Совершенствование моделирования теплообмена в пылеугольных топочных камерах с твердым шлакоудалением

Чернецкий, Михаил Юрьевич

Совершенствование моделирования теплообмена в пылеугольных топочных камерах с твердым шлакоудалением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Чернецкий, Михаил Юрьевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Совершенствование моделирования теплообмена в пылеугольных топочных камерах с твердым шлакоудалением»

Автореферат диссертации на тему "Совершенствование моделирования теплообмена в пылеугольных топочных камерах с твердым шлакоудалением"

005015353

Чернецкий Михаил Юрьевич

Совершенствование моделирования теплообмена в пылеугольных топочных камерах с твердым шлакоудалением

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 [ЛР 2012

Новосибирск - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте теплофизики им. С.С.Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Дектерев Александр Анатольевич

Официальные оппоненты:

Саломатов Владимир Васильевич, д.т.н., профессор, Институт теплофизики им. С.С.Кутателадзе СО РАН

Григорьев Константин Анатольевич, д.т.н., доцент, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Защита состоится 14 марта 2012 г. в 9:30 часов на заседании диссертационного совета Д 003.053.01 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Институте теплофизики СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теплофизики СО РАН.

Автореферат разослан 13 февраля 2012 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета д.ф.-м.н.

Кузнецов Владимир Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ № 1234-р от 28.08.2003 г., твердое органическое топливо будет являться основным источником для производства энергии (на крупных энергоблоках) на длительную перспективу, поэтому проблема повышения эффективности его использования и экономного расходования является актуальной. Рост угольной энергетики будет покрываться в основном за счет ввода энергоблоков с традиционным факельным сжиганием угля.

Негативное отношение, препятствующее более широкому использованию ряда углей в энергетике, связано с интенсивным шлакованием и загрязнением поверхностей нагрева котлов. Проведение опытных сжиганий не может выявить в полной мере существующие зависимости процесса шлакования от качества топлива и физико-химических закономерностей процессов горения пылеугольных частиц. Вследствие этого, большую роль в разработке и совершенствовании технологий сжигания в пылеугольных котлах отводится численному моделированию.

Математическое моделирование топочных устройств является на сегодняшний день одним из важнейших способов получения наиболее представительной информации об аэродинамике, локальном и суммарном теплообмене. Несмотря на большие успехи в численном моделировании, не существует универсальных моделей, позволяющих корректно описать процессы в топочных камерах, сжигающих уголь. Это связано с большим разнообразием марок угля, схем подготовки и сжигания топлива. Поэтому остается актуальным совершенствование математических моделей, которые позволят более точно описать теплообмен в топочной камере.

Целью работы является развитие математических моделей процессов горения пылеугольного топлива и шлакования поверхностей нагрева. Повышение достоверности расчета теплообмена в топочных камерах с твердым шлакоудалением.

Основные задачи исследования:

1. Анализ математических моделей горения угольной частицы, обоснование и выбор модели для пылеугольного сжигания.

2. Усовершенствование математической модели горения угольных частиц на базе имеющихся эмпирических зависимостей для отечественных углей.

3. Анализ существующих экспериментальных данных и математических моделей формирования шлаковых отложений в топочных камерах с твердым шлакоудалением, разработка математической модели шлакования.

4. Реализация математических моделей процессов горения угольной частицы и шлакования поверхностей нагрева топочных камер.

Усовершенствование специализированного программного комплекса «51§шаР1аше» для расчета процессов в топках.

5. Проведение тестирования программного комплекса «81||таР1ате» по имеющимся экспериментальным данным для пылеугольного сжигания.

6. Проведение вычислительного эксперимента для тангенциальной топочной камеры с твердым шлакоудалением. Оценка влияния неравномерности распределения минеральной части по фракциям золовых частиц на теплообмен в топочной камере.

Научная новизна:

1. Усовершенствована математическая модель горения одиночной угольной частицы. В модель горения коксового остатка введен эмпирический коэффициент, обобщающий суммарное влияние изменений, происходящих в структуре частицы при ее горении, как в диффузионном, так и кинетическом режиме. В модели теплообмена, между горящими угольными частицами и газом, использован эффективный коэффициент конвективного теплообмена. Данные изменения в модели позволили достоверно описать горение пылеугольного факела в диапазоне параметров, характерных для топочных камер с твердым шлакоудалением.

2. Впервые, с использованием температуры шлакования и учетом неравномерности распределения минерального состава по фракциям летучей золы, разработана математическая модель закрепления частиц золы при шлаковании поверхностей нагрева топочной камеры. Модель позволяет проводить численные исследования шлакования для углей как с кислым, так и основным составом минеральной части.

3. Выполнена модернизация программного комплекса «SigmaFlame», связанная с процессами горения угольной частицы и шлакования поверхностей нагрева топочной камеры.

4. Впервые проведено исследование шлакования поверхностей нагрева при сжигании углей с основным составом золы и выполнен расчет теплообмена с учетом локального характера загрязнения топочных поверхностей нагрева в топочной камере котла П-67.

5. Показано существенное влияние неравномерности распределения минеральной части по фракциям золы на процессы шлакования и теплообмена в топочной камере котла П-67.

Практическая значимость работы. Разработанная методика численного моделирования пространственных двухфазных турбулентных реагирующих течений при сжигании твердого топлива может быть использована для исследования влияния режимных и конструктивных параметров топочной камеры, организации подачи топлива и окислителя на процессы воспламенения, горения угля и шлакования поверхностей нагрева.

Математическая модель и усовершенствованный на базе данной модели программный комплекс «81§шаР1аше» (свидетельство о гос. регистрации №

2010617699) позволяет предсказать формирование шлаковых отложений, температуры на выходе из топочной камеры в зависимости от режимных и конструктивных параметров, минерального состава фракций летучей золы и состава рабочей массы топлива.

Разработанный комплекс программ используется в исследовательской деятельности ряда научных организаций (ВТИ, СибЭНТЦ, УралВТИ, ООО «ТОРИНС») и для подготовки специалистов в учебном процессе на кафедрах Теплофизики ИИФиРЭ СФУ (г. Красноярск) и Тепловые электрические станции УралЭНИН УрФУ (г. Екатеринбург).

Автор защищает:

1. Математическую модель горения одиночной угольной частицы, модель шлакования и развитую на их основе комплексную математическую модель для горения, теплообмена и шлакообразования в пылеугольных топках с твердым шлакоудалением.

2. Результаты тестирования усовершенствованного программного комплекса «81$*таР1ате» на экспериментальных данных сжигания пылеугольного топлива.

3. Результаты численного исследования влияния неравномерного распределения минеральной части по фракциям золы на формирование шлаковых отложений в топочной камере котла П-67.

4. Метод расчета локального коэффициента теплопередачи в топочной камере с использованием программного комплекса «5И§таР1ате».

5. Результаты численного исследования шлакования поверхностей нагрева при сжигании углей с основным составом золы в топочной камере котла П-67.

6. Результаты расчета теплообмена с учетом локального характера загрязнений поверхности нагрева топочной камеры котла П-67.

