Математическое моделирование топочных процессов при факельном сжигании твердого топлива

Об авторах:

Гиль Андрей Владимирович, кандидат технических наук, доцент, научно-образовательный центр И. Н. Бутакова, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; andgil@tpu.ru; ORCID: 0000-0001-6816-7876
Мальцев Кирилл Иванович, аспирант, научно-образовательный центр И. Н. Бутакова, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; runstar@yandex.ru
Заворин Александр Сергеевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой — руководитель научно-образовательного центра И. Н. Бутакова на правах кафедры, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; andgil@tpu.ru
Старченко Александр Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой вычислительной математики и компьютерного моделирования, Национальный исследовательский Томский государственный университет; starch@math.tsu.ru

Аннотация:

Исследования процессов горения и теплообмена в крупномасштабных объектах крайне затруднены как аналитически, так и экспериментально. Сжигание непроектных углей в котельных агрегатах зачастую сопровождается снижением полноты выгорания топлива, нежелательным перераспределением тепловых потоков и другими негативными факторами вследствие отличающихся теплотехнических характеристик топлива. Рассмотрена возможность эффективного выгорания полифракционного непроектного твердого топлива в топочной камере котельного агрегата с твердым шлакоудалением на основе численного исследования совместно протекающих аэротермохимических процессов. Решена задача численного моделирования стадийного выгорания угольных частиц, начиная от испарения содержащейся в них влаги до догорания их коксового остатка при движении в несущей фазе. Численные исследования физико-химических процессов в камере сгорания проведены для трех нагрузок (50%, 70%, 100%) на основе разработанного расчетного комплекса FIRE 3D. Применена Эйлерово–Лагранжева модель для запыленного потока, замыкание осредненных уравнений Навье-Стокса выполнено k-ε моделью турбулентности, использован второй порядок точности при проведении численных расчетов. Основные результаты трехмерного моделирования представлены в виде полей скоростей и температур, распределении концентраций O2 и CO по высоте топочного объема. Результаты математического моделирования показали хорошее соответствие с доступными аналитическими значениями. На основании полученных данных можно констатировать возможность организации сжигания непроектного топлива в рассматриваемом котлоагрегате. Установлено, что при работе на нагрузках ниже номинальной наблюдается перераспределение горелочных струй, негативно отражающееся на надежности и эффективности работы котла. Для повышения эффективности работы котельного агрегата на пониженных нагрузках необходима более широкая проработка вариантов перераспределения долей топливно-воздушной смеси и вторичного воздуха.

Список литературы:

1.      Баутин С. П. Численное моделирование сложных течений газа в концентрированных огненных вихрях / С. П. Баутин, А. Г. Обухов // Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика Вестник Тюменского государственного университета. 2019. Т. 5. № 3. С. 47-68.

2.      Бубенчиков А. М. Численные модели динамики и горения аэродисперсных смесей в каналах / А. М. Бубенчиков, А. В. Старченко. Томск: ТГУ. 1998. 236 с.

3.      Волков Э. П. Исследование процесса сжигания твердого топлива в топках с прямоточными горелками / Э. П. Волков, В. Б. Прохоров, С. Л. Чернов и др. // Теплоэнергетика. 2020. № 6. С. 47-56.

4.      Гиль А. В. Математическое моделирование физико-химических процессов сжигания углей в камерных топках котельных агрегатов на основе пакета прикладных программ FIRE 3D / А. В. Гиль, А. В. Старченко // Теплофизика и аэромеханика. 2012. Т. 19. № 5. С. 655-671.

5.      Грэм Ю. Глобальный обзор электроснабжения. 2021. URL: https://ember-climate.org/wp-content/uploads/2021/03/Global-Electricity-Review-2021-Russia-Translate....

6.      Маршак Ю. Л. Исследование горения березовского угля в тангенциальной топочной камере с газовой сушкой топлива / Ю. Л. Маршак, В. Н. Верзаков // Теплоэнергетика. 1982. № 8. С. 4-9.

7.      Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости / С. Патанкар. Москва: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.

8.      Старченко А. В. Применение пакета FIRE 3D к анализу процессов шлакования /
А. В. Старченко, А. С. Заворин, С. В. Красильников // Известия Томского политехнического университета. 2002. Т. 305. № 2. С. 152-157.

9.      Старченко А. В. Численная оценка улавливания шлака в топке открытого типа с жидким шлакоудалением / А. В. Старченко, А. С. Заворин, С. В. Красильников // Известия Томского политехнического университета. 2004. Т. 307. № 2. С. 127–133.

10.   Супранов В. М. Исследование возможности работы котла ТПЕ-208 энергоблока №1 Смоленской ГРЭС на непроектных углях / В. М. Супранов, М. А. Изюмов,
П. В. Росляков // Теплоэнергетика. 2011. № 1. С. 44-54.

11.   Тайлашева Т. С. Оценка условий сжигания высоковлажного непроектного топлива в камерной топке на основе численного моделирования / Т. С. Тайлашева,
А. В. Гиль, Е. С. Воронцова // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т. 327. № 1. С. 128-135.

12.   Тепловой расчет котлов (нормативный метод) / Под ред. Г. М. Кагана. 3-е изд.,
перераб. и доп. Санкт-Петербург: ВТИ, 1998.

13.   Audai Hussein Al-Abbasa. Numerical simulation of brown coal combustion in a 550 MW tangentially-fired furnace under different operating conditions / Audai Hussein Al-Abbasa, Jamal Naser, Emad Kamil Hussein // Fuel. 2013. Vol. 107. Pp. 688-698.

14.   Bartłomiej Hernik. A numerical study on the combustion process for various configurations of burners in the novel ultra-supercritical BP-680 boiler furnace chamber / Bartłomiej Hernik, Grzegorz Latacz, Dominik Znamirowski // Fuel Processing Technology. 2016. Vol. 152. Pp. 381–389.

15.   Baum M. M. Predicting the combustion behaviour of coal particles / M. M. Baum,
P. J. Street // Combust Sci Technol. 1971. Vol. 3. Pp. 231-243.

16.   Cuiliu Zhang. Numerical simulation of combustion behaviors of hydrochar derived from low-rank coal in the raceway of blast furnace / Cuiliu Zhang, Guangwei Wang, Xiaojun Ning, Jianliang Zhang, Chuan Wang // Fuel. 2020. Vol. 278. Art. 118267. 8 p.

17.   Gil A. V. Numerical investigation of the combustion process for design and non-design coal in T-shaped boilers with swirl burners / A. V. Gil, A. S. Zavorin, A. V. Starchenko // Energy. 2019. Vol. 186. Art. 115844. 14 p.

18.   Hatami Mohammad. Thermal optimization for the tangential swirl burner at the rotary furnace of steel pipe industry to save energy and reduce emissions / Hatami Mohammad, Heydari, Abbas // Alexandria Engineering Journal. 2022. Vol. 61. № 9. Pp. 6675-6694.

19.   Karampinis E. Numerical investigation Greek lignite/cardoon co-firing in a tangentially fired furnace / E. Karampinis, N. Nikolopoulos, A. Nikolopoulos, P. Grammelis, E. Kakaras // Applied Energy. 2012. Vol. 97. Pp. 514–524.

20.   Magnusen B. F. On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion / B. F. Magnusen, B. H. Hjertager // Proceedings of 16^th International Symposium on Combustion. Pittsburg, 1976. Pp. 719-727.