ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 3, с. 467-474
= ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ АППАРАТЫ И КОНСТРУКЦИИ
УДК 536.46:532.517.4
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОТЛА
© 2015 г. А. С. Аскарова1, В. Е. Мессерле2, А. Б. Устименко1, С. А. Болегенова1, В. Ю. Максимов1, З. Х. Габитова1
Научно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики, Казахский национальный
университет им. аль-Фараби, г. Алматы, Казахстан 2Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск
E-mail: ust@physics.kz Поступила в редакцию 06.01.2014 г.
С использованием трехмерного моделирования проведено исследование процессов горения пыле-угольного факела в топке котла БКЗ-75 Шахтинской ТЭЦ. Получены распределения вектора полной скорости, профили температуры и концентраций компонентов, в том числе и вредных веществ в объеме топки и на выходе из нее. Показано, что закрученные потоки аэросмеси, поступающие в топку через встречные горелки, создают объемное вихревое течение в ее центральной части. Благодаря интенсивному вихревому движению пылегазовых потоков существенно возрастает время пребывания частиц топлива в топке, что содействует его более полному выгоранию. Наиболее интенсивное горение происходит в центральной части топки. Максимальные значения концентраций продуктов сгорания в области установки горелочных устройств наблюдаются в сечении ядра факела. На выходе из топки концентрации вредных выбросов не превышают предельно допустимых концентраций, принятых на ТЭС.
Б01: 10.7868/80040364415020039
ВВЕДЕНИЕ
В ближайшее время ожидается существенное повышение доли твердого топлива в выработке электроэнергии на тепловых электростанциях (ТЭС) Республики Казахстан. Будут созданы котельные установки для мощных энергетических блоков на углях существующих и новых месторождений для замены устаревшего оборудования. Как показал опыт освоения новых энергетических пылеуголь-ных блоков, исследование топочных процессов в крупных котельных установках с целью их усовершенствования чрезвычайно затруднено. Для повышения надежности и улучшения качества проектирования большую технологическую важность приобретает разработка методов комплексных расчетов топочных устройств с учетом аэродинамики, воспламенения, выгорания пы-леугольного факела, теплообмена и химической кинетики образования продуктов горения.
Модернизация энергетических котлов малой и средней мощности, обеспечивающая более рациональное сжигание топлива, повышение эффективности теплоотдачи с поверхности, возможность сжигания низкокалорийных твердых топ-лив, экономически более выгодна, чем их полная замена [1]. В последние годы при проектировании и модернизации котлов, промышленных печей и камер сгорания широкое распространение получило компьютерное трехмерное моделирование, основанное на математическом моделирова-
нии тепломассопереноса с учетом химических реакций внутри топочного пространства с использованием фундаментальных законов физики и химической термодинамики, дополненных соответствующими моделями турбулентности и химической кинетики. Применение трехмерного моделирования позволяет с высокой точностью провести численное исследование нелинейных физических процессов гидродинамики и тепло-массопереноса с учетом разнообразных физико-химических явлений: горения, радиационного теплообмена и повышенного уровня турбулентности [2, 3]. В связи с этим целью работы является численное моделирование горения пылеугольно-го топлива в топке энергетического котла БКЗ-75 Шахтинской ТЭЦ для повышения его эффективности за счет увеличения полноты выгорания топлива (концентрации СО2), снижения химического недожога топлива (концентрации СО) и выброса оксидов азота N0^ в атмосферу. Результаты численного моделирования позволяют оптимизировать конфигурацию топки, компоновку и конструкцию пылеугольных горелок и на этой основе разрабатывать технические решения по эффективному сжиганию энергетических углей.
Для численного моделирования температурных, аэродинамических и концентрационных характеристик горения угля выбрана топка энергетического котла БКЗ-75 Шахтинской ТЭЦ (Казахстан) со следующими техническими характеристиками [4].
(а)
Z, м 16
14
12
10
8
6
4
2
0
X, м
6 0 2
Y, м
Рис. 1. Общий вид топки котла БКЗ-75 (а) Шахтинской ТЭЦ и пылеугольной горелки (б).
Шахтинская ТЭЦ оснащена четырьмя котлами БКЗ-75 паропроизводительностью 75 т/ч. Котел БКЗ-75 Шахтинской ТЭЦ (рис. 1а) оборудован четырьмя вихревыми пылеугольными горелками (рис. 1б), установленными по две с фронта и с тыла в один ярус. В топке котла сжигается пыль Карагандинского рядового (КР-200) угля зольностью 35.1%, выходом летучих 22%, влажностью 10.6% и теплотой сгорания 18 550 кДж/кг.
