автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.01, диссертация на тему:Разработка математической модели горения крупных частиц топлива в топках паровых котлов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.18 : 662.636.1 : 662.61

ПАРАМОНОВ

Александр Павлович

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГОРЕНИЯ КРУПНЫХ ЧАСТИЦ ТОПЛИВА В ТОПКАХ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

Специальность 05.04.01 — Котлы, парогенераторы и камеры сгорания

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена в- Санкт-Петербургском государственном техническ( университете.

Научный руководитель — кандидат технических паук, доцспт С. М. Ш стоков.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор К■ М. Арефьев;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Л. М. Сорокопу

Ведущая организация—МЭИ (г. Москва^

Защита состоится 1992 г. в

на заседании специализированного совета Санкт-Петербургского государстве ного технического университета К 063.38.23 по адресу: 195251, Санкт-Петербу{ Политехническая ул., 29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санк .Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан » £¿£¿±±5^1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических паук, профессор

А. С. Ласы

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Постоянное ухудшение качества используемого топлива при одновременном увеличении единичной мощности энергетических агрегатов выявило ряд серьезных недостатков традиционного прямоточного пылеугольного способа сжигания топлива. Одним из возможных путей ликвидации этих недостатков является низкотемпературный вихревой способ скигання (НТВСС), разрабатываемый и внедряемый в энергетику ка^дрой "Реакторо- и парогенераторостроение" Санкт-Петербургского государственного технического университета. Актуальность дальнейшего развития НТЕСС рассмотрена и подтверждена следующими комплексными научно-техническими программами ГКНТ СССР: программа ОЦ. 002, подпрограмма 0. 01.02Ц, задание 01.03 "Создать и освоить на УИТЗЦ опытно-промышленный котел паропроизьо-дительностью 420 т/ч с вихревой топкой ЛЕИ для работы ¡1а ирша-бородинском угле с теплофикационными турбинами без промперег-рева"; межвузовская целевая научно-техническая программа "Энергосистеме!", подпрограмма 01. "Освоение КАТЭК , включая создание высокоэкономичных малогабаритных парогенераторов ..." и подпрограмма 10. "Совершенствование и модернизация ТЭУ на органическом и атомном топливе".

Для оптимизации топочного- процесса сжигания дробленого топлива (одного из наиболее перспективных направлений развития 1ГГБСС) оказалось необходимым совершенствование математической модели горения крупных частиц топлива

Дель работы Разработка математической модели, алгоритма и программы расчета горения влажных частиц твердого топлива в топочных камерах с целью повышения их экономичности.

Задачи исследований:

Ц Разработка и изготовление экспериментальной установки, позволяющей имитировать условия топочных процессов выгорания крупных частиц топлива при изменении в широком диапазоне скоростей движения частиц, температуры и химического состава газового потока; исследование выгорания крупных частиц топлива.

2. Разработка математической модели процесса горения крупных частиц влажных бурых углей, дающей удовлетворительное

совпадение результатов расчетов с результатами исследований, выполненных на экспериментальной установке.

3. Разработка алгоритма, программы и расчет на ЭШ выгорания полифракционного факела в вихревой низкотемпературной топке с целью определения потерь с механической неполнотой сгорания топлива с использованием ранее разработанной математической модели движения частиц топлива в заданном поле скоростей газового потока и с учетом термомеханического разрушения частиц топлива.

4. Оценка достоверности предложенной модели, алгоритма и программы расчета и определение границ применимости данной методики для расчета процесса горения твердого топлива.

5. Разработка по результатам выполненных расчетов и исследований практических рекомендаций по ведению процесса скитания дробленого топлива в топочных камерах с низкотемпературным вихрем.

Научная новизна.

1. Разработанная математическая модель процесса горения крупных частиц влажного бурого угля позволяет, в отличие от других моделей, учитывать:

- прогрев частиц до начала сушки;

- высокоскоростную сушку топлива при наличии движущегося фронта испарения влаги (задача Стефана);

- выход летучих из сухого объема частиц с учетом неравномерности и нестационарности температурного поля по сечению частиц топлива;

- выгорание коксового остатка с помощью решения полной системы дифференциальных уравнений тепломассообмена с применением теории приведенной пленки для 6-ти газовых компонентов с учетом 5-ти гетерогенных и 2-х гомогенных химических реакций при наличии стефановского потока, переменного по толщине приведенной пленки;

- термомеханическое разрушение крупных частиц при ударах об ограничивающие топку поверхности и последующий процесс выгорания образующихся мелких частиц топлива ( 0,006-0,008 м ), для которых доля внутрилористого реагирования оказывается не-

существенной.

2. На специально разработанной и оснащенной измерительными приборами экспериментальной установке выполнены исследования процессов сушки, выхода летучих и горения коксового остатка ¡фупных частиц бурого угля ( 0. 003<ск0,030 м ), позволившие получить новые и откорректировать имеющиеся экспериментальные данные, необходимые для обоснования и тестирования предлагаемой математической модели горения крупных частиц влажного бурого угля ( изменение массы и размеров частиц и их температуры, перемещение зоны испарения, продолжительность процессов сушки, выхода летучих и горения кокса).

Практическая ценность работы определяется тем, что:

1. На оспокиши разработанной математической модели составлены алгоритм и программа для ЭВМ в виде блока горения, который мо>эт быть использован для зональных расчетов топочных камер, включаю^'лх описание аэродинамики, тепломассообмена и процесса выгорания топлива угрубленного Фракционного состава, с целью оптимизации геометрических размеров топочной камеры и достш-.ешш минимальных потерь от механического недопога а такта для расчета динамических характеристик котла с целью оптимизации его регулирования .

2. Предлагаемая методика расчета горения твердого топлива позволила выбрать оптимальный фракционный состав дробленого топлива для топок с ШВ, обеспечивающий минимальное значение потерь в зависимости от аэродинамики топки.

3. Даны рекомендации для схемы ЛШ-ИТЭЦ-Ю сжигания дробленого топлива по оптимальному фракционному составу топлива с целью получения максимального количества коксовой пористой 1фоики, которая затем мотет быть использована для очистки ухо-дятих газов котла от оксидов серы и азота

4. Разработанная методика могпэт быть применена для оптимизации процессов горения в различных топочных устройствах: в топках с НТВ, пылеугольных топках, в топках с кипящим слоем, циркулирующим кипящим слоем, в аппаратах для термической переработки топлив.

Результаты выполненных исследований были использованы при

выборе оптимального варианта реконструкции топочной камеры котла ПК-24.

Личный вклад автора. Автором разработана и изготовлена экспериментальная установка; проведены эксперименты; проанализированы и обобщены экспериментальна данные; составлены математическая модель,алгоритм и программа расчета выгорания крупных частиц влажного бурого угля, проведены вариантные расчеты.

Надежность и достоверность полученных результатов обеспечиваются применением апробированных методик экспериментальных „ исследований» современной контрольно-измерительной аппаратуры и подтверждается удовлетворительным совпадением экспериментальных данных автора и других исследователей с расчетными данными автора.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной • работы докладывались и обсуждались:

- на Всесоюзной конференции "Теплообмен в парогенераторах", Новосибирск, июнь 1983 г.;

- на XI конференции молодых ученых и специалистов НПО ЦКГИ, Ленинград, 1988 г. ;

- на 110 заседании семинара по теплофизике энергооборудования, Ленинград, май 1990 г.;

- на семинарах кафедры РиПГС СПбГТУ.

Автор защищает:

- результаты экспериментальных исследований на стендовой установке, имитирующей выгорание одиночной частицы топлива в 'топочной камере, позволяющие определить продолжительность отдельных стадий горения;

- методику расчета и значения кинетических констант выхода летучих, полученных в результате обработки экспериментального материала;

- математическую модель, алгоритм и программу расчета вы1 горания крупных влажных частиц бурого угля;

- практические рекомендации, выданные ИТЭЦ-10, по ведению топочного процесса для двух режимов: с минимальным уровнем потерь и с максимальной выработкой коксовой пористой крошки.

Публикации. По результатам выполненных исследований опуб-

ликовано 4 печатных работы и получено одно положительное решение по заявке на предполагаемое изобретение.

Структура и объем, диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертационной работы: 104 страницы машинописного текста, 43 рисунка,3 таблицы,11 страниц списка литературы, включающего 104 наименования. Общий объем диссертации -163 страницы.

Краткое содержание работы Во введении обосновывается актуальность работы. Отмечаются недостатю1 традиционного прямоточного пылеугольного способа слмгания топлива. Отмечаются достоинства альтернативного низкотемпературного вихревого способа сжигания (НТВОС) топлива угрубленного фракционного состава.

В первой главе подведены основные итоги работы, котлов ПК-24 и ВКЗ-420-140-9 с топками по схеме ЛПИ-ИТЭЦ-10, использующих НГВЗС дробленых бурых углей. Отмечены основные преимущества и недостатки НТВ-котлов, выявленные в процессе их эксплуатации. Приведен обзор литературы по математическому моделированию топочных процессов и описаны стадии процесса горения одиночной частицы твердого топлива. На основе анализа общего состояния вопроса сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе приводится описание экспериментальной установки для исследования процесса выгорания сферической крупной одиночной частицы твердого топлива в условиях высокотемпературного и высокоскоростного нагрева. Конструкция установки позволяет непрерывно фиксировать изменение массы исследуемой частицы и температуру газового потока около ее поверхности с целью определения момента времени воспламенения летучих (см. рис. 1.) . Основные стадии процесса горения и изменение диаметра частицы,во времени фиксировались фотографической установкой , позволяющей сиихронизированно снимать до 70 кадров через заданные интервалы времени (от 2 до 10 секунд). Выполненные исследования были посвящены изучению основных стадий процесса горения 1фупных частиц ирша-бородинского и березовского углей (с!=0.003-0.03 м) в диапазоне температур от 1000 до 1373 К, скоростей газового потока от 0,1 до б м/с и концентрации кис-

Рис. I. Схема экспериментальной установки

I-электропечь; 2-массоизмерительный блок; З-частица; 4-шлвйфный осциллограф; 5-йотоапларат; 6-потенциоыетр КСП-2; 7-блок управления; 8-препаратоводитель; 9-терко~ пара; Ю-выклшчатель; 11-мерный участок

р-Ю'Та

6.6 г<оо Ь

0,5 псо 5

0,4 1500 1

0,5 ш ь

0,1 900

0,1 № ■ 4

0 0

Рис. 2. Изменение парциальных давлений компонентов, скорости

стефановского потока и температуры по толщине приведен. ной пленки(Тг =1873 К;№г=4 м/с;Я0,

=10,4%; 5 =0,001 м;Д=0,3-10*3м): 1-6 - гГарциальные давления компонентов 02 ,СОг,СО, Нг.ИДЛг соответственно; 7 -температура; 8 - скорость стефановского потока

лорода в потоке от О до 21%.

Всего было проведено 4 'серии опытов, при'этом каждая серия предназначалась для исследования одного ■ из следующих процессов: высокоскоростной сушки; выхода летучих; выгорания коксового остатка и внутрипористого реагирования; полного выгорания частиц.

В первой серии опытов, посвященной изучению механизма высокоскоростной сушки,, из исследуемых частиц, после их прогрева в реакционной 1самере с последующим охлаждением струей «химически чистого азота комнатной температуры, изготавливался шлиф. При исследовании полученных шлифов были обнаружены две характерные зоны, одна из которых имела текстуру исходного топлива, а вторая была покрыта сетью ¡срупных ветвящихся трещин. В дальнейшем вторая зона полностью удалялась механическим, путем,что ■ позволило провести стандартный технический анализ первой зоны на влажность. '

Оценка полученных результатов по первой серии опытов показала, что при сушке угольных частиц с начальны»,1 размером 0.022 м и влажностью 28,8% з условиях, близких к условиям топочного процесса (температура газового потока 1093 К, температура -реакционной камеры 1153 К и скорость потока 1 м/с), перенос влаги за счет капиллярных механизмов .составил 3%. При вычислении массы частицы это приводит к погрепшости менее 1% и позволяет пренебречь капиллярными механизмами переноса влаги. Постольку сильно развитая пористая структура не способна существенно затормозить процесс отвода паров воды от фронта сушки, то фильтрационное движение паров можно не рассматривать. Последующие расчеты подтвердили правомочность этого допущения.

Во .второй серии опытов, посвященной изучению процесса выхода летучих,использовались предварительно высушенные при температуре 376 - 378 К угольные частицы. В ходе опытов регистрировалось изменение массы частиц, прогреваемых в среде химически чистого азота. Полученные данные были затем использованы для определения кинетических констант выхода летучих (см. главу 3).

В третьей серии опытов, посвященной исследовании выгора-

ния коксового остатка и определению доли внутрипористого реагирования, коксовые частицы, необходимые для проведения опытов, получались в результате прогрева частиц натурального угля ■ в химически чистом азоте при температуре, соответствующей условиям предстоящего опыта. В ходе опытов фиксировалось изменение массы частиц во времени и производилась их фотосъемка Доля внутрипористого реагирования определялась как разность между полной долей выгорания частицы, определенной по убыли массы, и долей выгорания на внешней поверхности, определенной по изменению среднеквадратичного размера частицы. Она оказалась в пределах 33 - 60 % для частиц с размером 0,025 м при температуре газового потока 1273 К и стенок реакционной камеры 1323 К в зависимости от скорости газового потока и концентрации кислорода. При этом погрешность вычислений составила 22 Столь значительную долю внутрипористого реагирования можно объяснить тем, что внутренняя поверхность крупных трещин с размерами 0,0001 - 0,0002 м, образующихся после окончания сушки, по оценкам автора, в 4,7 раза превышает наружную поверхность частицы.

В четвертой серии опытов, посвященной исследованию процесса полного выгорания частиц натурального топлива, регистрировалось изменение массы частицы, проводилась ее фотосъемка и регистрировался момент вспышки летучих. В результате выполненных исследований был подучен необходимый экспериментальный материал о каждой из основных стадий горения крупных частиц ирша-бородинского и березовского углей (прогрев, сушка, выход и горение летучих, догорание коксового остатка), который позволил обосновать допущения приведенной ниже физико-математической модели процесса горения и дал возможность ее тестировать.

В третьей главе приведено описание разработанной математической модели горения крупных частиц влажного бурого угля."

Первая стадия процесса горения крупной частицы топлива включает в себя ее прогрев и высокоскоростную сушку. Процесс сушки может быть описан в виде трех дифференциальных уравнений (задача Стефана в одномерной постановке), два из которых -

уравнения прогрева частицы до фронта испарения влаги и за ним:

^Л-=А/|И'#> \ <2>

где Т- текущее время, с текущий и начальный радиусы

частицы, и; § - координата фронта испарения влаги, м; Т -текущая температура, К; подстрочные индексы 1 и 2 соответствуют зонам до и после фронта испарения.

Третье уравнение описывает перемещение фронта испарения :

дТ< 4- ^ ПН № (3)

^ дг - ^ дг + Ж'* >'Ж

где 1ц>п- теплота парообразования, Дк/кг; $ - вламгость топлива на рабочую массу, 7..

Процесс сушки начинается после того, как поверхность частицы прогреется до температуры фазового перехода, поэтому на первом этапе решается только одно уравнение прогрева при следующих начальных и граничных условиях:-

т;в,о)=т0 ; ; ' , (4)

гдеТ0 - начальная тешература частицы, плотность теп-

ло.вого потока, воспринятого поверхностью частицы, и лучистого потока в топочной гамере, Бт/мг; Тпот - температура газового потока, К; - степень черноты угля.

Как только поверхность частицы достигнет температуры фазового перехода, начинается перемещение фронта испарения влаги, при этом к системе уравнений (1-3) необходимо добавить еп;<з одно граничное условие:

= ; О^Ц&Вч. (5)

' где Трт- температура фазового перехода, К.

После окончания сушки (¡1=0) дальнейшее изменение температуры по сечении частицы снова будет описываться только одним дифференциальным уравнением прогрева.

Плотность угля после фронта сушки , с учетом выхода

летучих, для случая применения однокомпонентной схемы расчета:

v^K(8)

•p-Q m-wp-vp(4-A(t,z)) : (6)

гдеА^,!:)- массовая доля летучих, оставшихся к моменту времени Z ; ~ выход летучих на рабочую массу топлива, %.

Термическое разложение органической массы топлива при переменной температуре процесса описывается уравнением:

w « (7)

A¡,М = С0. -езср (- 5 • exp C-El/CRT)) dt) *

где k0¡_- предэкспоненциальный множитель, 1/с; E¡, - энергия активации, Дж/моль ; Т - температура , зависящая от времени , К ; п -число компонентов.

- Решив задачу без упрощений, получаем переменные по сечению частицы и во времени масйовые доли летучих^ оставшихся в частице. Полная масса летучих, оставшихся в частице к моменту

времени 't : „

wp п, В

Полученное уравнение было решено численно, путем разбиения частицы на заданное количество элементарных объемов.

Полная масса частицы в момент времени Т :

M-i-хлг Г)Ч ,м <9>

п --Wo--М+Мд

Для определения кинетических констант выхода летучих была применена обработка имеющегося-опытного материала методом наименьших квадратов. Значения констант оказались равными: С0)«4 ; К01=Н,2 1/С ; Е^ -=44,1 кДж/МОЛЬ

Cw-0,3 ; ' К0{=1.Б7 1/с ; Е., -41,6'кДж/моль (10) Ссх "0,7 ; ^ -5,6-Ю5 1/С ; Е2 -110 кДж/моль

Выполненные расчеты показали хорошее совпадение результатов, полученных с применением как однокомпонентной, так и двухкомпонентной схем. Следует отметить, ото применение полученных констант выхода летучих для частиц с размерами 0.005 и .0.020 м не привело к увеличению погрешности вычисления массы частиц. Этот факт свидетельствует о том, что сильно развитая пористая структура углерода, образующаяся за фронтом сушки, не

м' ид.^г)^

оказывает существенного диффузионного торможения процессу- выхода летучих из бурых углей.

При построении математической модели выгорания коксового остатга в качестве итоговых химических реакций был использован набор реакций, предложенный Е В. Померанцевым и С. М. Шестаковым:

1.с+ 02 =С0г 5. С + 2НгО=СО/2Нг

2. С +0,502 = СО 6. СО+0,5-0., =СО, (И)

3. С + С0г =2СО 7. н + 0,? 0г = нг0

4. с+ нго =со+нг

'Использованная схема достаточно полно отражает зависимость выгорания углерода от состава окружающей газовой среды -концентрации кислорода, углекислого газа и водяных паров. Расчет скоростей гетерогенных химических реакций производился с использованием полюса Шзстакова .

Процесс массообмена вблизи углеродной поверхности был рассмотрен с помощью метода приведенной пленки. При этом были сделаны следующие допущения: стефановский поток не оказывает влияния на толщину приведенной пленки; приведенная пленка рассматривается как плоская; термодиффузия по толщине пленки отсутствует; для диффузии в многокомпонентной газовой смеси принят средний коэффициент диффузии; скорости гомогенных реакций и коэффициент диффузии рассчитываются по средней температуре приведенной пленки; в связи с тем, что для условий выгорания частицы число Льюиса (Ье=В/а) очень близко к единице, была принята одинаковая толщина приведенной пленки для процессов тепло- и массопереноса; приведенная, пленка является прозрачной и не оказывает влияния на лучистый теплообмен поверхности частицы с окружающей средой.

С учетом принятых допущений, изменение парциальных давлений компонентов смеси в пределах приведенной пленки описывает»

ся следующей системой дифференциальных уравнений:

Эхг '.01

= ~ ^ Зу = - 5У/

где ] - номер рассматриваемого компонента; 1 - 0 , 2 - С0г , 3 - СО, 4 - , 5 - Цг0 , 6 -}(г ; Р^ - парциальное давление j-ro компонента, Па; Ю - коэффициент диффузии, мг/с; у/ - скорость стефановского■ потока, м/с; - источниковый член для }-го компонента, Па/с; х - текущая координата, 0<х<Д , м; Д -толщина приведенной пленки, м; Т - средняя температура приведенной пленки, К; , - скорости горения окиси углерода и водорода, моль/(м3- с) .

Граничные условия на поверхности частицы, х=0: - * 0

Граничные условия на наружной поверхности пленки, х=Д :

= 0 ; р5 = Р5,д ; Р6«Ре,д (14)

где Р2й, Р5л , Р6й - парциальные давления 02 ,С02,,1[Д }{г в газовом потоке на внешней поверхности приведенной пленки,Па. Уравнение неразрывности для приведенной плешей: ■

Эх / . (15),

где Р=2Р; - полное давление. Па.

Граничные условия для уравнения неразрывности:

Процесс теплообмена горящей углеродной частицы такте был рассмотрен с помощью метода приведенной пленки.

Температурное поле в пределах приведенной пленки описывается следующим дифференциальным уравнением:

* Э'т , #■ д(Щт)) . п

р. (17)

где ^ , Hj.iT)- плотность молярного потока и энтальпия j-ro компонента, моль/(мг-с) и Дж/моль; S - источниковый член, Вт/м3;

тепловой эффект j-ой реакции, Дж/моль.

Граничные условия:

где j0- источниковый член, описывающий тепловыделение за счет гетерогенных реакций, Вт/м2; SA- источниковый член,описывающий лучистый теплообмен частицы с окружающей средой, Вт/и2 .

Удельная скорость горения углерода рассчитывалась по известны),! парциальным давлениям газов на поверхности частицы:

где 0. 012 - молярная масса углерода, кг/моль.

Для решения полученной системы из семи дифференциальных уравнений второго порядка (шести уравнений диффузии при'наличии химических превращений и одного уравнения энергии) был применен численный метод с использованием левых производных по времени. При этом восьмое дифференциальное уравнение первого порядка (уравнение неразрывности) использовалось для определения скорости стефановского потока по сечению приведенной пленки (рис. 2.).

В результате сравнения экспериментальных и расчетных данных было установлено, что предложенная модель дает следующие погрешности вычислений: массы частицы большого размера 0,004 -0,03 м, менее, 6,5%; координаты фронта испарения влаги менее 8 X; полного времени выгорания частиц 0,00015-0,03 м , менее 7%. Следовательно, предложенная модель дает удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными (рис.3.).

Модель выгорания частицы влажного угля для расчета горения дробленого топлива в топочных камерах была дополнена уравнением движения частицы в заданном поле скоростей газового

и

то

т

¿00

иг/с «V кг/с т,> кг

9 1 ■ Ч

м

?> 1 г

\

0 0 <? л \

20

40

60

г, с-

Рис. 3.

масса; 3,4- массовый расход влаги и летучих; 5,6 мпература центра и поверхности частицы

те-

Рис.-4. Траектории движения частиц.в топке котла. .8)0=100'10"*м; б)5=400•1(Р3м; в)5 =25-КГ®

, 1Ж-24 ст.й 9:

потока (в двухмерной постановке с учетом сил тяжести и лобового сопротивления).

Разрушение частиц, вызванное их ударами об экраны топочной камеры, учитывалось с помощью эмпирической зависимости, полученной Синицыным II Е , свтеь-ваки^й критическую скорость удара, вызывающую разрушение, с характеристиками частицы: ее размером, временем пребывания в топке и температурой' процесса.

Для расчета выгорания топлива с полифракционным составом реальный расход топлива пересчитывался (с сохранением исходной рассевочкой хараетеристики) на эквивалентный расход парообразных частиц- с заданным количеством фракций.

В четвертой главе изложены методики экспериментального комплексного исследования топочного процесса котла ПК-24 ст. N9 ЙТоЦ-10 и методика подготовки исходных данных (поля скорости, температуры, тепловых потоков и концентраций кислорода) для расчетов выгорания полидисперсного крупнофракционного факела в топке этого котла.

В пятой главе даны некоторые рекомендации по оптимизации - параметров топочного процесса при смггашш дробленого топлива в топках с ШВСС. . • ■

При расчетах выгорания частиц ирва-бородинского угля в топочной камере котла ПК-24 по предложенной методике, расход топлива был разделен на 19 фракций (для расчетов были -исполь-зоваии нормативные характеристики угля). Как показали расчеты, фракции топлива с с1 <0,0002 м практически полностью сгорает в вихревой зоне топочной камеры. Более ]'фупнь!9 фракции в момент выхода из окна топочной камеры имеют размер 0,0003 - 0,0003 м, что подтверждается испытаниям! котла. Разрушение частиц топлива в процессе их движения начинается с размера Фрагадай <1>0,01 м. Расчетное времд пребывания в топочной камере частиц, принадлежащих к фракциям <3>0,01 м, зависит от скорости их разрушения и. составляет 190-450 с. Пройденный путь для частиц , принадлежащих к фракциям <1>0,005 м, составляет 950 - 1150 м (рис.4.).

Расчетные исследования величины тепловых потерь,вызванных механической неполнотой сгорания, в зависимости от коэффициентов полидисперсности и тонкости измельчения (С^ц=-}(а,Ь)) позво-

лили обнаружить,что у этой зависимости имеется максимум (рис.5.)- Все зерновые характеристики , дающие максимальное значение потерь при n=var, пересекаются в точке Rí00'=40 X. .При выполнении расчетов было сделано допущение о том, что экспериментальные поля скорости, температуры, плотности теплового потока и концентрации кислорода не зависят от рассевочной кривой.

Наличие обнаруженного максимума объясняется тем, что при смещении зерновой характеристики:

- в область, соответствующую пылеуголыюму сжиганию, - потери снижаются за счет полного выгорания мелких частиц d<0.0002 м (крупные частицы отсутствуют);

- в область дробленого топлива - уменьшается общее количество частиц, поступающих и , следовательно , уносимых из топки (с учетом разрушения ), при этом диаметр унесенных частиц практически не изменяется , что, в свою очередь, приводит к снижению потерь Qf¡j . По мере угрубления помола увеличивается суммарная масса топлива, находящегося в топочной камере. Поэтому в условиях реального процесса при накоплении в топочной камере топлива нарушается аэродинамика вихревой зоны и наблюдается уве- • личение потерь с уносом топлива (рис.6.).

Рассчитанные поля массовых расходов влаги и .летучих по зонам топочной камеры показывают, что на скате холодной ворон- • ки, напротив струи нижнего дутья, образуются зоны повышенного выделения влаги и летучих (рис. 7.). Исследования топочной . камеры позволили обнаружить повышенное шлакование указанной зоны, что, в свою очередь, подтверждает правильность выполненных расчетов.

На ИТЭЦ-10 были выполнены исследования по получению пористой коксовой крошки из уноса котла ПК-24 ст. N 9, переоборудованного на низкотемпературный вихревой способ сжигания дробленого топлива. Они показали,что пористая коксовая крошка имеет высокие адсорбционные свойства, позволяющие использовать ее для очистки дымовых газов и сточных вод. Таким образом, возникла целесообразность перевода котла в энерготехнологический режим работы, т. е. появилась необходимость в анализе

Рис. 5. Зависимость потерь ^чот максимального тзазмева частиц топлива №^„=0,1 %) и показателя яолвднсперсностил..

Рис. 60 Влияние гТюакционного состава немолотого топлива на потери ^котла ГЙ-24: I-потери определенные в результате испытании, %: 2,3-расчетнш зависимости потерь ц- для >ЬП =1Д л /гл=1,535, соответственно, %. '

процесса получения коксовой пористой крошки с целью выдачи рекомендаций по ее промышленному производству в топках котлов с БТВСС.

Расчеты, выполненные по предложенной автором данной работы методике, показали, что максимальное значение потерь тепла с уносом =10,6 7., а, следовательно, и максимальный выход крошки соответствует фракционному составу для ирша-бородинско-го угля |??00 =40 % и п=1,535.

Применение активированной пористой гаксовой крошки, полученной из уноса, позволит создать экологически чистую котельную установку со следующими экологическими показателями : по оксидам азота - 0,15 г/и3; по отеидам серы - 0,07 г/мй; по золе - 0,02 г/м3, что удовлетворяет экологическим требованиям, предъявляемым в настоящее время к энергетическим установкам.

В заключении представлены основные выводы по работе.

1. На специально разработанной экспериментальной установке выполнены исследования процессов сушки,выхода летучих и го-, рения коксового остатка крупных частиц бурого угля-(0,003<<1< 0,030 м) позволившие:

- получить новые и откорректировать имеющиеся эксперименталь- ' ные данные, необходимые для обоснования и тестирования предлагаемой математической модели горения крупных частиц влажного бурого угля (изменение массы и размеров частиц , перемещение зоны испарения влаги, продолжительность процессов суши , выхода летучих и горения кокса);

- доказать возможность использования стадийной схемы для анализа процесса горения крупных част"Ч влажного топлива с частичным наложением стадий сушки, выхода -летучих и горения кокса;

- показать, что в крупных частицах топлива для условий топочного процесса капиллярный перенос влаги составляет менее 3 % и, следовательно, его можно исключить из рассмотрения и ввести в модель понятие фронта испарения;

- рассчитать на основании обобщения экспериментальных данных константы выхода летучих (К„,Е ) для скорости прогрева частиц, соответствующей условиям топочного процесса, которые дали удовлетворительное совпадение результатов расчета и экс-

- 21 -

перимента по убыли массы частицы;

- оценить примерно в 50 £ долю внутрипористого реагирования для крупных частиц ирша-бородинского угля (0.025м) для условий в топках с низкотемпературным вихрем, что требует учета внутрипористого реагирования при расчете выгорания частиц этого размера.