Достоверность результатов работы основывается на достоверных экспериментальных данных по горению и теплообмену угольных частиц, использованию апробированных математических моделей и надежных методов вычисления, подтверждается хорошей сходимостью результатов вычислений с экспериментальными и вычислительными данными других авторов.

Личный вклад автора заключается в постановке задачи исследования, анализе существующих теоретических и экспериментальных работ по теме диссертации, совершенствовании и разработке математических моделей горения одиночной угольной частицы и шлакования, усовершенствовании программного комплекса «81§таР1ате», проведении численного моделирования пылеугольного горения и шлакования топки котла, анализе полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 1-ой научно-практической конференции «Угольная теплоэнергетика: Проблемы реабилитации и развития» (Алушта Украина, 2004 г.); VIII, IX, X, XI Всероссийских конференциях молодых ученых: «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, Россия, 2004, 2006, 2008, 2010 гг.); Международной научно-технической конференции «Достижения и перспективы развития энергетики Сибири» (Красноярск, Россия 2005 г.); 4-ой, 6-ой Научной школы-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики», (Алушта, Украина, 2006, 2008 гг.); VI, VII Всероссийской конференции «Горение твердого топлива» (Новосибирск Россия 2006, 2010 гг.); XVI, XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Россия, 2007, 2011 гг.); 4-ой, 5-ой научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (Челябинск, Россия, 2007, 2011 гг.); Всероссийской школе-семинаре молодых ученых «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии» (Новосибирск, Россия 2007 г.); IV международном симпозиуме «Advances in Computational Heat Transfer» (Marrakech, Morocco 2008 г.); VI Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, Блоруссия 2008г.); Всероссийском семинаре кафедр Вузов по теплофизике и теплоэнергетике (Россия, 2009 2011 гг.); 6-ой международной конференции «International Conference on Computational Heat and Mass Transfer» (Guangzhou, China, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Технологии эффективного и экологически чистого использования угля» (Москва, Россия, 2009г.); Международной конференции «Conference Thermal and Environmental Issues in Energy Systems» (Sorrento, Italy, 2010); XIV-ой международной конференции «The International Heat Transfer Conference» (Washington, USA, 2010); Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, Россия, 2010 г.); XXIX Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, Россия, 2010 г); 7th International Symposium on Coal Combustion (Harbin, China, 2011 г.).

По результатам работы опубликовано 30 печатных работ, из них 5 в журналах в перечне ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации 161 страниц, включая 49 рисунков. Библиография состоит из 119 наименований.

Содержание диссертации

Во—введении—обосновывается актуальность темы диссертации формулируются цели, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе дается описание современного уровня развития моделирования аэродинамики, теплообмена, горения и шлакования в

топочных камерах с твердым шлакоудалением. На основе обзора делаются выводы, что в России несмотря на большое количество работ по математическому моделированию процессов аэродинамики, тепломассообмена, движения, воспламенения и горения частиц при факельном сжигании пылеугольного топлива в топках паровых котлов с твердым шлакудалением, практически отсутствуют работы, посвященные комплексным моделям с учетом образования шлака. За рубежом разработка концепции математического моделирования шлакования началась примерно 20 лет назад и достаточно успешно интегрируется в пакеты прикладных программ вычислительной гидродинамики.

Существенная часть обзора посвящена подходам формирования золовых частиц, процессу их осаждения и закрепления на поверхности. Отмечается, что для применения существующих моделей формирования золовых частиц, разработанных за рубежом, необходимы дополнительные экспериментальные исследования по минеральной части отечественных углей. На основе обзора делаются выводы, что подавляющее количество моделей закрепления частиц на основе расчета вязкости золы, разработано для углей с золой кислого состава, и не применимы для золы с основным составом. При этом отмечается, что в отечественной литературе имеются необходимые экспериментальные данные, которые могут позволить разработать модель закрепления для золы с основным составом.

Отдельное внимание в обзоре уделено модели горения угольной частицы как одной из важных составляющих процесса теплообмена и шлакования. Рассмотрены математические модели горения угольных частиц, входящие в состав комплексных моделей, которые применяются для расчетов топок. Делаются выводы о том, что для правильного описания наиболее длительной фазы горения - горение коксового остатка, важную роль играет "настройка" модели с помощью эмпирических коэффициентов. Из отечественных работ, в наиболее полной мере это отраженно в работах Бабия В.И.. В моделях, разработанных за рубежом, различие в процессе горения разных видов углей также отражается эмпирическими коэффициентами. Использование таких моделей требует проведения дополнительных экспериментальных исследований и верификационных расчетов. В конце обзора делаются выводы, что существующие экспериментальные данные по отечественным углям дают возможность создать комплексную модель для расчета топочной камеры с учетом образования шлаковых отложений.

Вторая глава содержит описание математической модели топочного процесса. В качестве математической модели для описания течения в топочной камере была принята модель неизотермического несжимаемого многокомпонентного газа. В рассматриваемой задаче течение газа считается установившимся, поэтому все уравнения записываются в стационарной постановке. Модель основана на решении системы осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса и включает в себя уравнение неразрывности:

= (1) уравнение баланса количества движения:

V(pvv) = -Vp + V(T,7+4) + 5AK (2)

Здесь Sp m, Spy - скорость изменения массы и импульса за счет межфазного взаимодействия, Ту", Ту - тензор вязких и Рейнольдсовых напряжений.

Для замыкания системы уравнений при турбулентном режиме течения использовалась к-е модель турбулентности в модификации Chen Y.S., 1987 г.

V(pv-k) = V

су,

+ Р — ре

V(pv-e) = V {цл-Щ-Чє

) _ іщ

є є2 Р1

+ Cl-P-C2p— + C}—~ к к рк

Р = г,

дх.

. Н=С„р—,

(3)

(4)

(5)

где к- турбулентная кинетическая энергия, £- скорость диссипации.

Для определения пульсационных характеристик течения вблизи стенок был использован метод пристеночных функций.

Уравнение переноса концентрации (массовой доли) і-го компонента:

+ S,+SpJ

(6)

здесь £) - коэффициент молекулярной диффузии, Бс - турбулентное число Шмидта, 5,-, Бр і — источниковые члены за счет гомогенного и гетерогенного реагирования.

Уравнение переноса энергии:

(X + ^yVT Pr<

+ Sch+SR+Sph,

(7)

Sch, Sph SR - источниковые члены за счет гомогенного, гетерогенного реагирования, за счет теплообмена излучением.

Решение уравнения переноса лучистой энергии базируется на PI аппроксимации метода сферических гармоник (R. Siegel, 1992 г.). Коэффициенты поглощения газа вычисляются по модели суммы серых газов.

(ag +ocs)Er =V

_V£

3(ag+as+tfs) r

+ a0(aX+asTs4)

(8)

где а^ аг - коэффициенты поглощения газа, частиц и коэффициент рассеивания частиц, £ — коэффициент анизотропии рассеяния.

