facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКОЙ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКОЙ УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ
Надежда Третяк, аспирант

Виталий Алексеевич Дубровский, профессор, доктор технических наук, профессор

Михаил Юрьевич Чернецкий, преподаватель, кандидат технических наук

Сибирский федеральный университет, Россия

Участник первенства: Национальное первенство по научной аналитике - "Россия";

Работа посвящена исследованию горелочного устройства с предварительной термической подготовкой потока угольной пыли, предназначенного для сжигания бурых углей  Канско-Ачинского бассейна на тепловых электростанциях (ТЭС). Выполнено численное моделирование муфельной части горелочного устройства с целью уточнения конструкции и определения необходимых режимов работы исследуемого объекта.

Ключевые слова: численное моделирование, энергосбережение,горелочное устройство, термическая подготовка угля, сжигание угля, математическая модель.

Now the problem of replacement of masut is actual at a kindling and illumination of a jet of furnace of boiler by cheap coals of Kansko-Achinsk basin, which cost more than 10 times less cost of liquid fuel - masut. Work is survey research burners with preliminary thermal pretreatment of a stream of the pulverized coal intended for burning of brown coals of Kansko-Achinsk basin on thermal power plant.  Numerical modelling muffle parts burnerfor the purpose of specification of a design and definition of necessary operating regime of investigated object is executed. The finding will allow to generate further practical recommendations about creation high–economical energy-efficient universal burners.

Keywords: numerical simulation, energy-saving, burner, coal gasification, coal burning, mathematical model.

В России на пылеугольных тепловых электростанциях для растопки котлов, подсветки факела и стабилизации выхода жидкого шлака ежегодно расходуется более5 млн. тонн мазута, цена которого  непрерывно растет и составляет сейчас более десяти тысяч рублей за тонну.В связи с этим становится очевидным актуальность замены мазута при растопке и подсветке факела топочных камер котельных агрегатов ТЭС дешевыми углями Канско-Ачинского бассейна, стоимость которых в 20-25 раз ниже стоимости жидкого топлива – мазута.

На кафедре «Тепловые электрические станции» Политехнического института Сибирского федерального университета сотрудниками лаборатории «Термическая подготовка углей»  усовершенствована технология сжигания канско-ачинских углей (КАУ) с использованием универсальных горелочных устройств, полностью исключающих сжигание жидкого топлива. Такие горелочные устройства могут быть использованы как в режиме растопки и подсветке факела топочных камер котлов, так и в качестве основных горелок. Разработанная  технология сжигания  КАУ принципиально отличается от  системы электрорастопки,  испытанной на ТЭЦ-1 г. Красноярска [1].

В данной работе было выполнено трехмерное аэродинамическое моделирование с целью уточнения конструкции горелочного устройства и численное исследование процесса термической подготовки потока угольной пыли высокой концентрации (ПВК) в муфельной части горелочного устройства для установления диапазона значений коэффициента избытка воздуха, когда обеспечивается глубокая термическая подготовка топлива и его устойчивое воспламенение.

Всережимное горелочное устройство, эскиз которого представлен на рис.1, предназначено для сжигания высокореакционных углей с предварительной  термической подготовкой  потока угольного пыли высокой концентрации (ПВК) в его муфельной части [2].

Горелочное устройство состоит из муфельной части горелки 1 диаметром 600×8 мм и короба подачи вторичного воздуха 2. Подача угольной пыли осуществляется по пылепроводу 3 диметром 89×3 мм, который входит в муфельную часть по оси горелки. Регулирование расхода ПВК осуществляется пылепитателем,  оборудованном двигателем с частотным приводом. Число оборотов  лопастного питателя пыли (ППЛ-5) изменяется от 150 до 1500 об/мин, что соответствует расходам пыли от 0,139 до 1,39 кг/с. Первичный воздух подаётся тангенциально через воздухопроводы 4 диметром 89×3 мм, расположенные на торцевой стенке горелочного устройства. По трубопроводу 5 диаметром 219×5 мм соосно пылепроводу 3 поступает  воздух от короба вторичного воздуха 2. Для регулирования расхода первичного воздуха предусмотрена установка запорно-регулирующей аппаратуры, что позволяет варьировать значение коэффициента избытка воздуха, изменяя глубину газификации потока угольной пыли.

