Теплоэнергетика, 2022, № 12, стр. 73-83

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Объектом численного исследования топочных процессов является барабанный паровой котел БКЗ-220-100Ф с топкой с твердым шлакоудалением открытого типа прямоугольного сечения 6656 × 9536 мм (рис. 1).

Рис. 1.

Эскиз топки парового котла БКЗ-220-100Ф. a – продольное сечение; б – сечение в плане с расположением горелочных устройств

Топочная камера снабжена четырьмя прямоточными щелевыми горелками, расположенными на боковых стенах и направленными по касательной к условной окружности диаметром 1330 мм (см. рис. 1, б). Котел оборудован двумя индивидуальными замкнутыми системами пылеприготовления с шаровыми барабанными мельницами (ШБМ 287/470) и промежуточным пылевым бункером.

Для сушки и транспортировки пыли используется смесь горячего воздуха, дымовых газов после воздухоподогревателя и рециркулирующего сушильного агента. Доля газов рециркуляции 0.2 принята согласно проектной документации.

Проектным топливом для рассматриваемого котельного агрегата являлся бурый уголь 3Б Артемовского месторождения, в качестве замещающих углей, исходя из теплотехнических свойств (табл. 1) и территориальной близости к объекту исследования, на перспективу выбраны каменные угли Липовецкого и Эльгинского месторождений.

Содержание влаги и золы не достаточная мера энергетической ценности топлива, так как топлива с одинаковым количеством золы или влаги могут иметь разную теплоту сгорания. Более полными являются приведенные характеристики, отражающие содержание влаги и золы в топливе, отнесенное к единице низшей теплоты сгорания (табл. 2).

По приведенным характеристикам липовецкий и эльгинский угли относятся к маловлажным, а артемовский – к высоковлажным видам твердого топлива. Все они являются малосернистыми. По содержанию золы артемовский уголь относится к высокозольным, а остальные – к среднезольным углям.

Состав золы всех рассматриваемых углей кислого типа. При этом минеральную часть артемовского и эльгинского углей можно классифицировать как золу угля битуминозного типа, а липовецкого – как золу угля лигнитного типа, которые практически не склонны к образованию железистых и сульфатно-кальциевых отложений, а также отложений на основе активных щелочей [10].

Все угли относятся к III группе по взрывоопасности (коэффициент взрываемости 1.5 ≤ K_T ≤ 3.5). Артемовский уголь является трудноразмалываевым (коэффициент размолоспособности K_л.о < 1.15), липовецкий и эльгинский угли обладают средней сопротивляемостью к размолу (1.15 ≤ K_л.о ≤ 1.4).

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Для исследования топочных процессов проведено моделирование в программном комплексе ANSYS Fluent, являющемся одним из самых распространенных программных продуктов и включающем в себя проверенные временем инструменты, которые обеспечивают сравнительно быстрое получение точных результатов в области гидрогазодинамики.

Для решения основных уравнений течения потока газа использовался численный метод – стационарный решатель (pressure-based solver), с помощью которого можно определить плотность по уравнению состояния, а поле давлений – по уравнению неразрывности.

При моделировании топочных процессов сжигания пылевидного топлива в пылеугольных котлах дополнительные сложности возникают из-за двухфазного характера потока [11]. Поэтому для решения указанных задач используется модель Эйлера – Лагранжа, позволяющая более детально описывать процессы движения частиц в двухфазном потоке [12, 13]. Модель дискретных фаз (DPM) применяется для описания траектории движения частиц угля в дымовых газах [14]. Размолотый уголь подают в топочную камеру с первичным воздухом. При моделировании траектории движения учитывают, что на топливную частицу в газовом потоке действуют силы сопротивления и тяжести, и принимают, что все топливные частицы имеют сферическую форму.

Распределение частиц по размерам моделируется с помощью распределения Розина – Раммлера, так как оно наиболее точно отображает фракционный состав пылевидного топлива.

Процесс горения угольных частиц состоит из следующих этапов: прогрев и испарение влаги, выход летучих веществ, горение коксового остатка.

При моделировании сжигания угля летучие вещества представлены в виде С_xH_yO_zN_l. Стехиометрические коэффициенты реакций выхода летучих веществ, а также их соотношение рассчитываются с учетом элементного состава топлива.

Трехмерное течение потока газа описывается системой уравнений Навье – Стокса, усредненных по Рейнольдсу (RANS), которая состоит из уравнений сохранения массы, импульса и энергии [15, 16].

В качестве модели турбулентности выбрана наиболее распространенная k–ε-модель, основанная на решении уравнений переноса для турбулентной кинетической энергии (k) и скорости турбулентной диссипации (ε) [17]. Для моделирования пристеночной области использовалась стандартная пристеночная функция.

Уравнение переноса лучистой энергии решалось с помощью модели P-1, в которой газ принимался как серое тело [13, 15].