Расчет горения летучих компонент топлива основан на использовании глобальных необратимых реакций между горючим и окислителем. Скорость горения і-реагента, в том числе и летучих, определяется с учетом реакционной способности и концентрации горючего и окислителя, а также скорости турбулентного перемешивания топлива и окислителя. Данная модель является комбинацией кинетической модели горения газовых компонент с моделью «обрыва вихря» (МаддиэБеп, В.Р, 1981 г.).

кш

= А-Тре а

¡=ик

рє

г, 4

Я - тт(Лш, ЯЕви ))

(9)

(10) (П)

X/ - молярная концентрация (моль/моль), / - массовая концентрация (кг/кг), Иг - количество реагентов, 7?, Якш, Яевц - скорость реагирования (моль/с*м3).

Моделирование движения частиц проводится в рамках лагранжева подхода. Учет турбулентности потока на движение частицы производится введением случайных флуктуаций скорости газа в уравнение движения частиц.

сШР 1 - » -

- - = — ІМр-ие) + 8 (12)

Л ¡.р

Гр=-

24 рРсіІ СвКгР 18 /лР

ир, иР - скорость газа и частицы (м/с), т> - время релаксации частицы, и -пульсационная составляющая м/с, £ - случайное число с Гауссовым распределением.

Процесс горения угольной частицы представляется в виде следующих последовательных этапов: испарение остаточной влаги из топлива, выход и горение летучих компонент и горение коксового остатка.

Испарение остаточной влаги из топлива рассчитывается из разнице концентрации водяного пара на поверхности частицы и в объеме

С,- - молярный поток пара (моль/м2с), кс - коэффициент массообмена (м/с), С,5 - концентрация пара на поверхности частицы (моль/м3), -

концентрация пара в объеме (моль/м3).

Для расчета выхода летучих из угольной частицы выбрана одностадийная, однокомпонентная модель.

дК

= {ут -Ув)ав.л., где а™ =\!а + 1/а (14)

Й ^ ' 1' л.диф. 1 ылжин.

= СОГШ_ _ -£в.л/дг

"■лдиф. ,2 , "л.кмн

Ув - количество вышедших летучих (кг/кг); V - количество летучих в исходной угольной частице (кг/кг); авл, - скорость выхода летучих (1/с); ал,диф. ~ скорость выхода в диффузионном режиме (1/с); ал кип -скорость выхода в кинетическом режиме (1/с); Кел - предэкспоненциальный множитель (1/с); Евл — энергия активации (Дж/моль).

При горении коксового остатка в модели принимается, что изменяется диаметр частицы, а плотность остается постоянной. В модели пренебрегается внутрипористым реагированием. Это допущение основано на работах Оренбаха М.С., 1969 где показано, что для бурых углей при температурах выше 600°С реагирование происходит на поверхности. Для описания горения коксового остатка используется кинетически-диффузионная модель. Изменение диаметра частицы за счет горения описывается уравнением:

^ = -Кс3, Кс3 = кгк&0к (15)

(й рК

*'= (16), р = к = Кке-Е«1КТ, ЫиД=2+022Ре™6

1 + 1 * к р

рк - плотность коксового остатка, (кг/м3); К2С - скорость горения углерода, (кг/(м2*с)); кгк. - эмпирический коэффициент (Бабий В.И., 1986); Шд -диффузионное число Нуссельта; Б - коэффициент диффузии в газе, (м2/с); к - константа скорости реакции, (м/с); к - коэффициент реакционного газообмена, (м/с); р - коэффициент массообмена между частицей и газом, (м/с); КК - предэкспоненциальный множитель, (1/с); Ек - энергия активации, (Дж/моль); £ - стехиометрический коэффициент, показывающий отношение веса прореагировавшего углерода к весу израсходованного кислорода.

Коэффициент £, зависит от соотношения образующихся окислов СО и С02, от наличия вторичных реакций (догорания СО в объеме и восстановления СО2 на поверхности). В данной модели принимается

допущение, что единственным продуктом реакции является С02 и принимается равным 0.375.

При быстром нагреве угольной частицы и выходе летучих происходит изменение в структуре коксового остатка, в том числе вспучивание частицы. На основе экспериментальных исследований, выполненных В.И. Бабием, был предложен эмпирический коэффициент - кгк, обобщающий суммарное влияние изменений, происходящих в структуре частицы при ее нагреве и горении. Для антрацита значение данного коэффициента принимается равным единице. Значение коэффициента кг к для углей различных марок изменяется в пределах от 0.6 до 2. Использование при расчетах модели горения коксового остатка для отечественных углей с использованием коэффициента кгк ограничивалось диффузионной областью горения. Учитывая допущение о реагировании только на поверхности угольной частицы, данный коэффициент будем использовать и в кинетической области горения.

Температура угольной частицы определяется из уравнения сохранения энергии для частицы:

йТ 4

тС—~ = £„А Е -оТ* +а А Т-Т +0 Н +^рАтН(П)

Р р ¿1 р р г р коне р -"> 1 ^кокс КОКС ' ] ] У1 ''

]=1

Ср - теплоемкость материала частицы, (Дж/(кг*К); ер - степень черноты материала частицы; акопв - коэффициент конвективной теплоотдачи, (Вт/(м2*К)); ()кокс - удельный тепловой эффект реакции окисления коксового остатка, (Дж/кг); Нкокс - скорость окисления коксового остатка, (кг/с); Лт] -изменение массы .¡-ой летучей компоненты, (кг/с); - энтальпия .¡-ой летучей компоненты, (Дж/кг).

Как показывают расчеты, при допущении горения углерода до С02, что подразумевает догорание летучих вблизи частицы, расчетная температура частицы на основе выражения для коэффициента теплообмена аконв=Ыи*Ш, (где Ыи=2+аЯетРг") значительно превышает экспериментально наблюдаемую.

Для правильного расчета температуры угольной частицы В.И. Бабий (1986) предложил подход, основанный на корректировки коэффициента теплообмена:

агор = а К

кот кот гор ^^^

агор

где кот _ эффективный коэффициент конвективного теплообмена между горящими угольными частицами и газом, (Вт/м2К); аконв - коэффициент конвективной теплоотдачи с поверхности частицы при отсутствии горения, (Вт/м2К), Кгор - эмпирический коэффициент.

Эксперименты, проведенные В. И. Бабием показали, что коэффициент , мало зависит от размера частицы и концентрации кислорода в газовой среде в рассматриваемых пределах и в интервале температур 1200-1600К коэффициент Кгор может быть записан в следующем виде:

5000

К= \45е т

р (19)

Данные эксперименты проводились для частиц размером 150-900 мкм в интервале температур 1200-1600К, 02=21-5%, С02=0-16%.

В модели учитывается изменение коэффициента конвективной теплоотдачи при выходе летучих на основе следующего выражения:

ЛГ Ре Nu =

Pe/NUq (20)

Ре-wd.plа _ критерия Пекле газовыделения, Ми0 =2 + ЬКет Рг", ц, _ скорость выхода продуктов реакции и летучих, (м/с); а -температуропроводность, (м2/с).

