Výpočty a optimalizace vybraných procesů a zařízení s přítomností spalování

Computation and optimisation of selected processes and equipment with presence of combustion

výzkumná zpráva

en

The present research report in the first four chapters briefly surveys the current state of the art in mathematical modelling of gaseous diffusion flames as well as numerical methods used to solve the governing equations. Targeted are namely practically viable options incorporated in major commercial general-purpose computational fluid dynamics (CFD) codes. Three following chapters provide three independent case studies for different devices. First of the case studies is a design optimisation study of an exhaust duct from industrial waste (pulp sludge) incinerator. The problem is described in detail and after that, the adopted modelling approach is presented including simplifying assumptions. An objective function for the design optimisation analysis is proposed and used for evaluation of several design alternatives, which are compared to a baseline (original) configuration. Second is a simulation study of an advanced staged low-NOx burner, where special attention was paid to specification of inlet boundary conditions and prediction of nitrogen oxides including semi-empirical modelling. As the burner geometry is very complex, it was necessary to simulate the flow in the furnace in two independent studies, the first providing an analytical expression for inlet flow rates of primary and secondary combustion air, whereas combustion chamber was modelled in the second study. Various model options were employed and critically evaluated by comparing the predicted data with available measured values. Finally, results of a new semi-empirical modelling approach for predicting nitrogen oxides emissions is presented. Third case study concerns another low-NOx burner, although less complex than the one of the preceding chapter, which has only staged gas supply. Simulations are described and results (namely NOx predictions) show rather worse agreement with the measurements than in the case of the first burner. Reasons for this result and other conditions that influenced the comparison of computations and measurements are discussed. Finally, a simple empirical NOx prediction model is evaluated. Conclusions of the work are summarised and ideas for future work are outlined in a final chapter of the report.

Předkládaná výzkumná zpráva v prvních čtyřech kapitolách stručně shrnuje aktuální stav v oblasti matematického modelování difúzního spalování plynných paliv, včetně numerických metod používaných pro řešení řídících rovnic. Pozornost je věnována zejména prakticky využitelným metodám implementovaným v hlavních komerčních obecně zaměřených softwarových systémech pro modelování dynamiky tekutin. Tři následující kapitoly obsahují nezávislé případové studie, které byly vypracovány pro tři různá zařízení. První z těchto případových studií je optimalizační studie pro konstrukci spalinovodu ve spalovně průmyslového odpadu (kalu z výroby celulózy). Daný problém je podrobně popsán a poté je prezentován přijatý postup modelování Předkládaná výzkumná zpráva v prvních čtyřech kapitolách stručně shrnuje aktuální stav v oblasti matematického modelování difúzního spalování plynných paliv, včetně numerických metod používaných pro řešení řídících rovnic. Pozornost je věnována zejména prakticky využitelným metodám implementovaným v hlavních komerčních obecně zaměřených softwarových systémech pro modelování dynamiky tekutin. Tři následující kapitoly obsahují nezávislé případové studie, které byly vypracovány pro tři různá zařízení. První z těchto případových studií je optimalizační studie pro konstrukci spalinovodu ve spalovně průmyslového odpadu (kalu z výroby celulózy). Daný problém je podrobně popsán a poté je prezentován přijatý postup modelování daného zařízení včetně zjednodušujících předpokladů. Pro daný optimalizační úkol je navržena vhodná účelová funkce, která je v následujícím použita pro vyhodnocení několika navržených variant, jež jsou srovnány s výchozí (původní) konfigurací. Jako druhá následuje simulační studie moderního hořáku se stupňovitým přívodem paliva a spalovacího vzduchu a s potlačenou tvorbou emisí oxidů dusíku. Zvláštní pozornost byla v tomto případě věnována stanovení vstupních okrajových podmínek a predikci emisí NOx včetně semi-empirického modelování tvorby NOx. Kvůli velmi složité geometrii studovaného hořáku bylo nutné rozdělit výpočet na dvě části, přičemž v první z nich byl odvozen analytický vztah pro vstupní hmotnostní toky primárního a sekundárního vzduchu a ve druhé byla provedena vlastní simulace spalování. Byly použity a srovnány různé výpočetní modely, které byly dále vyhodnoceny pomocí srovnání vypočtených dat s připravenými experimentálními údaji. Nakonec jsou prezentovány výsledky získané pomocí nového semiexperimentálního přístupu pro predikci emisí oxidů dusíku. Třetí případová studie se zabývá dalším hořákem s potlačenou tvorbou NOx, který je o něco jednodušší než ten v předchozí kapitole, zejména díky tomu, že stupňovitě je přiváděno do hořáku pouze palivo. Provedené simulace jsou popsány, a následují je výsledky, které vykazují poněkud horší shodu s naměřenými daty (zejména co se týká emisí NOx) než v případě prvního hořáku. Jsou diskutovány důvody pro tento výsledek spolu s dalšími okolnostmi, které mohly ovlivnit toto srovnání. Nakonec byl vyhodnocen jednoduchý empirický model pro predikci emisí NOx. Poslední kapitola předložené disertační práce shrnuje dosažené závěry a obsahuje možné směry další výzkumné činnosti.

The present research report in the first four chapters briefly surveys the current state of the art in mathematical modelling of gaseous diffusion flames as well as numerical methods used to solve the governing equations. Targeted are namely practically viable options incorporated in major commercial general-purpose computational fluid dynamics (CFD) codes. Three following chapters provide three independent case studies for different devices. First of the case studies is a design optimisation study of an exhaust duct from industrial waste (pulp sludge) incinerator. The problem is described in detail and after that, the adopted modelling approach is presented including simplifying assumptions. An objective function for the design optimisation analysis is proposed and used for evaluation of several design alternatives, which are compared to a baseline (original) configuration. Second is a simulation study of an advanced staged low-NOx burner, where special attention was paid to specification of inlet boundary conditions and prediction of nitrogen oxides including semi-empirical modelling. As the burner geometry is very complex, it was necessary to simulate the flow in the furnace in two independent studies, the first providing an analytical expression for inlet flow rates of primary and secondary combustion air, whereas combustion chamber was modelled in the second study. Various model options were employed and critically evaluated by comparing the predicted data with available measured values. Finally, results of a new semi-empirical modelling approach for predicting nitrogen oxides emissions is presented. Third case study concerns another low-NOx burner, although less complex than the one of the preceding chapter, which has only staged gas supply. Simulations are described and results (namely NOx predictions) show rather worse agreement with the measurements than in the case of the first burner. Reasons for this result and other conditions that influenced the comparison of computations and measurements are discussed. Finally, a simple empirical NOx prediction model is evaluated. Conclusions of the work are summarised and ideas for future work are outlined in a final chapter of the report.

NOx, combustion, modelling, CFD

30.11.2004

143