.

Dimensionarea și detalierea cazanului în vederea retehnologizării a fost posibilă cu ajutorul planșelor de gabarit din arhiva ISPE Timișoara. Acestea se regăsesc în figurile 3.4, 3.5, 3.6 [3].

Fig. 3.2 Poziția morilor de cărbune

Fig. 3.3 Secțiune prin arzătorul de cărbune

1. Zone de introducere aer de ardere 2. Zona de introducere praf de cărbune cu aer

Fig. 3.4 Vedere perete fată cazan și secțiune

Figura 3.5 Secțiune prin supraîncălzitor, economizor treapta I si II, preîncălzitoare de aer orizontal și vertical

Figura 3.6 Secțiune prin cazan longitudinala

Modificarea principala adusa acestor cazane fata de proiectul inițial a fost înlocuirea arzătoarelor pe păcura de susținere si sarcină cu arzătoare clasice pe gaz.

Descrierea soluțiilor aplicate

Principalele obiective și limite pentru emisiile de NOX ce se urmăresc a fi atinse prin retehnologizarea celor 3 cazane și verificate prin măsurători reale și simulări în cadrul acestei teze sunt următoarele: 200 mg/mN3 gaze uscate, 6% pentru cărbune și de 200 mg/mN3 pentru arderea gazelor.

Pentru atingerea acestor limite au fost aplicate următoarele soluții:

Instalație de denoxare necatalictică selectivă pentru reducere concentrației de NOX – în cazul funcționarii pe cărbune.

Porturi suplimentare de aer de ardere pentru reducerea concentrației de NOX

Înlocuirea arzătoarelor de sarcină și de susținere cu arzătoare noi LowNOX

Modernizarea instalație de ardere cu praf de cărbune

Instalația de denoxare necatalictica selectivă

Instalația SNCR este alcătuită din următoarele principale echipamente:

Rezervor stocare agent de reducere cu pompe submersibile pentru transportul agentului de reducere

Stație de pompare apa pentru injecție

Stație aer comprimat

Module de mixare și măsura

Lănci de injecție in cazan agent reducător

PLC pentru monitorizarea si controlul instalației

Rezervorul de stocare agent de reduce este amplasat în exteriorul sălii cazanelor și în componentă intră echipamentul de descărcare agent de reducere și două pompe de transport la modulele de mixare și injecție. Pompele sunt de tip submersibile și pentru a evita perioade în care instalația de SNCR sa fie inactivă una este în funcțiune și una în rezervă, conform schemei de alimentare cu agent de reducere din figura 3.7. Transportul agentului de reducere se face prin intermediul unor conducte de inox în sistem inelar, astfel încât agentul de reducere să nu staționeze și să se solidifice în interiorul sistemului de distribuție. Sistemul de distribuție și rezervorul sunt izolate și încălzite pentru a preîntâmpina înghețarea sau cristalizare agentului.

3.7 Schema de alimentare cu agent de reducere

Modulele de mixare și măsura au rolul de a măsura temperatura în zonele de injecție și de a pregăti diluția corespunzătoare apă/uree în funcție de nivelul de NOX măsurat la nivelul coșului de fum si de sarcina cazanului. Modulele de mixare și măsura se vor monta lângă cazane si vor conține toate armaturile si dispozitivele de măsura și reglare pentru dozarea agentului de reducere, aerului comprimat și apei la lăncile de pulverizare. Echiparea modulelor de mixare ce au fost instalate în cadrul instalației de reducere SNCR în CET Sud Timișoara sunt prezentate în figurile 3.8, 3.9.

3.8 Montaj conducte uree și distribuție în modulul de mixare

3.9 Montaj conducte aer comprimat și apa în modulul de mixare

Sistemul de injecție este alcătuit din lăncii de injecție montate pe două nivele pentru a acoperi o plajă cat mai mare de temperatură din cazan. Cum variația de sarcină termică a cazanului produce modificări regimului temperaturii ale gazelor de ardere, zona optimă pentru injectarea agentului reducător alunecă din partea superioară a focarului spre zona de ardere. Pentru a determina zonele ideale de introducere a agentului de reducere este necesară o urmărire a temperaturilor în cazan și o simulare a fenomenelor ce se produc în timpul arderii în cazan. Poziționarea și componența sistemul de injecție se poate vedea în figurile 3.10, 3.11.

3.10 Poziționarea zonelor de injectare uree

3.11 Detaliu de montaj al lăncilor de injecție

Pentru funcționare unei instalații de SNCR mai este nevoie de aer comprimat și apa pentru diluție de o anumită calitate și presiune. Acestea sunt obținute cu ajutorul unei stații de aer comprimat echipată cu două compresoare cu șurub ce filtrează și usucă aerul până la temperatura punctului de rouă -40°C și o presiune de 6 bar. Aerul comprimat din aceasta stație de compresoare este livrat pe două calități: aer comprimat de comandă și aer comprimat pentru pulverizare. Stația de pompare apă are rolul de a prelua apa de la stația chimica a centralei, ridică presiunea la nivelul cerut și o livrează la modulele de mixare. Întreg procesul este obținut prin intermediu a doua pompe centrifuge.

3.12 Schema de proces a instalatiei SNCR

Pentru a putea înțelege mai bine funcționare unei astfel de instalații am detalia o schema de proces ce se regăsește în figura 3.12

Temperatura optimă de reacție se situează într-un interval care trebuie respectat cu deosebită strictețe: 850 și 1100 °C. Peste acest interval amoniacul din agentul de reducere este oxidat și în acest fel se produce și mai mult oxid de azot, iar sub, rata de conversie este prea scăzută și se elimină amoniac în atmosferă. Aceasta este principala cauză pentru care se optează pentru folosirea mai multor nivele, zone de injecție ale agentului de reducere[4,5].

Porturi suplimentare de aer de ardere

O altă metodă de reducere a concentrațiilor de poluanți aborda în cadrul acestei teze este instalarea de porturi suplimentare de aer de ardere. Această metodă primară de reducere constă în reducerea cantității de aer de ardere în zona focarului la 70-90% din necesar, astfel formarea NOx termic este redusă semnificativ. Restul între 10-30% din necesar este introdus prin porturi suplimentare de aer poziționate în partea superioară a cazanului. Acestea au fost poziționate la cota +15,900 deasupra arzătoarelor de cărbune conform figurii 3.13.

3.13 Poziționarea porturilor suplimentare de aer

Înlocuirea arzătoarelor de sarcină și de susținere cu arzătoare noi LowNOx

Sistemul inițial de ardere pentru a asigura susținerea arzătoarelor de cărbune și cele de sarcină au fost pe păcura. Acestea au fost înlocuite cu arzătoare pe gaz după cum urmează: 4 arzătoare de susținere amplasate la cota 7,9 m cu debit de 530 Nm3/h si 4 arzătoare de sarcina amplasate la cota 10,7 m cu un debit de 800 Nm3/h. Puterea termica realizată în cazul funcționării doar pe gaz natural atinge un procent de 70% din sarcina nominală a cazanului.

Pentru a atinge nivelul de NOx impus, acestea din urmă au fost înlocuite cu arzătoare LowNOx cu o putere termică similară cu cele clasice pentru a asigura sarcina de 70% din sarcina nominală cu principiul de funcționare conform figura 3.14 [6].

3.14 Arzător LowNOx instalat la CET Sud Timișoara A- aer de aprindere; B- aer primar; C- aer secundar

Poziția acestor arzătoare a fost păstrată și nu au fost necesare modificări ale geometriei cazanului sau a modului de funcționare a acestuia.

Din punct de vedere constructiv, arzătorul de gaze naturale cu NOx redus, cu carcasă individuală, este de tip turbionar, cu 2 fluxuri de aer ( aer primar central și aer secundar periferic).

