автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка и исследование вихревой растопочной горелки для сжигания пыли повышенной реакционной способности

На правах рукописи

Хохлов Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОЙ РАСТОПОЧНОЙ ГОРЕЛКИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ПЫЛИ ПОВЫШЕННОЙ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

Москва

2013

005537625

Работа выполнена на кафедре Парогенераторостроения ФГБОУ ВПО «НИУ

«МЭИ»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Двойнишников Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Заведующий отделением парогенераторов и топочных устройств Открытого акционерного общества "Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический научно-исследовательский институт" (ОАО «ВТИ») Тугов Андрей Николаевич

кандидат технических наук, Первый заместитель Генерального директора, Научный руководитель Открытого ^акционерного общества «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского» (ОАО «ЭНИН») Фадеев Сергей Александрович

Ведущая организация: Общество с ограниченной ответственностью

«Р.В.С.»

Защита состоится "27" ноября 2013 г. в 14 час. 00 мин. в Малом актовом зале на заседании диссертационного совета Д 212.157.07 в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 14.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан «26» октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.07 к.т.н., доц.

Ильина И. П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 пылеуголыюй горелки в температурных условиях, характерных для пуска котла.

Научная новизна работы состоит в:

1. Обосновании основных конструктивных решений растопочной двухканальной

вихревой горелки для угольных котлов с факельным сжиганием, принципа и

путей реализации обеспечения устойчивого воспламенения в ней пыли.

2. Расширении и детализации данных о потерях давления в кольцевом канале с

лопаточным аксиальным закручивающим аппаратом при широком диапазоне

изменения соотношения его диаметров ш = Б / (1 и угла установки лопаток в за-вихрителе рл. Представление значения коэффициента потерь давления на закрутку в виде функции величины приведённого параметра крутки:

3. 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.

4. Установлении зависимости интенсивности развития начальной стадии процесса горения пылевоздушной смеси в прямоточном потоке от величины удельной поверхности пыли.

5. 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 Ведовской 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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).

4. Установлении однозначной зависимости величины коэффициента потерь давления £за1ф на закрутку потока аксиальным закручивающим аппаратом с профилированными лопатками от значения приведённого параметра крутки (пприв).

5. Установлении диапазона значений удельной поверхности пыли, в котором она оказывает наибольшее влияние на интенсивность процесса горения в прямоточном потоке пылевоздушной смеси при низких температурах.

6. 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;

/ 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:

1. XVII-XIX Международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»; МЭИ, Москва, 2011 - 2013 г.

2. XVIIIМНТК «Информационные средства и технологии»; МЭИ, Москва, 2008 г.

3. Второй Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надёжности и эффективности эксплуатации электрических станции и энергетических систем»; МЭИ, Москва, 2012 г.

4. Специализированной научно-практической конференции молодых специалистов «Современные технологии в энергетике - основа повышений надёжности, эффективности и безопасности оборудования ТЭС»; ВТИ, Москва, 2012 г.

5. VIII Всероссийской конференции с международным участием «Горение твёрдого топлива»; Институт Теплофизики СО РАН, Новосибирск;

6. 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:

1. Конструктивное исполнение растопочной пылеугольной горелки, принцип обеспечения устойчивости горения пыли и возможные пути его реализации.

2. Методику проведения численных исследований по оценке воияния режимных условий и характеристик пыли на устойчивость её воспламенения и формирование факела.

3. 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 (30°С 60°С) 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации говорится об актуальности работы, даны общая характеристика исследуемых проблем и краткое описание работы.

В первой главе изложен анализ работ, посвященных вихревым течениям, используемым в топочной технике, и программным системам, применяемым при моделировании топочного процесса.

Анализ работ по исследованию и проектированию вихревых горелок показал, что для создания рациональной конструкции вихревой растопочной горелки с вводом пыли через центральный канал необходимы дополнительные исследования. В первую очередь это установление степени влияния основных конструктивных решений на картину течения в приосевой области горелки, а также свойств сжигаемой пыли на формирование фронта зажигания.

При рассмотрении работ, посвященных программным системам, особое внимание уделено тем математическим моделям процессов, которые находят применения при моделировании газодинамических течений и горения твёрдых топлив при факельном сжигании с использованием CFD-методов; вопросам достижения быстрой сходимости результатов расчёта; методам построения расчётных сеток, их параметрам и характеристикам качества.

На базе проведённого анализа в качестве инструмента в диссертации для решения чисто газодинамических задач выбрана программа Ansys CFX, а для процессов горения - Ansys Fluent.

Во второй главе сформулирована цель и основные задачи, решаемые в работе, дано их обоснование. Указаны те процессы, которые являются предметом изучения, методика их исследований и способ представления первичных данных, а также обеспечения и проверки достоверности результатов.

Отмечается, что простота предложенной конструкции растопочной горелки, позволяет, с одной стороны, органично вписать её в основную, в том числе и существующую горелку котла, и использовать при основных режимах работы котла. Но, с другой стороны, необходимость обеспечения устойчивости горения топлива из-за низкого уровня температур воздуха накладывает серьёзные ограничения на:

- размеры каналов и расходы сред в них, угол установки лопаток закручивающего аппарата;

- характеристики угля (Ко, Еа, УааГ, С>гп) и зерновой состав пыли.

Указанные выше факторы и предопределили те основные задачи, которые решались в диссертации.

Предметом исследования в первых двух задачах являлась картина течения воздуха в каналах и струях при их истечении в пространство разной степени ограниченности, рассмотренная для разных вариантов конструктивного исполнения горелки.

Предметом двух следующих задач являлись процессы горения при разной реакционной способности пыли угля микропомола в прямоточном потоке и в струях, истекающих из растопочной вихревой горелки, разработанной в двух вариантах исполнения для установки на котле ПК-40-1 Ведовской ГРЭС с жидким шлакоуда-лением (рисунок 1).

Вид Б

В = 0219x6 мм Б = 0351x6 мм Рисунок 1

В качестве топлива в последних задачах использовалась пьшь после доразмола в дезнинтеграторе подсушенной угольной пыли (смеси 75% Кузнецкого угля (ДР, Г) и 25% шлама отходов обогатительной фабрики) из пылевого бункера полуразомкнутой пылесистемы котла с ШБМ (таблица 1).

_Таблица 1

Топливо Состав рабочей массы, % Qri. ккал/ кг Vй, нм3/ кг Ркаж» кг/ м3

Wr Аг Сг Sr Нг Nr Ог

Исходное топливо 19,87 13,76 52,08 0,27 3,73 1,68 8,61 4899 5,35 -

Подсушенная пыль 1,8 16,86 63,82 0,33 4,57 2,06 10,55 6139 6,55 1273

Математическое описание процессов газодинамики и горения в программных пакетах Ansys CFX и Ansys Fluent базировалось на известных дифференциальных

уравнениях неразрывности, движения, энергии и диффузии, традиционно используемых при описании процессов газодинамики и горения. В настоящей работе они были дополнены рядом моделей: турбулентности (k-е), расчёта траектории твёрдых частиц (DPM, в постановке Лагранджа), выхода (Single Kinetic Rate) и горения (Магнуссена) летучих, горения коксовой частицы (диффузионно-кинетическая модель гетерогенного горения).