В рамках комплексной модели процессов в топочной камере реализованы две модели закрепления золовых частиц. Первая - на основе выражения для обобщающей вязкости (Алехнович А.Н., 2008):

1п(^) =-1-= 21п(^)1пЮ

1/1п(^и) + 1/1п(7п) 1п(/7_) + 1п(7„)' (21)

Лчаст, ПП ~ вязкость частицы и поверхности (Па-с).

В данной модели принимается, что частица при касании стенки прилипает, если г]кр. В моделях шлакования значение т]кр чаще всего принимается равным 105 Па-с. Расчет вязкости частицы производится с использованием эмпирической базы данных УралВТИ - «У1$а2004», обобщающей экспериментальные данные по вязкости золы разных углей.

Во второй модели закрепление золовых частиц рассчитывается исходя из параметра температуры начала шлакования, условие закрепления следующее:

0,5-(Э+О> С, (22)

где Э- температур газа, 4 - температура поверхности, V," = ^ -55.

Температура начала шлакования достаточно точно оценивается по эмпирическим выражениям в зависимости от химического состава золы (Алехнович А.Н., 2006):

^=945+7,77-к0 при к0>2,25 и (23)

(ш=940+52,23/к0 при к0<2,25 (24)

к0=($Ю2+А1203+ТЮ2)/(СаО+М§0+К20+Ма20)

Для определения минерального состава частиц и учета неравномерности распределения по размерным фракциям в модели используются имеющиеся экспериментальные данные по летучей золе. В работе принималось допущение, что одна золовая частица образуется из одной угольной частицы.

Изменение теплового потока в результате образования шлаковых отложений рассчитывалось с учетом толщины образованных отложений и коэффициента теплопроводности шлака. Исходя из общей массы золовых частиц, осевших на грань расчетной ячейки, соответствующей стенке на поверхности, толщина осаждения на данной грани равна:

£ _ шлак , _

д~--(м), (25)

' шлак

Ршлак - плотность осажденного материала, (кг/м3); - масса

осажденного материала, (кг/м2с).

В отечественной литературе приводится ряд выражений для определения коэффициента теплопроводности. В данной работе использовались следующие зависимости (Белов С.Ю, 1993, Задворный А Г 1994):

Я, =0.58(1 + 0.0007(J ПрИ (сл<1000 Г Л, =0.99(1+0.001(^-1000)) при t^lOOO °С, tcu средняя температура слоя загрязнения, °С

Сопротивление золового слоя будет равно ZSt/kü. Суммирование производится по рассматриваемым временным промежуткам.

Для решения уравнений сохранения для газовой фазы используется широко известный метод контрольного объема, суть которого заключается в разбиении расчетной области на контрольные объемы и интегрировании исходных уравнений сохранения по каждому контрольному объему для получения конечно-разностных соотношений. Для вычисления диффузионных потоков на гранях контрольного объема используется центрально-разностная схема, имеющая второй порядок точности. При аппроксимации конвективных членов использовалась схема второго порядка точности. Для решения полученной системы уравнений используется метод неполной факторизации D-ILU (Barrett R., 1994), в котором факторизованы только диагональные члены.

Для связи поля давления и скорости в настоящей работе использовалась SIMPLE-подобная процедура на совмещенных сетках (Патанкар С., 1984, Быстров Ю.А. и др.,2005). Для устранения осцилляций поля давления, возникающих при использовании совмещенных переменных, используется подход Рхи-Чоу, при котором в уравнение для поправки давления в правую часть вводится монотонизатор (Быстров Ю.А. и др.,2005). При движении частиц через контрольный объем формируется источниковый член, через который учитывается обмен импульсом и энергией между газом и дисперсной фазой (Particle-Source-In-Cell метод, Кроу и др., 1977).

Третья глава содержит результаты тестирования горения отдельных угольных частиц и пылеугольного факела на стендовой установке. Для тестирования модели горения угольных частиц были проведены расчеты по выгоранию одиночных частиц антрацита и назаровского угля. Результаты расчетов сравнивались с экспериментальными данными (Бабий В.И., 1986). По результатам расчетов получено хорошее согласование с экспериментом.

Для обоснования введения в модель коэффициента Кгор, корректирующего теплообмен частицы, выполнены расчеты по изменению температуры частицы антрацита диаметром 545 мкм и назаровского угля диаметром 500 мкм. Как можно видеть (рисунок 1), использование в модели числа Нуссельта на основе выражений (18) и (20) при выходе летучих и горении коксового остатка позволило хорошо согласовать расчет с опытом.

2400

2200

2000

1800

Ь£

1600

а 1400

Ї 1200

1000

800

600

400

О Эксперимент а коне-МиисІ " (Ыи=2+аНетРе)

2400 -2200 -20001800

ьс

» 1600 &

2. 1400

I 1200 >-

1000 800 600 400

ООО Эксперимент

Время,сек

1.6 2 Время, сек

Рисунок 1. а) изменение температуры частицы антрацита диаметром 545 мкм в процессе выгорания при концентрации 02=21% и Т=1600 К; б) изменение температуры частицы назаровского угля диаметром 500 мкм в процессе выгорания при концентрации 02=21% и Т=1400 К

Для частицы назаровского угля, резкий скачок температуры на экспериментальной кривой

соответствует горению летучих в газовой среде. После выгорания летучих пирометр показывал температуру коксового остатка.

Комплексная математическая модель была использована для описания процессов аэродинамики, теплообмена и химического реагирования в топочной камере при сжигании ирша-бородинского угля на огневом стенде СибВТИ

Рисунок 2. Геометрия камеры сгорания и прямоточной горелки

(1996). Топка огневого стенда имеет высоту 6 м, внутренний диаметр 0.4 м, и выложена из шамотного кирпича с внешнем контуром охлаждения. Первичный и вторичный воздух подается через прямоточную горелку с предварительным перемешиванием топлива и воздуха (рисунок 2). Дымовые газы анализировались аппаратами ГХП-100. Температура газа определялась жезловой термопарой ХА с открытым спаем. Рассматривались варианты, имитирующие воздушную сушку топлива и отличающиеся друг от друга коэффициентом избытка воздуха, фракционным составом и расходом топлива (таблица 1).

Таблица 1. Варианты сжигания ирша-бородинского угля на огневом стенде

да

72.2 72.5 72.2

¿иг

4.8 4.7 4.4

№ 1

2 3

У/г

13.5

23.6 16.8

7.8 10.3 11.2

47 44 47

0.43 0.35 0.26

N 0.9 0.9 1.1

С>г,МДж/кг 21.19 17.84 19.6

От_

1.14 1.72 1.19

В,кг/с 0.019 0.015 0,0167

58.7 58.3 32.3

На рисунке 3 представлены результаты расчетов для опыта №1. Использование оригинальной модели Бабия В.И. приводит к более раннему воспламенению угольной пыли, что объясняется не учетом кинетического сопротивления при горении коксового остатка. Модель с учетом данного сопротивления, но без введения коэффициента кгк (принимаемого равным единице), который учитывает особенность горения коксового остатка разных углей (так для ирша-бородинского угля кгк=\2), также приводит к более раннему воспламенению. В опытах при различном коэффициенте избытка воздуха (опыты № 1 и №2) можно отметить, что увеличение избытка воздуха способствует снижению температурного уровня в топочной камере и приводит к уменьшению темпа роста температур по длине факела (рис.4)

# # # эксперимент 02, % © © # эксперимент С02, %

а) б)

Рисунок 3. а) распределение температуры по длине топочной камеры, °С; б) концентрации газов 02 и С02по длине топочной камеры, % (объемн.) при а=1.14

Длина, м

Рисунок 4. Распределение температура вдоль камеры при различном коэффициенте избытка воздуха

несмотря на более тонкий помол. На рис. 6 представлены результаты эксперимента и расчета при разном помоле топлива (опыты №1 и №3). Можно видеть, что при меньшем помоле топлива происходит более быстрое воспламенение угля. Максимальные температуры в топочной камере имеют примерно равные значения 1300°С и 1275°С.