In interiorul tubului de aer central sunt amplasate lăncile de gaz; tot în interiorul tubului de aer central se află amplasată și țeava port-aprinzător în care culisează aprinzătorul electric cu gaz.

In frontul arzătorului, sunt prevăzute atât priza detectorului de flacără cât și vizorul.

Racordul de intrare în arzător a gazului natural este sudat pe cutia de gaz a acestuia.

Modernizarea instalație de ardere cu praf de cărbune

Arzătoarele de cărbune vor fi înlocuite cu arzătoare de același tip dar optimizate pentru funcționare pe diferite concentrații de praf. În componența arzătoarelor de cărbune intră canalele de aer și morile-ciocanele. Acestea au fost confecționate din materiale rezistente la uzură pentru a putea menține o granulație a prafului de cărbune optimă pentru arderea în acest tip de cazan. Dimensiunile constructive, poziția și unghiul de montaj al acestor arzătoare nu a fost modificată pentru a nu influența randamentul cazanului. Pentru a reduce nivelul de NOX din zona arzătoarelor de cărbune acestea au fost proiectate pentru a introduce în partea inferioară o concentrație mai mare de praf de cărbune astfel se creează un mediu mai puțin oxidant cea ce duce la reducerea concentrației de NOx.

Experimentul numeric de modelare a fenomenului de ardere a combustibililor gazoși în cazanul de abur 100t/h de la CET Sud Timișoara

Stabilirea obiectivelor simulării

Lucrarea de fata în acest capitol își propune studiul efectelor înlocuirii arzătoarelor clasice de cărbune cu arzătoare LowNOx pe cazanele de abur 100 t/h aflate în incinta CET Sud Timișoara. În acest scop s-a apelat la programul de simulare Ansys-Fluent aflat în dotarea catedrei de termotehnică din cadrul Facultății de Mecanică [7].

Geometria folosită în cadrul acestor simulări este geometria reală prezentată în capitolele anterioare. Modelarea 3D a cazanului de abur și a arzătoarelor la scară a fost realizată cu ajutorul programului de proiectare Catia V5 pus la dispoziție de ISPE(Institutul de Studii si Proiectări Energetice), societate în cadrul căreia mi-am desfășurat activitatea de proiectant în proiectul de retehnologizare a cazanelor de abur din CET Sud Timișoara. Geometria și dimensiunile arzătorului LowNOx instalat pe cazan au fost preluate din planșele de execuție furnizate de SAACKE.

Pentru a putea avea o imagine asupra influenței înlocuirii arzătoarelor de susținere și sarcină alimentate pe gaz avem nevoie de o cunoaștere cât mai exactă a câmpurilor de temperatură, vitezele din interiorul cazanului și a concentrațiilor din gazele de ardere. Înlocuirea arzătoarelor pe gaz clasice cu cele LowNox pot avea efecte pozitive prin diminuarea concentrațiilor de poluanți dar pot avea și efecte negative. In cazul cazanelor retehnologizate prin înlocuirea arzătoarelor cu arzătoare LowNOx trebuie ținut cont de dimensiunea flăcării, deoarece aceasta este mai lunga ca în cazul arzătoarelor clasice și pot afecta pereți cazanului sau alte component din interiorul cazanului.

Datele de intrare pentru arzătorul LowNOx sunt următoarele [Anexa 1]:

Putere termică 8MW

Combustibil gaz natural

Puterea calorifică inferioară 35600 kj/m3

Debitul maxim 800 Nm3

Presiunea gazului în amonte 400 mbar

Temperatura aerului de ardere 250°C

Arderea s-a făcut conform fișei primită de la furnizorul de echipament cu un exces de aer de 10%.

Discretizarea domeniului de analiza s-a făcut cu elemente hexaedrice specific schemei a doua de discretizare. Cu cât discretizarea este mai fină cu atât rezultatele obținute sunt mai exacte. Discretizarea domeniului a fost făcuta pe doua zone, prima zonă cu o discretizare mai fină este în apropierea arzătoarelor și în zona imediat adiacentă și a doua zonă este interiorul cazanului cu o discretizare mai grosolană. Domeniul modelat și rețeaua este prezentat în figurile 3.15 si 3.16.

Pentru introducere datelor am ales să optăm pentru opțiunea de introduce masică (mass-flow-inlet). În cele ce urmează sunt calculate valorile masice pentru gazul natural.

3.15 Discretizarea cazanului modelat 3D

3.16 Discretizarea mai fina in zona arzătoarelor

Debitul masic se calculează cu relația 3.1:

(kg/s) (3.1)

În care: P =8000 puterea termică a arzătorului instalat (kW)

Hi=35505 Puterea calorifică inferioară a gazului natural (kj/m3N)

Pentru o densitate a gazului de 0.79 kg/m3 obținem o putere calorifică inferioară de 45063 (kj/kg)

În programul de simulare se poate opta și pentru introducere debitului volumic de gaz care se calculează cu relația 3.2:

(kg/mN3) (3.2)

În care rN este densitatea gazului folosit în CET Sud Timișoara și este egal cu 0.79 (kg/mN3) [8].

Pentru debitul volumic de gaz calculat anterior avem nevoie de un volum de aer pentru ardere calculat cu relația 3.3 :

(m3/s) (3.3)

În care λ este coeficientul excesului de aer și este egal cu 1.1, Ta este temperatura de introducere a aerului de ardere (K) si T0 este temperatura de intrare a aerului proaspăt (K).

Toate aceste valori au fost calculate și introduse în program pentru fiecare arzător. Conform specificațiilor producătorului de echipament 80% din aerul necesar arderii este introdus ca aer primar iar restul de 20% este introdus ca aer secundar.

Pentru rezolvarea acestei probleme este necesară folosirea următoarelor modele matematice disponibile în FLUENT[7]:

Bilanțul energetic

Modelul de vâscozitate

Modelul speciilor chimice

Modelul de radiație

Modelul fazelor disperse

Modelul poluanților cu NOx

Proprietățile fizice ale materialelor, combustibil, pereți cazan și aer de ardere

Funcțiile definite de utilizator zonele de introducere, zonele de ieșire, debitele

Metodele de rezolvare a problemei

Datorită geometriei destul de complicate a cazanului analizat simulare în condiții de detaliere 2D nu era posibilă astfel am optat pentru folosirea unui model 3D cu optimea „double precision” pentru rezultate cât mai exacte.

În timpul arderii combustibililor în interiorul focarului se desfășoară reacții cu schimb de energie și variații de temperatură, este necesară folosirea bilanțului energetic.

Modelul de vâscozitate folosit este „k-epsilon realizable” deoarece folosește formule noi fata de cel standard si RNG, iar valorile obținute prin acest model sunt mult mai exacte în cazul simulării arderii[9].

Modelul speciilor chimice PDF folosit „non-premixed combustion” adică atât aerul de ardere cât și gazul folosit vor avea zone distincte de introducere respectiv două faze, faza combustibilă și faza oxidantă.

Pentru un astfel de model de simulare unde avem o fază combustibilă și una oxidantă formula de calcul este scrisa în funcție de concentrațiile masice și se calculează cu relația 3.4:

(3.4)

Pentru combustibilul folosit în aceasta simulare au fost folosite toate speciile chimice din care este format gazul folosit în CET Sud Timișoara.

Modulul de radiației folosit este prin ordonate discretizate (DO), chiar dacă îngreunează convergerea soluției acesta este mai exact decât P-1.

Presiunea de operare introdusă în programul de simulare este cea normală cu o valoare de 101325 Pa.