Для возможности проведения расчётов по определению степени влияния характеристик сжигаемого топлива (К0, Еа, 5^,) и условий горения (концентраций топлива и окислителя, их начальных температур) на устойчивость воспламенения и характеристики протекания процессов в настоящей работе были найдены взаимосвязи между кинетическими характеристиками топлива и константами С] и С2 в модели гетерогеннего горения программы Fluent.

Формирование геометрии расчётной области осуществлялось при помощи программы SolidWorks, а расчётной сетки - при помощи программы Mesher.

Контроль сходимости счёта осуществлялся по величине невязок решаемых уравнений. Одновременно выполнялся непрерывный контроль и по массовому балансу в расчётной области, и по постоянству статического давления на входе в расчётную область. В исследованиях горения контролировалась так же и максимальная температура в расчётной области.

Первичные результаты эксперимента представлялись в виде полей основных характеристик потока, привязанных к геометрическим координатам расчётной области. В подавляющем большинстве случаев обработка данных сводилась к определению необходимых параметров в характерных точках или сечениях.

В конце главы также рассмотрен вопрос о подтверждении достоверности получаемых результатов, что в первую очередь осуществляется путём снижения сеточной чувствительности. Сначала задача решалась с меньшей детализацией расчётной сетки (она имела фиксированное число элементов), затем число расчётных ячеек увеличивалось более чем в два раза. По результатам сравнения, при небольшой разнице получаемых результатов, последние признаются верными. Такой подход позволял получать максимально правильные результаты с точки зрения использованных расчётных моделей.

Достоверность же используемых математических моделей проверялась путём сопоставления результатов расчёта и физического эксперимента.

Третья глава посвящена исследованию аэродинамических основ работы вихревой растопочной горелки. Основное внимание в исследованиях было уделено решению следующих конкретных задач:

- изучению влияния диаметров каналов горелки, параметров крутки потока в кольцевом канале, величины скорости среды в центральном канале, а также стеснённости пространства, в которое происходит истечение струй, на формирование картины течения как внутри каналов, так и вне их;

- расширению и углублению данных о степени влияния размеров кольцевого канала и угла установки лопаток аксиального закручивающего аппарата на эффективность его работы.

Физическая постановка задачи сводилась к изучению изотермического течения воздушных потоков в кольцевом и цилиндрическом каналах вихревой горелки длиной 2,5 м и струйных течений, истекающих из неё. В кольцевом канале на расстоянии 0,95 м от его среза был установлен аксиальный закручивающий аппарат. Величины внешнего (d) и внутреннего (D) диаметров канала менялась в диапазоне

0,591 ^ 1,2 м н 0,392 0,804 м соответственно. Скорость воздуха во всех основных исследованиях в кольцевом канале составляла = 40 м/с, а в цилиндрическом её величина менялась в диапазоне от 0 до 50 м/с.

Все исследованные варианты (см. табл.2) по величинам соотношения т = И / (1 и гидравлического диаметра с!г, численно равного (1 - Б были разделены на 7 групп. В каждой из них за счёт угла установки лопаток в закручивающем аппарате были реализованы ещё 6 подвариантов, отличающихся между собой значениями параметра крутки п - 0; 0,5; 1,0; 1,33; 1,6б;2иЗ.

Изучение влияния стеснённости пространства и величины скорости в центральном канале на закономерности течения струй, истекающих из каналов горелки, проводилось для (1 = 1,2 м и Б = 0,72 м при п = 0; 1; 1,66; 2; 3.

Ограниченное пространство в этих исследованиях имело форму цилиндра, продольная ось которого совпадает с осью горелки. В качестве параметра, характеризующего степень стеснённости пространства, принималась величина К^ равная отношению площадей поперечного сечения пространства, в которое происходило истечение, к площади выходного сечения горелки.

Картина течения среды в каналах изучаемой конструкции вихревой горелки, как следует из полей скорости, имеет некоторую специфику. В большинстве вариантов в кольцевом канале она традиционна и характеризуется однонаправленностью аксиальной компоненты скорости. Однако при ш = 0,33 и параметре крутки п > 1, как и при т = 0,5 и п = 3, происходит отрыв потока от внутренней стенки кольцевого канала с образованием зоны обратного течения и, как следствие этого, ухудшение охлаждения выходной части стенки центрального канала.

Течение же в центральном канале зависит от скорости среды на его входе, значения параметра крутки кольцевого потока и соотношения диаметров каналов т. При = 0 и п = 0 в нём образуется цепочка из обособленных вихрей. Они различны по объёму, и их число меняется в зависимости от Б. Однако во всех случаях около среза из центрального канала формируется развитая зона обратных токов. Значительная её часть (по протяжённости) расположена внутри канала. Около центра движение среды происходит в сторону его входного торца, а около стен - по направлению кольцевой струи.

При п > 0 описанная выше аэродинамическая картина течения меняется. Если в случае п = 0 по длине канала на его оси аксиальная компонента скорости близка к нулю, то при п > 0 она отлична от 0 и всегда положительна. Её величина зависит от п, т и степени стеснённости пространства, в которое происходит истечение (т.е. типа ЗОТ, образующейся в области среза горелки). Это влияние особенно сказывается на величине и характере изменения аксиальной скорости около среза.

Начиная со скорости подачи центрального воздуха Wц = 2,5 м/с обособленные вихри, индуцируемые при = 0 м/с, исчезают. В большей части канала возникает характерная для трубного движения картина. В выходной же его части формируется картина, определяемая взаимодействием прямоточного потока центрального канала со струей, истекающей из кольцевого канала. Она зависит от величины соотношения / У/2, п и т, а так же Кст.

Анализ результатов исследований струйных течений указывает на то, что во всех исследованных вариантах при значении относительной скорости в центральном канале С№ЦЛУ2) менее 0,375 образуется зона обратных токов (ЗОТ). По свойствам среды, из которой она формируется, форме и месту расположения относи-

тельно продольной оси горелки в работе различают: кольцевую (К), замкнутую (3), полуразомкнутую (П) и разомкнутую (Р) зоны.

К - имеет форму, близкую к тору, располагается около среза кольцевого канала на внутренней поверхности кольцевой струи и формируется только из среды последней.

3 - формируется из внутреннего пограничного слоя кольцевой струи, имеет конечную протяжённость, характеризуется экстремальным изменением аксиальной составляющей скорости С№ашт) по оси зоны обратного течения и немонотонным изменением статического давления. Она состоит из двух участков: эжекции и формирования.

Р - отличается тем, что она формируется из среды пространства, в которое истекают струи из каналов горелки, характеризуется монотонностью изменения в ней по оси Ъ аксиальной скорости и статического давления, и состоит из одного участ-. ка -участка эжекции.

