Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор современного состояния вопроса сжигания твердого топлива угрубленного помола, постановка задачи исследования 13
1.1 Методы сжигания твёрдого топлива 13
1.2 Виды традиционных пылеугольных топочных камер 16
1.3 Специальные конструкции топочных камер 21
1.4 Технологические аспекты факельного сжигания низкосортного угля угрубленного помола 1.4.1 Схемы пылеприготовления и сжигания углей 30
1.4.2 Системы нижнего воздушного дутья 34
1.4.3 Методы интенсификации сжигания низкосортного угля угрубленного помола 37
1.5 Выводы по первой главе, постановка задачи исследования 42
2. Описание методики численного исследования. верификация и валидация численной модели топки для случаев сжигания забалластированных топлив 45
2.1 Описание математической модели топочной камеры 46
2.2 Верификация и валидация численной модели топочной камеры при сжигания высоковлажного бурого угля в котле ТП-14А
2.2.1 Описание котла ТП-14А Кумертауской ТЭЦ 52
2.2.2 Построение разностной сетки и оценка сходимости численной модели 56
2.2.3 Сопоставление результатов моделирования с данными испытаний 62
2.3 Верификация и валидация численной модели топочной камеры при
сжигании высокозольного каменного угля в котле П-57 67
2.3.1 Описание котла П-57 Троицкой ГРЭС 67
2.3.2 Построение разностной сетки и оценка сходимости численной модели 71
2.3.3 Сопоставление результатов моделирования с результатами испытаний 75
2.4 Выводы 79
3. Численное исследование сжигания высокозольного каменного угля в комбинированных схемах 81
3.1 Исходные данные численного исследования 81
3.2 Численное исследование комбинированных схем сжигания
3.2.1 Вариант комбинированной схемы №1 84
3.2.2 Вариант комбинированной схемы №2 93
3.2.3 Вариант комбинированной схемы №3 98
3.2.4 Вариант комбинированной схемы №4
3.3 Регрессионный анализ результатов моделирования 105
3.4 Выводы 113
4. Численное исследование процессов подготовки и сжигания низкосортного высоковлажного бурого угля в комбинированной схеме 115
4.1 Описание объекта. Исходные данные и граничные условия исследования 115
4.2 Численное исследование процесса сушки высоковлажного бурого угля в системе пылеприготовления с мельницей-вентилятором 118
4.3 Разработка комбинированной схемы сжигания низкосортного высоковлажного бурого угля 126
4.4 Выводы 131
5. Технико-экономические показатели внедрения комбинированных схем сжигания 132
5.1 Оценка оптимальной тонкости помола при комбинированной схеме сжигания экибастузского угля в котле П-57 132
5.2 Влияние тонкости помола на тепловую схему котла П-57 136
5.3 Расчёт экономической эффективности внедрения комбинированных схем
5.3.1 Предложение по модернизации котла П-57 Троицкой ГРЭС 146
5.3.2 Предложение по модернизации котла ТП-14А Кумертауской ТЭЦ 149
5.4 Выводы 153
Заключение 155
- Технологические аспекты факельного сжигания низкосортного угля угрубленного помола
- Построение разностной сетки и оценка сходимости численной модели
- Вариант комбинированной схемы №1
- Численное исследование процесса сушки высоковлажного бурого угля в системе пылеприготовления с мельницей-вентилятором
Технологические аспекты факельного сжигания низкосортного угля угрубленного помола
Применение слоевого метода сжигания ограничено паропроизводительностью котла (до 10 т/ч для бурых и каменных углей и до 20 т/ч для антрацитов). Кроме того слоевые топки сложны, слабо поддаются механизации и автоматизации процесса управления [10]. Применение подвижной цепи вместо решётки снижает надёжность топочного устройства.