МОДЕЛЬ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В настоящей работе для исследования тепло-массопереноса в высокотемпературных средах с протекающими в них физико-химическими процессами использованы химическая, математическая и физическая модели. Эти модели включают в себя систему трехмерных уравнений Навье— Стокса и уравнений тепломассопереноса с учетом источниковых членов, которые определяются химической кинетикой процесса, нелинейными эффектами теплового излучения, межфазного взаимодействия, а также многостадийностью химических реакций. Запишем основные уравнения, используемые для решения поставленной задачи:
— закон сохранения массы (уравнение неразрывности)
— закон сохранения импульса (уравнение На-вье—Стокса)
д (рщ) = -Л. (рЩи,) + - — + р/,
д? дх] дх] дх1
где р — плотность, и, у — скорость в направлении /, у, х, у — декартовы координаты, т;, у — тензор вязких напряжений, Р — давление, ^ — внешние силы;
— закон сохранения энергии (первый закон термодинамики)
I<рЛ) =
-■д М +щ зр+ь.
dxi
dxj dt dxj dxj
+ ^ (pu ) = 0;
dt dxj
i res
где h — удельная энтальпия, qt связан с переносом энергии за счет теплопроводности потока вещества и диффузии, Sh — источник энергии за счет химических реакций и теплообмена излучением; — закон сохранения компонентов смеси
| (рсу = (PC*) + | + *
где Cß — массовая концентрация компонента ß, j — среднемассовый поток в i-м направлении, Sß — ис-точниковое слагаемое компонента ß.
Для описания движения и тепломассообмена газовой фазы используется метод, в основе которого лежит эйлеров подход для описания движения и тепломассообмена газовой фазы. Этот метод использует пространственные уравнения ба-
ланса массы, импульса, концентраций газовых компонентов и энергий для газовой смеси. Для описания движения и тепломассообмена одиночных частиц топлив вдоль их траекторий используется лагранжев подход [5]. Турбулентная структура потока описывается двухпараметрической к—е-моделью турбулентности, где к — кинетическая энергия турбулентности, е — турбулентная энергия диссипации. Радиационный теплообмен представляется шестипоточной моделью переноса [6, 7].
Приведенная система уравнений решается численно с использованием современных методов компьютерного 3D-моделирования.
При моделировании процессов образования продуктов горения в пылеугольном факеле применялась кинетическая модель химических превращений, справедливая для широкого интервала температур и концентраций реагентов. Однако детальное моделирование всех протекающих реакций (включая все промежуточные реакции) из-за больших вычислительных затрат или отсутствия информации обо всех промежуточных реакциях возможно только в простых случаях, как, например, при сгорании окиси углерода.
Использование в работе модели интегральной реакции основано на том, что большинство химических реакций протекает в несколько этапов, причем самый медленный этап реакции определяет скорость всей реакции. Множество многоступенчатых реакций можно моделировать с помощью закономерностей одноступенчатых реакций, а кинетические данные при этом определяются самым медленным этапом реакции. Модель сжигания угольной пыли, используемая в данной работе, учитывает интегральные реакции окисления компонент топлива до стабильных конечных продуктов реакции [8]. При этом промежуточные реакции, образование и изменение неустойчивых промежуточных продуктов не учитываются.
В работе модель горения рассматривается в виде следующих этапов:
— пиролиз с выходом летучих веществ и образованием коксового остатка,
— горение летучих продуктов и оксида углерода,
— горение коксового остатка.
Моделирование пиролиза. Модель горения должна описывать исключительно локальное выделение тепла в результате сгорания и влияния продуктов сгорания на теплообмен. Поэтому при выборе моделей пиролиза и сгорания отказались от применения громоздких систем с большим количеством компонентов.
В работе используется одноэтапная модель пиролиза, описанная в [9, 10], так как в этом случае стехиометрические коэффициенты реакции пиролиза можно вывести из данных экспресс-анализа, что важно и предпочтительно. Кроме того, эта модель достаточно точно работает во многих
случаях и является хорошим компромиссом для уменьшения вычислительных затрат.
Моделирование горения летучих веществ. Продукты пиролиза, смешиваясь с воздухом, образуют реакционно-способную смесь. Скорости реакций горения этих газообразных продуктов так высоки, что допустимо приближение диффузионного горения. При описании процесса пиролиза летучие вещества рассматриваются как фиктивные углеводороды. Поскольку в основном интерес представляет только скорость и тепловыделение при окислении, при высоких температурах и достаточном количестве кислорода сгорание летучих веществ может быть представлено в виде двухступенчатой реакции в предположении, что сначала происходит окисление летучих веществ до СО и Н2О [10]:
CxHy + (- + O2 ^ xCO + yH2O, - y \2 4/ 2 2
а на втором этапе — окисление до СО2 [11, 12]:
(1)
-CO + - O2
^ -CO2.
(2)
В работе с учетом реакций (1) и (2) для определения скорости сгорания продуктов пиролиза используется концепция турбулентной диссипации (Eddy-Dissipation Model, EDM), предложенная Магнуссеном и подробно рассмотренная в работе [8] в приближении мгновенного перемешивания, при которой нет необходим
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.