П - отличается конечной протяжённостью участка эжекции (наличием экстремума скорости обратного течения по оси) и отсутствием конца участка формирования ЗОТ. Среда ЗОТ в ней формируется как за счёт среды внутреннего пограничного слоя кольцевой струи, так и из среды окружающего пространства.

Тип образующей ЗОТ зависит не только от значений величины коэффициента крутки кольцевой струи п, но и от величины т. = &1Т>, а также степени стеснённости того пространства (К,^), куда происходит её истечение (таблица 2).

При п = 0ип = 2;3 при всех рассмотренных в работе значениях ш и К„ образуется одна ЗОТ. В случае п = 0 - замкнутая, а при п = 2 и 3 - замкнутая, полузамкнутая и разомкнутая в зависимости от т и Кст.

При значениях параметра крутки 0,5 < п < 2 в зависимости от ш и К^. формируется либо одна зона К, 3 или П, либо пары последовательно расположенных по течению К + П, К + 3, П + Р.

Таблица 2

п

0 0,5 1 1,33 1,66 2 3

0 1,2x0,804 ш = 0,67 Кст = оо 3 3 К к + з к+з 3 3

Кст = 50 3 3 к + п к + п к + п п п

0 1,2x0,72 т = 0,6 Кст = 00 3 3 к к + з к + з 3 п

Кст = 50 3 3 к + з к+п п п п

0 1,2x0,6 т = 0,5 К„ = » 3 к + з к + з к + з 3 3 3

К„ = 50 3 к к+п п п п п

0 1,2x0,396 ш = 0,33 Кст = |» 3 к 3 3 3 3 п

Кст = 50 3 к п п п п п

0 0,792 х 0,396 т = 0,5 Кст = » 3 К + З к + з к + з 3 3 3

Кст = 50 3 к к + п п п р п

0 0,66 х 0,396 т = 0,6 Ксг = СО 3 3 к к + з к + з 3 3

Кст = 50 3 3 к + п п П + Р п п

0 0,591 х 0,396 т = 0,67 Кст = °° 3 3 к к + з к + з 3 3

Кст = 50 3 3 к + з к + п П П + Р п

Ввод среды в центральный канал горелки, как показали исследования, сказывается на картине течения в пространстве, в которое истекают струи горелки. Характер и степень этого влияния зависит от величины соотношения п, ш, а так же Кст.

Увеличение АУЦ в начале приводит к сдвигу ЗОТ от среза потока центрального канала с одновременным уменьшением объёмного расхода среды в ЗОТ. Когда объёмный расход среды в центральном канале Уц равен или больше объёмного в ЗОТ, происходит полное исчезновение ЗОТ с появлением одной прямоточной круглой струи с неоднородной скоростью по радиусу.

При этом положение кольцевой зоны обратных токов как при Кст = 50, так и Кст= оо сохраняется, но при значениях = 5 м/с она исчезает. В случае же Кст = го формируется единая круглая струя с неоднородной скоростью по радиусу, а при Кст = 50 после возникновения единой струи, на некотором расстоянии от среза образуется ещё и замкнутая ЗОТ.

Исследованиями установлено и то, что величина коэффициента стеснённости Кст оказывает влияние не только на количественные характеристики течения, но и в ряде случаев и на саму картину течения.

Прежде всего, это касается вопроса симметричности развития струйных течений в продольных плоскостях. Если при К„ > 75 во всех исследованных вариантах горелки образуется аэродинамическая картина течения, симметричная относительно продольной оси потока, то при значениях К„ < 50 и п > 0,5 она нарушается. Причём чем меньше значение Кот тем больше её отклонения от симметричной.

Стеснённость сказывается и на темпе изменения ширины кольцевой струи по её длине. Степень этого влияния весьма заметна в диапазоне значений Кст от 10 до 75, большее раскрытие кольцевой струи соответствует меньшим значениям

С ростом величина скорости обратного течения в начале возрастает, а затем уменьшается, но во всех случаях увеличение скорости среды в центральном канале приводит к снижению значения

Сказывается К„ и на значении донного давления (среднеинтегрального статического давления на срезе центрального канала). Характер этого влияния на относительную величину Рдст / , где - динамическое давление на выходе из кольцевого канала, для \У„ = 0 и = 5 м/с показан на рисунке 2. Наименьшая величина Рдонн (при Кст =10) соответствует случаю образования разомкнутой ЗОТ, наибольшая - замкнутой ЗОТ, а промежуточные значения - образованию полузамкнутых ЗОТ.

Обобщение результатов указанных выше исследований показало, что необходимые условия для стабилизации горения в исследуемой горелке выполняются только в определённой области значений её параметров пит. При этом снижение стеснённости области, в которую происходит истечение струй из горелки, до момента появления разомкнутой ЗОТ приводит к расширению этой области (рисунок 3).

Величина относительного объёмного расхода рециркулируемой (эжектируемой кольцевой закрученной струёй) среды Урец зависит от значений приведенного параметра крутки п^ = ^(1 - т2)/[2 ■ (1+т/)] ■ и величины К„ (рисунок 4).

Эффективность аксиального лопаточного завихрителя в работе оценивалась по затратам давления на закрутку потока и соответствию его угла закрутки рп углу установки лопаток рл.

Представление результатов исследований в виде традиционной зависимости коэффициента сопротивления канала ¡ь^ от величины параметра крутки п показало, что количественные значения £зак в рассмотренных группах вариантов с одинаковыми величинами параметров п различны (таблица 3). Последнее указывает на то, что используемый коэффициент сопротивления ^ не в полной мере отражает факторы, определяющие потери давления.

• \Уц = 0м/с х\Уц = 5м/с ОКст = 5С> ХКст=~

Рисунок 2 Рисунок 3

_Таблица 3

Описание группы Заданный конструктивный параметр крутки п

№ т; 4 0,00 0,50 1,00 1,33 1,66 2,00

Группа исследованных вариантов 1 0,67; 0,396 м 1,199 1,359 1,487 1,651 1,876 2,154

2 0,6; 0,48 м 1,169 1,339 1,536 1,770 2,059 2,425

3 0,5; 0,6 м 1,141 1,356 1,682 2,036 2,393 3,009

4 0,33; 0.804 м 1,106 1,522 2,240 3,730 5,158 6,749

5 0,5; 0,369 м 1,198 1,418 1,748 2,114 2,547 3,311

6 0,6; 0,264 м 1,314 1,482 1,682 1,684 2,260 2,673

7 0,67; 0,195 м 1,399 1,588 1,721 1,914 2,164 2,509

По данным М.У.* 1,640 1,667 1,900 2,200 2,300 2,700

*Методические указания по проектированию топочных устройств энергетических котлов (1996 г.)

В работе потери давления в кольцевом канале с закручивающим аппаратом были представлены в виде суммы слагаемых (потери на трение о стенки канала, потери на прохождение закручивающего аппарата и потери на закрутку потока £,тк). Значение коэффициента потерь для первых двух слагаемых могут быть найдены по известным зависимостям как функция гидравлического диаметра. Величина коэффициента потерь на закрутку, как показало обобщение результатов, выполненных в диссертации исследований, может представляться в виде зависимости:

= 0,115 ■ е4,543'"4".