Преодолеть описанные выше недостатки можно применяя топки с кипящим слоем. Сжигание топлива в кипящем слое является разновидностью слоевого сжигания. Для организации процесса в кипящем слое скорость окислителя и размер частиц подбираются так, чтобы частицы оказались в подвешенном состоянии (сила тяжести частиц уравновешивается подъемной силой). Таким образом, в отличие от классической слоевой топки, где большие куски топлива лежат неподвижным слоем на решетке, в топке с кипящим слоем дроблёнка образует достаточно устойчивый по высоте (до 1 м) слой, где частицы активно перемешиваются по его объему [14]. Активное перемешивание топлива и достаточно большое его время пребывания в слое обеспечивает эффективное выгорание. За рубежом широкое распространение получили топки с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС). Главным их отличием от топок стационарного кипящего слоя является повышенная скорость ожижающего воздуха (6-9 м/с). Данное обстоятельство приводит к необходимости установки циклона (как правило горячего) на выходе из топки – для улавливания и возврата уноса в топку на дожигание [14], [15].
Пылевидный метод применяется на энергетических котлах производительностью выше 15-35 т/ч для сжигания сланцев, бурых, каменных углей и антрацитов. Топливо подвергается предварительной обработке в системе пылеприготовления – сушке и измельчению до состояния мельчайшей пыли (размером в среднем до 400 мкм). Угольная пыль подаётся в топку сушильным агентом через горелку и сгорает во взвешенном состоянии в пылеугольном факеле. Тонкий помол топлива обеспечивает хорошую летучесть частиц и высокую скорость их выгорания – 1-2 с [10].
К преимуществам указанного метода следует отнести возможность сжигания в факельной топке большой массы топлива в единицу времени, а следовательно, повышения паропроизводительности котла. Существенным является так же широкий диапазон твёрдых топлив, сжигаемых в пылеугольных котлах (от высокозольных сланцев до низкореакционных антрацитов) и возможность сжигания жидких и газообразных топлив в той же топочной камере. Процессы приготовления топлива, подачи воздуха, горения и удаления продуктов сгорания и шлака механизированы и поддаются автоматизации.
Результаты опытов [11] показывают, что выгорание топлива в пылеугольном факеле имеет резкий, скачкообразный характер в начале факела. Дальше интенсивность выгорания падает и основные показатели процесса горения (механический недожог, концентрации кислорода и продуктов сгорания, температура) изменяются плавно. Объясняется это обстоятельство быстрым выгоранием летучих и мелких частиц угля, которые забирают на себя основную долю кислорода. Концентрация кислорода падает, и крупные частицы, которые и определяют механический недожог, сгорают в худших концентрационных условиях.
Указанное ограничение снимается организацией вихревого движения топочных газов, на чём основывается вихревой метод сжигания [11]. В случае, если обеспечивается непрерывный возврат крупных частиц топлива в зону активного горения (ЗАГ), становится возможным увеличение времени пребывания частиц в топке без увеличения её габаритов. Вихревой метод сжигания применяется в низкотемпературных вихревых (НТВ) топках, топках Шершнёва, циклонных предтопках, вихревой топке ЦКТИ. Увеличение времени пребывания частиц в топке позволяет сжигать высокореакционные бурые угли и торф в виде дроблёнки.
Кроме снижения потерь с мехнедожогом и затрат на размол топлива к достоинствам вихревого метода следует отнести стабилизацию процесса горения за счёт увеличения массы топлива в топке. Недостатками же являются ограничения по производительности (не более 75 т/ч для топок Шершнёва) и типу применяемых углей (как правило бурые угли, фрезерный торф, лигнит). Следует отметить, что исследования по совершенствованию технологии вихревого сжигания ведутся и в настоящее время, например [16].
Построение разностной сетки и оценка сходимости численной модели
Как было указано в п. 1.5 исследование выгорания низкосортных топлив выполняется с помощью численного моделирования топочной камеры, предполагающего выполнение серии вариантных расчётов для комбинированных схем сжигания экибастузского и тюльганского угля. В данной главе приводится описание использованной численной модели топки, верификация результатов моделирования, подбор настроек для численной модели в программе ANSYS Fluent для вариантов сжигания высоковлажного тюльганского угля в топке котла ТП-14А и высокозольного экибастузского угля в топке котла П-57 на основе данных испытаний указанных котлов.