Rezultatele obținute în urma simulării

În prima fază pentru a obține soluția nu a fost activat modulul poluant NO. Soluția a fost obținuta după o rulare de 2822 de iterații. Pentru a obține stabilitate calculului și satisfacerea cerințelor de convergenta într-un timp mai scurt în primă fază între 0-800 iterații a fost introdus doar aerul de ardere, apoi între 800-2200 a fost introdus doar 10% din combustibil, după ce soluția părea să se stabilizeze am introdus întreaga cantitate de combustibil și aer. În figura 3.17 este prezentată evoluția rezidiurilor.

3.16 Evolutia rezidurilor

În figura 3.17, 3.18 este prezentată introducerea în focar a gazului natural în secțiune transversală prin cazan și prin axul arzătoarelor. Este prezentată doar concentrația masică de metan deoarece acesta în gazul natural folosit are o concentrație de peste 99%.

Se poate observa că arderea metanului este foarte violentă, se desfășoară întru timp relativ scurt și pe o distanță scurtă. Pentru ca simularea fenomenelor din interiorul cazanelor să fie cât mai reală introducerea gazului nu s-a făcut la nivelul fetei interioare a cazanul, aceasta s-a cu ajutorul unei duze de injecție de dimensiune celei reale.

În figura 3.18 se poate observa ca pe aceasta zona nu exista ardere, concentrația de metan, zona roșie este de 100% iar aprinderea se face la nivelul feței interioare a cazanului în contact cu faza oxidantă.

3.17 Concentrația masică a gazului 3.18 Concentrația masică a gazului

Secțiune transversală în cazan[%] secțiune prin axul arzătorului[%]

În figura 3.19 se prezintă temperaturile din cazan

3.19 Temperaturile din cazan în cazul funcționarii pe gaz

Cunoașterea temperaturilor din cazan este foarte importantă în determinare soluțiilor de reducere a poluanților. Se poate observa traiectoria ascendentă a gazelor de ardere încinse. În secțiunile orizontale și verticale prezentate în figura 3.20 putem observa că flacăra arzătoarelor are lungimea ideală și nu periclitează integritatea componentelor cazanului. În secțiunea verticală se observă o alta problemă ce poate apare în urma acestor retehnologizări, este autodistrugerea arzătoarelor. În urma acestor simulări se poate observa că flacăra arzătoarelor puse fată în fată se unesc în centrul cazanului și apoi au o traiectorie ascendentă.

Temperaturile atinse în cazan în urma retehnologizării arzătoarelor pe gaz prin montarea arzătoarelor LowNOx pot îndeplini, atinge valoare de 70% din sarcina nominală a cazanului în funcționarea pe combustibil solid.

3.20 Temperaturile din cazan în cazul funcționarii pe gaz secțiune verticală și orizontală

În secțiunile din figura 3.20 se observă că în zona superioară a cazanului în care se pot monta lăncile de injecție ale agentului de reducere fără a fi afectate de flacăra arzătoarelor, temperatura este situata în intervalul 650÷900 °C. Literatura de specialitate și experimentele atât teoretice cât și practice au demonstrat că temperatura minimă optimă pentru injecția agentului de reducere în cazul instalației de SNCR este de peste 850÷900 °C. Instalația de SNCR montată pe cazanul analizat este strict funcțională doar în cazul funcționării cazanului pe combustibil solid.

3.21 Viitezele în cazan secțiune orizontală si verticală prin arzătoarele de gaz [m/s]

Pentru a putea avea o viziune asupra proceselor ce au loc în interiorul cazanului avem nevoie de câmpul de viteze din figura 3.20, traiectoria particulelor pentru a putea determina soluția adecvată pentru reducerea poluanților în urma arderii a combustibililor în termocentralele din România.

În continuare sunt prezentate concentrațiile produselor arderii obținute În urma simulării În ordinea O2, CO2, N2, H2O,O2, H2O.

Ca primă componentă analizată este concentrația de oxigen. Cantitatea de oxigen rămasă în urma arderii este foarte importanta deoarece principali poluanți se formează în prezenta oxigenului.

3.22 Concentrația molara de O2 [%]

Daca facem o comparație între concentrația molară de O2 obținută în urma simulării cu un λ=1.1 din figura 3.22 și valorile calculate global în tabelul din Anexa 2 observăm că valorile sunt aproximativ egale.

Următoarea componentă analizată și una din probleme actuale de mediu ce se urmărește a se rezolva în perioada următoare sunt concentrațiile de CO2.

3.23 Concentrația molara de CO2[%]

Daca facem o comparație între concentrația de CO2 la ieșirea din zona focarului în urma simulării cu un λ=1.1 și valorile rezultate în urma unui calcul global prezentate in tabelul din Anexa 2, observăm ca cele două valori sunt aproximativ egale. În cazul simulării am obținut o valoare între 8.47% ÷8.94% iar din calcul este obținută o valoare de 8.59%.

Concentrațiile de N2 sunt prezentate în figura 3.24.

Din figura 3.24 se poate observa că concentrația de azot la ieșirea din cazan este între 71% ÷ 75%, valori aproximativ egale cu cele din tabelul obținute în urma calculului global de 71,09%.

3.24 Concentrația molara de N2[%]

Concentrația de H2o obținută în urma simulării este prezentată în figura 3.25.

3.25 Concentrația molara de H2O[%]

Se poate observa o cantitate destul de mare de apa în componenta gazelor de ardere între 17.9% ÷ 18.8%. Comparând valorile obținute în urma simulării cu valoarea obținută în urma calculului de 18.6% observăm o diferență foarte mică între cele două valori.

Ținând cont de rezultatele obținute și prezentate în figurile de mai sus am trecut la simularea arderii cu modelul NOX . După 500 de iterații am obținut convergența soluției cu rezultatele prezentate în figura 3.26.

3.26 Concentrația molara de NO[%]

În figura 3.26 se poate observa concentrația molară de NO în interiorul cazanului, zonele în care N oxidează și formează NO. În cazul de fata au fost luate în considerare toate cele 3 mecanisme de formare a oxizilor de azot.

Pentru că programul folosit pentru simulare nu este setat sa arate concentrația de NO in ppm (parts per milion), am creat o formula din fereastra „custom field function calculator” conform figura 3.27. Formula folosită pentru a transforma în ppm este următoarea[10]:

NO ppm= NO mole fraction x 106 (3.5)

1-H2O mole fraction

3.27 Concentrația molara de NO[%]

Ținta noastră este de a obține o reducere a emisiei de NOX la 200 mg/mN3 în gazele de ardere uscate (3% O2) la sarcină maximă continuă de 80t/h, funcționând exclusiv pe gaz natural.

În figura 3.28 sunt prezentate valorile de NO în mg/mN3.

3.27 Concentrația de NOx în interiorul și la ieșirea din cazan [mg/mN3]

Concluziile finale în urma acestor simulări sunt prezentate în capitolele următoare Concluzii și Validarea rezultatelor.

Experimentul numeric de modelare a fenomenului de ardere a combustibilului solid în cazanul de abur 100t/h de la CET Sud Timișoara

Stabilirea obiectivelor simulării

În acest subcapitol se va prezenta studiul privind arderea combustibililor solizi În cazanul de 100 t/h aflat În incinta CET Sud Timișoara. Modelarea are ca obiectiv studiul determinarea cantității de NOx generată în timpul funcționarii pe combustibil solid, determinarea zonelor în care injecția de uree a instalației SNCR să fie montate, concentrațiile chimice pe diferite nivele în cazan și zonele de formare a principalilor poluanți în special NO.

În aceasta teza este tratată simularea cazanului cu dimensiunile și detaliile tehnice după retehnologizarea acestuia în perioada 2012-2015.

Dimensiunile de gabarit ale domeniului de analiză sunt prezentate în figura 3.28 și sunt exprimate în mm. Cu 1 au fost notate arzătoare pe gaz iar cu 2 sunt notate arzătoarele pe cărbune.