^прнв

Рисунок 4

Четвёртая глава посвящена изучению влияния величины энергии активации Еа, а так же зернового состава пыли (табл. 1) на интенсивность начальной стадии процесса горения (воспламенение).

Исследования проводились с помощью программы PolyDust. Математическая модель процесса горения твёрдого топлива в ней базируется на следующих предположениях.

Течение квазиодномерное. Смесь топлива и воздуха представляет собой однородную гетерогенную среду. Процесс адиабатный. Параметры среды в направлении течения меняются только за счёт теплоты, выделяемой при горении топлива. Начальные значения температуры to, скорости смеси Wo и доли воздуха в ней, а также зерновой состав пыли (остаток на сите 90 мкм R<>o и коэффициент полидисперсности п) и кинетические характеристики угля (предэкспоненциальный множитель Ко и энергия активации Еа) считаются известными.

Процесс горения частиц топлива представляется в виде следующих последовательно протекающих стадий: прогрева исходной частицы до начала выхода летучих; выхода и горения летучих; прогрева коксового остатка до воспламенения; горения коксового остатка.

Протяженность первых трех из них определялась по зависимостям, предложенным В.И. Бабием, а горения кокса - с использованием диффузионно-кинетической модели.

Результаты расчета горения пылевоздушной смеси получались в виде набора значений температуры S, концентрации кислорода 02 и диоксида углерода, степени выгорания летучих и кокса частиц каждой фракции, а также суммарного тепловыделения q (с указанием режима горения кокса) по ходу течения потока либо по времени протекания процесса т. Вид зависимости основных параметров процесса от времени для конкретного варианта показан на рисунке 5.

В расчётных исследованиях величина энергии активации Еа менялась в диапазоне 52 + 120 МДж/кмоль, а условной удельной поверхности пыли / от 199 до 1904 м2/кг. Диапазон последней, как и необходимое число монодисперсных фракций в программе PolyDust, были определены для случаев размола топлива в ша-робарабанной, среднеходной, центробежной мельницах и дезинтеграторе с помощью специальной программы Dust. В этой программе считалось, что интегральная

зерновая характеристика пыли описывается уравнением Розина-Раммлера, а пыль может быть представлена в виде совокупности некоторого числа монодисперсных фракций (Пф), частицы которых имеют шарообразную форму.

Рисунок 5

Значения других параметров гетерогенной смеси были предопределеныуслови-ями, которые обычно имеют при пуске котла: начальная температура to = 40 н-100 °С, доля воздуха а! = 0,08 0,5.

Снижение величины энергии активации топлива от 120 МДж/кмоль до 52 МДж/кмоль увеличивает интенсивность протекания процесса горения примерно в 2 раза - уменьшается Дт (Дт = хг - Т], где ti - время до начала тепловыделения, а т2 - время до завершения горения). Это уменьшение происходит практически линейно.

Наиболее важным результатом этих расчётных исследований является то, что значительное влияние на интенсивность протекания процесса горения оказывает величина удельной поверхности пыли. Из результатов расчёта следует, что:

- наибольшее влияние условной удельной поверхности пыли / на время протекания процесса горения Дт проявляется в диапазоне от 200 до 500 м2/кг (рисунок 6);

3.4 5 2.9

и ?4

t

£

Я 1-9

= 1.4

а

s

|0.9

В

0.4

j

\

\ \ |£>120, аДж/кмоль\

----_—^ /

— * --- --А

0 500 1000 1500 2000

Условная удельная поверхность аыли f [м2/кг]

Рисунок 6

- увеличение условной удельной поверхности / с 200 до 500 м2/кг приводит к сокращению времени горения в 2,25 раза, в то время как уменьшение энергии активации Еа, что было отмечено выше, со 120 МДж/кмоль до 52 МДж/кмоль при / = 200 м2/кг приводит к снижению времени горения в два раза.

Это означает, что необходимая интенсивность процесса горения (в т.ч. воспламенения) при определённых условиях может быть получена не только снижением энергии активации (при размоле в дезинтеграторе), но и увеличением поверхности (при размоле в ШБМ).

Поэтому в качестве одного из параметров, который характеризует реакционную способность пыли (способность к воспламенению), наряду с V и кинетическими характеристиками кокса угля (К0, Еа), следует использовать и величину удельной поверхности /.

Пятая глава связана с исследованиями работоспособности растопочной горелки, встроенной в основную круглую горелку котла ПК-40-1 (рисунок 1) при пуске его из холодного состояния.

Конкретные задачи сводились к изучению влияния: скоростей сред в каналах составной горелки на картину течения в приосевой области; величин условной удельной поверхности и расхода пыли, её энергии активации на устойчивость воспламенения, формирование факела и полноту выгорания.

Исследования проводились с помощью программной системы Fluent. Расчёт каждого варианта осуществлялся в два этапа. На первом этапе (без активации горения) он продолжался до достижения стабильного решения. В том случае, если в приосевой области образовывалась ЗОТ, т.е. необходимые условия воспламенения соблюдены, реализовывался второй этап с использованием стороннего источника теплоты. Расчёт проводился до получения стабильного решения, как при наличии источника, так и после его отключения. Если температурные и скоростные поля становились идентичны полученным на первом этапе (без горения), то делался вывод о невыполнении достаточных условий для воспламенения и горения топлива. Если же по уровню температуры, концентрации кислорода и наличию продуктов горения картина течения существенно отличалась от полученной на первом этапе, то считалось, что условия для воспламенения выполняются.

Из результатов первого этапа расчёта следует, что:

• основными факторами, определяющими картину течения в приосевой области при фиксированной геометрии растопочной горелки, являются скорости и плотности сред, истекающих из ее каналов;

• картина течения, характеризующаяся наличием в приосевой области зоны обратных токов, имеет место при величинах скорости первичной смеси W( не более 6 м/с, а скорости воздуха из вторичного канала W2 не менее 35,9 м/с и канала основной горелки W3 менее 6 м/с;

• уменьшение скорости Wb как и увеличение W2 и W3 сверх указанных выше их граничных значений, увеличивает протяженность зоны возвратного течения и возвратную скорость среды в нём.

Результаты второго этапа численного моделирования процессов, протекающих в струях, истекающих из составной горелки (рисунок 1, вариант 1) в затопленное пространство показали следующее.

В случаях сжигания моподисперсной пыли с диаметрами частиц 8 10,15, 20, 25 и 30 мкм при Е„ = 79 МДж/кмоль, как и при значениях Еа 30, 45, 60 МДж/кмоль и

диаметре частиц 30 мкм, воспламенение и последующее горение топлива устойчиво.

Пространственное расположение факела во всех случаях относительно продольной оси течения струй стабильно. Температура, аксиальная компонента скорости, концентрации кислорода и диоксида углерода по длине факела меняются экстремально.