Полученные результаты

позволяют говорить о том, что представленная математическая модель позволяет достаточно точно описать процессы, происходящие при сжигании углей при условиях, характерных для топочных камер с твердым шлакоудалением.

длина,м г. -

Рисунок 5. Распределение температур Рисунок 6. Температура вдоль камеры в горизонтальных сечениях топочной сгорания при различном помоле угля камеры, °С при а=1.14. • - 0.3 м., ▲ -0.8 м., А - 1.55 м.,о- 3.5 м., х-5.7 м. Линия - расчет, точки - эксперимент

Четвертая глава содержит результаты расчета процессов горения и теплообмена в пылеугольной топочной камере котла П-67 и расчетное исследование влияния минеральной части летучей золы, параметров угольной пыли и режимных факторов на формирование шлаковых отложений в топочной камере котла П-67.

В таблице 2 дан технический и элементный состав березовского угля. Расход топлива - 134 кг/с, коэффициент избытка воздуха на выходе из топки - 1.25, расход аэросмеси - 325 нм3/с при Т = 139°С Распределение топлива по ярусам: 1 ярус - 30%, 2 ярус - 30%, 3 ярус - 25%, 4 ярус - 15%. Расход воздуха: в горелки - 442 нм3/с (Т = 304 °С), на нижнее дутье - 68,5 нм3/с, присосы в топку - 13,5 нм3/с. Расход газов рециркуляции - 218 нм3/с при Т = 348 °С (доля воздуха36,45 нм3/с). Рассматривался вариант с закрытыми верхними каналами аэросмеси горелок 4-го яруса. В работе все 8 пылесистем. Остаток на сите угольной пыли - R90=57%. Общий размер расчетной сетки составляет 800 тыс. ячеек. В качестве исходного варианта был взят средний по всей топочной камере коэффициент теплопередачи равный 234 Вт/м К. Данное значение коэффициента теплопередачи соответствует среднему эксплуатационному уровню загрязнений для данной топочной камеры и близко к нормативному. Излучательная способность экранов принималась равной 0.8. Температура среды в экранах 410°С. (Журавлев, 1983). В качестве модели закрепления была выбрана модель на основе температуры шлакования. Для расчета температуры шлакования использовались экспериментальные данные по распределению минеральной части золы по фракциям (рисунок 7).

Рисунок 7. Химический состав фракций уноса для березовского угля, отобранных на котлах П-59, по данным УралВТИ

Таблица 2. Технический и элементный состав березовского угля, %

W' А сг Нг Sr

34.7 6.9 44.0 2.98 0.24

Nr Ог ydat QrH, МДж/кг

0.52 13.0 46.9 15.7

Аэродинамика и теплообмен в данной топочной камере изучен достаточно подробно как на основе гидродинамических лабораторных стендов (Алексеенко C.B. и др., 1991), так и с использованием численного моделирования (Тэпфер Е.С., 2010). Аэродинамическая структура газовых потоков в топочной камере обладает высокой неравномерностью. Крупномасштабный центральный вихрь инициирует вторичные вихри в углах топочной камеры, которые приводят к набросу потока на стенку топки, где наблюдается повышение температуры поверхности (рисунок 8а - г.) В топке котла П-67 такой эффект наброса факела ведет к шлакованию

поверхностей нагрева. По результатам расчета и натурных наблюдений, скаты холодной воронки и область выше зоны активного горения на фронтовом и заднем экране также являются местами наиболее вероятного шлакования.

Несмотря на большое количество работ, посвященных моделированию котла П-67, не было выполнено анализа влияния неравномерности распределения минеральных компонент в золе на образование отложений. В данной работе на основе предложенной комплексной модели было выполнено данное исследование.

Образование шлаковых отложений при учете среднего состава золы представлено на рисунке 9 а,б. Образование шлаковых отложений при учете неравномерности распределения минерального состава по фракциям золовых частиц на рисунке 9 в,г. Результаты расчетов показывают, что основные места шлакования являются следствием наброса частиц на экраны и высокими температурами в данной области. Наиболее крупные фракции угольной пыли (более 300-400 мкм) под действием силы тяжести и в результате наклона горелок вниз на 10° начинают выпадать вниз, имея при этом тангенциальную составляющую скорости. С учетом большого времени выгорания крупных частиц, они достигают скатов холодной воронки, продолжая гореть. В результате, в области экранов холодной воронки наблюдаются высокие температуры.

- 75

- 70 65

б.) В.)

Рисунок 8. а) поле температуры в центральном сечении между левой и правой стеной, °С; б) поле температуры в центральном сечении между фронтальной и задней стеной, °С; в) поле температур на левой стене, °С; г) поле температур на фронтальной стене, °С

Поток с горящими частицами движется по касательной вдоль середины левой и правой стены холодной воронки, постепенно поднимаясь к углам топочной камеры. Догорая, частицы, имея достаточно высокую температуру, формируют шлаковые отложения в форме дуги, тянущейся до верхней части

угла холодной воронки. В дальнейшем по углам топочной камеры имеется только подъемное движение газов, тангенциальная составляющая отсутствует, что приводит к отсутствию интенсивного шлакования по углам топочной камеры, несмотря на значительное присутствие летучей золы.

Также наблюдается интенсивное шлакование в области около горелок, особенно по нечетным вертикальным рядам. Основной причиной является осаждение мелкой фракции золы. Данные частицы вовлекаются в движение вторичных вихрей в углах топочной камеры. Обладая достаточно высокой температурой, частицы золы достигают экрана и образуют шлаковые отложения.

Еще одно место интенсивного шлакования находится выше зоны активного горения на уровне 45-65 м на фронтальной и задней стене. После четвертого яруса горелок центральный вихрь, раскручиваясь, быстро теряет осевую симметрию. Вихрь приобретает овальную форму, вытянутую к фронтальной и задней стене. Около стен образуются области с высокой температурой, частицы под действием сил инерции «набрасываются» газовым потоком на экран.

Результаты расчетов показывают, что учет зависимости состава золовой частицы от размера приводит к отличиям в результатах. На рис. 9 в,г отмечается меньшей темп роста шлаковых отложений.

