Введение к работе
Актуальность работы. Пуск энергетических котлов с факельным сжиганием осуществляется с помощью растопочных устройств. В качестве таковых на ТЭС, работающих на твёрдом топливе, но имеющих мазутное, либо газовое хозяйство, используют горелки, сжигающие мазут или газ. На чисто угольных станциях пуск котлов осуществляют, как правило, с помощью плазмотронов и муфелей, в которых создаются высокотемпературные условия для воспламенения обычной пыли угля, сжигаемого в котле с последующей подачей в топочный объём.
Из-за низкой надёжности и недолговечности работы высокотемпературного узла (муфеля), а также высокого расхода электроэнергии в плазмотроне проблема создания растопочного устройства для пылеугольных котлов до сих пор остаётся актуальной.
Перспективным способом её решения является применение в качестве растопочного устройства горелки, сжигающей высокореакционную пыль, а именно, пыль «механоактивированного угля микропомола». Технология её получения разработана в институте СО РАН теплотехники им. Кутателадзе.
Разработке конструкции такой горелки на высокореакционной пыли и обоснованию её работоспособности и посвящена данная работа. В качестве конструктивного исполнения принят наиболее простой вариант двухканальной вихревой горелки. Центральный канал используется для ввода в топочный объём котла смеси высокореакционной пыли и воздуха, кольцевой, с установленным в нём аксиальным лопаточным закручивающим аппаратом - для ввода вторичного воздуха.
Устойчивость воспламенения пыли, поступающей в топку из горелки, обеспечивается путём формирования около среза центрального канала неподвижного фронта зажигания, перпендикулярного к направлению движения первичной смеси.
Цель работы - обоснование выбора основных конструктивных решений двухканальной вихревой горелки с учётом характеристик сжигаемой пыли, обеспечивающих при пуске котла условия её устойчивого воспламенения и горения.
Основные задачи работы сводились к:
изучению аэродинамических основ работы предложенной конструкции вихревой растопочной горелки;
исследованию эффективности работы аксиального лопаточного аппарата кольцевого канала вихревой горелки;
изучению влияния характеристик сжигаемого топлива на воспламенение пылевоздушной смеси в прямоточном потоке при адиабатном протекании процесса горения;
изучению особенностей формирования факела при вводе пыли с разной реакционной способностью через центральный канал растопочной вихревой горелки;
разработке рекомендаций по проектированию конструкции двухканальной растопочной пылеугольной горелки в температурных условиях, характерных для пуска котла.
Научная новизна работы состоит в:
-
Обосновании основных конструктивных решений растопочной двухканальной вихревой горелки для угольных котлов с факельным сжиганием, принципа и путей реализации обеспечения устойчивого воспламенения в ней пыли.
-
Расширении и детализации данных о потерях давления в кольцевом канале с лопаточным аксиальным закручивающим аппаратом при широком диапазоне
изменения соотношения его диаметров m = D / d и угла установки лопаток в за-вихрителе рл. Представление значения коэффициента потерь давления на закрутку в виде функции величины приведённого параметра крутки:
прые \2-(1 + 2)
-
Установлении характера и степени влияния параметра крутки кольцевого потока, соотношения скоростей, диаметров каналов в предлагаемой растопочной горелке, а также степени стеснённости пространства, в которое происходит истечение струй из неё, на формирование зоны обратных токов, её положение и объёмный расход среды в ней.
-
Установлении зависимости интенсивности развития начальной стадии процесса горения пылевоздушной смеси в прямоточном потоке от величины удельной поверхности пыли.
-
Выявлении степени и характера влияния величины энергии активации Еа, зернового состава и расхода пыли на ход протекания процесса горения, формирование факела и полноту выгорания топлива в двухканальной вихревой растопочной горелке, работающей на «механоактивированном угле микропомола» (изготовленного из смеси 75% Кузнецкого угля (Д, Г) и 25% шлама) по результатам численного моделирования её работы при растопке котла ПК-40-1 Белов-ской ГРЭС из холодного состояния.
Достоверность результатов работы обеспечивается:
S применением широко апробированных программных пакетов Ansys Fluent и Ansys CFX и использованием наиболее проверенных для решаемых задач математических моделей;
S выбором расчётной сетки и числа итераций, которые обеспечивают получение достоверных результатов при расчётных исследованиях;
S сопоставлением результатов численного моделирования с данными, имеющимися в литературе, которые получены при физических экспериментах. Практическая ценность работы состоит в:
-
Разработке принципиальной конструкции двухканальной вихревой растопочной горелки с подачей первичной смеси через её центральный канал, в том числе и двух её вариантов с установкой в центральной части основной прямоточной круглой горелки котла ПК-40-1 Беловской ГРЭС, обеспечивающей устойчивое воспламенение и эффективное горение пыли повышенной реакционной способности.