При проведении расчетов использовался алгоритм SIMPLE, применяемый для корректировки давления при оценке взаимосвязи между ним и скоростью среды в исследуемой задаче. Градиент давления рассчитывался по схеме PRESTO!, хорошо зарекомендовавшей себя для сильнозакрученных потоков, остальные основные уравнения имеют второй порядок дискретизации.

Концентрации NO_x при сжигании рассматриваемых углей определяли с помощью расширенного механизма Зельдовича. Образование топливных NO_x рассматривалось согласно модели Де Соэте, предполагалось, что 90% азота летучих веществ превращается в HCN, а остальная часть образует NH₃.

Аналогичные подходы, примененные в работах [18–22] для моделирования процессов в топочных камерах котельных агрегатов при сжигании пылеугольного топлива, показали хорошие результаты при их верификации и валидации. Например, в работе [18] данные модели используются авторами для численных исследований влияния фракционного состава топлива на движение и выгорание частиц углей разных марок, поступающих в топку. Результаты исследований позволили выявить оптимальную тонкость помола для устойчивого горения угля и снижения на 20% расходов электроэнергии на собственные нужды пылеприготовления.

В работе [11] путем математического моделирования были проведены исследования влияния избытка первичного воздуха на процессы горения в топочной камере энергетического котла, итоги которых хорошо согласуются с натурными экспериментами.

Для получения качественных результатов сетку расчетной области сгущали путем увеличения количества конечных элементов. Сеточная модель (рис. 2) состояла из 1 207 202 тетраэдрических ячеек и обеспечивала сеточно-независимое решение. Для проведения качественного расчета было выполнено 100 000 итераций, невязка для уравнений неразрывности составляла менее 10^–5, для остальных уравнений – менее 10^–6.

Рис. 2.

Расчетная сеточная модель топочной камеры парового котла БКЗ-220-100Ф

Исходные данные для математического моделирования – результаты теплового расчета топочной камеры согласно [9]. В частности, температура горячего воздуха для артемовского угля достигала 360°С, липовецкого – 380°С и эльгинского – 388°С. Температура пылевоздушной смеси 70°С для всех исследуемых вариантов угля принималась по условиям обеспечения взрывопожаробезопасности. Значение коэффициента тепловой эффективности для трех видов угля составляло 0.45.

Сравнение результатов моделирования с данными позонного и поверочного расчетов топки показало отклонение температур по расчетным зонам и на выходе из топочной камеры не более чем на 45°С (рис. 3), что, согласно [9], является вполне допустимым.

Рис. 3.

Распределение температуры t по высоте топочной камеры h при сжигании угля Артемовского месторождения. 1 – поверочный расчет; 2 – результаты математического моделирования; 3 – позонный расчет

РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

На рис. 4, 5 показана аэродинамическая структура потока газов в продольном и горизонтальном сечениях топки. Видно, что данная компоновка горелочных устройств во всех рассматриваемых вариантах (для артемовского, липовецкого и эльгинского углей) обеспечивает создание вертикального вихря в объеме топочной камеры. Его особенность – асимметричное положение относительно прямоугольного сечения топочной камеры (отношение глубины топки к ее ширине составляет 1.4), вызванное смещением горелочных струй к фронту и тылу топки под влиянием, с одной стороны, зон разрежения вблизи примыкающих к струям экранов, а с другой – сносящего потока от воздействия крутонаправленных соседних струй. Зона вихреобразования в горизонтальном сечении представляет собой эллипсоид, вытянутый по диагонали топки. По мере продвижения вверх вихрь выравнивается относительно вертикальной оси топочной камеры. На выходе из нее скорость дымовых газов при сжигании указанных углей находится в пределах 6–8 м/с.

Рис. 4.

Векторное поле скоростей в продольном сечении топочной камеры.

Уголь: а – артемовский; б – липовецкий; в – эльгинский

Рис. 5.

Векторное поле скоростей в горизонтальном сечении топочной камеры. Обозначения см. рис. 4

Распределения температурных полей по объему топочной камеры во всех исследуемых вариантах не имеют существенных различий (рис. 6, 7). Область максимальных значений температур, расположенная на уровне ядра горения, для артемовского угля составляет около 1380°С, а для липовецкого и эльгинского доходит до 1420°С.

Рис. 6.

Распределение температур t в продольном сечении топочной камеры. Обозначения см. рис. 4

Рис. 7.

Распределение температур t в горизонтальном сечении топочной камеры. Обозначения см. рис. 4

В горизонтальном сечении на уровне горелочных устройств (см. рис. 7) выделяются высокотемпературные зоны в пристеночной области вблизи углов топочной камеры, образованных экранами левой боковой и фронтовой стен, а также экранами правой боковой и тыльной стен.