В начальный период работы горелки разогрев стенки муфельной части производится системой электронагрева 6 до температур 600–700?С.

По нашему мнению за счет излучения от стенок муфеля частично происходит прогрев потока пыли высокой концентрации и выход летучих веществ из угля при коэффициенте избытка воздуха значительно меньших единицы с образованием смеси горючих газов и коксовых частиц.

Температура в пространстве муфеля должна поддерживаться в пределах 800-1000?С, чтобы обеспечить устойчивое воспламенение пылегазового потока на выходе из горелочного устройства при смешении со вторичным воздухом и предотвратить шлакование муфельной части.

Для описания гидродинамики, теплообмена и горения угольной пыли использовалась математическая модель, реализованная в пакете программ SigmaFlowи SigmaFlame[3].

В качестве математической модели для описания течения в муфельной части горелочного устройствабыла принята модель неизотермического несжимаемого многокомпонентного газа. В рассматриваемой задаче течение газа считается установившимся, поэтому все уравнения записываются в стационарной постановке. Математическая модель включает уравнение неразрывности, уравнения баланса количества движения, уравнение переноса концентрации (массовой доли) i-го компонента, уравнение переноса энергии.

Как показывает практика расчетов процесса горения в топочной камере, применение k-eмодели турбулентности позволяет с достаточной степенью точности получить необходимые турбулентные характеристики для потока. В данной работе используется модифицированная высокорейнольдсовая k-eмодель турбулентности. Для определения пульсационных характеристик течения вблизи стенок был использован метод пристеночных функций. Введение пристеночных функций позволяет не детализировать расчетную сетку вблизи стенок.

Высокий температурный уровень топочной среды и поверхностей обуславливает преобладание радиационного теплообмена. Решение уравнения переноса лучистой энергии базируется на P1 аппроксимации метода сферических гармоник. Коэффициенты поглощения газа вычисляются по модели суммы серых газов.

Расчет горения летучих компонент топлива основан на использовании глобальных необратимых реакций между горючим и окислителем. Скорость горения i-реагента, в том числе и летучих веществ, определяется с учетом реакционной способности и концентрации горючего и окислителя, а также скорости турбулентного перемешивания топлива и окислителя. Данная модель представляет комбинацию кинетической модели горения газовых компонент с моделью «обрыва вихря» (eddy break up model).

Моделирование движения частиц проводится в рамках лагранжева подхода. Учет влияния турбулентности потока на движение частицы производится введением случайных флуктуаций скорости газа в уравнение движения. Температура угольной частицы определяется из уравнения сохранения энергии для частицы с учетом конвективного и радиационного теплообмена с окружающим газом. Для описания горения угольной частицы используется модель [4], где горение представляется в виде последовательных стадий: выход влаги, выход летучих и горения коксового остатка. А также используется ряд эмпирических коэффициентов, позволяющих более точно оценить теплообмен и время сгорания угольной частицы.

Для решения уравнений сохранения для газовой фазы используется широко известный метод контрольного объема, суть которого заключается в разбиении расчетной области на контрольные объемы  и интегрировании исходных уравнений сохранения по каждому контрольному объему для получения конечно-разностных соотношений. Для вычисления диффузионных потоков на гранях контрольного объема используется центрально-разностная схема, имеющая второй порядок точности. При аппроксимации конвективных членов использовалась схема второго порядка точности. Для решения полученной системы уравнений применен метод неполной факторизации, в котором факторизованы только диагональные члены.