3.28 Dimensiunile de gabarit ale domeniului de analiză

Se poate observa că geometria acestui cazan este sub forma literei M, asta datorită parametrilor scăzuți ai aburului produs, a fost necesară montarea unui fascicol fierbător la ieșirea din cazan[11].

Cazanul este echipat cu 4 arzătoare noi pe cărbune poziționate de la cota 7.900 mm. Datorită formei sub forma de M a cazanului în partea din spate nu au fost posibilă amplasarea arzătoarelor, astfel pe fata cazanului au fost amplasate 2 arzătoare. Aceste arzătoare sunt poziționate sub diferite unghiuri pentru ca axele lor sa fie tangente la un cerc de 750 mm. Acest montaj are rolul de a crea un turbion vertical specific arzătoarelor de cărbune. În figura 3.2 am prezentat poziționarea arzătoarelor, unghiurile de montaj ale acestor și diametrul cercului la care aceste sunt tangente. Pentru a obține turbionul dorit arzătoarele au fost rotite în plan orizontal după cum urmează arzătorul din dreapta a fost rotit cu 35.4°, cel din stânga cu 23.1°, cel din stânga-față cu 23.1° iar cel din dreapta-față cu 35.4.

În plan vertical acestea au fost rotite cu 15° conform figura 3.3. Această amplasare are rolul de a direcționa combustibilul în zona de ardere a cazanului pentru a evita transportul acestuia de gazele arse spre ieșirea din cazan.

În această situație pentru a putea obține o simulare a arderii cărbunelui cel mai adecvat model dintre cele disponibile în FLUENT este modelul fracției amestecului (PDF).

Pentru a putea folosi acest model avem nevoie de două faze: una combustibilă în cazul nostru praful de cărbune și una oxidantă în acest caz aerul de ardere.

Pe modelul 3D detaliat cu ajutorul programului Catia și studiat în capitolul anterior privind arderea combustibilului gazos, au fost poziționate și detaliate arzătoarele de cărbune conform dimensiunilor din desenele de detaliu prezentate anterior în figurile 3.2 si 3.3.

Ca și în cazul precedent discretizare a fost făcută pe mai multe dimensiuni. Interiorul cazanului o discretizarea mai grosieră iar în zonele de injecție a combustibilului si aerului de ardere, porturilor suplimentare de aer și în zonele de injecție cu uree mai fină pentru ca rezultate obținute în aceste zone să fie cât mai exacte, conform figura 3.29.

.

Fig. 3.29 Discretizarea cazanului în cazul simulării arderii combustibililor solizi

Modelele folosite în cazul acestor simulări sunt următoarele:

Modelul PDF ce impune și solverul folosit cel segregat

Modelul 3D datorita complexității geometriei

Modelul calculului bilanțului energetic deoarece toate fenomenele din interiorul cazanului se desfășoară cu schimb de energie

Modelul de vâscozitate folosit a fost cel K-ε realizabil, acesta este impus de utilizarea modelului PDF.

Modelul radiației folosit a fost cel al ordonatelor discrete (DO)

Modelul fazelor discrete este obligatoriu in simularea arderii cărbunelui, deoarece acesta este introdus in cazan in faza pulverizata cu ajutorul injecțiilor.

Pentru a obține convergenta soluției in timp mai scurt, modelul poluanților nu a fost activat in prima faza. Duca ce am obținut valorile compușilor din gazele de ardere, modelul NOx a fost activat.

In cazul simulării arderii in vedere obținerii concentrațiilor poluantului NOx sunt necesare un număr minim de specii prezentate în tabelul 3.2 din anexa 3[11].

Presiunea de operare folosită a fost presiunea normală de 101325 Pa, proprietățile fizice ale aerului au fost păstrate cele din baza de date Fluent, iar proprietățile fizice ale cărbunelui au fost definite folosind compoziția cărbunelui folosit în cazanul existent.

Introducere injecție de combustibil

Intrările de combustibil în această situație este tratată în modelul fazelor discrete prin care cărbunele este introdus sub formă de praf prin injecție. Fetele de intrare a celor trei zone de injecție a combustibilului din componenta arzătorului au fost setate individual. Astfel fiecare arzător a primit următoarele caracteristici: grup de injecție, tipul particulelor este de tip combustibil, materialul folosit este cel calculat in modelul PDF, speciile oxidante O2, distribuția diametrelor Rosin-Rammle. Pentru a avea o traiectorie cat mai exacta a particulelor de combustibil am folosit opțiunea de injectare folosind direcția fetei de injecție, iar debitul de cărbune folosit pe fiecare punct de injecție a fost cel calculat in formula 3.11.

Compozitia combustibilului

Compoziția elementara a cărbunelui folosit în cazanele din CET Sud Timișoara din fișa de analiză sunt următoarele: Ai =16,3 [%] – cenușă; Ci=25,1 [%] – carbon, H2i=2,1 [%] – hidrogen; Si=1,5 [%] – sulf; O2i=11,1 [%] – oxigen; N2i=0,7 [%] – azot; Wti=43,2 – umiditate;

În cazul folosirii cărbunelui în calitate de combustibil, datele de intrare pentru calcul PDF trebuie sa fie recalculate pentru masa combustibilă.

Coeficientul de recalculare pentru masa combustibilă este obținut cu ajutorul formulei 3.6.

Calculul masei combustibile corespunzător coeficientului de recalculare și a compoziție chimice elementare sunt prezentate în tabelul 3.3.

Tabel 3.3 Calculul compoziției molare a masei combustibile

Puterea calorifică inferioară măsurata în timpul analizelor efectuate este de Hi =7,30 MJ/kg.

Puterea calorifica superioară raportată la masa și calitatea cărbunelui livrat se poate calcula cu formula 3.7:

Puterea calorifica superioară raportată la masa combustibilă se calculează cu formula 3.8:

Puterea calorifica inferioara este obținuta cu ajutorul puterii calorifice superiore, si este calculata cu formula 3.9:

În literatura de specialitate capacitatea termica masică a cărbunelui folosit în termocentralele din România este[12]:

Calculul debitului de cărbune pe punct de injecție

Debitul de cărbune raportat la masa inițiala este de B=43400 kg/h. Pentru introducerea debitului de cărbune în programul de simulare avem nevoie de debitul de cărbune in kg/s. Unde B=12.055 kg/s.

Debitul de cărbune pe arzător este debitul total de cărbune împărțit la numărul de arzătoare, in cazul nostru 4.

In programul FLUENT este introdus debitul de cărbune raportat la masa combustibila. Acesta se calculează cu formula 3.11:

Fiecare zona de injecție a fost numerotată si tratată individual. Pe un arzător avem 3 zone de injecție astfel ca debitul de cărbune pe zona de injecție este de 0.40 kg/s.

Calculul debitului de aer pe punctul de injecție

In acest subcapitol este prezentat calcul necesarului de aer pentru arderea cărbunelui, în cazul acestei simulări acesta va fi folosit ca fază oxidantă.

Coeficientul de exces de aer admis in cazul arderii combustibililor solizi este λ=1,2.

În cazul arderii cărbunelui, oxigenul minim necesar arderii este calculat cu formula 3.12:

(3.12)

Aerul minim necesar arderii unui kg de cărbune folosit în cazanul analizat este calculat cu formula 3.13:

(3.13)

Debitul de aer necesar pe arzător în cazul nostru ce trebuie introdus în program este calculat în formula 3.14:

(3.14)

Debitul de aer necesar arderii pe arzător a fost repartizat astfel: aer primar 20% unde Vap=1.78 mN3/s si aer secundar 80% din total Vas=7.15 mN3/s. Prin zona din mijloc a arzătorului se introduce mediul din moară format din aerul primar și praful de cărbune la temperatura de 160°C. În partea inferioară si superioară a a fiecărui arzator cate o fantă prin care se introduce aerul secundar cel oxidant la o temperatură de 300°C.