ШВВЁ-ОЗ І9.167Е-04 Э.ЗЗЗЕ-04 500Е-04 Є.ЄЄ7Е-04 5.833Е-04

4.157Е-04

а") б.) В.) "г.) д.)

Рисунок 9. а) интенсивность шлакования на фронтальной стене кг/м2с (при среднем минеральной составе золовых частиц); б) интенсивность шлакования на левой стене, кг/м с; в) интенсивность шлакования на фронтальной стене кг/м2с (с учетом неравномерного распределения минерального состава золовой частицы); г) интенсивность шлакования на левой стене, кг/м2с. д.)шкала интенсивности шлакования, кг/м2с

На рисунке 10а представлено распределение средней по сечению скорости шлакования по высоте топочной камеры для варианта со средним минеральным составом и с учетом распределения минералов по фракциям

(рис. 7). Зависимость температуры шлакования от размера золовой частицы показана на рисунке 106.

О 30 60 90 120 150 180 210

~ ..со 0 100 200

Скорость шлакования кг/м^с Диаметр, мкм

а.) б.)

Рисунок 10. а) распределение скорости шлакования по высоте топочной камеры (—

- - неравномерное распределение минеральный состава по фракциям золы,--

средний минеральный состав фракций золы; б) температура начала шлакования для березовского угля

1100

Зависимость температуры шлакования от состава золы объясняет наблюдаемые различия на рисунке 10а. Видно, что там, где шлакование определяется крупными золовыми частицами (скаты холодной воронки), учет зависимости Тшл от минерального состава по размерам дает больший темп шлакования по сравнению со средним составом золы. Это объясняется более низкими реальными температурами шлакования для больших частиц. В области наибольшего влияния мелкой фракции золы на процесс шлакования (на уровне горелок) количество образовавшихся отложений ниже, что объясняется высокой температурой плавления данной фракции. Инерционный вынос летучей золы достаточно крупных фракций (исходные размеры угольных частиц 200-400 мкм) выше зоны активного горения определяет шлакование в данной области. Учитывая, что состав данных золовых частиц, близок к среднему, в данной области наблюдается одинаковая скорость образования отложений для двух рассмотренных вариантов. В районе пережима и выше наблюдается высокий темп шлакования, обусловленный геометрией топочной камеры.

С течением времени на поверхности экранов образуются шлаковые отложения и происходит уменьшение коэффициента теплопередачи. С учетом образовавшегося слоя отложения было рассчитано изменение локального коэффициента теплопередачи на экранах топочной камеры через определенный промежуток времени. Толщина осаждения составила от 0 до 20 мм. Средний коэффициент теплопередачи по топочной камере (до отметки по высоте 73 м.) снизился и составил 207 Вт/м2К.

Температура на выходе из топочной камеры выросла на 20°С по сравнению с исходным рассматриваемым вариантом и составила 1060°С (таблица 3). Происходит увеличение темпа роста и площади шлаковых отложений. На рисунке 11 показана интенсивность шлакования по высоте топочной камеры. За счет образовавшихся отложений, скорость шлакования увеличивается вследствие повышения температуры поверхности.

Задание локального коэффициента теплопередачи с использованием получаемых в результате расчета последовательных локальных распределений шлаковых отложений, дает возможность более точно описать теплообмен в топочной камере. Так, задание локального коэффициента теплопередачи алок по полученным в результате расчетов данных (при среднем коэффициенте теплопередачи по поверхности экрана топочной камеры аср. = 207 Вт/м2К) и задание среднего коэффициента теплопередачи по всей поверхности топочной камеры равным аср. = 207 Вт/м2К дает разный суммарный тепловой поток с экранов и соответственно температуры на выходе из топки (таблица 3).

Таблица 3. Значение температуры выходе из топочной камеры (73 м.) Начальное состояние 1041 °С

экранов (аср=237 Вт/м2К)__

После шлакования 1051 °С экранов без учета локального шлакования (аср=207 Вт/м2К).

После шлакования 1060 °С экранов с учетом локального шлакования

(ас„=207 Вт/м2К).__

По экспериментальным 1068 °С данным._

По показаниям тепловых вставок, установленных на фронтальной стене в областях наибольшего шлакования: около горелок нечетного ряда на уровне 3 яруса, и выше зоны активного горения на уровне 60 м. тепловые потоки при работающих системах очистки, имели значения 60 кВт/м2 и 80 кВт/м . Значения тепловых потоков в тех же местах, при локальном распределении коэффициента теплопередачи, по результатам расчета - 50

0 30 60 90 120 150 180 210 Скорость шлакования д*10'®, кг/м2с

Рисунок 11. Распределение скорости шлакования по высоте топочной камеры, кг/м2с (сплошная - до шлакования экранов, аср=237 Вт/м2К, пунктирная - после шлакования экранов, аср=207 Вт/м2К).

кВт/м2 и 75 кВт/м2 соответственно, в варианте с заданием среднего коэффициента теплопередачи - 100 кВт/м2. Характер отложений в топке, полученных в расчете и наблюдаемых в эксперименте, представлен на рисунке 12. Можно отметить, что структура отложений по результатам расчета и эксперимента совпадает.

В данной рассматриваемой математической модели отсутствует модель разрушения отложений, вследствие чего, рост отложений может продолжаться сколь угодно долго, что реально имеет место на рассматриваемом котле без средств очистки. Но предложенная модель дает возможность определить характерное распределение загрязнений и локальное распределение коэффициента теплопередачи. Расчёт заканчивается при достижении средневзвешенного термического сопротивления экранов, соответствующего эксплуатационному состоянию (эксплуатационной температуре на выходе из топки). Также итерации расчёта могут выполняться в интервале средневзвешенных значений термического сопротивления от состояния непосредственно после очистки поверхностей нагрева до характерного эксплуатационного состояния.

Рисунок 12. Распределение отложений на фронтовом экране котла №1 Березовской ГРЭС

В заключении представлены основные результаты работы: 1. Усовершенствована математическая модель горения одиночной угольной частицы. В модель горения коксового остатка введен эмпирический коэффициент, обобщающий суммарное влияние изменений, происходящих в структуре частицы при ее горении, как в диффузионном, так и кинетическом режиме. В модели теплообмена,

между горящими угольными частицами и газом, использован эффективный коэффициент конвективного теплообмена. Данные изменения в модели позволили достоверно описать горение пылеугольного факела в диапазоне параметров, характерных для топочных камер с твердым шлакоудалением.

3. Интеграция математических моделей горения угольной пыли и шлакования золовых частиц в специализированный программный комплекс «SigmaFlame» позволяет повысить достоверность получаемых результатов численного моделирования и расширить область применения программного комплекса «SigmaFlame» в угольной теплоэнергетике.

4. Показано существенное влияние учета неравномерности распределения минеральной части по фракциям золы на процесс шлакования в топочной камере П-67 при сжигании углей с основным составом золы.

5. Исследована зависимость основных мест шлакования экранов топки котла П-67 от совокупности аэротермохимических процессов в топочном объеме и свойств минеральной части топлива.

6. Предложен метод расчета локального коэффициента теплопередачи в топочной камере с использованием программного комплекса «SigmaFlame».

