Содержание
Известно, что горение суспензионного угольного топлива (ВУТ) существенно отличается от аналогичного процесса для пылевидного угля, при этом эффективность его сжигания существенно зависит от качества распыления топлива.
Учитывая полидисперсность частиц угля в ВУТ, при высокоскоростном вылете распыленного топлива из сопел форсунки образуются как чисто угольные частицы («капли-частицы» крупнее 80-100 мкм), с которых за счет сил гидродинамического трения срывается жидкая пленка с наиболее тонкими угольными частицами, так и водоугольные капли, состоящие из тонких частиц угля и жидкой фазы.
Поэтому механизмы воспламенения и горения полидисперсного потока распыленного ВУТ необходимо рассматривать с учетом законов тепломассообмена и химических реакций, происходящих в жидкоугольных каплях и обычных угольных частицах.
Принцип работы топки для горения суспензионного угольного топлива
Данная физическая модель распыления ВУТ была подтверждена математическими расчетами и результатами эксперимента в работе [1].
Таким образом, принимается, что процесс сжигания распыленных капель ВУТ представляет собой сочетание горения двух модельных систем:
- Угольных частиц с диаметром dk > 80М00 мкм («капли-частицы»).
- Водоугольных капель с диаметром dk ≤ 8÷100 («капли») описанные в работе [1].
Низкая реакционная способность ВУТ вследствие наличия в ВУТ жидкой фазы — воды, а также повышенная относительно других жидких топлив вязкость являются решающими при выборе эффективной технологии сжигания ВУТ, которая должна обеспечивать необходимую полноту выгорания топлива и минимально возможные вредные выбросы в уходящих газах.
С учетом указанных особенностей ВУТ используется низкотемпературный вихревой способ его сжигания (НТВСС), разработанный доктором технических наук Пузыревым Е.М. в работе [2] и реализованный при создании различных конструкций вихревых топочных камер сжигания, описанных в работах [3 и 4].
В отдельных случаях для сжигания ВУТ используется низкотемпературный кипящий слой, создаваемый из частиц инертного материала.
Однако данный метод имеет существенные недостатки:
- Высокие затраты энергии на собственные нужды.
- Высокие требования к качеству сжигаемого топлива.
Таким образом, учитывая преимущества НТВСС технологии, наиболее эффективно ВУТ может быть сожжено в вихревой топке.
Численное моделирование процесса сжигания ВУТ в подобных специализированных топках специальных конструкций в соответствии с разработанной моделью горения [1] выполнялось с использованием программы численного моделирования FLUENT.
Построение сетки для вихревой топочной камеры выполнялось с использованием пакета GAMBIT, являющийся геометрическим и сеточным препроцессором для FLUENT.
На рисунке 1 представлена созданная топка в рамках исследований:
где
- Водоугольное топливо подается в камеру сжигания через форсунку (1), расположенную в горелочном устройстве, установленном в одной из боковой стенок. В свою очередь, воздух, необходимый для сжигания, распределяется на два основных потока.
- Первичный поток подается через сопло форсунки и используется для распыления водоугольной суспензии и организации устойчивого воспламенения, а вторичный поток выходит из дутьевых сопел (3).
- Первичный воздух вместе с распыленным топливом вводится в камеру сжигания через форсунки, тангенциально выходному окну вихревой камеры, также как вторичный поток вводится в камеру тангенциально через специальные сопла (2).
Сетка модели представлена на рисунке 2:
Активная вихревая аэродинамика, создаваемая в топочной камере тангенциальной подачей дутья, используется для:
- Глубокого выжигания летучих фракций.
- Подавления эмиссии вредных веществ, благодаря идеальному перемешиванию вводимого топлива и окислителя.
Анализ экспериментальных и теоретических исследований
При численном моделировании использовались данные, указанные в таблице 1:
В качестве модели горения распыленных капель ВУТ применяется модель распада вихрей (Eddy-Dissipation Model).
Течение процесса описывается системой уравнений:
- Стационарное трехмерное уравнение Навье-Стокса, сохранение энергии.
- Массы осредненных по Рейнольдсу.
Для теоретических расчетов принимаем следующие решения:
- Турбулентная вязкость рассчитывается с помощью двухпараметрической «к-s» модели.
- Параметры инжекции капель ВУТ в камере задаются с помощью модели «Discrete Phase Model».
- Теплофизические свойства воздуха рассчитываются по полиномиальной зависимости от температуры.
- Радиационный теплообмен в двухфазном потоке представляется в рамках Р1 приближения метода сферических гармоник.
Распыленные капли ВУТ, попадающие в топочную камеру, нагреваются как за счет теплоты радиационного излучения от пламени, так и за счет высокой температуры газообразных продуктов сгорания.