Достигнутый уровень аппаратного и программного обеспечения позволяет использовать метод численного моделирования с достаточной точностью. Одним из главных его достоинств является возможность исследовать особенности аэродинамики, теплообмена и горения топлива внутри топки не прибегая к дорогостоящему физическому моделированию или натурным испытаниям, а также моделировать такие режимы работы топки, которые осуществить при натурных испытаниях на действующем оборудовании не представляется возможным. Численное моделирование является эффективным и апробированным инструментом при проработке предпроектных конструкторских решений по модернизации котельного оборудования [50], оптимизации режима [51] или для поиска и устранения проблем в его работе [52].
Численное моделирование, не смотря на свои очевидные преимущества, базируется на значительном количестве допущений и эмпирических констант, полученных для конкретных условий. Это касается, как моделей турбулентности, так и теплообмена и горения. Поэтому использование вычислительной гидродинамики (ВГД) в качестве метода исследования требует проверки достоверности результатов численных расчётов для исследуемых условий работы.
Проверка достоверности численной модели выполняется с помощью известных процедур – верификации и валидации. В общем случае, в технике или системе менеджмента качества, под верификацией понимают подтверждение того, что установленные требования были выполнены. Валидация более узкое понятие и означает подтверждение того, что требования, предназначенные для конкретного использования или применения, выполнены [53].
Применительно к проверке качества численных моделей, верификация предполагает оценку порядка сходимости численных решений и чувствительности алгоритма дискретизации к различным неопределённостям, в частности к изменению размеров ячеек разностной сетки, а валидация численного моделирования предполагает сопоставление результатов расчётов с экспериментальными данными и отвечает на вопрос "является ли численное решение физически корректным?" [54].
Во второй главе настоящей работы проводится анализ сходимости численной модели, чувствительности алгоритма дискретизации к качеству разностной сетки и сравнение результатов моделирования топки с данными испытаний котла и результатами теплового расчёта по нормативному методу.
На протяжении последних десятилетий в мире ведутся активные разработки в области создания и совершенствования интегрированных программных комплексов ВГД. В настоящее время их уровень развития достиг той стадии, что проведение численного эксперимента стало стандартом при выполнении проектных и исследовательских работ. На мировом рынке появилось значительное количество программных комплексов ВГД, имеющих, как правило, модульную структуру, удобный графический интерфейс и широкий набор инструментов для создания и импортирования трехмерных объектов, построения расчётных сеток, задания граничных условий и исходных данных [50], [55].
В России получили популярность и применяются такие коммерческие программные комплексы, как STAR-CD/STAR-CCM+, ANSYS Fluent, ANSYS CFX, FlowVision, Gas Dynamics Tool, SigmaFlow, Fire 3D и др. Первые три пакета (STAR-CD/STAR-CCM+, Fluent, CFX) по уровню полноты реализуемых физических и математических моделей являются программами «тяжелого класса», предназначенными для решения широкого круга задач гидрогазодинамики и теплообмена. Помимо большой базы предусмотренных моделей приведённые выше пакеты предоставляют возможность пользователю самостоятельного выбора разностных схем и алгоритмов, а также их параметров, создавать разностные сетки со смешанным типом ячеек (гексаэдры, призмы, тетраэдры и др.), предусматривают возможность пользовательского программирования. Они поддерживают большинство форматов трёхмерных моделей и сеток, созданных в сторонних программах [56].
В случае численного анализа внутритопочных процессов, наибольший перевес имеет программный продукт ANSYS Fluent, апробированный в решении задач самого широкого класса – от пылеугольных котлов малой и средней мощности до котлов с ЦКС. На основании приведённых выше соображений предпочтение в этой работе отдано этому программному продукту.
Принятая математическая модель топки включает в себя следующую систему уравнений [57]: уравнение неразрывности (сохранения массы); уравнение сохранения энергии; уравнение сохранения количества движения; уравнения переноса химических реагентов и продуктов реакции (уравнения диффузии); уравнение переноса лучистой энергии; уравнения состояния; уравнения для дискретной фазы.