Aerul primar de ardere a fost împărțit și distribuit pe cele trei zone de injecție cărbune.

Aerul secundar a fost împărțit si distribuit pe cele 6 zone de introducere aer secundar conform detaliilor de execuție ale arzătorului montat după retehnologizare.

Rezultatele obținute in urma simularii arderii combustibililor solizi in cazanul de 100t/h fără metodele de reducere NOx activate

Simularea a fost făcuta în condițiile în care cazanul este la sarcina de 100% si sunt în funcțiune toate arzătoarele pe cărbune. În prima faza am rulat cazanul în condiții de funcționare la sarcina norma si fără instalațiile de reducere NOx.

Au fost luate in considerare toate cele 5 ieșiri. Ieșirea principala este considerată secțiunea prin care gazele arse merg la coșul de fum în procent de 88% Restul de 12% este distribuit prin zonele in care se face recircularea gazelor, 3% pe fiecare zona[13]. Temperatura pereților a fost setata la 230°C.

Cunoscând geometria exacta a cazanului și a componentelor acestuia intrările în program au fost considerate masice. Astfel vitezele și traiectoriile în interiorul cazanului au fost obținute și sunt este prezentate în figura 3.30 și 3.31.

Fig. 3.30 Câmpul vitezelor în cazul simulării arderii combustibililor solizi secțiune verticală prin ax cazan [m/s]

In secțiune transversală se poate observa ca geometria arzătoarelor impun o traiectorie descendenta prafului de cărbune spre zona de flecarii. In zona superioara a cazanul postcombustie se poate observa ca gazele arse sunt direcționate spre ieșirile din cazan.

In secțiunea orizontala la cota +9,00 m figura 3.32 se poate observa ca centrul câmpului vitezei nu este în axul cazanului, acesta are tendința de a se deplasa către spatele cazanului.

Fig. 3.31 Câmpul vitezelor in cazul simulării arderii combustibililor solizi secțiune orizontală cota 7,00 ; 9,00; 14,00 și cota 17,00 [m/s]

Fig. 3.32 Câmpul vitezelor cota 9,00 [m/s]

Unul din cele mai importante rezultate urmărit a fi obținut în cadrul acestei teze este temperatura în interiorul cazanului pe diferite nivele. Aceste rezultate sunt urmărite de ingineri de specialitate pentru a putea determina cea mai buna soluție de reducere a compușilor poluanți.

În figura 3.33 este prezentată temperatura în interiorul cazanului în secțiune verticală prin axul arzătoarelor. Se observa că timpul de aprindere al prafului de cărbune este foarte scurt, aprinderea lui se face în apropierea arzătorului la 10÷20 cm , la o distanta suficientă pentru a nu pune în pericol autoaprinderea mediului din moară.

Fig. 3.33 Temperatura in interiorul cazanului secțiune verticală prin arzătoarele de cărbune fără metode de reducere [°C]

În figura 3.34 sunt prezentate temperaturile în secțiune orizontală pe diferite nivele. Din aceasta figură și din figurile 3.31 si 3.32 putem observa că flacăra de la arzătoarele de cărbune este direcționata spre pereți cazanului și se formează acel inel de foc cu centrul în axul cazanului.

Poziționarea arzătoarelor datorită lipsei de spațiu din spatele cazanului și vitezele din interiorul cazanului împing acest inel de foc din centrul cazanului spre spatele cazanului.

Nu este obiectivul acestei teze de a centra flacăra în interiorul cazanului, dar aceasta se poate face prin simulări repetate la diferite unghiuri ale arzătoarelor.

Fig. 3.34 Temperatura in interiorul cazanului secțiune orizontală

cotele 7,00 ; 9,00; 14,00; 17,00 fără metode de reducere [°C]

În figura 3.35 sunt prezentate concentrațiile molare de CO2 unul din cele mai importante gaze cu efect de sera formate în urma arderii care se urmăresc a fi captate sau reduse în viitorul apropiat.

Din figurile 3.33, 3.34 si 3. 35 poate observa ca formare CO2 are loc în zonele laterale ale cazanului, în zona cu temperatura cea mai înalta.

Este foarte important de știut comportamentul acestor gaze, zonele de formarea si traiectoria acestora. După aceasta retehnologizare la termocentrala analizată este singura problema de mediu rămasă de rezolvat în viitorul apropiat. Cu cât știm mai multe despre fenomenele ce au loc în interiorul cazanului cu atât soluțiile adoptate pot fi mai eficiente.

În figurile 3.35, 3.36, 3.37, 3.38 sunt prezentate concentrațiile molare ale principalilor compuși din gazele de ardere.

Fig. 3.35 Concentrația molara de CO2 secțiune transversală prin arzătoare si secțiune orizontala cota + 9,00 [%]

Fig. 3.36 Concentrația molara de O2 secțiune transversala pin arzătoare si secțiune orizontală cota + 9,00 [%]

Fig. 3.37 Concentrația molara de N2 secțiune transversală pin arzătoare si secțiune orizontală cota + 9,00 [%]

Fig. 3.38 Concentrația molara de H2O secțiune transversala pin arzătoare si secțiune orizontală cota + 9,00 [%]

Aceasta teza urmărește obținerea concentrației de NOx și înlăturarea ei cu ajutorul metodelor primare și secundare de reducere, prin simularea reacțiilor din interiorul cazanului cu ajutorul programului FLUENT. Astfel principali compuși urmăriți în urma acestor simulări sunt compuși de NO si HCN. Concentrațiile molare ale acestora sunt prezentate in figurile 3.39, 3.40

Fig. 3.39 Concentrația de NO Fig. 3.40 Concentrația de NO

secțiune transversală [mg/mN3] secțiune longitudinala [mg/mN3]

În figura 3.41 sunt prezentate concentrațiile de NO pe diferite nivele în interiorul cazanului.

Cu ajutorul concentrațiilor de NO și cu temperaturile din cazan obținute anterior, prin suprapunerea lor putem identifica cotele la care injecția de uree este ideală.

Aceste concentrații sunt exprimate în mg/mN3 si sunt obținute în cazul funcționarii la regim de sarcină nominală și cu toate cele 4 arzătoare în funcțiune.

In figura 3.42 sunt prezentate concentrațiile de NOX la ieșirea din cazan.

Valorile din partea inferioară a figurii care ne interesează din punctul de vedere al mediului, deoarece aceste concentrații sunt înregistrate si trimise către autoritatea de mediu.

Se poate observa ca valorile înregistrate în aceasta secțiune ating un maxim de 840 [mg/mN3]. In literatura de speciale in cazul arderii combustibililor solizi ca în cazul nostru cărbune cu concentrație mare de balast sunt prezentate valori între 400÷800 [mg/mN3][14].

Fig. 3.41 Concentrația de NO secțiune orizontală

cotele 7,00 ; 9,00; 14,00; 17,00 [mg/mN3]

Fig. 3.42 Concentrația de NO secțiune orizontală cota 17,00 [mg/mN3]

În figura 3.43 sunt prezentate concentrațiile de HCN. Se observă concentrații mai mari în zona de intrare în cazan și în zona de devolatizare dar per total concentrațiile sunt destul de mici.

Fig. 3.42 Concentrația de HCN în interiorul cazanului [mg/mN3]

Rezultatele obținute în urma simulării arderii combustibililor solizi în cazanul de 100t/h cu metodele de reducere NOx activate

După obținerea concentrațiilor principalilor compuși chimici obținuți în urma arderii combustiilor solizi, concentrațiile poluanților ce ne interesează și câmpurile de temperatură ne propunem introducerea metodelor de reduce a concentrațiilor de NOx.