Затем процессы развиваются в следующем порядке:
- Испарение влаги.
- Выход летучих веществ.
- Воспламенение.
Воспламенившиеся капли-частицы ВУТ сгорают, перемешиваясь с вторичным воздухом, и формируют тем самым условия сгорания для летучих веществ, выделившихся из угольных частиц.
Коксовые остатки угля после сгорания летучих, перемешиваются с вторичным воздухом для сгорания, формируя фронт горения.
Грубодисперсные капли-частицы могут перемещаться к выходу топочной камеры еще до завершения сжигания и являются основной составляющей несгоревших остатков в золе.
Таким образом, при вихревой системе сжигания необходимо добиваться наибольшего времени пребывания «капель-частиц» в вихревой камере.
Путем численного моделирования построены:
- Траектории движущихся «капель-частиц».
- Траектории капель ВУТ в вихревой топке в зависимости от их диаметра.
При этом установлено, что время пребывания распыленных наиболее крупных капель топлива в топочном пространстве может составлять не менее 5-6 с, что обеспечивает практически полное их выгорание.
Расчет показал, что температура угольной частицы при движении плавно растет, а температура капли ВУТ после повышения до температуры испарения жидкой фазы остается постоянной на протяжении всего процесса испарения.
Затем начинаются процессы горения твердой фазы капли ВУТ с выделением теплоты, и наблюдается резкое повышение температуры.
Во время этого процесса происходят следующие явления:
- Содержание летучих веществ для угольной частицы неизменно в начале процесса и уменьшается только при нагреве частицы до температуры выделения летучих веществ.
- Для капель ВУТ наблюдается увеличение содержания летучих веществ за счет испарения воды.
- В процессе испарения температура твердой фазы капли ВУТ повышается, и содержание летучих веществ достигает аналогичного значения для твердой угольной частицы.
Стабильность процесса сохраняется в течение значительно меньшего времени за счет повышения температуры твердой фазы капли ВУТ в процессе испарения воды.
Численные результаты сравнивались с экспериментальными данными, полученными в процессе сжигания опытных партий ВУТ, приготовленных из углей различных марок и зольности, на демонстрационном стенде НПЦ «Сибэкотехника», работа [5].
В таблице 2 представлены технические характеристики исследованных опытных партий ВУТ:
Сведем данные сжигаемых партий в таблицу 3:
Анализ результатов сжигания опытных партий ВУТ показывает:
- Температура зажигания и время выхода на стабильный режим горения различных видов ВУТ зависят от марки угля и его зольности.
- Подтверждает данные теоретических исследований.
Также проведенные испытания показали, что ВУТ, приготовленные из углей различных марок и зольности, надежно воспламеняются и эффективно сжигаются в вихревой топке.
Сопоставим теоретические и практические данные исследования в таблице 4:
На основании данного сопоставления следует:
- Таким образом, численные расчеты хорошо согласуются с экспериментом.
- Полученные результаты при численным моделированием и экспериментальным путем, тождественны.
- Механический недожог топлива (содержание горючих в уловленных эоловых частицах) составляет не более 5-7%.
Список литературы
- Результаты исследований распыления водоугольного топлива пневмомеханическими форсунками / Ю.А. Сенчурова, В.И. Мурко, В.И.Федяев, Д.А. Дзюба, Е.М. Пузырев // Известия Томского Политехнического Университета, 2008 год, том 312, №4, страницы 37-40.
- Материалы сайта: www.kotelprom.ru.
- Мурко В.И., Сенчурова Ю.А., Федяев В.И., Дзюба Д.А. Модель сжигания суспензионного угольного топлива, Горение твердого топлива, Сборник докладов часть 2, Новосибирск, 2009 год, страницы 144-149.
- Результаты численного моделирования процесса сжигания водоугольного топлива / В.И. Мурко, А.Риестерер, С.А. Цецорина, В.И. Федяев, В.И. Карпенок // Ползуновский вестник, 2011 год, №2/1, страницы 230-234.
- Демонстрационная опытно-промышленная установка для приготовления, транспортировании, хранения и сжигания композиционного водоугольного топлива / В.И. Мурко, В.И. Федяев, Д.А. Дзюба и другие // Уголь Кузбасса, 2003 год, №10, страница 20.
- Что такое Инжиниринг.
Источник: Исследования технологии сжигания суспензионного угольного топлива в вихревой камере / В.И. Мурко, Ю.А. Сенчурова, В.И. Федяев, В.И. Карпенок // Вестник КузГТУ, 2013 год, №2, страницы 103-105.