Вариант комбинированной схемы №1
В п.2.3.1 изложены результаты численного моделирования существующей схемы сжигания экибастузского угля для котла П-57 с малотоксичными горелками на Троицкой ГРЭС. В указанной схеме наблюдается затягивание воспламенения топлива из-за повышенной зольности и грубости помола и повышение ядра факела до уровня горелок второго яруса, концентрация NOx в дымовых газах равняется 633 мг/нм3 (при =1,4), причём до 70% образовавшихся NOx складывается за счёт топливных оксидов азота, несмотря на повышенные температуры в топке. Расчётный расход электроэнергии на размол при R90=25,3% составляет Эрзм = 20,62 кВтч/т.
Т.о. задачей настоящего исследования является разработка такой схемы сжигания, которая позволила бы повысить предельную грубость помола R90 при одновременном сохранении потерь с мехнедожогом q4 на прежнем уровне (или снижении) и дальнейшем снижении образующихся оксидов азота NOx.
Одной из проблем высокозольных топлив является повышенная оптическая плотность среды в топке, что приводит к повышенной температуре газов на выходе из топки в сравнении с расчётной по нормативному методу [72]. Для котла П-57 оптическую плотность среды дополнительно повышает большой объём топочной камеры 104 м3 и превышение проектной температуры на выходе из топки для экибастузского угля достигает 140С, а расчётной по нормативному методу 80С [58]. Повышение температуры на выходе из топки приводит к шлакованию и увеличению температур металла ширмового пароперегревателя (ШПП), что и показали результаты опытного сжигания экибастузского угля на котле П-57 [80]. Согласно [80] во второй ступени ШПП зафиксировано локальное превышение предельно допустимой температуры металла на 10С. Т.о. снижение температуры на выходе из топки котла П-57 является желательным при разработке комбинированной схемы сжигания экибастузского угля.
Увеличение зольности топлива Ас на каждые 10% приводит к снижению адиабатной температуры на 40-100С, а температуры факела на 30-90С [81], что отрицательно сказывается на воспламенении и горении угольной пыли. Опытные исследования по воспламенению высокозольных углей [82] показали, что такие типы углей имеют температуру воспламенения на уровне 1230-1300С.
Учитывая высокую зольность экибастузского угля (Ас=44-55%) необходимо обеспечивать высокие температуры в зоне горения, интенсивное перемешивание топлива с воздухом и интенсивную рециркуляцию горячих топочных газов к корню горелочной струи для обеспечения устойчивого зажигания топлива и его выгорания с высокой эффективностью. Однако высокие температуры являются причиной интенсификации образования термических оксидов азота NOx, что приводит к необходимости искать оптимум между двумя показателями (q4 и NOx). Добиваться дальнейшего снижения концентрации оксидов азота следует за счёт первичных мероприятий по подавлению образования NOx [83], [84].
Американскими исследователями Сарофимом, Ховардом, Кобаяши и др. было обнаружено, что реакционная способность коксового остатка увеличивается при значительной доле минеральных примесей в угле [85], однако этот эффект на повышении скорости горения угля сказывается незначительно - только на начальном участке факела, т.к. основное горение коксового остатка протекает в диффузионной области [86].
Котёл П-57 имеет несколько модификаций, одна из них - П-57-Р принципиально отличается от остальных конструкцией верхней части топочной камеры, а именно - в ней отсутствуют фестоны и трубы СРЧ1 переходят в под горизонтального газохода. Кроме того, модификация П-57Р рассчитана на сжигание высокозольных углей валовой добычи с зольностью на рабочую массу доходящей до 55%. Для устранения шлакования и золового заноса поверхностей нагрева в этой модификации установлены настенные ширмы в верхней части топки - двусветные экраны, которые обеспечивают дополнительное охлаждение уходящих из топки дымовых газов.
Согласно [72] граница расчётной области топочной камеры в зоне выходного окна пролегает по плоскости, проходящей по оси первого ряда ширмы, для случаев когда ширмы выступают в топочную камеру (рисунок 3.1а). В случаях, когда ширмовые пакеты расположены по всему сечению топки (рисунок 3.1б) границей расчётной области в верхней части топки будет служить плоскость, проходящая под ширмами. Для настоящего исследования
предпочтительным является второй вариант разграничения, который позволит сделать расчётную модель универсальной для всех модификаций котла П-57.
