СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ КАПЕЛЬНО-ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В ВИХРЕВОМ ПОТОКЕ
METHOD FOR OPTIMIZATION OF DROP-FLARE COMBUSTION OF WATER-COAL FUEL IN VORTEX FLOW

Изобретение относится к энергетике. Изобретение относится к способам для сжигания водоугольного топлива (ВУТ), в различных котельных установках промышленной теплоэнергетики, жилищно-коммунального хозяйства и других теплогенерирующих системах.
Известен способ оптимизация работы котла [CN103939940, 23.07.2014, F23N5/00], оптимизация работы котла которым достигается на основе использования базы данных по эффективности сжигания топлива без указания того, как эта база получена. В частности, нет указания на использование результатов физико-математического моделирования топочных процессов, что снижает эффективность способа.
Известен способ оптимизации систем управления работой котла [CN201368471, 23.12.2009, F23N5/00; G05B19/418]. Указанное изобретение не включает использование результатов моделирования топочных процессов, что снижает его эффективность.
Наиболее близким по технической сущности является способ контроля и управления процессом горения углеводородного топлива в топках котлов и промышленных печей [Патент РФ №:2551714, 27.05.2015], при котором опытным путем определяют стехиометрическое соотношение горючего и окислителя для данного вида топлива в данной топке; определяют значения абсолютных величин электрических потенциалов в трех зонах пламени факела: зоне подготовки, зоне сгорания и зоне догорания при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя и принимают их за эталонные; непрерывно измеряют значения абсолютных величин электрических потенциалов в трех зонах пламени факела и сравнивают их с эталонными, причем по результатам сравнений непрерывно регулируют подачу окислителя в соответствии с полученными показателями.
Недостатком способа является сложность его использования.
Основным недостатком рассмотренных способов является низкая точность экспериментальных способов определения эталонных значений характеристик процесса горения ВУТ и большие технические трудности, связанные с их реализацией.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является оптимизация технологии капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в вихревом потоке с целью обеспечения полного сгорания топлива в топках котлов, промышленных печей или других энергетических установок при минимальной концентрации окислителя за счет постоянного поддержания концентраций горючего и окислителя в соотношении, близком к эталонному значению коэффициента избытка воздуха, равному отношению действительного расхода воздуха-окислителя, необходимого для сжигания 1 кг данного топлива, к теоретически необходимому (стехиометрическому).
Согласно изобретению способ оптимизации капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в вихревом потоке включает определение эталонных характеристик процесса горения для данного вида ВУТ в данной топке с помощью программного обеспечения, реализующего физико-математическую модель воспламенения и выгорания водоугольного топлива, для 2-3 и более значений расхода топлива из диапазона его изменения, и сохранение эталонных характеристик процесса горения ВУТ на жестком диске компьютера в базе эталонных характеристик процесса горения ВУТ. Затем полученные эталонные характеристики процесса горения ВУТ используют для оптимизации капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в реальных условиях. Согласно изобретению периодическое измерение показаний датчиков температуры газов осуществляют в одной и более контрольных фиксированных точках внутри топочной камеры и одной контрольной фиксированной точке на выходе из топочной камеры, показания датчиков передают в компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением, осуществляющим сравнение результатов измерения со значениями эталонных характеристик процесса горения и передачу сигналов АСУ (Автоматизированная система управления) для непрерывного регулирования подачи топлива и окислителя в соответствии с полученными показаниями.
Оптимизацию осуществляют на основе сравнения данных численного моделирования, позволяющего исследовать аэродинамику и распределение температур в топке котла, и экспериментальных данных. Численное моделирование топочных процессов позволяет получить наиболее представительную информацию об аэродинамике и теплообмене в топке котла при сжигании водоугольного топлива.
В результате достигается снижение удельного количества используемого топлива и окислителя на единицу полученного тепла, уменьшение энергозатрат на подачу и нагревание избыточно поданного в топку окислителя, вследствие этого улучшаются экологические и экономические показатели энергетических установок.