Неизменна и аэродинамическая структура факела. В приосевом пространстве на некотором расстоянии от среза горелки возникает замкнутая ЗОТ, состоящая из двух областей. Среда первой области, как и первичная смесь центрального канала, участвует в образовании пограничного слоя закрученной струи вторичного воздуха. Во второй области происходит разворот части среды этого пограничного слоя с образованием замкнутой зоны обратных токов.

На внешней поверхности первой части ЗОТ около поверхности с нулевым значением аксиальной компоненты скорости формируется фронт горения - зона небольшой толщины со значительным тепловыделением и большими градиентами концентрации кислорода, и температуры. Определяющую роль в поддержании устойчивости воспламенения топлива играет фронт зажигания - та часть фронта горения, которая расположена в зоне взаимодействия первичной смеси со средой ЗОТ и ориентирована перпендикулярно направлению движения первичной смеси. Во фронте зажигания за счет теплоты среды ЗОТ происходит прогрев частиц, выход и горение летучих, и начинается горение коксовых частиц. Температура среды, как и концентрация С02 в нём, возрастают, а концентрация кислорода - снижается. Догорание коксовых частиц происходит по ходу их движения во фронте горения, пограничном слое и зоне обратных токов.

После окончания ЗОТ течение развивается по закономерностям, характерным для струй, истекающих в затопленное пространство. Температура, скорости и концентрации компонентов среды в поперечном сечении факела и окружающей среде выравниваются.

"Установлено, что как при диаметрах частиц монодисперсной пыли от 10 до 25 мкм и Еа = 79 МДж/кмоль, так и при диаметре частиц 5 30 мкм и энергиях активации 30, 45 и 60 МДж/кмоль, выход и горение летучих, а также воспламенение коксовых частиц начинается до фронта зажигания, а для пыли с диаметром частиц 10 мкм - практически внутри центрального канала.

Значения координат (по оси факела) максимальных температур (2Ттах) и минимальных концентраций кислорода (гогтт), а также координат точки с нулевым значением аксиальной компоненты скорости не совпадают. Значения гТтах смещены в сторону зоны обратных токов, а 202тт - в сторону струи центрально канала.

Ширина фронта зажигания ДЬФз при ее определении как ДЬФЗ = гТшах - г02тщ изменяется в диапазоне от 0,053 м до 0,070 м, а в случае ДЬф3= гТтах- Ъ^ — от 0,053 м до 0,124 м.

С уменьшением диаметра частиц и энергии активации (а и б на рисунке 7) доля сгоревшего топлива (летучих и коксовых частиц) во фронте зажигания, как и размер последнего в поперечном направлении, возрастает. Увеличивается расход среды, поступающей для удовлетворения эжекционных потребностей закрученной струи вторичного воздуха, снижается уровень разряжения в приосевой области. И, как следствие этого, угол раскрытия кольцевой струи (рр), величина поверхности фронта горения (РфГ), объем ЗОТ (У3от), а так же полнота выгорания топлива (рсг) и

тепловая мощность потока среды ЗОТ, подводимой к фронту горения (С?зот)> возрастают (рисунок 7).

» а

5£

0.6 0.4

—>- -... --^ О)

* в*чО 7

.........................-

10 20 30 40

Диаметр монодиспервых частиц топлива б [мкм]

О/ а)

10 20 30 40

Диаметр монодпсперстных частиц пыли 8 [мкм]

30 50 70 90

Энергия актвации Е, [МДж/кмоль]

30 50 70 90

Энергия активации Е, [МДж/кмоль]

б)

Рисунок 7

Работоспособность предложенного второго варианта конструктивного исполнения растопочной горелки для котла ПК-40-1 (рисунок 1, вариант 2) проверялась при сжигании полидисперстной пыли механоактивированного угля микропомола с Я9о = 10 % и п = 1,4 и Еа = 52 МДж/кмоль при разных значениях её расхода (0,263; 0,465; 0,8 кг/с), последний соответствует номинальной мощности горелки 20 МВт.

В этих исследованиях пыль представлялась в виде 20 фракций с суммарной удельной поверхностью 500 м2/ кг. Результаты исследований показывают, что увеличение расхода топлива при сохранении начальных значений других характеристик сред, подаваемых в горелку, как и уменьшение Еа и 5 (увеличение /) монодисперсной пыли, приводит к большему раскрытию кольцевой струи, образованию большего по размеру факела. Если в варианте при Вр = 0,263 кг/с зона обратных токов представляет собой слабый вихрь, то в вариантах при Вр = 0,4165 кг/с и при Вр = 0,8 кг/с она характеризуется образованием мощного симметричного вихря. Протяженность зоны возвратного течения, как и размеры ее в поперечном сечении и величина аксиальной скорости по длине, возрастают (рисунок 8).

Уровень температур в факеле растет, следовательно, повышается устойчивость воспламенения и полнота выгорания топлива. Из анализа этих результатов следует, что изменение тепловой мощности горелки в период пуска целесообразно выполнять только посредством расхода топлива, а начальный «поджог» факела при рас-

ходе топлива в горелке около 0,4 кг/с. Из описанных выше результатов следует, что:

• предложенная конструкция растопочной горелки позволяет сформировать условия, которые способствуют стабилизации воспламенения и увеличению полноты выгорания топлива при пуске котла;

• для эффективной работы растопочной горелки необходимо использование пыли с условной удельной наружной поверхностью не менее 300 м2/кг при энергии активации Еа = 79 МДж/кмоль.

1 - Вр = 0 кг/с,

2 - Вр = 0,263 кг/с,

3 -Вр = 0,4165 кг/с,

4 - В_ = 0,8 кг/с.

иг

— Внешняя граница струи — Граница ЗОТ Рисунок 8

На основании проведённых исследований в главе 6 сформулированы рекомендации к разработке конструкции растопочной пылеугольной горелки при традиционных исходных данных. Они состоят из двух частей.

Первая часть посвящена определению диаметров D и d каналов горелки и угла установки лопаток рл аксиального закручивающего аппарата в кольцевом канале. Этот выбор осуществляется из условия выполнения необходимых условий для воспламенения и горения топлива (смеси пыли с воздухом), вводимого через центральный канал - создание (формирование) в приосевой области около среза последнего зоны обратных токов (замкнутой или полузамкнутой), для образования перпендикулярно расположенной к направлению движения первичной смеси зоны зажигания.

Вторая часть, во-первых, это проверка выполнения достаточности условий по обеспечению устойчивого горения топлива при тех характеристиках пыли, которую предполагается использовать при растопке котла; во-вторых, определение достигнутой при этом степени выгорания; в третьих, - какой воздушный режим в горелке следует поддерживать с учётом требуемой её тепловой мощности (необходимой для составления режимной карты). Она выполняется при помощи численного моделирования процесса горения в заданном пространстве движения сред, истекающих из каналов горелки, с использованием программы Fluent или аналогичных ей. Для её проведения необходимы навыки работы в этих программах.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана конструкция растопочной двухканальной вихревой горелки с вводом пылевоздушной смеси через её центральный канал, воспламенение и устойчивое горение в которой при низких температурах сред обеспечивается формированием около среза центрального канала неподвижного фронта зажигания и использованием пыли повышенной реакционной способности.