Нижнюю границу расчётной зоны принято проводить по середине полной высоты холодной воронки (рисунок 3.1б), однако с учётом добавления нижнего воздушного дутья в схему сжигания факел будет растягиваться по высоте топки и в холодной воронке горение топлива и теплообмен будут интенсифицироваться. Следовательно в расчётную зону необходимо добавить всю холодную воронку. В разделе 1 описывались принципы эффективного и экологически безопасного сжигания низкосортного топлива угрубленного помола. Эти принципы положены в основу при разработке комбинированных схем сжигания экибастузского угля, представленных в данной главе: - сжигание организуется на основе прямоточных горелок и сопл; - наклон горелок и сопл вниз; активная турбулизация горелочных струй в топочном объёме за счёт специальной компоновки прямоточных горелок и сопл; - компоновка горелок и сопл по встречно-смещённой схеме; - организация нижнего воздушного дутья; - ступенчатый ввод воздуха и/или топлива в топку для снижения доли образующихся оксидов азота [83]; - сохранение твёрдого шлакоудаления.
Конструкция горелки в значительной мере определяет процесс горения -устойчивость зажигания факела, интенсивность выгорания топлива, уровень образования токсичных веществ, топочную аэродинамику. С этим связаны высокие требования, предъявляемые к конструкциям горелочных устройств. Типовые конструкции устанавливаются нормативными документами, например [87], [88]. В России и мире накоплен значительный опыт в проектировании и конструировании прямоточных и вихревых горелок [79], [89], [90], однако представляет интерес исследование нетиповых конструкций прямоточных горелок на топочную аэродинамику и горение угольной пыли. В частности проверка гипотезы о влиянии периметра зажигания горелки на скорость воспламенения экибастузского угля является актуальной задачей и исследуется в данном подразделе.
В первом варианте комбинированной схемы (рисунок 3.2) горелки выполнены в виде четырех труб диаметром 377х8 мм, расположенных одна над другой, наклоненных вниз под углом 45. Такое исполнение значительно повышает периметр эжекции топочных газов к корню горелочных струй и увеличивает скорость воспламенения топлива. Уровни расположения горелок 1-го и 2-го яруса остаются такими же, как у существующих вихревых (13,7 м и 17,7 м соответственно). Сопла третичного воздуха выполняются на отметке 21,5 м в количестве 12 штук, по 6 с каждой стороны с наклоном вниз на 55. На стенах шлакового комода расположены воздушные сопла в количестве 60 штук, по 30 с каждой стороны. Все сопла располагаются в шахматном порядке с наклоном вверх на 50. В горелки подаётся только пылевоздушная смесь, в сопла нижнего дутья и сопла третичного дутья - воздух.
Численное моделирование проводилось для следующих условий: номинальный режим работы топки, при сжигании экибастузского угля марки СС, работе восьми мельниц, суммарном остатке на сите R90=15% и коэффициенте полидисперсности n=0,9. Характеристика экибастузского угля марки СС представлена в таблице 3.1.
Расход сушильного агента за ММТ определялся по [41] для мельниц с центробежными сепараторами при размоле каменных углей по известному полному расходу топлива на одну мельницу 34,62 т/ч. По рассчитанному расходу сушильного агента (62,69 тыс. м3/ч) выполнен тепловой расчет пылесистемы в программе Stoker. Результаты теплового расчета пылесистемы представлены в таблице 3.2.
Численное исследование процесса сушки высоковлажного бурого угля в системе пылеприготовления с мельницей-вентилятором
Для оценки общего качества уравнения линейной многофакторной регрессии применяется множественный коэффициент детерминации R2, который определяет долю вариации результативного признака, вызванную изменением факторных признаков, включённых в модель. При значениях R2 0,7 считается, что вариация результативного признака Y обусловлена в основном влиянием включенных в регрессионную модель факторов Х.