В случае использования технологии капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в муфельных топочных камерах энергетических котлов, проработка нового котла начинается с задания мощности котла, выбора типа котла и, в частности, конструкции его топочной камеры (с местами расположения топливной форсунки и сопл для вдува воздуха-окислителя), определения характеристик водоугольной суспензии (ВУС) таких, как марка угля, его теплотворная способность, влажность, зольность, гранулометрический состав угольной массы. Задают форму газо-капельного топливного факела, распределение капель по размеру и скорости движения в факеле. Указывают также режимы работы котла, различающиеся его теплопроизводительностью, а следовательно, расходом топлива.
На основании указанной информации по программе, построенной на основе физико-математического моделирования процессов воспламенения и горения водоугольного топлива, производят расчет сжигания топлива на данном котле при заданном значении расхода топлива с заданными свойствами. Расчет проводят для 2-3 и более значений расхода топлива из диапазона его изменения.
Математическая модель процессов воспламенения и горения водоугольного топлива включает в себя модель движения многокомпонентной неизотермической газовой среды (несущей фазы); модель движения капель/частиц на основе подхода Лагранжа; модель горения в газовой фазе на основе гибридной модели, сочетающей механизмы химического реагирования и турбулентного обмена; модель выгорания коксового остатка. Течение газов в топочных камерах принимается пространственным и турбулентным. Характер его обусловлен способами подвода топлива, воздуха-окислителя и газов рециркуляции, внутренней конструкцией. Максимальные скорости движения газов в топочных камерах не превышают 100 м/с. При температурах около 1800°К это соответствует числам Маха М≤0,12. Для описания движения газов при таких числах Маха используется модель несжимаемой жидкости. Для турбулентного режима течения уравнения движения могут быть записаны в форме осредненных по Рейнолдьсу уравнений Навье-Стокса. Уравнения сохранения для газовой фазы записываются в виде обобщенного закона сохранения в контрольном объеме. Для объема записывается конечно-разностный аналог уравнения. Для вычисления диффузионных потоков на гранях контрольного объема используется центрально-разностная схема, имеющая второй порядок точности. Для расчета стационарного течения использован метод установления. Подаваемое в топку и распыляемое через форсунки водоугольное топливо представляется дискретным набором капель, которые состоят из комплекса вода+угольные частицы. В модели процесс воспламенения и горения частицы происходит стадийно. Вначале происходит испарение внешней влаги, для описания этого процесса используется модель испарения капли. После испарения влаги образуются твердые частицы, для описания выгорания которых используется модель воспламенения и горения угольных частиц.
Расчеты характеристик процесса горения, а именно, расходов топлива и воздуха-окислителя, подаваемых в данную топку для обеспечения нужного режима котла, и температуры газов в контрольных точках топки, выполняют для нескольких значений расхода топлива из заданного диапазона его изменения, и сохраняют в качестве эталонных характеристик процесса горения ВУТ на жестком диске компьютера в базе эталонных характеристик процесса горения ВУТ.
Таким образом, предлагаемый способ оптимизации капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в вихревом потоке, включает следующую последовательность шагов:
1) расчет значений эталонных характеристик процесса горения ВУТ, включающий:
ввод в компьютер исходных данных по ВУТ (теплотворная способность и зольность угля, содержание воды, дисперсный состав угольной массы, форма топливного факела, дисперсный состав капель топлива в факеле), геометрических параметров топочной камеры (форма, геометрические размеры, расположение форсунок и сопл для подачи воздуха-окислителя);
расчет значений эталонных характеристик процесса горения ВУТ с помощью, установленного на компьютере, программного обеспечения, реализующего физико-математическую модель процессов воспламенения и горения водоугольного топлива, в которой учитывают основные стадии горения капли: прогрев капли ВУТ, испарение воды, содержащийся внутри капли, выход и горение летучих веществ, содержащихся в угле, и выгорание углерода, при этом каплю ВУТ представляют в виде сферы с постоянными по всему ее объему свойствами;
сохранение рассчитанных значений эталонных характеристик процесса горения ВУТ на жестком диске ПК в базе эталонных характеристик процесса горения ВУТ;
2) мониторинг и управление работой котла, включающий:
периодическое измерение блоком датчиков температуры температур газов в одной и более контрольных фиксированных точках внутри топочной камеры и одной контрольной фиксированной точке на выходе из топочной камеры;
передача результатов измерения в снабженный соответствующим программным обеспечением и базой эталонных значений компьютер;
сравнение результатов измерения со значениями эталонных характеристик процесса горения ВУТ, соответствующими данному значению расхода топлива;
регулирование с помощью АСУ в соответствии с полученными результатами сравнения подаваемого в топочную камеру объема ВУТ и окислителя.