Astfel au fost activate porturile pentru injecția de aer suplimentar de ardere si lăncile de injecție uree în interiorul cazanului. Debitul de aer secundar și primar introdus în cazan în zona arzătorului a fost redus la 80% din debitul total necesar arderii. Restul de 20% o fost introdus prin porturile pentru injecția aerului suplimentar.

Datorita variației de sarcină termică a cazanului ce produce modificări regimului temperaturii în interiorul lui, am ales sa activăm ambele nivele de injecție a agentului reducător si am reglat treptat cantitatea de uree injectata astfel încât să nu depășim valoarea limită de amoniac impusa la ieșirea din cazan.

Consumurile de materiale si energetice pentru SNCR sunt:

Tabel 3.4 Calculul compoziției molare a masei combustibile

În figura 3.43 este prezentat câmpul vitezelor în interiorul cazanului. Se poate observa o scădere a vitezelor in zona arzătoarelor de cărbune și o creștere a vitezelor în zona post ardere unde introducem aerul suplimentar de ardere. Pentru a putea observa schimbările de viteze în interiorul cazanului au fost create câmpurile pe diferite cote, aceleași cote ca și în cazul simulării anterioare a cazanului fără metode de reducere NOx prezentate în figura 3.44.

De-asemenea se poate observa ca turbionul format în apropierea axului cazanului nu prezintă modificări substanțiale.

În figurile 3.45 si 3.46 sunt prezentate temperaturile în interiorul cazanului. Acestea prezintă modificări semnificative prin reducere temperaturii în zona arzătoarelor de cărbune și o creștere a temperaturilor în zona de post ardere, unde este introdus aerul suplimentar de ardere.

Este foarte important de știut temperaturile din interiorul cazanului pe diferite nivele în urma reducerii aerului de ardere din zona arzătoarelor și introducerea lui la o cota superioară, pentru a determina zona ideală de montare a injectoarelor de uree. Pentru a avea o idee asupra modificărilor apărute am rulat programul doar cu porturile suplimentare de ardere activate fără injecția de uree și am obținut valorile din figurile 3.47, 3.48.

Fig. 3.43 Câmpul vitezelor în cazul simulării arderii combustibililor solizi secțiune verticală prin ax cazan [m/s]

Fig. 3.44 Câmpul vitezelor în cazul simulării arderii combustibililor solizi secțiune orizontală cota 7,00 ; 9,00; 14,00 și cota 17,00 [m/s]

Fig. 3.45 Temperatura în interiorul cazanului secțiune verticală prin arzătoarele de cărbune cu metodele de reducere active [°C]

Fig. 3.46 Temperatura în interiorul cazanului în cazul simulării arderii combustibililor solizi secțiune orizontală cota 7,00 ; 9,00; 14,00 și cota 17,00 cu metodele de reducere active [°C]

Fig. 3.47 Temperatura în interiorul cazanului secțiune verticală prin arzătoarele de cărbune in cazul funcționarii doar cu porturi suplimentare de aer[°C]

Fig. 3.48 Temperatura în interiorul cazanului în cazul funcționarii doar cu porturi suplimentare de aer secțiune orizontală cota 7,00 ; 9,00; 14,00 și cota 17,00 [°C]

In figurile următoare sunt prezentate concentrațiile principalilor compuși chimici rezultați în urma arderii combustibililor solizi în cazanul analizat în cazul în care metodele de reducere NOx sunt activate.

Fig. 3.49 Concentrația molara de CO2 secțiune transversală prin arzătoare si secțiune orizontala cota + 9,00 in cazul funcționarii cu metodele de reducere active [%]

Fig. 3.50 Concentrația molara de O2 secțiune transversala pin arzătoare si secțiune orizontală cota + 9,00 in cazul funcționarii doar cu metodele de reducere active [%]

Fig. 3.51 Concentrația molara de N2 secțiune transversală pin arzătoare si secțiune orizontală cota + 9,00 in cazul funcționarii doar cu metodele de reducere active [%]

Fig. 3.52 Concentrația molara de H2O secțiune transversala pin arzătoare si secțiune orizontală cota + 9,00 in cazul funcționarii cu metodele de reducere active [%]

Următoarele rezultate obținute sunt cele mai importante deoarece aceasta teza urmărește obținerea concentrației de NOx și înlăturarea ei cu ajutorul metodelor primare și secundare de reducere, prin simularea reacțiilor din interiorul cazanului cu ajutorul programului FLUENT. Astfel principali compuși urmăriți în urma acestor simulări sunt compuși de NO si HCN. Concentrațiile molare ale acestora sunt prezentate in figurile 3.53, 3.54

Fig. 3.53 Concentrația de NO secțiune Fig. 3.54 Concentrația de NO secțiune

transversală cu OAP si SNCR [mg/mN3] longitudinala OAP si SNCR [mg/mN3]

În figura 3.55 sunt prezentate concentrațiile de NO pe diferite nivele în interiorul cazanului.

Aceste concentrații sunt exprimate în mg/mN3 si sunt obținute în cazul funcționarii la regim de sarcină nominală și cu toate cele 4 arzătoare în funcțiune si cu metodele de reducere a concentrațiilor de NOx activate.

In figura 3.56 sunt prezentate concentrațiile de NOX la ieșirea din cazan.

Valorile din partea inferioară a figurii care ne interesează din punctul de vedere al mediului și sunt cele urmărite a fi obținute în cadrul acestei teze.

Se poate observa ca valorile înregistrate în aceasta secțiune ating un maxim de 276 [mg/mN3]. Pe secțiunea de ieșire predominat este valoare concentrațiilor de NOx cuprinsa intre 69÷138 [mg/mN3].

Daca facem medie între concentrațiile obținute la ieșirea din cazan putem observa că concentrațiile de NOx sunt sub limita impusa și limita țintă pe care ne dorim să o atingem.

O comparație între valorile obținute în cazul funcționarii exclusiv pe cărbune și funcționarea pe cărbune cu metodele de reducere activate sunt prezentate în capitolele următoare Concluzii finale și validarea rezultatelor.

Fig. 3.55 Concentrația de NO secțiune orizontală cu metodele de reducere active

cotele 7,00 ; 9,00; 14,00; 17,00 [mg/mN3]

Fig. 3.56 Concentrația de NO secțiune orizontală cu metodele de reducere active cota 17,00 [mg/mN3]

O componentă chimică ce a fost urmărita în permanentă este cantitatea de amoniac din componenta gazelor de ardere la ieșirea spre coșul de fum.

Aceasta eliminata în atmosfera poate fi la fel de dăunătoare ca și compuși de NOx. În urma rulărilor am verificat care este cantitatea ideală de injecție astfel încât concentrațiile de NOx sa fie sub valoare de 200 [mg/mN3] condiționate și de valoare impusă a concentrațiilor de amoniac sub 200 [mg/mN3]. În figura 3.57 sunt prezentate concentrațiile de NH3 în interiorul cazanului în cazul funcționarii cu OAP și injecție de uree.

Fig. 3.57 Concentrația de NH3 secțiune orizontală cu metodele de reducere active cota 17,00 [mg/mN3]

Determinarea emisiilor si imisiilor în urma fenomenului de ardere a combustibilului solid în cazanul de abur 100t/h de la CET Sud Timișoara

Pentru a putea determina efectul acestor retehnologizări asupra mediului înconjurător au fost efectuate maturatori reale la nivelul coșului de fum înainte si după retehnologizare în perioada de funcționare a cazanului la regim nominal. Au fost efectuate maturatori zilnice ale concentrațiilor la nivelul coșului de fum în luna ianuarie 2016.