7. Программный комплекс «SigmaFlame» используется в исследовательской деятельности ряда научных организаций (ВТИ, СибЭНТЦ, УралВТИ, ООО «ТОРИНС») и для подготовки специалистов в учебном процессе на кафедрах Теплофизики ИИФиРЭ СФУ (г. Красноярск) и Тепловые электрические станции УралЭНИН УрФУ (г. Екатеринбург).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Темникова Е.Ю., Чернецкий М.Ю., Дектерев A.A., Богомолов А.Р. Исследование газодинамических структур течения в пылеуловителях с помощью комплекса «sFlow». Вестник Кузбасского государственного технического университета. №3 2010 с. 114-119. (из перечня ВАК)

2. Дектерев A.A., Гаврилов A.A., Чернецкий М.Ю., Суржикова Н.С. Математическая модель процессов аэродинамики и теплообмена в пылеугольных топочных устройствах. Тепловые процессы в технике. томЗ №3 2011 с. 140-144 (из перечня ВАК)

3. Чернецкий М.Ю., Дектерев A.A. Математическая модель процессов теплообмена и горения пылеугольного топлива при факельном сжигании. Физика горения и взрыва. № 3 2011 с. 37-46 (из перечня ВАК)

4. Майданик М.Н., Вербовецкий Э.Х., Дектерев A.A., Чернецкий М.Ю., Гаврилов A.A., Бойков Д.В., Бердин C.B. «Математическое моделирование топки и поворотного газохода котла П-50Р при совместном сжигании твердого и газообразного топлива», Теплоэнергетика № 6 2011 с. 37-42 (из перечня ВАК)

5. Чернецкий М.Ю., Дектерев A.A., Бойков Д.В. «Использование методов вычислительной гидродинамики для оптимизации процесса СНКВ в газоходе котла», Труды Академэнегро №2 2011 с. 40-53 (из перечня ВАК)

6. Чернецкий М.Ю., Гаврилов A.A., Харламов Е.Б. «Математическая модель осаждения золовых частиц в процессе горения угольной пыли в топочных камерах» // XVI Школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» 21-25 мая 2007 г., Санкт-Петербург, Сборник докладов. Том 1. с. 302-305

7. Gavrilov A., Dekterev A., Chernetsky M. Simulation of coal combustion in a pulverized coal-fired boiler. //Vol 13 '2008 - ICHMT DIGITAL LIBRARY ONLINE (ISSN: 961-91393-0-5 Print). Volume 1 - Proceedings of CHT-08 ICHMT International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer. May 11-16, 2008, Marrakesh, Morocco.

8. A.A. Дектерев, A.A. Гаврилов, М.Ю. Чернецкий, Н.С. Суржикова «Математичечская модель процессов аэродинамики и теплообмена в пылеугольных топочных устройствах» «Пятая Российская национальная конференция по теплообмену», 25-29 октября 2010 г. Москва том 5, с. 157160

9. М.Ю. Чернецкий, A.A. Дектерев Расчетное исследование локального шлакования поверхности нагрева топочной камеры котла П-67. Сборник докладов V научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, очистка котлов, удаление и использование золы.» , Челябинск, 7-9 июня 2011 г., т.2, с. 66-80.

Подписано к печати 10 февраля 2012 г. Заказ № 14 Формат 60x84/16. Объем 1 уч.-изд.л. Тираж! 00 экз.

Отпечатано в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 1.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Чернецкий, Михаил Юрьевич, Новосибирск

61 12-5/3454

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН

На правах рукописи

Чернецкий Михаил Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА В ПЫЛЕУГОЛЬНЫХ ТОПОЧНЫХ КАМЕРАХ С ТВЕРДЫМ ШЛАКОУДАЛЕНИЕМ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент А.А. Дектерев

Новосибирск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение......................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы............................................................13

1.1. Обзор работ по моделированию процессов в топочных камерах с твердым шлакоудалением...............................................................14

1.2 Транспортировка частиц к поверхности...............................18

1.3 Закрепление частиц на поверхности....................................33

1.4 Моделирование горения угольной пыли...............................52

1.4.1 Математическое описание выхода летучих............................53

1.4.2 Горение коксового остатка................................................54

1.5 Выводы по главе 1.............................................................61

Глава 2. Математическая модель процессов в топочной камере...........63

2.1 Описание турбулентной аэродинамики, теплообмена и горения в газовой фазе.................................................................................64

2.1.1 Уравнения движения газа, теплообмена и переноса газовых компонент.....................................................................................64

2.1.2 Уравнение энергии...........................................................64

2.1.3 Уравнение переноса компонент среды..................................65

2.2 Моделирование турбулентности..............................................65

2.3 Термодинамические свойства среды.........................................72

2.4. Модель радиационного переноса тепла...................................74

2.5 Модель горения в газовой фазе.............................................76

2.6 Описание движения, теплообмена и горения полидисперсных частиц угля в топочной камере.........................................................76

2.6.1 Уравнение движения частиц угля...................................... .78

2.6.2 Тепломассобмен и горение частиц угля в газовом потоке........ .80

2.6.3 Учет влияния дисперсной фазы на несущий газовый поток.......85

2.6.4 Осаждение частиц на поверхности нагрева.......................... .86

2.7 Теплообмен в топочной камере при наличии процесса осаждения золовых частиц.............................................................................88

2.8. Метод расчета процессов в топочной камере...........................90

2.8.1 Дискретизация уравнения переноса.....................................91

2.8.2 Алгоритм расщепления между скоростью и давлением............96

2.9 Граничные условия..........................................................97

2.10 Выводы по главе 2..........................................................100

Глава 3. Расчет факельного сжигания угольного топлива..................102

3.1. Расчет горения одиночной угольной частицы........................102

3.2. Расчет факельного горения угля в топочной камере огневого стенда «СибВТИ».................................................................................110

3.3. Выводы по главе 3..........................................................117

Глава 4. Моделирование процесса шлакования в топочной камере котла П67..........................................................................................118

4.1. Выбор объекта исследования.............................................118

4.2. Выбор модели шлакования для золы Березовского угля............120

4.3. Результаты расчетов топочной камеры котла П-67..................124

4.4 Выводы по главе 4.........................................................139

Заключение.............................................................................. .140

Список литературы.....................................................................142

Список публикаций....................................................................153

Благодарности........................................................................... 158

Материалы по использованию результатов.....................................159

ВВЕДЕНИЕ

Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства РФ № 1234-р от 28.08.2003 г., твердое органическое топливо будет являться основным источником для производства энергии (на крупных энергоблоках) на длительную перспективу, поэтому проблема повышения эффективности его использования и экономного расходования является актуальной. Рост угольной энергетики будет покрываться в основном за счет ввода энергоблоков с традиционным факельным сжиганием угля.