Для осуществления связи поля давления и скорости среды в настоящей работе использовалась SIMPLE-подобная процедура на совмещенных сетках [5]. Устранение осцилляций поля давления, возникающих при использовании совмещенных переменных осуществляется путем использования подхода Рхи-Чоу, при котором в уравнение для поправки давления в правую часть вводится монотонизатор [5]. При движении частиц через контрольный объем формируется источниковый член, через который учитывается обмен импульсом и энергией между газом и дисперсной фазой [6].

Результаты

Проведенные численные исследования изотермической задачи движения угольной пыли в объеме муфеля горелки показали, что стабильность потока угольной пыли (отсутствие сепарации угольных частиц на стенки муфеля) обеспечивается подачей первичного воздуха в тангенциальные патрубки.

Получена и оценена масса сепарирующих частиц угольной пыли в единицу времени на поверхности муфельной части горелки от угла расположения тангенциального патрубка подачи первичного воздуха. Рассматривалось изменение угла от 10° до 90° с шагом 10°. Полученные данные представлены на рисунке 2.

Увеличение угла вводапатрубка тангенциальной подачи воздуха более 50° приводит к резкому увеличению массы сепарирующихся частиц угля в муфеле. При значениях ниже 50° наблюдается незначительное количество сепарирующихся угольных частиц, масса их составляет в среднем 3–5% от общего количества, поступающего в горелку топлива. Но в тоже время  уменьшение угла ввода патрубка менее 40° приводит к возникновению циркуляционных зон в горелочном устройстве и нестабильности пылевоздушного потока. Это приводит к неравномерному распределению угольных частиц на выходе из муфельной части горелки, и как следствие, к неустойчивому воспламенению в объеме топочной камеры котла.

Таким образом, наилучший угол ввода патрубка тангенциальной  подачи первичного воздуха для исследуемого горелочного устройства находится в пределах 40°–50°.

По результатам численного расчета аэродинамики установлено, что минимальные значения расхода первичного воздуха составляют  300-1000 м3/час в патрубок осевой подачи, и не менее 300 м3/час в тангенциальные вводы.

Были проведены расчетные исследования по установлению режимов термической подготовки угольной пыли для расходов угольной пыли от 150 до 1500 об/мин (от 0,139 кг/с до 1,39 кг/с).

По полученным результатам определена зависимость коэффициента избытка воздуха от нагрузки пылепитателя, обеспечивающая режим газификации потока угольной пыли (рис.3, кривая 1). Анализ полученных результатов расчета показал, что при значениях коэффициента избытка воздуха выше кривой 1 не наблюдается необходимый прогрев угольной пыли.  Это происходит ввиду смещения зоны начала выделения летучих веществ к выходному срезу муфельной части горелки. Кроме того, определены минимально допустимые значения коэффициента избытка воздуха, ниже которых наблюдается процесс сепарации угольных частиц на стенки муфеля (рис. 3, кривая 2).

Таким образом, область между кривой 1 и 2 (рис. 3) определяет диапазон режима работы горелочного устройства с предварительной термической подготовкой топлива, обеспечивающий необходимые условия на выходе из муфеля горелки для устойчивого воспламенения и горения угольной пыли в объеме топочной камеры котла.

Анализ результатов численного исследования показал, что на выходе из горелочного устройства формируется высокотемпературный химически активный двухкомпонентный поток продуктов термической подготовки угля (таблица 1).

При изготовлении опытно-промышленного  образца всережимного горелочного устройства были учтены результаты трехмерного аэродинамического моделирования. Горелочное устройство установлено на котле БКЗ-420 ст. №9Б Красноярской ГРЭС -2 .

Таблица 1 – Концентрация газов на выходе из муфельной части горелочного устройства, объемные %

Нагрузка ППЛ-5  об/мин.

