Pulverize kömür kazanında yakıcı açılarının alev yapısı üzerine etkisinin incelenmesi
Investigation of pulverized coal burner flame structure regarding to the injector angle
Yazar: HALİT TOLGA ERKEN
Danışman: DOÇ. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kütahya ili sınırları içersinde yer alan Tunçbilek termik santralinin 150 MW kapasiteye sahip olan 5 numaralı kazanı sayısal olarak incelenmiştir. 5 numaralı kazan teğetsel yanma tipi olup, 3 farklı yükseklikte ve her yükseklikte 6 adet olmak üzere toplam 18 yakıcıya sahiptir. Her sıradaki yakıcıların 4 adeti köşelerde ve 2 adeti de karşılıklı yüzeylerde yer almaktadır. 
Kazanın katı modellemesi ANSYS Design Modeller R16.2 versiyonu kullanılarak yapılmıştır. Hazırlanan katı modelde Ansys Meshing R16.2 programı kullanılarak ve bölgesel iyileştirme yapılarak ayrık uzay oluşturulmuştur. Oluşturulan ayrık uzayda toplam 4.4 milyon eleman kullanılmaktadır.
Yapılan analizlerde burgaç hareketini daha iyi yakalamak adına realizable k-ε çalkantı modeli ve Menther-Lencher duvar fonksiyonu kullanılmıştır. Kömür yanma odasına tanecikler halinde yollanmış ve kömür taneciklerinin takip edilmesinde Lagrangian yöntemi kullanılmıştır. Yanma reaksiyonu için ön karışımsız yanma modeli kullanılmış ve PDF tabloları oluşturulmuştur. Işınım modeli olarak P1 modeli seçilmiş ve sayısal analizde yanma odasındaki sıcaklık, katı ve gaz emisyon dağılımı hesaplanmıştır. 
PDF tablosu hazırlanırken santralden alınmış olan kömür elemental analizleri kullanılmış ve bu analizin sonuçları Fluent programı altında yer alan kömür hesaplama aracı kullanılarak PDF tablosu oluşturmada kullanılmıştır. 
Yapılan sayısal analizelerde gerçek boyutlarda kazan kullanılmıştır. Kazan hava ve kömür debileri sınır şartları belirtilirken sahadan alınan gerçek koşul verileri kullanılmıştır. Duvar sıcaklıkları ölçümler sonucunda suyun doyma sıcaklığından 50K yüksek olarak sabit sıcaklıkta tanımlanmıştır. Kazanın içindeki boruları modellemenin zorluğu ve işlem gücünün kısıtlı olması nedeniyle gözenekli ortam yaklaşımı yapılmış ve analizler bu yaklaşım ile tamamlanmıştır.
Bu çalışmada 4 farklı durum üzerinde durulmuştur. Mevcut durum, yakıcı açılarının yukarıya kaldırıldığı ve aşağıya indirildiği durumlarla karşılaştırılmış ve yanma gazları çıkış alanı 2 katına çıkarılmıştır. Yapılan bu incelemelerde öncelikle mevcut durum analizleri test sonuçları ile karşılaştırılmış ve sonuçlar kontrol edilmiştir. Sonuçların doğrulanması sonrasında ise sırasıyla sıcaklık ve hız dağılımları incelenmiş, yanma gazları olan karbonmonoksit ve karbondioksit gazları karşılaştırılmış ve son olarak kirletici gazları olan hidrojen sülfür, azot oksit ve diazot monoksit gazları salınımları karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Today's World wealth level measured with the usage and generation of the energy, mostly the electric energy. In Turkey, we have coal beds so the coal-fired power plants became very important. When making a literature survey, you can see that there is lots of new publication about this subject. It also show that coal-fired power plants still very important for electricity producing.
In this thesis, the Tunçbilek coal-fired power plant's number five boiler was investigated. This boiler is tangential boiler and it could provide 150 MW power. It has three level of coal injectors and each level has six injectors, four of them stays on the corners and two of the stay on the opposite sites. 
Solid model of the boiler was modelled with Ansys Design Modeller R16.2 the original geometry was modelled for the analysis. The boiler has 69 m length, 12 m width and 12m depth. It is modelled from slag zone to exhaust outlet zone. The tangential boiler has 3 level of burner. First level stays on the 10.4 meter height, second level stays on 13.03 meter and the last one stays on 15.66 meter. First level's burners stays parallel to the ground, but the second and third ones have upper 7° angle regarding to the ground. 
Meshing of the geometry was prepared with Ansys Meshing R16.2 program. Tetrahedral mesh method was chosen because of the automatic meshing procedure. Model have 4.4 million elements. On the model, both coarse and fine elements were used. On the fire region, and inlet and outlet boundaries, fine mesh was used. Other sides, of course with the reasonable growth rate, coarse mesh used for the calculation time and required memory. 
For computation fuid dynamics analysis, realizable k-ε turbulence model was used.  Realizable k-ε turbulence model can be used wide range of application and tested lots of time. Realizable k-ε turbulence model predict better results for the rotational flow compared to the standard k-ε turbulence model so for this problem, rotational flow is dominant. Also two equations models required less computational power and computational time.
For near wall treatment model, Menther-Lencher method was used. According to the Fluent, this model is independent y+ model. Because of the size of the geometry, boundary layer could not be used results of the computational power. Boudary layer was modelled with Menter Lencher method.
Non-Premixed PDF model was used to mimic combustion reaction. Emprical coal fuel was calculated with coal calculater tool under the Fluent R16.2. The required data for coal calculater was getting from elemental analysis of the coal. 
For the radiation, P1 radiation model was used for the analysis. Also radiation from coal particles included to analysis.  P1 model can provide reasonable results with less computation power regarding to the other models on the Fluent. 
Calculation of the pollutants, NOx calculation model was used. NO, HCN and N2O gases investigated for the analysis.
Lagrangian method of particle track was used for coal particles. Injection of the coal was defined for the injectors. %43 of coal injected from bottom injectors, %35 of coal injected from the middle injectors and %22 of coal injected from the upper injectors. Rosin-Rammler method was used to define coal distribution between measured maximum and minimum diameter. Also mass flow, velocity magnitude and temperature was defined for the coil injector boundary condition.
Pipes and economizer of the boiler was not modelled since they have very complex geometries and they need very fine mesh to resolve. Porous zone was used to simulate pressure drop. Porosity ratio was taken as 0.8 to model it. 
For the walls, no slip boundary condition was defined. The temperature of the walls are 659 K. 
%43 of air was sent to the lower injectors, %43 of the air was sent to the middle injectors and %14 of total air was sent to the upper ones. Mass flow inlet condition used to define. 
There is a test results of the temperature from 8 point inside the boiler and average temperature from outlet. This temperature were used to validate standard case of the analysis. Then three different case were prepared for calculations. Case 1 is the standard case, case 2's injectors have a bigger angle between ground. Case 3 injectors have smaller angle (negative angle for bottom injectors) regarding to the standard case. And case 4 have a double outlet area regarding to the standard case.
While examining the results it was seen that bottom air and coal was filled the center of the swirl, middile air and coal particules could go little bit inside of the swirl, however the upper ones just goes around the swirl.