Математическое моделирование топочных устройств является на сегодняшний день одним из важнейших способов получения наиболее представительной информации об аэродинамике, локальном и суммарном теплообмене. Несмотря на большие успехи, достигнутые в развитии численного эксперимента, большое разнообразие, до конца не изученная структура угля и сложные химические процессы, происходящие при горении угольного топлива и шлаковании, не позволяют создать универсальных моделей. На сегодняшний день отсутствуют работы, которые бы могли достаточно достоверно описать горение и шлакование угля в широком диапазоне существующих режимов работы котла и используемых углей. При этом ряд отдельных процессов, происходящих в топочной камере, моделируется с высокой степенью достоверности. Например, аэродинамика топочных камер. Один из путей совершенствования моделирования

теплообмена в пылеугольной топочной камере является использование зарекомендовавших и проверенных математические моделей аэродинамики, тепло-и массообмена и добавление к ним моделей горения угля, формирования шлаковых отложений с учетом специфики рассматриваемого топлива.

Сложная, до конца не определенная структура угольного вещества, определяющая процесс воспламенения и выгорания угольной частицы создает большие трудности при создании математической модели. В попытке более детально понять и описать закономерности, происходящие в угле при горении, вынуждают вводить в модель все больше данных о структуре угольной частицы, получаемых с использованием сложной, дорогостоящей экспериментальной техники. Это ограничивает применимость подобных моделей на сегодняшний день. С другой стороны, имеющиеся эмпирические зависимости и коэффициенты, обобщающие большое количество экспериментальных исследований по сжиганию углей, добываемых на территории нашей страны, дают возможность учесть индивидуальные особенности горения угольной частицы разных марок без привлечения информации о структуре угля.

Для моделирования образования шлаковых отложений основными задачами является определение агрегатного состояния золовой частицы, задание условий закрепления или отскока для частицы. В существующих моделях образования шлаковых отложений зачастую используют, наряду с традиционными характеристиками угля, сведения о составе и распределении индивидуальных минеральных включений в угле. По этим показателям рассчитываются превращения минеральной массы в процессе горения (объединение минеральной массы в горящей частице, фрагментация частиц, превращения внешнего пирита, испарение минеральных компонентов). В результате определяются химический состав и размеры индивидуальных частичек летучей золы. Применимость данных моделей к отечественным углям затруднительно в связи с малым количеством необходимых

экспериментальных данных. Поэтому остается актуальной задача поиска математических моделей с использованием существующих экспериментальных данных по отечественным углям и создания на их основе комплексной модели для расчета топочной камеры с учетом образования твердых шлаковых отложений, что позволит более точно описать теплообмен в топочной камере.

Основные задачи исследования:

4. Реализация математических моделей процессов горения угольной частицы и шлакования поверхностей нагрева топочных камер. Усовершенствование специализированного программного комплекса «81§таР1ате» для расчета процессов в топках.

5. Проведение тестирования программного комплекса «81§шаР1ате» по имеющимся экспериментальным данным для пылеугольного сжигания.

6. Проведение вычислительного эксперимента для тангенциальной топочной камеры с твердым шлакоудалением. Оценка влияния

неравномерности распределения минеральной части по фракциям золовых частиц на теплообмен в топочной камере.

Научная новизна:

Математическая модель и усовершенствованный на базе данной модели программный комплекс «SigmaFlame» (свидетельство о гос. регистрации № 2010617699) позволяет предсказать формирование шлаковых отложений, температуры на выходе из топочной камеры в зависимости от режимных и конструктивных параметров, минерального состава фракций летучей золы и состава рабочей массы топлива.

Разработанный комплекс программ используется в исследовательской деятельности ряда научных организации (ВТИ, СибЭНТЦ, УралВТИ, ООО «ТОРИНС») и для подготовки специалистов в учебном процессе на кафедрах Теплофизики ИИФиРЭ СФУ (г. Красноярск) и Тепловые электрические станции УралЭНИН УрФУ (г. Екатеринбург).

Автор защищает:

2. Результаты тестирования усовершенствованного программного комплекса «SigmaFlame» на экспериментальных данных сжигания пылеугольного топлива.

4. Метод расчета локального коэффициента теплопередачи в топочной камере с использованием программного комплекса «SigmaFlame».

Личный вклад автора заключается в постановке задачи исследования, анализе существующих теоретических и экспериментальных работ по теме диссертации, совершенствовании и разработке математических моделей горения одиночной угольной частицы и шлакования, усовершенствовании программного комплекса «SigmaFlame», проведении численного моделирования пылеугольного горения и шлакования топки котла, анализе полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 1-ой научно-практической конференции «Угольная теплоэнергетика: Проблемы реабилитации и развития» (Алушта, Украина, 2004 г.); VIII, IX, X, XI Всероссийских конференциях молодых ученых: «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики» (Новосибирск, Россия, 2004, 2006, 2008, 2010 гг.); Международной научно-технической конференции

«Достижения и перспективы развития энергетики Сибири» (Красноярск, Россия 2005 г.); 4-ой, 6-ой Научной школы-конференции «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики», (Алушта, Украина, 2006, 2008 гг.); VI, VII Всероссийской конференции «Горение твердого топлива» (Новосибирск, Россия 2006, 2010 гг.); XVI, XVIII Школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках» (Россия, 2007, 2011 гг.); 4-ой, 5-ой научно-практической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (Челябинск, Россия, 2007, 2011 гг.); Всероссийской школе-семинаре молодых ученых «Физика неравновесных процессов в энергетике и наноиндустрии» (Новосибирск, Россия 2007 г.); IV международном симпозиуме «Advances in Computational Heat Transfer» (Marrakech, Morocco 2008 г.); VI Минском международном форуме по тепло- и массообмену (Минск, Блоруссия 2008г.); Всероссийском семинаре кафедр Вузов по теплофизике и теплоэнергетике (Россия, 2009 2011 гг.); 6-ой международной конференции «International Conference on Computational Heat and Mass Transfer» (Guangzhou, China, 2009 г.); Международной научно-технической конференции «Технологии эффективного и экологически чистого использования угля» (Москва, Россия, 2009г.); Международной конференции «Conference Thermal and Environmental Issues in Energy Systems» (Sorrento, Italy, 2010); XIV-ой международной конференции «The International Heat Transfer Conference» (Washington, USA, 2010); Пятой Российской национальной конференции по теплообмену (Москва, Россия, 2010 г.); XXIX Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, Россия, 2010 г); 7th International Symposium on Coal Combustion (Harbin, China, 2011 г.). По результатам работы опубликовано 30 печатных работ, из них 5 в журналах в перечне ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем диссертации 161 страниц, включая 49 рисунков. Библиография состоит из 119 наименований.

В первой главе дается описание современного уровня развития моделирования аэродинамики, теплообмена, горения и шлакования в топочных камерах с твердым шлакоудалением. Существенная часть обзора посвящена существующим подходам формирования золовых частиц, процессу их осаждения и закрепления на поверхности. Отдельное внимание уделено модели горения угольной частицы как одной из важных составляющих процесса шлакования. Рассмотрены математические модели горения угольных частиц, входящие в состав комплексных моделей, которые применяются для инженерных расчетов топок. В конце обзора делаются выводы, что существующие экспериментальные данные по отечественным углям дают возможность создать ком