Численное моделирование пофракционного сжигания пылеугольного топлива
Ключевые слова:
CFD, размер частиц, пофракционное сжигание, механический недожог, выбросы NOх
Аннотация
При сжигании полифракционной угольной пыли в факеле находятся частицы, размеры которых отличаются на один-два порядка. Поскольку в начале факела мелкие частицы топлива быстрее сгорают и потребляют значительную часть кислорода, крупные частицы топлива, определяющие неполноту сгорания, горят в обедненной кислородом атмосфере. Устранить этот недостаток можно при помощи технологии пофракционного сжигания пылеугольного топлива, которая заключается в разделении полифракционной угольной пыли на фракции разного размера с последующим сжиганием их в различных условиях. Цель исследования — оценка эффективности пофракционного сжигания пылеугольного топлива путем сравнения результатов численного моделирования горения полифракционной и фракционированной угольной пыли. Путем сравнения установлено, что разделение полифракционной угольной пыли на «крупную» и «мелкую» фракции, с последующим введением их в топку на разной высоте приводит к уменьшению механического недожога на 1,13…1,68% и одновременному снижению концентрации NOх на выходе из топки на 7,3…13,9%. Чем больше расстояние между ярусами горелок, тем эффект значительнее. Лимитирующим фактором при выборе места ввода в топку «мелкой» фракции пылеугольного топлива является температура дымовых газов на выходе из топки. Таким образом, пофракционное сжигание пылеугольного топлива может эффективно применяться для уменьшения механического недожога и некоторого снижения выбросов NOх. Полученные результаты могут быть использованы для разработки новых конструкций пылеугольных топок.
Литература
1. Ember Coal. [Офиц. сайт] https://ember-climate.org/topics/coal/ (дата обращения 02.11.2023).
2. IEA Online Data Services. [Офиц. сайт] https://www.iea.org/fuels-and-technologies/electricity (дата обращения 18.06.2023).
3. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. М.: Энергоатомиздат, 1986.
4. Маслов В.Е. Пылеконцентраторы в топочной технике. М.: Энергия, 1977.
5. Пат. № 1580114 СССР. Пылеугольная топка / Заворин А.С., Некряч Е.Н. Курганов А.К. // Бюл. изобрет. 1990. № 27.
6. Пронин А.К. Предпосылки для применения пофракционного сжигания пылеугольного топлива // Бутаковские чтения: Материалы I Всеросс. с междунар. участием молодежной конф. Томск: Томский политехн. ун-т, 2021. С. 317—320.
7. Zhuo Y., Shen Y. Transient 3D CFD Study of Pulverised Coal Combustion and Coke Combustion in a Blast Furnace: Effect of Blast Conditions // Fuel. 2023. V. 340. P. 127468.
8. Wang T., Chen X., Zhong W. Air Distribution and Coal Blending Optimization to Reduce Slagging on Coal-fired Boiler Water Wall Based on POD Reduced Order Modeling for CFD // Fuel. 2024. V. 357. P. 129856.
9. Bhuiyan A.A., Naser J. CFD Modelling of Co-firing of Biomass with Coal Under Oxy-fuel Combustion in a Large Scale Power Plant // Fuel. 2015. V. 159. Pp. 150—168.
10. Маршак Ю.Л. и др. Шлакование топочной камеры при сжигании березовского угля // Теплоэнергетика. 1980. № 1. С. 16—22.
11. Маршак Ю.Л. и др. Результаты опытного сжигания Ирша-Бородинского угля в топочной камере с твердым шлакоудалением // Теплоэнергетика. 1976. № 5. С. 47—51.
12. Маршак Ю.Л. и др. Опытное сжигание Березовского угля повышенной зольности // Теплоэнергетика. 1978. № 8. С. 9—14.
13. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). СПб.: НПО ЦКТИ, 1998.
14. Ranade V.V., Gupta D.F. Computational Modeling of Pulverized Coal Fired Boilers. Boca Raton: CRC Press, 2014.
15. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменский Д.А. Окисление азота при горении. М.: Изд-во АН СССР, 1947.
16. De Soete G.G. Overall Reaction Rates of NO and N2 Formation from Fuel Nitrogen // Proc. International Symp. Combustion. 1975. V. 15.(1). Pp. 1093—1102.
17. Glarborg P. Fuel Nitrogen Conversion in Solid Fuel Fired Systems // Progress Energy Combustion Sci. 2003. V. 29(2). Pp. 89—113.
18. Levy J.M., Chan L.K., Sarofim A.F., Beér J.M. NO/char Reactions at Pulverized Coal Flame Conditions // Proc. International Symp. Combustion. 1981. V. 18(1). Pp. 111—120.
---
Для цитирования: Пронин А.К., Заворин А.С. Численное моделирование пофракционного сжигания пылеугольного топлива // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 108—115. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-108-115
---
Исследование выполнено при поддержке Госзадания № FEWZ-2024-0013 «Научно-технические основы и прикладные решения ресурсоэффективной термической переработки органического сырья с получением продуктов с высокой добавленной стоимостью для энергетической, металлургической и сельскохозяйственной отраслей»
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Ember Coal. [Ofits. Sayt] https://ember-climate.org/topics/coal/ (Data Obrashcheniya 02.11.2023).
