ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС ПРИ СЖИГАНИИ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

Аскарова Алия Сандыбаевна

д-р физ.-мат. наук, профессор КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы

Болегенова Салтанат Алихановна

д-р физ.-мат. наук, профессор КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы

Бекмухамет Айдын

PhD докторант, преподаватель КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы

Бекетаева Меруерт Тұрғанбекқызы

PhD докторант, преподаватель КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы

Оспанова Шынар Сабитовна

PhD докторант, преподаватель КазНУ им. аль-Фараби, г. Алматы

E-mail: shinar_ospanova87@mail.ru

HEAT AND MASS TRANSFER IN THE combustion of pulverized coal

Aliya Askarova

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor of al-Farabi KazNU, Almaty

Saltanat Bolegenova

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, professor of al-Farabi KazNU, Almaty

Aidyn Bekmukhamet

PhD, lecturer of al-Farabi KazNU, Almaty

Meruyert Beketayeva

PhD, lecturer of al-Farabi KazNU, Almaty

Shynar Ospanova

PhD, lecturer of al-Farabi KazNU, Almaty

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена трехмерному компьютерному моделированию процессов тепломассопереноса при сжигании экибастузского угля в топках паровых котлов. Приведены результаты численного моделирования процессов сжигания экибастузского угля в пылевидном состоянии на модели парового котла в виде параллелепипеда с тангенциальной подачей топлива. В результате проведения вычислительного эксперимента настоящей статье был получен обширный банк всевозможных характеристик топочного процесса: аэродинамика, температура, давление, поле концентраций как газового так и твердого состава продуктов горения. Полученные результаты помогут оптимизировать процесс сжигания топлива относительно эффективности и минимизации вредных выбросов и создать электростанции на "чистом" и эффективном использовании угля.

ABSTRACT

Article focuses on three-dimensional computer modeling of heat and mass transfer the Ekibastuz coal combustion in furnaces of steam boilers. There are results of numerical simulation of the combustion pulverized Ekibastuz coal on the model of the boiler in the form of a parallelepiped with a tangential fuel supply. As a result of computer simulation in this article was received extensive bank of various characteristics of the furnace process: aerodynamics, temperature, pressure, concentration field as a gas and a solid composition of the products of combustion. These results will help optimize combustion process on the efficiency and reduce harmful emissions and create a power plant on a "clean" and efficient use of coal.

Ключевые слова: численное моделирование; горелка; факел

Keywords: numerical simulation; torch; flare

Исследования процессов конвективного тепломассопереноса в реагирующих средах, происходящих при сжигании пылеугольного топлива в топочных камерах ТЭС, приобретают особую актуальность в связи с сокращением использования жидкого топлива, являющегося ценным сырьем для нефтеперерабатывающей промышленности, и расширением применения твердых топлив. Исследуемая технология сжигания углей и компьютерное моделирование процессов, происходящих внутри топочного пространства камер сжигания, являются новыми и эффективны при сжигании всех типов углей, используемых на ТЭС. Численное моделирование турбулентных течений с химическими реакциями, включающее термодинамическое, кинетическое и трехмерное компьютерное моделирование топочных камер, позволит с наименьшими затратами детально исследовать турбулентное горение пылеугольного топлива в реальных камерах сгорания. Одним из путей оперативного получения необходимых данных для проектирования и определения оптимальных режимных параметров котлоагрегатов является проведение исследований (как экспериментальных, так и численных) на огневых моделях топок. Отыскание наилучших конструктивных и компоновочных решений, способствующих скорейшему освоению мощных котлоагрегатов в настоящее время становится уже невозможным без широкого использования различных моделей.

Для пылеугольных котлов используются два типа горелок: вихревые с закруткой потоков внутри горелки и прямоточные горелки с закруткой потоков в топочном объеме. В настоящее время тангенциальные топки находят широкое распространение в отечественном и зарубежном котлостроении при сжигании как твердого, так и жидкого топлива. Для сжигания твердых топлив в топках паровых котлов с высокой паропроизводительностью основным является пылевидный метод. Угольная пыль приготовляется в индивидуальных системах пылеприготовления, которые связаны с технологической схемой сжигания топлива. Топочная камера преимущественно выполняется в виде прямоугольной призмы, заполненной экранными трубами. Топки мощных паровых котлов выполняются в виде вытянутого параллелепипеда прямоугольного, квадратного или, реже более сложного, например восьмигранного сечения [1].

В данной статье приведены результаты численного моделирования процессов сжигания экибастузского угля в пылевидном состоянии на модели парового котла в виде параллелепипеда с тангенциальной подачей топлива. Экспериментальная установка — это камера сгорания, имеющая форму параллелепипеда высотой 7.635 м, шириной 2.1 м и длиной 1.55 м.

Компьютерное моделирование задачи о сжигании Экибастузского угля, обладающего большой зольностью (до 40 %) и высокой влажностью проведено на основе 3-мерных уравнений переноса импульса, а также транспортных уравнений энергии и концентрации с учетом химических реакций при соответствующих граничных условиях.