2. Установлена степень влияния значений коэффициента стеснённости К„, параметра крутки п, соотношения диаметров каналов m и расходов сред в них при двухканальном исполнении вихревой горелки на аэродинамическую картину течения, в том числе зону обратного течения, её характеристики. Определена область их значений, при которых обеспечиваются необходимые аэродинамиче-

; ские условия устойчивого горения.

3. Расширены и углублены данные по коэффициенту сопротивления аксиального лопаточного закручивающего аппарата. Установлено, что'параметром, определяющим величину коэффициента потерь на закрутку потока ^ является пприв. В случае применения профилированных лопаток, его значение может быть определено по зависимости:

4.Разработана и реализована методика, позволяющая при численном моделировании (с помощью программной системы Fluent) процесса горения найти влияние на его устойчивость и интенсивность протекания параметров, характеризующих сжигаемую пыль (Ещ Ко, /), начальных режимных условий её сжигания, конструктивного исполнения самой горелки (5, D, Р„), а также стеснённости того пространства, в котором протекает горение.

5. Установлено, что в качестве интегрального показателя угольной пыли, характеризующего способность ее к воспламенению (реакционную способность), наряду с Vdaf и кинетическими характеристиками угля, следует использовать и величину удельной поверхности. Наибольшее влияние / на время протекания горения проявляется в диапазоне от 200 до 500 м2/кг. Увеличение удельной поверхности с 200 до 500 м2/кг приводит к сокращению времени горения в 2,25 раза, в то время как уменьшение энергии активации со 120 МДж/кмоль до 52 МДж/кмоль при / = 200 м2/кг приводит к снижению времени горения в два раза.

6. Показано, что уменьшение диаметра частиц монодисперсной, как и повышение удельной поверхности полидисперсной пыли и более низкое значение энергии активации угля, способствуют росту угла раскрытия кольцевой струи, размеров зоны обратных токов, поверхности фронта горения; повышению устойчивости зажигания и увеличению степени выгорания пыли. Последняя у монодисперсной пыли при прочих равных условиях больше, чем у полидисперсной.

7. Установлено, что увеличение расхода топлива в растопочной горелке до величины, соответствующей её номинальной мощности (Вном), при неизменных расходах воздуха и характеристиках пыли приводит к повышению устойчивости как воспламенения, так и степени выгорания топлива. Розжиг растопочной горелки целесообразно осуществлять при расходе топлива не менее 50 % от Вном, а затем, при необходимости, снижать его.

8. Даны рекомендации по разработке конструкции двухканальной растопочной пылеугольной горелки.

Основное содержание работы представлено в следующих публикациях:

1. Двойнишников, В.А. Конструкция пылеугольной растопочной вихревой горелки и численное исследование ее работоспособности [Текст] / Двойнишников В.А., Хохлов Д.А. // Теплоэнергетика. -2013. -№6. -с. 12-18

2. Двойнишников, В.А. Влияние характеристик угольной пыли на эффективность работы вихревой растопочной горелки [Текст] / Двойнишников В.А., Ларков A.B., Хохлов Д.А. // Энергетик. -2013. -№8. -с. 47-51

3. Двойнишников, В.А. Исследования влияния соотношения диаметров канала и угла установки аксиальных лопаток вихревой горелки на распределение скоростей в её выходном сечении [Текст] / Двойнишников В.А., Князьков В.П., Хохлов Д.А. // XVin МНТК «Информационные средства и технологии»: сб. тр. -Москва, 2010 г. -с. 150-157

4. Хохлов, Д.А. Аэродинамические исследования вихревой горелки [Текст] / Хохлов Д.А., Двойнишников В.А. // XVII МНТК студентов и аспирантов радиоэлектроника, электроника и энергетика: сб. тез. докл. -Москва, 2011 г. -с. 255

5. Хохлов, Д.А. Влияние конструктивных параметров аксиального лопаточного за-вихрителя на его аэродинамическое сопротивление [Текст] / Хохлов Д.А., Двойнишников В.А. // XVIII МНТК студентов и аспирантов радиоэлектроника, электроника и энергетика: сб. тез. докл. -Москва, 2012 г. -с. 264

6. Двойнишников, В.А. Разработка и обоснование работоспособности растопочной горелки для сжигания «механоактивированного» угля на котле ПК-40 Беловской ГРЭС [Текст] / Двойнишников В.А., Ларков A.B., Хохлов Д.А. // Втор. Всерос-сиск. науч.-практич. конф. Повышение надёжности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем (Энерго 2012): сб. тр. -Москва, 2012 г. -с. 176-178

7. Хохлов, Д.А. Исследование эффективности аксиального лопаточного аппарата вихревой горелки [Текст] / Хохлов Д.А., Двойнишников В.А. // Специал. Науч.-практ. конф. мол. спец. Современные технологии в энергетике - основа повышения надёжности,'эффективности и безопасности оборудования ТЭС: сб. докл. -Москва, 2012 г. -с. 23-28

8. Хохлов, Д.А. Разработка и обоснование конструкции пылеугольной растопочной горелки [Текст] / Хохлов Д.А., Двойнишников В.А. // VIII Всеросс. конф. с меж-дунар. участием Горение твёрдого топлива: тез. докл. -Новосибирск, 2012 -с. 138-139

9. Двойнишников, В.А. Разработка и обоснование конструкции пылеугольной растопочной горелки [Электронный ресурс] / Двойнишников В.А., Хохлов Д.А. // VIII Всеросс. конф. с междунар. участием Горение твёрдого топлива: сб. тр. -Новосибирск, 2012 -Режим доступа:

http://www.itp.nsc.ru/conferences/gtt8/files/37Dvoynishnikov.pdf

Ю.Хохлов, Д.А. Растопочное горелочное устройство, использующее твёрдое топливо / Хохлов Д.А., Двойнишников В.А. // XIX МНТК студентов и аспирантов радиоэлектроника, электроника и энергетика: сб. тез. докл. -Москва, 2013 г. -с. 202

Подписано в печать ib. \о >тъ Зак. -Тир.. лоо п.п._и£ Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МЭИ"

04201364029 На правах рукописи

Хохлов Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВИХРЕВОЙ РАСТОПОЧНОЙ ГОРЕЛКИ ДЛЯ СЖИГАНИЯ ПЫЛИ ПОВЫШЕННОЙ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук профессор В.А. Двойнишников

Москва

2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1. ВИХРЕВЫЕ СТРУЙНЫЕ ТЕЧЕНИЯ В ТОПОЧНОЙ ТЕХНИКЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ.. 8

1.1 Вихревые струйные течения и их использование при факельном сжигании энергетических топлив......................................................................8

1.2 Подготовка к проведению численного эксперимента............................15

1.2.1 Выбор программной системы.............................................................15

1.2.2 Выбор необходимых расчётных моделей.........................................19

1.2.2 Методы построения расчётных сеток и контроля их качества.......27

ГЛАВА 2. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ РАБОТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ... 35