На рис. 8 показано распределение температуры вдоль фронтовой стены на расстоянии 0.05, 0.10, 0.15 и 0.20 м от нее. При сжигании артемовского угля значения температур, превышающих значение температуры начала шлакования, наблюдаются на расстоянии 0.10 м от фронтовой стены на участке по ширине топочной камеры 8.5–9.3 м, на 0.15 м – на участке 7.2–9.3 м, на 0.20 м – на участках 0–2.5 и 7.0–9.3 м (см. рис. 8, а). При сжигании липовецкого угля превышение температуры шлакования зафиксировано на расстоянии 0.2 м от фронтовой стены на участке 5.5–7.5 м, по мере приближения к экранным поверхностям температура топочной среды снижается (см. рис. 8, б). Наиболее значительное превышение температуры шлакования наблюдается при сжигании эльгинского угля на расстоянии 0.10 м от фронтовой стены на участке 5.5–6.8 м, на 0.15 м – на участке 5.0–8.8 м, на 0.20 м – на участках 0–0.9 и 4.8–9.3 м.

Рис. 8.

Распределение температуры t в пристеночной области по ширине топочной камеры a_т на уровне высотной координаты y = 5.1 м при сжигании артемовского (а), липовецкого (б) и эльгинского (в) углей. Расстояние от экранных труб, м: 1 – 0.05; 2 – 0.10; 3 – 0.15; 4 – 0.20

Изменение среднеинтегральной температуры в топке исследуемого котла при сжигании проектного и замещающих углей происходит следующим образом (рис. 9). В нижней части топки температура составляет около 1250°С. С увеличением высоты топочной камеры она возрастает и достигает максимальных 1350–1400°С незначительно выше уровня расположения горелочных устройств. При дальнейшем подъеме факела температура плавно уменьшается и на выходе из топки составляет 1050°С при сжигании артемовского угля, 1085 и 1110°С – липовецкого и эльгинского угля соответственно. Сравнение результатов моделирования с данными поверочного теплового расчета показало, что разница температур на выходе из топки не превысила 30°С.

Рис. 9.

Изменение температуры t по высоте топочной камеры h при сжигании проектного и замещающих углей. Уголь: 1 – артемовский; 2 – липовецкий; 3 – эльгинский; 4, 5, 6 – поверочный расчет для артемовского, липовецкого и эльгинского угля соответственно

Согласно полученным при численном моделировании данным (рис. 10), максимальные концентрации О₂, СО и NO_x наблюдаются на уровне горелочных устройств. Содержание кислорода на выходе из топочной камеры (см. рис. 10, а) при сжигании проектного угля составляет 3%, что соответствует нормативному избытку воздуха, а при горении замещающих каменных углей Липовецкого и Эльгинского месторождений концентрация кислорода равна 5.2 и 4.0% соответственно. Концентрация СО во всех исследованных вариантах на выходе из топочной камеры близка к нулю, что свидетельствует о высокой полноте сгорания топлива (оно выгорает полностью). Содержание оксидов азота на выходе из топочной камеры при сжигании исследуемых углей находится на уровне 1000–1100 мг/м³.

Рис. 10.

Распределение среднеинтегральной в горизонтальных сечениях концентраций кислорода (а), монооксида углерода (б) и оксидов азота (в) по высоте топочной камеры h. Уголь: 1 – артемовский; 2 – эльгинский; 3 – липовецкий

ВЫВОДЫ

1. Использование математической модели исследования топочных процессов позволило провести качественную и количественную оценку теплофизических параметров сжигания артемовского, липовецкого и эльгинского углей в котельном агрегате паропроизводительностью 220 т/ч с удовлетворительным соответствием результатов численного моделирования по температуре данным поверочного теплового расчета.

2. При организации сжигания рассматриваемых в исследовании непроектных углей средний температурный уровень в топочном объеме возрастает на 50–60°С, о чем свидетельствует незначительное повышение температуры на выходе из топочной камеры. В целом, использование замещающих углей не повлияет на надежность работы котельного агрегата, за исключением температуры продуктов сгорания на выходе из топки при сжигании эльгинского угля, которая превышает температуру начала шлакования и деформации золы и может привести к налипанию размягченных частиц золы на поверхности пароперегревателя.

3. Имеющиеся недостатки в компоновке горелочных устройств приводят к “прилипанию” горелочных струй к экранам фронтовой и тыльной стен, а также к формированию высокотемпературных локальных зон в этих областях. Вследствие этого при сжигании артемовского и липовецкого углей эти экранные поверхности будут в большей степени подвержены абразивному и эрозионному износу, а при сжигании эльгинского угля – шлакованию, что может привести к уменьшению нагрузки котельного агрегата и снижению надежности работы пароперегревателя.

4. Использование замещающих углей, имеющих более высокую теплоту сгорания по сравнению с артемовским углем, позволит уменьшить нагрузку на системы золоудаления, снизить объемы золоотвалов и выбросы твердых частиц. Согласно результатам численного исследования, наиболее перспективным для сжигания является уголь Липовецкого месторождения.

5. Для улучшения экологических характеристик котла в соответствии с современными требованиями понадобится проработка различных вариантов снижения выбросов вредных веществ, образующихся в процессе сжигания, например применение ступенчатого сжигания.