2. IEA Online Data Services. [Ofits. Sayt] https://www.iea.org/fuels-and-technologies/electricity (Data Obrashcheniya 18.06.2023).
3. Babiy V.I., Kuvaev Yu.F. Gorenie Ugol'noy Pyli i Raschet Pyleugol'nogo Fakela. M.: Energoatomizdat, 1986. (in Russian).
4. Maslov V.E. Pylekontsentratory v Topochnoy Tekhnike. M.: Energiya, 1977. (in Russian).
5. Pat. № 1580114 SSSR. Pyleugol'naya Topka. Zavorin A.S., Nekryach E.N. Kurganov A.K. Byul. Izobret. 1990;27. (in Russian).
6. Pronin A.K. Predposylki dlya Primeneniya Pofraktsionnogo Szhiganiya Pyleugol'nogo Topliva. Butakovskie Chteniya: Materialy I Vseross. s Mezhdunar. Uchastiem Molodezhnoy Konf. Tomsk: Tomskiy Politekhn. Un-t, 2021:317—320. (in Russian).
7. Zhuo Y., Shen Y. Transient 3D CFD Study of Pulverised Coal Combustion and Coke Combustion in a Blast Furnace: Effect of Blast Conditions. Fuel. 2023;340:127468.
8. Wang T., Chen X., Zhong W. Air Distribution and Coal Blending Optimization to Reduce Slagging on Coal-fired Boiler Water Wall Based on POD Reduced Order Modeling for CFD. Fuel. 2024;357:129856.
9. Bhuiyan A.A., Naser J. CFD Modelling of Co-firing of Biomass with Coal Under Oxy-fuel Combustion in a Large Scale Power Plant. Fuel. 2015;159:150—168.
10. Marshak Yu.L. i dr. Shlakovanie Topochnoy Kamery pri Szhiganii Berezovskogo Uglya. Teploenergetika. 1980;1:16—22. (in Russian).
11. Marshak Yu.L. i dr. Rezul'taty Opytnogo Szhiganiya Irsha-Borodinskogo Uglya v Topochnoy Kamere s Tverdym Shlakoudaleniem. Teploenergetika. 1976;5:47—51. (in Russian).
12. Marshak Yu.L. i dr. Opytnoe Szhiganie Berezovskogo Uglya Povyshennoy Zol'nosti. Teploenergetika. 1978;8:9—14. (in Russian).
13. Teplovoy Raschet Kotlov (Normativnyy Metod). SPb.: NPO TSKTI, 1998. (in Russian).
14. Ranade V.V., Gupta D.F. Computational Modeling of Pulverized Coal Fired Boilers. Boca Raton: CRC Press, 2014.
15. Zel'dovich Ya.B., Sadovnikov P.Ya., Frank-Kamenskiy D.A. Okislenie Azota pri Gorenii. M.: Izd-vo AN SSSR, 1947. (in Russian).
16. De Soete G.G. Overall Reaction Rates of NO and N2 Formation from Fuel Nitrogen. Proc. International Symp. Combustion. 1975;15.(1):1093—1102.
17. Glarborg P. Fuel Nitrogen Conversion in Solid Fuel Fired Systems. Progress Energy Combustion Sci. 2003;29(2):89—113.
18. Levy J.M., Chan L.K., Sarofim A.F., Beér J.M. NO/char Reactions at Pulverized Coal Flame Conditions. Proc. International Symp. Combustion. 1981;18(1):111—120
---
For citation: Pronin A.K., Zavorin A.S. Numerical Modeling of Fractional Combustion of Pulverized Coal Fuel. Bulletin of MPEI. 2024;4:108—115. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-108-115
---
The study was carried out with the support State Task No. FEWZ-2024-0013 «Scientific and Technical Foundations and Applied Solutions for Resource-efficient Thermal Processing of Organic Raw Materials to Produce Products with High Added Value for The Energy, Metallurgical and Agricultural Industries»
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
2. IEA Online Data Services. [Офиц. сайт] https://www.iea.org/fuels-and-technologies/electricity (дата обращения 18.06.2023).
3. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. М.: Энергоатомиздат, 1986.
4. Маслов В.Е. Пылеконцентраторы в топочной технике. М.: Энергия, 1977.
5. Пат. № 1580114 СССР. Пылеугольная топка / Заворин А.С., Некряч Е.Н. Курганов А.К. // Бюл. изобрет. 1990. № 27.
6. Пронин А.К. Предпосылки для применения пофракционного сжигания пылеугольного топлива // Бутаковские чтения: Материалы I Всеросс. с междунар. участием молодежной конф. Томск: Томский политехн. ун-т, 2021. С. 317—320.
7. Zhuo Y., Shen Y. Transient 3D CFD Study of Pulverised Coal Combustion and Coke Combustion in a Blast Furnace: Effect of Blast Conditions // Fuel. 2023. V. 340. P. 127468.
