Desulfurization of flue gases from medium-capacity gas-piston power plants using spiral-vortex equipment with reduced aerodynamic resistance

Abstract

The purpose of this study is to justify the design parameters of spiral-vortex equipment ensuring energy-efficient desulfurization of flue gases from autonomous medium-capacity gas-piston power plants (GPPPs). The study is driven by the necessity to reduce the aerodynamic resistance of gas cleaning systems to minimize the parasitic load on power units. To achieve this, the following tasks were addressed: developing a mathematical model of gas phase motion in a macro-scale curvilinear channel; conducting numerical modeling of the evolution of secondary macro-vortex structures; and determining the influence of the spiral inclination angle and velocity regimes on mass transfer intensity. The research methodology is based on computational fluid dynamics (CFD) approaches for analyzing turbulent flows under centrifugal forces acting on exhaust gases. The most significant result is establishing the possibility of stable liquid film formation and intense macro-vortices at low aerodynamic resistance (up to 400 Pa). It is demonstrated that at an optimal flow velocity of 6.0 m/s and a scrubber cross-sectional area of 0.9 m², a maximum SO2 absorption efficiency (above 96%) is achieved without auxiliary induced-draft fans. The scientific and practical significance lies in creating an engineering design methodology for compact gas cleaning equipment for distributed power generation. The proposed design solutions provide annual electricity savings of 65-95 thousand kWh per 2.6-3.0 MW power unit, significantly increasing the overall profitability and environmental safety of autonomous energy centers.

Scopul acestui studiu este fundamentareaparametrilorde proiectare ai echipamentelor spiral-vortex care asigură desulfurarea eficientă din punct de vedere energetic a gazelor de eșapamentale centralelorelectrice autonome cu piston pe gaz (GPPP) de capacitate medie. Actualitatea studiului estedeterminatăde necesitatea reduceriirezistențeiaerodinamicea sistemelor de epurarea gazelor pentru a minimiza sarcina parazitară asupra unităților de putere. Pentru a realiza acest lucru, au fost abordate următoarele sarcini: elaborareaunui model matematic al mișcării fazei gazoase într-un canal curbiliniu la scară macro; efectuarea modelării numerice a evoluției structurilor secundare macro-vortex; și determinarea influenței unghiului de înclinare spirală și a regimurilor de viteză asupra intensității transferului de masă. Metodologia de cercetare se bazează pe abordări de dinamică computațională a fluidelor (CFD) pentru analiza fluxurilor turbulente sub forțe centrifuge care acționează asupra gazelor de eșapament. Cel mai semnificativ rezultat este stabilirea posibilității formării unei pelicule lichide stabile și a macro-vortexurilor intense la rezistență aerodinamică scăzută (până la 400 Pa). Se demonstrează că la o viteză optimă de curgere de 6,0 m/s și o secțiune transversală a scruberului de 0.9 m², se obțineo eficiență maximă de absorbție a SO2 (peste 96%) fără ventilatoare auxiliare cu tiraj indus. Semnificație. Importanța științifică și practică constă în crearea unei metodologii de proiectare inginerească pentru echipamente compacte de purificare a gazelor pentru generarea distribuită de energie electrică. Soluțiile de proiectare propuse oferă economii anuale de energie electrică de 65-95 mii kWh per unitate de putere de 2.6-3.0 MW, crescând semnificativ profitabilitatea generală și siguranța de mediu a centrelor energetice autonome.

Целью данной работы является обоснование конструктивных параметров спирально-вихревого оборудования, обеспечивающего энергоэффективную десульфуризацию выхлопных газов автономных газопоршневых электростанций (ГПЭС) средней мощности. Актуальность исследования обусловлена необходимостью снижения аэродинамического сопротивления систем газоочистки для минимизации паразитной нагрузки на энергоблоки. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: разработка математической модели движения газовой фазы в криволинейном канале макро-масштаба; проведение численного моделирования эволюции вторичных макро-вихревых структур; определение влияние угла наклона спирали и скоростных режимов на интенсивность массообмена в оборудовании. Методология исследования базируется на использовании подходов вычислительной гидродинамики (CFD) для анализа турбулентных потоков в условиях действия центробежных сил на выхлопные газы. Наиболее важным результатом является установление возможности стабильного формирования жидкостной пленки и интенсивных макровихрей при низком аэродинамическом сопротивлении (до 400 Па) установки. На примере показано, что при оптимальной скорости потока 6.0м/с и площади рабочего сечения скруббера (0.9 м2), достигается максимальная эффективность абсорбцииSO2(свыше96%) без использования вспомогательных дымососов. Научная и практическая значимость работы заключается в создании инженерной методики проектирования компактного газоочистного оборудования для распределенной энергетики и предложенные конструктивные решения обеспечивают годовую экономию электроэнергии в размере 65–95 тыс. кВт·ч на один энергоблок мощностью 2.6–3.0 МВт, что существенно повышает общую рентабельностьиэкологическуюбезопасностьавтономныхэнергоцентров.