Горение в топке должно быть по возможности более полным с минимальными потерями от химической (недостаток поступающего воздуха в топку котла, низкая температура в топке, неправильное распределение в ней воздуха, недостаточный объем топочного пространства) и механической (провал и вынос мелких частиц несгоревшего топлива в газоходы котла) неполноты сгорания. Результаты численного эксперимента по сгоранию угля в пылевидном состоянии приведены далее. Для проведения вычислительного эксперимента был использован компьютерный пакет программ трехмерного моделирования сжигания угля в камерах сгорания паровых котлов FLOREAN. Этот пакет базируется на решении консервативных уравнений для газотопливной смеси методом конечного объема. Он включает в себя подмодель баланса импульса, энергии, SIMPLE-метод корректировки давления, k-e модель турбулентности, 6-ти поточную модель для вычисления теплопереноса излучением, уравнения баланса для компонент вещества. Выбранный пакет программ позволяет рассчитать компоненты скорости u, v, w, температуру Т, давление Р, концентрации продуктов сгорания и другие характеристики процесса сжигания твердого топлива в пылевидном состоянии по всему топочному пространству [2].

1-минимальное, 2-среднее, 3-максимальное по сечению значения; линия- моделирование, *- эксперимент

Рисунок 1.  Сравнение расчетного и экспериментального распределения температуры по высоте камеры сгорания

На рис. 1 представлено распределение расчетной максимальной, минимальной и средней в горизонтальном сечении температуры горящего потока по высоте котла. Температура в факеле пылеугольной топки проходит через максимум и снижается при выходе из нее вследствие поглощения большого количества тепла кипятильными трубами топочных экранов. Видно, что зона максимальных температур локализируется на уровне горелок второго яруса. Также показано экспериментальное распределение средней температуры по высоте топки. Сравнение говорит о том, что на выходе расчетное значение температуры несколько завышено, что очевидно связано с подачей третичного воздуха на четвертом, пятом и шестом ярусах.

В нормально работающих печах устанавливается небольшое разрежение, которое в конце печи не превышает 2—3 мм вод. ст. Следовательно, в пределах печи давление меняется не более, чем на 0,02—0,03 %. На рис. 2 представлено расчетное распределение максимального, среднего и минимального значений (по поперечному сечению котла) давления P вдоль камеры сгорания. Давление уменьшается по мере продвижения к выходу из котельной установки. Истинное давление можно определить по формуле .

1-минимальное, 2-среднее, 3-максимальное по сечению значения

Рисунок 2.  Распределение давления по высоте камеры сгорания

На рис. 3-4 даны кривые распределения максимальных, минимальных и средних по сечению значений концентраций окиси углерода и метана по высоте камеры. Максимума эти кривые достигают в области расположения горелок (I—III ярусы), где собственно и происходит образование СО и СН₄ в процессе химической реакций между твердым топливом и окислителем. Зная содержание окиси углерода в отходящих дымовых газах, определяют потерю от неполноты горения. Обычно потеря составляет 3—7 % в зависимости от рода топлива, а при большом недостатке воздуха может быть до 25 % и больше. Например, 1 % окиси углерода в уходящих газах соответствует примерно 6—7 % потери тепла израсходованного топлива. Из графиков видно, что расчетные значения концентраций СО и СН₄ на выходе соответствуют минимуму химического недожога: на выходе из котла концентрация СО ниже предельно допустимой, а концентрация СН₄ практически нулевая.

В реальных условиях работы котла создаются ситуации, когда необходима аварийная остановка мельниц. В настоящей работе была смоделирована такая ситуация, имитирующая останов пылесистемы, когда второй ярус горелок закрыт. Чтобы сохранить нагрузку котла по топливу и производительность котельной установки, топливо второго яруса распределяется между оставшимися незакрытыми горелками.

1-минимальное, 2-среднее, 3-максимальное по сечению значения

Из анализа результатов численного эксперимента можно сделать вывод о том, что исследуемая в этом разделе модель работает устойчиво и может быть рекомендована для машинного моделирования подобных течений. Полученные результаты позволят оптимизировать процесс сжигания твердого топлива и дать соответствующую концепцию производства энергии с минимальным количеством вредных веществ.

Список литературы

1.Аскарова А.С., Ауельбекова Е.В. Моделирование процессов тепломассопереноса при сжигании твердого топлива в котельной установке. // Материалы симпозиума “Проблемы прикладной аэродинамики, тепломассообмена и горения. Алматы, 1997. C. 44

2.Askarowa A.C., Buchmann A. Über Struktur der Flamme von Wirbel-brenneren und Verbrennungsvorgänge der aschenreichen Kohle. //Verbrennung und Feuerungen. 18 Deutsch-Niederländischer Flammentag. VDI-Gesellschaft Energitechnik. Düsseldorf, VDI Verl. ISBN3-18-091313-4. 1997. S. 241—244