Выгорание пылеугольного топлива в топочной камере можно условно разбить на следующие стадии [10], [20]: 1. Прогрев горелочной струи и воспламенение топлива. Определяющими данную стадию величинами являются эквивалентный диаметр канала аэросмеси dэкв; периметр выходного сечения канала аэросмеси (периметр зажигания) Пз; скорость аэросмеси на выходе из горелки ї; критерий Рейнольдса потока аэросмеси на выходе из горелки Reвых = rdэкв/i и доля первичного воздуха, подаваемого на одну горелку схь где i - коэффициент кинематической вязкости первичного воздуха, м2/с. 2. Горение угольной пыли в зоне активного горения (ЗАГ). ЗАГ в литературе принято называть зону факела, в которой происходит выгорание 85 90% топлива и которая составляет 1/3-1/5 от объёма топочной камеры. По характеру горения топлива в ЗАГ можно выделить два этапа: - горение угольной пыли в струе. Отличается высокими концентрациями кислорода и угольной пыли, а также высокими значениями турбулентности потока. Определяющими данный этап величинами являются доля организованного воздуха, подаваемого в одну горелку агор; доля угля, подаваемая в одну горелку Вгор/Вуг; критерий Рейнольдса потока аэросмеси на выходе из горелки Reвых; выходная скорость аэросмеси ь горение угольной пыли в объёме ЗАГ. Характерными особенностями данного этапа является снижение локальных концентраций топлива и кислорода, уменьшение турбулентности потока. Однако указанные недостатки компенсируются большим временем пребывания частиц топлива в объёме ЗАГ. Определяющими данный этап величинами являются локальный избыток воздуха в ЗАГ СХЗАГ; доля угля, подаваемого в ЗАГ, ВЗАГ/Вуг (характеризует максимальную температуру в ЗАГ); высота ЗАГ hзаг (характеризует время пребывания частиц топлива в ЗАГ); степень заполнения подъёмной частью факела сечения топки ф. 3. Догорание крупных коксовых частиц топлива в объёме топки (зоне дожигания). Данный этап характеризуется низкими скоростями горения вследствие пониженных концентраций кислорода и пониженных температур газа. Но благодаря значительной высоте зоны дожигания (4/5-3/4 высоты топки) удаётся эффективно дожигать оставшиеся 10-15% топлива. Определяющей на этом этапе горения является высота зоны дожигания \іджг.
Отдельно необходимо добавить в модель параметр, учитывающий тонкость помола - остаток на сите размером 90 мкм Rgo.
Данная модель может быть применена для прогноза потерь q4 при разработке новой комбинированной схемы, сжигающей экибастузкий уголь. Комбинированная схема может иметь несколько ярусов горелок, которые, в свою очередь могут иметь различную конструкцию, и различную долю подаваемого в них угля. Это будет вносить своё возмущение на итоговое значение потерь q4, т.к. условия выгорания топлива из горелок разных ярусов будут отличаться. Кроме того, возможны варианты различных углов наклона горелок разных ярусов и подача топлива из горелок второго яруса с наклоном вниз в ЗАГ горелок первого яруса. Поэтому для более точного прогноза потерь с мехнедожогом q4 целесообразным является расчёт потерь с мехнедожогом отдельно для каждого яруса горелок или для отдельной группы горелок и затем суммирование этих потерь. Для увеличения количества статистических данных и повышения точности модели потери q4 определялись для каждой группы горелок на одной стене топки одного яруса, так что для каждой схемы сжигания получалось четыре значения потерь q4, которые необходимо просуммировать.
Таким образом имеется задача построить аналитическую зависимость для нахождения потерь q4 от перечисленных выше факторных признаков. Т.к. модель должна иметь возможность считать потери q4 как для всей схемы в целом, так и отдельные потери q4 для группы горелок или яруса следует различать локальные потери q4 и действительные. Локальные потери приведены к суммарному по рассматриваемой группе горелок количеству топлива, а действительные к полному расходу топлива в котёл. Если прогнозирование потерь с мехнедожогом ведётся отдельно по группам горелок, необходимо по уравнению регрессии определить локальные потери q4 для всех групп горелок, затем по соотношению (3.5) пересчитать их в действительные потери и просуммировать. Вго» Ч,.дст=Ч,.лок- ; (3.5) Важным этапом исследования является выбор модели множественной регрессии. С этой целью выполним регрессионный анализ для пяти типов моделей: линейной, экспоненциальной, степенной, показательной и гиперболической. После сравнения степени адекватности указанных моделей будет сделан выбор в пользу наилучшей. Многопараметрическое линейное уравнение регрессии имеет вид: