ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАДИЦИОННОГО И ГАЗИФИЦИРОВАННОГО ГОРЕНИЯ УГЛЯ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ТЭЦ

В теплоэнергетике Казахстана для получения энергии используется низкосортное топливо (уголь) с пониженной теплотворной способностью и повышенной зольностью (более 40%). Вместе с тем к топочным камерам промышленных котлов в настоящее время предъявляются строгие экологические требования. Соблюдение этих требований наряду с необходимостью экономии капитальных и эксплуатационных затрат чрезвычайно осложняет исследования в этом направлении [1, с. 792].

При освоении новых энергетических блоков, использующих пылеугольное топливо, исследования топочных процессов с целью их усовершенствования чрезвычайно затруднено. Для повышения надежности и улучшения качества проектирования большую актуальность приобретает разработка методов комплексного расчета топочных устройств с учетом аэродинамики топочной камеры, воспламенения, теплообмена и механизмов выгорания пылеугольного факела.

В мировой практике принято обогащать угли перед их сжиганием. Однако нельзя ожидать обогащения углей в объемах, необходимых для ТЭС Казахстана и стран СНГ, особенно из-за большой стоимости обогащения. Кроме того, в результате обогащения можно снизить зольность и влажность углей, тогда как увеличить реакционную способность, т.е. выход летучих  (тощие угли, антрацит имеют выход летучих 4-12%), путем обогащения невозможно [1, с. 795].

Для улучшения воспламенения и стабилизации горения низкосортных углей с низким выходом летучих и высокой зольностью существуют дополнительные мероприятия, которые в основном сводятся к утонению помола, подогреву аэросмеси и вторичного воздуха, подаче угольной пыли высокой концентрации последующим разбавлением и, наконец, совместному сжиганию с углем мазута или природного газа. Последнее техническое решение получило самое широкое распространение.

Однако, существующая в теплоэнергетике практика использования для розжига и стабилизации горения низкосортных углей, дефицитных мазута и природного газа не решает проблемы, так как их совместное сжигание с углем приводит к повышению менхнедожога и выбросов оксидов азота и серы (в случае подсветки пылеугольного факела высокосернистым мазутом). Использование для розжига и подсветки пылеугольного топлива огромного количества мазута является одной из причин снижения эффективности топливо использования и низких экологических показателей работы тепловых электростанций. Резкое ужесточение в последнее время требований к повышению эффективности топливо использования и защите окружающей среды от вредных выбросов явилось мощным стимулом для развития новых перспективных технологий подготовки к сжиганию и комплексной переработки топлив, позволяющих решить вышеуказанные проблемы.

Для моделирования тепломассопереноса при наличии физико-химических процессов используются фундаментальные законы сохранения таких величин, как масса, импульс, энергия. Поскольку тепломассоперенос при наличии физико-химических превращений представляет собой взаимодействие турбулентных движений и химических процессов, то мы должны учитывать и закон сохранения компонентов реагирующей смеси, турбулентность, многофазность среды, выделение тепла за счет излучения нагретой среды и химических реакций. В данной статье приведено сравнение результатов вычислительных экспериментов традиционного горения пылеугольного     топлива     с      результатами     вычислительных     экспериментов      горения      термохимически газифицированного  угля в двух противоположных горелках нижнего яруса топочной камеры БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ. Выявлены и исследованы основные закономерности влияния термохимической активации турбулентных течений с химическими реакциями на процессы тепломассопереноса в областях реальной геометрии. Показано, что использование плазменной подготовки пылеугольного факела к горению положительно влияет на процесс тепломассообмена [2, с. 61].

На Рисунке 1 показано сравнение аэродинамических характеристик топочной камеры БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ обычного горения пылеугольного топлива с горением угля, прошедшего плазменную активацию.

Анализ полученных полей скорости показывает, что активация пылеугольного потока оказывает значительное влияние на поле течения: на распространение реагирующей  струи в объеме топки, процессы подмешивания в струе, на размеры, форму пламени. Наглядно заметно различие в распределении пылеугольных потоков, поступающих в топку через обычные горелки и через плазменно-топливные системы (ПТС). Основной причиной изменения в распределении скоростей в топочном пространстве является увеличение скорости поступающей в камеру сжигания топливной смеси (высокореакционное топливо + вторичный воздух).

На Рисунке 2 представлены результаты сравнения распределений температуры обычного горения и горения, прошедшего плазменную активацию в топочной камере БКЗ-160 Алматинской ТЭЦ.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что плазменная активация горения аэросмеси приводит к быстрому нагреву и воспламенению аэросмеси. При этом наблюдается смещение фронта горения к месту расположения систем плазменной активации угольных потоков. Область высоких температур активированных плазмой потоков смещается к центру симметрии топки, при этом у боковых поверхностей также наблюдается более высокий уровень температур.

«чистого» сжигания топлива с соблюдением норм выброса вредных веществ в окружающую среду все процессы, происходящие в камере сгорания, должны быть оптимизированы. Процесс горения топлива должен быть более полными с минимальными потерями от химической (недостаток поступающего воздуха в камеру сгорания, низкая температура в ней, неправильное распределение поступающую потока воздуха и др.) и механической (вынос мелких частиц угля вниз в воронку и наверх в газоходы) неполноты сгорания [3, с. 141].

По итогам вычислительных экспериментов можно сделать заключение, что проведенные численные исследования аэродинамических характеристик процесса горения в топочном пространстве свидетельствуют о сложности протекающего процесса. Полученные результаты говорят о том, что в зоне расположения горелок имеется вихревое течение, обусловленное расположением горелочных устройств и вихревым способом подачи пылеугольных потоков в топочное пространство. Наличие вихревого движения обеспечивает более быстрое зажигание и стабилизацию пламени. Горячие газы  увлекаются в факел,  нагревают горючую смесь и интенсифицируют воспламенение.

Активными восходящими потоками также заняты области вблизи стен топки, что в свою очередь оказывает влияние на конвективную составляющую теплообмена в топочной камере. Вихревой характер движения потоков внутри топочной камеры приводит к усилению зажигания факела на выходе из горелочного устройства, а усиленный тепломассообмен в вихре интенсифицирует выгорание. При этом удается добиться равномерного обогрева поверхностей топочной камеры и снизить их шлакование, что продлевает срок действия оборудования. Благодаря циркуляции частиц в вихревом факеле горение протекает с достаточной полнотой, даже при грубом помоле, что позволяет существенно расширить диапазон используемой угольной пыли [3, с. 145].

Список литературы

1.     Аскарова А.С., Болегенова С.А., Максимов В.Ю., Бекмухамет А., Бекетаева М.Т., Габитова З.Х. Вычислительный метод исследования горения твердого топлива в камерах сгорания ТЭЦ // Теплофизика высоких температур. – Москва, 2015. - № 53 (5). – c. 792-798.

2.     Askarova A.S., Leithner R., Bolegenova S.A., Maximov V.Ju. Using CFD code FLOREAN for simulations of industrial boiler // International Journal of Mathematics and Physics. – 2014. - Vol. 5, №1. – p. 60-68.

3.     Askarova A.S., Bolegenova S.A., Bolegenova S.A., Maximov V.Ju., Bekmuhamet A., Beketayeva M. Numerical experimenting of burning high-ash content Ekibastuz coal in the real boiler of CHP // Recent Advances in Fluid Mechanics and Heat & Mass Transfer. - Athens, 2013. – p. 138-147.