2. На основании разработанной математической модели процесса горения крупных частиц влажного бурого угля, позволяющей учитывать прогрев, высокоскоростную сушку с движущимся фронтом испарения, выход летучих, выгорание коксового остатка и термомеуаническое разрушение частиц, составлены алгоритм вычислений и программа для ЗВМ в виде единого блока горения, который может быть скомпонован с другими блоками: движения частиц, аэродинамики топки, зонального теплообмена и т.д. и использован для комплексного расчета процессов в топочных камерах.

3. Применение разработанной методики расчета процесса горения топлива в сочетании с известной методикой расчета дви-

- гения частиц в заданных на основании экспериментальных данных полях скоростей, температур, падающих тепловых потоков и концентраций кислорода позволяет рассчитать выгорание полифракционного факела, распределение твердой фазы, летучих веществ и испаренной влаги в топочном объеме и величину потерь тепла от механической неполноты сгорания топлива на выходе из топки. Показано, что результаты расчетов потерь от механической неполноты сгорания удовлетворительно согласуются с результата},« контрольных испытаний котлоагрегата ПК-24 ИТЭЦ-10, что подтверждает применимость предложенной модели и методики расчета

4. Расчетным путем для схемы ЛПИ-йТЭЦ-10 сжигания дробленого топлива доказано наличие оптимального фракционного состава исходного топлива, обеспечивающего при заданной аэродинамике топочной камеры минимальное значение потерь . Так, для котла ПК-24 оптимальный фракционный состав ирша-бородинского угля, обеспечивающий минимальное значение потерь с^ »2,2 % , характеризуется Я<0£)00 =7 % и п=1,535.

.5. Расчетным путем выявлено, что в диапазоне изменения

фракционного состава дробленого топлива =1090 % имеет-

ся максимум потерь с^ , который для сжигания ирша-бородинского угля в котлоагрегате ПК-24 соответствует =1П,6 % при

=40 % и п=1,535.

6. Режим работы топочной камеры с максимальным уровнем потерь тепла с механическим недожогом может быть предложен для котла ПК-24 ст. N 9 ИТЭЦ-10 с целью получения активированной крошки из уноса. Применение этого режима позволит использовать наработанную пористую крошку для удаления оксидов серы и азота из дымовых газов с целью создания экологически чистой котельной ' установки со следующими экологическими показателями: по оксидам азота - 0,15 г/м3; по оксидам серы - 0,07 г/и3; по золе - 0,02 г/м3, что удовлетворяет экологическим требованиям, предъявляемым к энергетическим установкам.

7. Разработанная методика может быть применена для оптимизации процессов горения в различных топочных устройствах: в топках с низкотемпературным вихрем, пыдеугольных топках, в тоннах с кипящим слоем, циркулирующим кипящим слоем, в аппаратах для термической переработки топлив.

Публикации по теме диссертации

1. Шестаков С. М., Дудукалов А. П. , Любов В. К., Парамонов А. П. Сшшцын Е Е Анализ напряжённого состояния част ад -немолотого топлива в топке ЛЕИ. -Л. ,1987.-14 с./Рук. деп. в ЦНИИТЭИТЯЖМАШ N 386/ЭМ 87.

2. Шэстаков С. М., Парамонов А. П., Любов В. К. -Исследование воспламенения крупной частицы натурального топлива, поданной в топочную камеру //Материалы Всесоюзной конференции по теплообмену в парогенераторах, июнь 1988 г.: Новосибирск, 1988.-с.3-9.

3. Шестаков С. М. , Парамонов А. П., Токунов А. Е , Эркенов А. К Разработка модели горения частицы натурального топлива . Труды ЦКТИ, .1989, вып. 251, с. 106-109.

4. Шестаков С. М., Сильва 3. Л., Беатон П. С., Парамонов А. П., Ресио Р. А., Олива Р. Л. Закономерности процесса горения частиц гранулированной багассы. - Л ,1988. -19 с. /Рук. деп. в ШЙОРМ-ЭНЕРГО N 2867-ЭН 88.