научная статья по теме ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОТЛА Физика

Текст научной статьи на тему «ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОТЛА»

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.

Показать целиком