Расход топлива (т/ч)

Коэф. избытка воздуха

Расходвоздухам3/час

CO

CH4

CO2

H2O

O2

N2

150

0,5

0,3

650

6,9

6,3

11,7

16,1

0,0

55,5

300

1

0,25

1050

7,4

7

10,5

19

0,0

54,3

600

2

0,15

1300

5,5

10,1

11,1

23,1

0,3

49,2

900

3

0,1

1300

3,4

13,1

11,2

27,5

0,4

43,1

1200

4

0,08

1300

2,4

16,5

12,4

28,1

0,5

39,8

1500

5

0,06

1300

1,7

18,5

12,6

29,1

0,6

37,3

 

 

Заключение

В результате трехмерного математического моделирования аэродинамики универсального горелочного устройства установлено, что при подаче первичного воздуха под углом 40-50° обеспечивается наиболее эффективная закрутка пылеугольного потока.

На основании численных исследований определен диапазон значений коэффициента избытка воздуха от расхода угольной пыли высокой концентрации, когда обеспечивается необходимая глубина термической подготовки потока угольной пыли в муфельной части горелочного устройства.

Хорошим подтверждением численного моделирования послужили пуско-наладочные испытания модернизированного универсального горелочного устройства на котле БКЗ-420 Красноярской ГРЭС-2, в результате которых удалось исключить сепарацию угольной пыли на стенки муфельной части горелки, получить устойчивый факел на выходе из горелочного устройства и обеспечить разогрев объема топочной камеры и пуск котла без применения жидкого топлива–мазута.

 

Литература

1. А. с. 1210001 СССР, МКИ с. Пылеугольная горелка /Н. А. Сеулин,   Л. Г . Осокин, В. К. Шнайдер, Федченко М.П. (СССР ). - № 3635118/24-06; заявл.18.08.83; опубл. 07.02.86, Бюл. № 5.

2. Пат. 114356 Российская Федерация, МПК F 23 D 1/02. Горелочное устройство/ В.А. Дубровский, Ж.Л. Евтихов, М.Ю. Потылицын, Н.В. Третяк; опубл. 20.03.2012, Бюл. №8. – 2с.

3. Дектерев, А.А. Математическая модель процессов аэродинамики и теплообмена в пылеугольных топочных устройствах / А.А. Дектерев, А.А. Гаврилов, М.Ю. Чернецкий, Н.С. Суржикова // Тепловые процессы в технике. – 2011. –  Т.3. –  №3. – С.140-144.

4. Чернецкий, М.Ю. Математическая модель процессов теплообмена и горения пылеугольного топлива при факельном сжигании / М.Ю. Чернецкий, А.А.  Дектерев// Физикагоренияивзрыва. – 2011. –  № 3.–С. 37-46.

5. Быстров Ю.А., Исаев С.А., Кудрявцев Н.А., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб. СПб.: Судостроение, 2005. 392 с

6. Crow, C.T. The Particle-Source-In Cell (PSI-CELL)  Model for gas droplet flows / Crow C.T., Sharma M.P., Stock D.E. // Journal of Fluids Engineering. P. 325–332.

0
Ваша оценка: Нет Средняя: 6.7 (7 голосов)
Комментарии: 2

Vykhodets Alexander Mihailovich

Приятно видеть, что математиченское моделирование расширяется и охватывает новые области исследований в технике. Статья посвящена не менее важному вопросу по созданию и эксплуатации всережимного горелочного устройства. Автор установил зависимость коэффициента избытка воздуха олт нагрузки пылепитателя. Возможно, это можно использовать и в других техниках. А.Выходец

Фаттахов Ирик Галиханович

Хотелось бы узнать у автором, Вы проводили исследования для газов? (в частности попутных нефтяных)
Комментарии: 2

Vykhodets Alexander Mihailovich

Приятно видеть, что математиченское моделирование расширяется и охватывает новые области исследований в технике. Статья посвящена не менее важному вопросу по созданию и эксплуатации всережимного горелочного устройства. Автор установил зависимость коэффициента избытка воздуха олт нагрузки пылепитателя. Возможно, это можно использовать и в других техниках. А.Выходец

Фаттахов Ирик Галиханович

Хотелось бы узнать у автором, Вы проводили исследования для газов? (в частности попутных нефтяных)
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.