Valorile obținute în urma măsurătorilor după retehnologizare cazanelor sunt prezentate în tabelul 3.5:

Tabel 3.5 Maturatori zilnice ale concentrațiilor SO2, NOx, pulberi la CET Sud – IMA6 în luna ianuarie 2016

Se poate observa concentrațiile de NOx care se situează sub valoarea de 200 mg/mN3.

Media lunară a concentrațiilor de NOx după retehnologizarea cazanelor este de 169.93 mg/mN3, sub valoarea limită acceptata de autoritatea de mediu în urma directivelor și tratatelor semnate cu UE.

In tabelul următor 3.6 sunt prezentate măsurătorile reale ale concentrațiilor înainte de retehnologizare în anul 2012. Aceste măsurători au fost puse la dispoziție de personalul din cadrul departamentului de mediu cu acordul conducerii SC Colterm SA.

Tabel 3.6 Media lunară a concentrațiilor SO2, NOx, pulberi la CET Sud – IMA6 în luna ianuarie-aprilie 2012

Comparând cele două tabele se observa diminuarea concentrațiilor de NOx de la o medie de 440÷450 mg/mN3 in anul 2012 la o concentrație de 170 mg/mN3. Capacitatea de readucere a instalațiilor noi sau modificate în urma retehnologizării este de 62%.

Pentru a putea determina concentrațiile imisiilor de la CET Sud Timișoara am folosit programul Aermod aflat în dotatoarea catedrei de termotehnică din cadrul Facultății de Mecanica. Acest program de modelare a dispersiilor este produs sub licența Lakes Environmental și înglobează cele trei module anterioare dezvoltate separat ISCST3, ISC-Prime si Aermod. Aermod este dezvoltat de Agenția de Protecția Mediului Statele Unite (US EPA) și este foarte apreciat pe plan mondial [7].

Principalele date de intrare în acest program sunt datele meteo: direcția și viteza vanturilor, temperatura ambiantă, nivelul de acoperire cu nori, înălțimea plafonului de nori, înălțimea coșului de fum, viteza gazelor arse, concentrațiile poluanților din gazele arse, temperatura din gazele arse, debitul de gaze arse. Toate aceste valori se regăsesc în tabele 3,5 si 3,6.

În prezentul studiu au fost necesare datele meteo din luna ianuarie a anului 2012, acestea au fost preluate din baza de date online site-ului https://www.wunderground.com. Datele au fost monitorizate la stația meteo din zona aeroportului din Timișoara. Aceste date au fost preluate orar și introduse în programul Aermod. Cu ajutorul procesorului integrat WRPLOT View a fost obținută roza vântului din figura 3.58 [15].

Se observă din roza vanturilor pe luna ianuarie a anului 2012 că principala direcție din care bate vântul este sud, iar vitezele cu cea mai mare frecventă sunt cele peste 11 m/s.

Cu scopul de a compara rezultatele obținute înainte de retehnologizare și după s-au utilizat si datele meteo din luna ianuarie a anului 2016 care au fost preluate din aceeași sursă ca și cele din 2012. Acestea au fost preluate și introduse în program orar obținându-se roza vântului din figura 3.59. Se observă din roza vanturilor pe luna ianuarie anul 2016 ca principala direcție din care bate vântul este sud-vest, iar vitezele cu cea mai mare frecventă sunt cele peste 11 m/s.

Datele meteo introduse în program atât pentru anul 2012 cât si pentru anul 2016 se regăsesc în anexă.

Fig. 3.58 Frecventa, direcția si viteza vântului in luna ianuarie 2012 [%]

Fig. 3.58 Frecventa, direcția si viteza vântului in luna ianuarie 2016 [%]

Următorul pas în determinare concentrațiilor de NOx din zona metropolitană Timișoara a fost introducerea emisiilor poluanților. În programul de simulare cantitatea de poluant la sursă este introdusă în g/s, astfel este foarte important de știut debitul de gaze arse la coșul de fum.

Sursa de poluare a fost selectată din meniu ca fiind o sursă punctuală, a fost definită înălțimea la care se face eliberarea în atmosfera a gazelor arse, în cazul nostru ieșirea din coșul de fum situat la cota +70,00 m și diametrul coșului de fum la ieșire.

Viteza medie a gazelor arse a fost introdusă în ambele cazuri media vitezelor 3,7 m/s conform datelor măsurate la nivelul coșului de fum.

Receptori au fost considerați ființele umane, astfel am setat ca înălțimea de înregistrare a concentrației de poluant să fie la 1,5 m fată de sol. A fost folosit un grid de 900 de receptori pentru rezultate cât mai exacte.

Au fost stabilite trei puncte importante din Timișoara pentru a compara concentrațiile poluanților înainte și după retehnologizare. Aceste puncte sunt următoarele: 1. Stația de măsura din zona Ana Ipătescu poziționata la o distanta de 2200 ml; 2. Piața Unirii poziționată la o distantă de 6000 ml; Zona de periferie , zona Pădurea Verde la o distanta de 9000 ml.

În figura 3.59 se pot observa punctele monitorizate.

Fig. 3.59 Zonele de monitorizare si comparație

Cel mai important punct de măsură este stația de monitorizare din intersecția Calea Șagului cu Str. Ana Ipătescu, din aceasta zona pot fi preluate de pe site-ul Agenției de Mediu mediile lunare ale poluanților măsurate în această zonă. Cu ajutorul acestor date putem determina care este procentul de poluant generat de termocentrala CET Sud din concentrația totală a poluanților măsurata în această zonă.

Acest studiu are rolul de a determina zonele intens poluate ale municipiului Timișoara de către emisiile generate de CET Sud Timișoara și compararea concentrațiilor înainte și după retehnologizarea cazanelor

În figura 3.60 sunt prezentate concentrațiile de NOx și dispersia lor asupra zonei metropolitane Timișoara în anul 2012.

Fig. 3.60 Dispersia oxizilor de azot în anul 2012 [mg/mN3]

Așa cum se poate deduce din figura 3.60 concentrația maximă obținută este în jurul sursei la o distanta cuprinsă intre 200÷3000 ml și are o valori între 20÷28.1 mg//mN3. Se observă o tendința a deplasării concentrațiilor de poluant către nordul municipiului Timișoara.

Este de menționat că la nivelul anului 2012 în zona stației de măsura TM-1 de la intersecția Calea Șagului cu Str. Ana Ipătescu au fost înregistrate valori maxima orare ale concentrațiilor de NOx în jurul valorii de 165.37 mg//mN3 conform tabelului 3.7 cu valorile extrase din raportul Agenției de Mediu Timiș [16].

Tabel 3.7 Maxima orară măsurata la stația TM1 din intersecția Calea Șagului cu Ana Ipătescu

Fig. 3.61 Dispersia oxizilor de azot în anul 2016 [mg/mN3]

Concentrația maximă este obținută în apropierea sursei la o distantă de 200÷800 ml și are valori intre 10÷12.9 mg//mN3. Se observă o distribuție asemănătoare a concentrațiilor de NOx cu o tendința de deplasare în partea de nord a orașului.

Pentru a determina o concentrație cât mai exactă în cele trei puncte propuse de analizat a fost folosită opțiunea „Cross section tool” ce permite trasarea unei diagrame în lungul unei axe trasate de noi.

Din figura 3.62 putem deduce că în primul punct monitorizat stația TM-1 concentrația se înregistrează o valoare de ≈12 mg//mN3. Astfel putem deduce că din concentrația maxima orară măsurată în anul 2012 doar un procent de 7,25% este generată de emisiile de poluant produse în urma arderii combustibililor în CET Sud Timișoara.

În următorul punct monitorizat centrul istoric al orașului concentrația de NOx obținută cu ajutorul programului de modelare a dispersiilor în anul 2012 este puțin peste 2,5 mg//mN3. În zona cea mai îndepărtată față de sursa de poluare zona Pădurea Verde au fost obținute valori între 0,6÷1 mg//mN3.