2.1 Цель и задачи работы. Объект исследования..........................................35

2.2 Методика исследований и представления их первичных результатов. 41

2.2.1 Метод численного моделирования и математическое описание процессов газодинамики и горения............................................................41

2.2.2 Формирование геометрической расчётной области исследования и способы контроля расчётного процесса.....................................................45

2.2.3 Способы представления первичных результатов численного моделирования..............................................................................................47

2.3 Достоверность получаемых результатов..................................................48

ГЛАВА 3. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ВИХРЕВОЙ РАСТОПОЧНОЙ ГОРЕЖИ...............................................................................54

3.1 Постановка задачи. Методика исследования и обработки результатов 54

3.2 Влияние параметра крутки кольцевой струи и размеров каналов на физическую картину развития струи, истекающей из горелки...................61

3.3 Влияние стеснённости пространства на развитие в нём струйных течений сред из каналов горелки.....................................................................70

3.4 Исследование эффективности аксиального лопаточного аппарата кольцевого канала вихревой горелки..............................................................74

ГЛАВА 4. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ПЫЛЕВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В ПРЯМОТОЧНОМ ПОТОКЕ ПРИ АДИАБАТНОМ ПРОТЕКАНИИ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ........................................................................................79

4.1 Постановка задачи и методика проведения расчётных исследований.. 79

4.2 Зерновой состав пыли и его представление в расчётных исследованиях .............................................................................................................................82

4.3 Влияние характеристик пыли и начальных параметров пылевоздушной смеси на интенсивность протекания горения................................................87

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ФАКЕЛА ПРИ ВВОДЕ ПЫЛИ С РАЗНОЙ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТЬЮ ЧЕРЕЗ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ КАНАЛ РАСТОПОЧНОЙ ВИХРЕВОЙ ГОРЕЖИ..........91

5.1 Задачи исследования. Методика обработки результатов.......................91

5.2 Влияние режимных условий на аэродинамическую картину течения в приосевой области у среза горелки.................................................................95

5.3 Влияние энергии активации угля и диаметров частиц монодисперсной пыли на устойчивость и ход развития процесса горения...........................100

5.4 Исследование стабилизации процесса горения в составной горелке при изменении её тепловой мощности.................................................................108

ГЛАВА 6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗРАБОТКЕ КОНСТРУКЦИИ ДВУХКАНАЛЬНОЙ РАСТОПОЧНОЙ ПЫЛЕУГОЛЬНОЙ ГОРЕЖИ......114

ВЫВОДЫ.............................................................................................................121

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ А Протокол испытаний растопочной горелки на котле ПК-40-1 Беловской ГРЭС..........................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Таблица вариантов для проведения исследований по изучению аэродинамических основ работы вихревой растопочной горелки ...............................................................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ В Структура течения для расчётных вариантов в рамках проведения исследований по изучению аэродинамических основ работы вихревой растопочной горелки..........................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Таблица вариантов для исследования стабилизации горения в составной растопочной горелке.......................................................228

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Физическая структура течения при исследовании составной горелки...............................................................................................231

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Особенности структуры факела при сжигании пыли повышенной реакционной способности в растопочной горелке...................247

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Устойчивость и эффективность горения полидисперсной пыли при разной тепловой мощности растопочной горелки.........................249

ВВЕДЕНИЕ

Пуск энергетических котлов с факельным сжиганием осуществляется с помощью растопочных устройств. Их конструкция должна обеспечивать не только устойчивое воспламенение топлива основных горелок, но и позволять на начальном этапе пуска поддерживать требуемый уровень температур газов в топке и на выходе из неё, необходимый для надёжной работы труб поверхностей нагрева.

На ТЭС, работающих на твёрдом топливе и имеющих мазутное, либо газовое хозяйство, в качестве растопочных устройств используются горелки, сжигающие мазут или газ. На чисто угольных станциях, не имеющих мазута и природного газа, пуск пылеугольных котлов может осуществляться за счёт применения:

• специальных устройств (плазмотронов, муфелей), в которых создаются высокотемпературные условия для воспламенения обычной пыли угля, сжигаемого в котле, с последующей подачей в топочный объём [1];

• растопочных пылеугольных горелок с использованием в качестве топлива специально приготовленной пыли.

Способ растопки котлов при помощи муфельных горелок исторически появился раньше всех, и он применяется до сих пор [2]. Не так давно этими устройствами были оборудованы котлы Томь-Устинской ГРЭС [3,4] и Беловской ГРЭС [5,6]. К недостаткам подобного решения следует отнести наличие неохлаждаемого высокотемпературного узла вне топки и высокие требования, предъявляемые к материалу муфеля.

Намного позже появились плазмо-топливные системы, где посредством плазмотрона происходит термохимическая подготовка угля к сжиганию [710]. Температура струи на выходе из плазмотрона составляет порядка 3500 -5500 °С, чего достаточно для воспламенения как летучих, так и кокса топлива. Данная технология обладает большим потенциалом и была апробирована более чем на 30 котлах в различных странах мира [10], однако

у неё существует несколько недостатков, которые не позволяют ей широко использоваться. Во-первых, большое количество электроэнергии, необходимое для поддержания электрической дуги, зачастую отсутствует на станции. Во-вторых, это очень высокотемпературный узел (быстро выгорает теплоизоляционный материал и электроды), который расположен в неохлаждаемой зоне. Определённую трудность составляет обеспечение высоких требований, предъявляемых к чистоте подаваемого сжатого воздуха.

Перспективным методом растопки является использование высокореакционной пыли, в том числе «механоактивированного угля микропомола» [11,12]. Эта технология заключается в том, что перед сжиганием пыль поступает из промбункера котла в мельницу-дезинтегратор. Это приводит к снижению энергии активации угля [12], что упрощает его сжигание. Данная технология разработана в институте СО РАН теплотехники им. Кутателадзе.

Однако для сжигания высокореакционной пыли необходимо специальное растопочное горелочное устройство, так как в основных горелках стабилизация горения будет затруднена на этапе розжига котла (низкие температуры и скорости воздуха, холодная топка). Поэтому возникла необходимость разработки растопочной горелки, которая обеспечивала бы надёжную стабилизацию горения твёрдого топлива.

В диссертации предложена принципиальная конструкция вихревого растопочного горелочного устройства, состоящего из двух каналов (цилиндрический центральный и кольцевой периферийный), в одном из которых (периферийном) установлен аксиальный закручивающий аппарат, а через другой подаётся пылевоздушная смесь. Основным принципом стабилизации горения, который заложен в конструкцию, выбран подвод горячих продуктов сгорания к корню факела за счёт создания закручивающим устройством горелки зоны возвратных течений.

Для обоснования её работоспособности, определения степени влияния различных конструктивных и режимных параметров, а так же характеристик

высокореакционной пыли на аэродинамическую картину истечения струй из её каналов и стабилизацию горения, был проведён ряд численных экспериментов при помощи программных пакетов Ansys CFX и Ansys Fluent. Так же в ходе исследований были задействованы программы Dust и Polydust, разработанные на кафедре ПГС МЭИ.