-
Предложенной методике численного моделирования определения устойчивости воспламенения сжигаемой в горелке пыли в зависимости от её характеристик, зернового состава и режимных условий с использованием программы Fluent.
-
Найденной области значений соотношения диаметров каналов m и параметра крутки п потока кольцевого канала, при которых выполняются необходимые условия обеспечения устойчивого воспламенения (наличие зоны обратных токов).
-
Установлении однозначной зависимости величины коэффициента потерь давления ^акр на закрутку потока аксиальным закручивающим аппаратом с профилированными лопатками от значения приведённого параметра крутки (пприв).
-
Установлении диапазона значений удельной поверхности пыли, в котором она оказывает наибольшее влияние на интенсивность процесса горения в прямоточном потоке пылевоздушной смеси при низких температурах.
-
В определении значений энергии активации Еа и удельной поверхности пыли / «механоактивированного угля микропомола» смеси 75% Кузнецкого угля и 25% шлама, при которых в разработанных конструкциях растопочной горелки для котла ПК-40-1 достигается устойчивое горение в характерных для пуска котла температурных условиях, а также степени влияния изменения расхода топлива на глубину его выгорания.
Личный вклад автора заключается в:
S проведении расчётных исследований;
S анализе и обобщении полученных в ходе проведения численных исследований результатов;
S разработке методики исследования устойчивости воспламенения;
S разработке рекомендаций по проектированию конструкции двухканальной растопочной горелки. Апробация работы. Результаты работы докладывались на:
-
XVII-XIX Международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»; МЭИ, Москва, 2011 - 2013 г.
-
XVIII МНТК «Информационные средства и технологии»; МЭИ, Москва, 2008 г.
-
Второй Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надёжности и эффективности эксплуатации электрических станции и энергетических систем»; МЭИ, Москва, 2012 г.
-
Специализированной научно-практической конференции молодых специалистов «Современные технологии в энергетике - основа повышений надёжности, эффективности и безопасности оборудования ТЭС»; ВТИ, Москва, 2012 г.
-
VIII Всероссийской конференции с международным участием «Горение твёрдого топлива»; Институт Теплофизики СО РАН, Новосибирск;
-
заседаниях кафедры Парогенераторостроения НИУ МЭИ, 2012 и 2013 г.
Публикации. Основные результаты выполненных исследований опубликованы в 2 статьях журналов из перечня ВАК РФ - Теплоэнергетика №6, 2013 г. и Энергетик №8, 2013 г., 4 трудах (в т.ч. один в электронном виде) и 4 тезисах конференций.
Автор защищает:
-
Конструктивное исполнение растопочной пылеугольной горелки, принцип обеспечения устойчивости горения пыли и возможные пути его реализации.
-
Методику проведения численных исследований по оценке воияния режимных условий и характеристик пыли на устойчивость её воспламенения и формирование факела.
-
Результаты исследований, их обобщение, а именно:
влияние параметра крутки кольцевого потока, соотношения скоростей и диаметров каналов в двухканальной горелке, а также степени стеснённости пространства, в которое происходит истечение струй, на структуру их течения и количественные характеристики;
зависимость значения коэффициента потерь давления на закрутку потока от величины приведённого параметра крутки;
установлении степени влияния величины удельной поверхности пыли и энергии активации на интенсивность горения пылевоздушной смеси в пря-
моточном потоке при низком уровне (30С + 60С) её начальной температуры;
выявленные особенности при формирования факела в струях, истекающих в затопленное пространство из растопочной горелки для двух вариантов её конструктивного исполнения, встроенной в основную прямоточную круглую горелку котла ПК-40-1 Беловской ГРЭС при разных расходах, величинах энергии активации и зерновом составе механоактивированного угля микропомола, получаемого после доразмола в дезинтеграторе после ШБМ смеси 75% Кузнецкого угля Д и Г и 25% шлама. 4. Рекомендации по проектированию конструкции двухканальной растопочной
пылеугольной горелки.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы, включающего 120 наименований и 7 приложений. Объём основной части работы - 134 страницы, объём приложений - 121 страницы. Основная часть работы содержит 59 рисунков и 10 таблиц.
Похожие диссертации на Разработка и исследование вихревой растопочной горелки для сжигания пыли повышенной реакционной способности