Fig. 3.62 Dispersia oxizilor de azot în anul 2012 prin axa celor 3 puncte [mg/mN3]

Fig. 3.63 Dispersia oxizilor de azot în anul 2016 prin axa celor 3 puncte [mg/mN3]

În figura 3.63 sunt prezentate concentrațiile de poluant NOx din anul 2016 în cele 3 puncte analizate. Astfel în primul punct intersecția Calea Șagului cu Ana Ipătescu, statia TM-1 concentrația de NOx obținută prin simularea dispersiilor are o valoare de ≈2,5 mg//mN3. În zona centrului istoric al orașului sunt obținute valori de aproximativ 0,5 mg//mN3, iar zona Pădurea Verde sunt obținute valori între 0,3÷0,5 mg//mN3.

Comparând cele două figuri 3.62, 3.63 și valorile obținute din acestea am dedus ca concentrația de NOx generată de CET Sud Timișoara în anul 2016 după retehnologizare fată de concentrația de NOx din anul 2012 în primul punct monitorizat și în centrul istoric este cu aproape 80% mai mică. În zona Pădurea Verde se observă o reducerea a concentrațiilor de NOx cu 50%.

În figurile 3.64 si 3.65 sunt prezentate rezultatele obținute în urma simulării dispersiei concentrațiilor poluanților S02 înainte de retehnologizare în luna ianuarie 2012.

Fig. 3.64 Dispersia SO2 în anul 2012 [mg/mN3]

Fig. 3.65 Dispersia SO2 în anul 2012 prin axa celor 3 puncte [mg/mN3]

Fig. 3.66 Dispersia SO2 în anul 2016 prin axa celor 3 puncte [mg/mN3]

Fig. 3.67 Dispersia SO2 în anul 2016 [mg/mN3]

Continuând analiza asupra concentraților de poluanți din figura 3.65 deducem că concentrația de SO2 obținută în urma simulării în primul punct analizat în zona stației de măsură TM-1 este de 15 mg/mN3. Comparând rezultatul obținut cu valorile din tabelul 3.7 observăm ca din totalul concentrației maxime măsurată în anul 2012, 62% din total aveau ca sursă emisiile de la CET Sud Timișoara.

În următoarele puncte analizate se observa o scădere a concentrațiilor de poluant SO2 cu următoarele valori: în centrul istoric este obținută o concentrație în jurul valorii de 5 mg/mN3 iar în zona Pădurea Verde este obținută o concentrație sub 3 mg/mN3. Din aceste valori putem concluziona ca principala sursa de poluare cu SO2 din zona in anul 2012 este termocentrala CET Sud Timișoara.

In timpul retehnologizării celor trei cazane din componenta termocentralei a fost construită și o stație de desulfurare uscată care are rolul de reduce poluantul SO2. Cu ajutorul valorilor măsurate după punerea în funcțiune a acestei instalații din tabelul 3.5 am modelat dispersia concentrațiilor de poluant in luna ianuarie 2016 și au fost obținute valorile prezentate în figurile 3.66 și 3.67.

Din aceste figuri se poate observa o îmbunătățire a valorilor obținute în cele 3 puncte analizate. Astfel în primul punct din zona stației TM-1 este obținută o concentrație de 4.2 mg/mN3. Fată de rezultatul obținut în urma rulării valorilor din anul 2012 se observa o reducere a concentrației de poluant de SO2 cu 72%. În zona centrului istoric avem o valoare a concentrației sub 1%.

În figurile 3.68 si 3.69 sunt prezentate rezultatele obținute în urma simulării dispersiei concentrațiilor poluanților PM10 si PM2.5 înainte de retehnologizare în luna ianuarie 2012.

În anul 2012 în raportul Agenției de Mediu Timiș prin măsurătorile efectuate la stația TM-1 este înregistrat un număr de 14 depășiri ale concentrațiilor poluantului PM10. Pe baza rezultatelor obținute în urma modelarii prezentate figurile 3.68 si 3.69 si a maturatorilor din zona stației de măsură TM -1 putem determina care este procentul de poluant produs de termocentrala din concentrația totala de PM10. Astfel putem deduce că doar un procent de 1% este contribuția emisiilor de la CET Sud Timișoara. Putem concluziona că principalele surse de poluare cu particule din zonă sunt traficul rutier și șantierele din zonă [16].

Fig. 3.68 Dispersia PM10 si PM2.5 în anul 2012 [mg/mN3]

Fig. 3.69 Dispersia PM10 si PM2.5 în anul 2012 prin axa celor 3 puncte [mg/mN3]

Fig. 3.70 Dispersia PM10 si PM2.5 în anul 2016 prin axa celor 3 puncte [mg/mN3]

Fig. 3.71 Dispersia PM10 si PM2.5 în anul 2016 [mg/mN3]

Din figurile 3.70 si 3.71 se poate observa o îmbunătățire a valorilor obținute în cele 3 puncte analizate. Astfel în primul punct din zona stației TM-1 este obținută o concentrație de 0.05 mg/mN3. Comparând cu rezultatul obținut în urma rulării valorilor din anul 2012 se observă o reducere a concentrației de poluant de PM10 cu 95%. În zona centrului istoric și Pădurea Verde avem o valoare a concentrației de 0.01%. Această reducere a concentrației de particule vine pe baza reducerii emisiilor de particule la nivelul coșului de fum în urma modificărilor aduse electrofiltrelor din dotarea cazanelor retehnologizate.

Bibliografie:

https://ro.wikipedia.org/wiki/Timi%C8%99oara accesat in data de 01.01.2016

https://ro.wikipedia.org/wiki/Jude%C8%9Bul_Timi%C8%99 accesat in data de 01.01.2016

ICPET SA Bucuresti: Proiect instalatie cazan 100 t/h, 1975

R.K. Lyon, Method for the Reduction of the Concetration of NO in Combustion Effluents Using Ammonia U.S. Patent No. 3,900,554, 1975.

EUROPEAN COMMISSION: Integrated prevention and control. Reference document on the Best Available Techniques for large combustion plants, July, pp 233, 2013.

SAACKE – BA-DDG-EN-02 Duoblock Burner – Operating Instrunctions

Fluent manual – 24.7.2 Other Discretization Schemes

Fisa de analiza gaz EoN

P.L. Davis, A.T. Rinehimer, M. Uddin: A comparison of RANS-Based Turbulance Modeling for Flow over a Wall-Mounted Square Cylinder, Technical document of NC Motorsports and Automotive Research Center

, Department of Mechanical Engineering and Engineering Science, The Univ

ersityof North Carolina at Charlotte, Charlotte, NC 28223, USA

Ansys Fluent manual: Step 9 – NOx Prediction

P.D. Oprisa-Stanescu, C. Oprea: Simularea numerica a proceselor de ardere cu fluent, Editura Politehnica, ISBN: 973-8247-46-2,Editura Politehnica 2001

Aldea M.: Cazane de abur si recipiente sub presiune. Editura Tehnica, Bucuresti, 1987

ICPET SA Bucuresti: Cazan 100t/h , 15kgf/cm2, 250°C, combustibil lignit – Breviar de calcul

Ron D. Bell, Fred P. Buckingham: An overview of tehnologies for reduction of oxides of nitrogen from combustion furnaces

https://www.wunderground.com/history/airport/LRTR/2016/1/1/CustomHistory.html?req_city=Timisoara&req_statename=Romania&reqdb.zip=00000&reqdb.magic=4&reqdb.wmo=15247 accesat in data de 01.09.2016

Agentia pentru Protectia Mediului Timis, Raport privind stadiul realizarii masurilor din Program integrat de gestionare a calitatii aerului pentru aglomerarea Timisoara, Comuna Remetea Mare,s Comuna Sag din judetul Timis.