В последних главах принципиальная конструкция горелки рассматривалась применительно к котлу ПК-40-1 Беловской ГРЭС, в случае встраивания её в прямоточные круглые горелочные устройства нижнего яруса. На основании полученных данных был поставлен ряд натурных экспериментов, которые подтвердили работоспособность предлагаемой конструкции (протокол испытаний в прил. А). Автор диссертации принимал участие в их проведении.

ГЛАВА 1. ВИХРЕВЫЕ СТРУЙНЫЕ ТЕЧЕНИЯ В ТОПОЧНОЙ ТЕХНИКЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ПРОГРАММНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Вихревые струйные течения и их использование при факельном сжигании энергетических топлив

Все виды струй и течений в технике принято условно делить на два больших класса - закрученные и прямоточные [13]. Последние характеризуются наличием аксиальной и радиальной компонентами вектора скорости, в то время как у закрученных существует так же и тангенциальная.

Если в прямоточных струях радиальная компонента существенно меньше аксиальной, в то время как компоненты вектора скорости для закрученных потоков могут быть соизмеримы (особенно на срезе горелочного устройства). Уровень фактического давления в прямоточной струе (за исключением кольцевой) практически неизменен [14]. В закрученной струе имеет место существенный градиент как вдоль, так и поперёк её развития [13] (особенно при сильной закрутке).

В закрученных потоках происходит интенсификация турбулентного обмена из-за влияния центробежных сил вращения на пульсационное движение потока [15, 16]. Этот фактор предопределил самое широкое распространение такого типа движений в технике [17, 18]. Помимо котельной техники они используются в химии [19], добыче ископаемых [20], ядерной энергетике [21, 22], вентиляции и кондиционирования [23, 24], и др.

В котельной технике использование прямоточных и закрученных потоков лежит в основе конструкции прямоточных и вихревых горелок соответственно. Горелочные устройства используются для организованного ввода топлива и воздуха в топку котла [13].

В прямоточных горелках среды (пылевоздушная смесь и воздух) поступают в топку по нескольким каналам без закрутки. В вихревых горелках либо часть поступающих сред, либо все они закручивается в специальных устройствах.

Стабилизация горения топлива в случае применения прямоточных горелок происходит редко обеспечением равенства скоростей топливо-воздушной смеси и распространения пламени [25]. В подавляющем большинстве случаев стабилизация горения в таких горелках происходит эжекцией струями горячих продуктов сгорания [26]. То есть для функционирования таких горелок структура течения в топке должна обеспечивать подвод горячих газов к срезу. Это достигается соответствующей компоновкой горелок в топке.

При работе вихревых горелок, как правило, образуется зона обратных токов [13], в которой происходит разворот части среды струи и подвод её к корню, таким образом, создаются условия для стабилизации горения. Поэтому вихревые горелки могут функционировать индивидуально, хотя наружная эжекция горячих газов в них так же присутствует и вносит некоторый вклад в стабилизацию горения.

Вихревые горелки конструктивно сложнее прямоточных и имеют большое аэродинамическое сопротивление за счёт потерь давления в закручивающих устройствах. Они обладают меньшей дальнобойностью, смешение топлива с воздухом происходит намного лучше, поэтому горение в них протекает более интенсивно и на меньшей длине [27]. К положительным моментам вихревых горелочных устройств можно так же отнести: большие возможности воздействия на структуру течения (угол закрутки, расходы сред), универсальность по топливу, их большую единичную мощность [26].

В условиях, характерных для пуска котла из холодного состояния, применение прямоточных горелок в качестве растопочных не рационально, поскольку основным фактором стабилизации горения в таких горелках является теплота эжектированной в струю холодной топочной среды. В

вихревых горелках стабилизация горения происходит за счёт создаваемой ею зоны обратных токов, в которой часть горячих продуктов сгорания подводится к корню факела, что делает возможным её функционирование в условиях холодной среды топки.

Закрученная струя может быть сомкнутой или разомкнутой [28, 29], а зона обратных токов при этом замкнутой (в первом случае), полузамкнутой или разомкнутой (во втором случае). Когда струя и ЗОТ разомкнутая, то к корню факела подводится топочная среда, следовательно, такой случай так же не подходит для растопочной горелки.

Конструкции основных видов горелочных устройств отличаются друг от друга типом завихрителя (лопаточный аксиальный, тангенциальный или улиточный), широко известны специалистам по котельному оборудованию [30], однако у большинства фирм и профильных организаций существует большое количество разработок, модификаций вихревых горелок [31-35]. Производители идут на усложнение конструкций горелочных устройств по нескольким причинам, а именно из-за необходимости достижения низких значений выбросов окислов азота, эффективного горения при использовании трудносжигаемых видов топлива, обеспечения ремонтопригодности и защиты отдельных узлов горелки, создания за счёт комплекса горелок необходимой структуры факела в топке.

Исследования в области закрученных потоков ещё далеки от завершения, однако известны основные факторы, влияющие на аэродинамическую структуру струи. С точки зрения конструкции горелки ими являются:

1)Тип н характеристики закручивающих устройств (угол установки аксиальных или тангенциальных лопаток, конструкция улитки) отвечают в первую очередь за тангенциальную скорость, которую приобретает поток. Усиление закрутки потока увеличивает ширину струи, скорость эжекции, размер, форму, устойчивость факела и интенсивность процесса горения [36, 37]. Использование профилированных лопаток позволяет снизить аэродинамическое сопротивление канала практически в 2 раза [38, 39].

Рекомендуется [39] применять лопаточные завихрители, так как они обладают большей эффективностью закрутки, меньшим гидравлическим сопротивлением (при условии выполнения профилированных лопаток) и меньшими габаритами.

2) Размеры и количество каналов вихревой горелки определяют структуру составной струи. В большинстве случаев рассматриваются двух-или трёхканальные горелочные устройства [13, 18, 40-42]. Исследования для горелок имеющих более трёх каналов, как правило, ограничиваются конкретным конструктивным исполнением, то есть число каналов не варьируется [43].

Предыдущие два фактора учитываются посредством параметра крутки п, методика определения которого впервые была предложена B.C. Дубовым [44]. Параметр крутки представляет собой отношение величины вектора момента количества движения к величине проекции вектора количества движения на ось струи и к характерному размеру (диаметр круга, равновеликого сечению канала) [45]. Различными авторами было предложено большое число методик его определения по конструктивным характеристикам горелки [46-50]. Для трёх наиболее популярных видов закручивающих устройств есть формулы для расчёта этого параметра и даны рекомендации по его значению [45, 51]. Если в горелке несколько каналов, то находится результирующий параметр крутки струи.

3) Влияние конструкции выходной части на структуру течения изучалось в основном для диффузора или для конфузора, переходящего в диффузор, установленного на выходе из горелки [13, 52], так как это наиболее часто встречающиеся типы амбразур горелочных устройств. Установка диффузора на выходе из вихревой горелки значительно увеличивает габариты �