При известных значениях расхода топлива и расхода дутьевого воздуха, температура газа на выходе из топки определяет производительность тепловой энергии котла. В том случае, если температура газа на выходе из канала оказывается ниже эталонного значения, изменяют расход воздуха-окислителя и расход топлива и последовательными шагами находят такие их значения, которые обеспечивают с заданной точностью необходимые показатели по температуре газов на выходе из топки.
Предложенный способ позволяет контролировать и поддерживать коэффициент избытка окислителя в топке на таком уровне, что концентрации горючего и окислителя находятся в соотношении, обеспечивающем полное сгорание топлива при минимальной концентрации окислителя. Вследствие этого минимизируются концентрации вредных продуктов неполного сгорания топлива (таких как СО и СН), что повышает экологичность процесса сжигания топлива, а также уменьшается расход электроэнергии на подачу окислителя и снижаются потери теплоты, полученной от сгорания топлива, ввиду отсутствия необходимости нагрева избыточно подаваемого окислителя в топку.
На основе численного моделирования и экспериментальных исследований проведен анализ сжигания водоугольного топлива в водогрейном котле малой мощности при различных режимах. Для исследования процессов воспламенения и горения водоугольного топлива в вихревом потоке и сравнения расчетных и экспериментальных данных был использован водогрейный котел с номинальной мощностью 1 МВт.В левой боковой стенке топки котла было предусмотрено 9 отверстий для измерения температуры в отдельных точках топочного объема. Через данные отверстия осуществляли ввод датчиков температуры и замер температуры.
Использовано топливо, приготовленное на основе кека ОФ «Северная» (Кемеровская область, Россия) и представляющее собой смесь угля марки «К» и воды с массовым соотношением 50/50.
С помощью пакета "SigmaFlow" [Чернецкий, М.Ю. Математическая модель процессов теплообмена и горения пылеугольного топлива при факельном сжигании / М.Ю. Чернец-кий, А.А. Дектерев // Физика горения и взрыва. - 2011. - №3. - С. 37-46] рассмотрена и реализована математическая модель горения частиц водоугольного топлива, которая включает в себя: модель движения частиц/капель, уравнение сохранения энергии для капли ВУТ и частицы угля, модель испарения капли, модель испарения остаточной влаги из угольной частицы, модель выхода летучих веществ и модель горения коксового остатка, модель переноса газовых компонент, модель турбулентности, метод пристеночных функций [Делягин Г.Н. Вопросы теории горения водоугольной суспензии в потоке воздуха // Сб. Сжигание высокообводненного топлива в виде водоугольных суспензий. - М.: изд-во АН СССР, 1967. С.45-55. Делягин Г.Н. Вопросы теории воспламенения и горения распыленной водоугольной суспензии // В кн.: Кинетика и аэродинамика процессов горения топлива. - М.: Наука, 1969. С. 71-77. М. Chernetskiy, K. Vershinina, P. Strizhak Computational modeling of the combustion of coal water slurries containing petrochemicals. Fuel 220 (2018) 109-119]. Задача решалась в трехмерной постановке. Сетка составляла 864140 узлов, в области форсунки сетка строилась более дробной, для того чтобы более детально описать процесс распыливания водоугольного топлива.
Полученные расчетные результаты достаточно хорошо совпали с экспериментом, что свидетельствует об эффективности предложенного способа оптимизации капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в вихревом потоке.