8. Wang T., Chen X., Zhong W. Air Distribution and Coal Blending Optimization to Reduce Slagging on Coal-fired Boiler Water Wall Based on POD Reduced Order Modeling for CFD // Fuel. 2024. V. 357. P. 129856.
9. Bhuiyan A.A., Naser J. CFD Modelling of Co-firing of Biomass with Coal Under Oxy-fuel Combustion in a Large Scale Power Plant // Fuel. 2015. V. 159. Pp. 150—168.
10. Маршак Ю.Л. и др. Шлакование топочной камеры при сжигании березовского угля // Теплоэнергетика. 1980. № 1. С. 16—22.
11. Маршак Ю.Л. и др. Результаты опытного сжигания Ирша-Бородинского угля в топочной камере с твердым шлакоудалением // Теплоэнергетика. 1976. № 5. С. 47—51.
12. Маршак Ю.Л. и др. Опытное сжигание Березовского угля повышенной зольности // Теплоэнергетика. 1978. № 8. С. 9—14.
13. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). СПб.: НПО ЦКТИ, 1998.
14. Ranade V.V., Gupta D.F. Computational Modeling of Pulverized Coal Fired Boilers. Boca Raton: CRC Press, 2014.
15. Зельдович Я.Б., Садовников П.Я., Франк-Каменский Д.А. Окисление азота при горении. М.: Изд-во АН СССР, 1947.
16. De Soete G.G. Overall Reaction Rates of NO and N2 Formation from Fuel Nitrogen // Proc. International Symp. Combustion. 1975. V. 15.(1). Pp. 1093—1102.
17. Glarborg P. Fuel Nitrogen Conversion in Solid Fuel Fired Systems // Progress Energy Combustion Sci. 2003. V. 29(2). Pp. 89—113.
18. Levy J.M., Chan L.K., Sarofim A.F., Beér J.M. NO/char Reactions at Pulverized Coal Flame Conditions // Proc. International Symp. Combustion. 1981. V. 18(1). Pp. 111—120.
---
Для цитирования: Пронин А.К., Заворин А.С. Численное моделирование пофракционного сжигания пылеугольного топлива // Вестник МЭИ. 2024. № 4. С. 108—115. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-108-115
---
Исследование выполнено при поддержке Госзадания № FEWZ-2024-0013 «Научно-технические основы и прикладные решения ресурсоэффективной термической переработки органического сырья с получением продуктов с высокой добавленной стоимостью для энергетической, металлургической и сельскохозяйственной отраслей»
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Ember Coal. [Ofits. Sayt] https://ember-climate.org/topics/coal/ (Data Obrashcheniya 02.11.2023).
2. IEA Online Data Services. [Ofits. Sayt] https://www.iea.org/fuels-and-technologies/electricity (Data Obrashcheniya 18.06.2023).
3. Babiy V.I., Kuvaev Yu.F. Gorenie Ugol'noy Pyli i Raschet Pyleugol'nogo Fakela. M.: Energoatomizdat, 1986. (in Russian).
4. Maslov V.E. Pylekontsentratory v Topochnoy Tekhnike. M.: Energiya, 1977. (in Russian).
5. Pat. № 1580114 SSSR. Pyleugol'naya Topka. Zavorin A.S., Nekryach E.N. Kurganov A.K. Byul. Izobret. 1990;27. (in Russian).
6. Pronin A.K. Predposylki dlya Primeneniya Pofraktsionnogo Szhiganiya Pyleugol'nogo Topliva. Butakovskie Chteniya: Materialy I Vseross. s Mezhdunar. Uchastiem Molodezhnoy Konf. Tomsk: Tomskiy Politekhn. Un-t, 2021:317—320. (in Russian).
7. Zhuo Y., Shen Y. Transient 3D CFD Study of Pulverised Coal Combustion and Coke Combustion in a Blast Furnace: Effect of Blast Conditions. Fuel. 2023;340:127468.
8. Wang T., Chen X., Zhong W. Air Distribution and Coal Blending Optimization to Reduce Slagging on Coal-fired Boiler Water Wall Based on POD Reduced Order Modeling for CFD. Fuel. 2024;357:129856.
9. Bhuiyan A.A., Naser J. CFD Modelling of Co-firing of Biomass with Coal Under Oxy-fuel Combustion in a Large Scale Power Plant. Fuel. 2015;159:150—168.
10. Marshak Yu.L. i dr. Shlakovanie Topochnoy Kamery pri Szhiganii Berezovskogo Uglya. Teploenergetika. 1980;1:16—22. (in Russian).
11. Marshak Yu.L. i dr. Rezul'taty Opytnogo Szhiganiya Irsha-Borodinskogo Uglya v Topochnoy Kamere s Tverdym Shlakoudaleniem. Teploenergetika. 1976;5:47—51. (in Russian).
12. Marshak Yu.L. i dr. Opytnoe Szhiganie Berezovskogo Uglya Povyshennoy Zol'nosti. Teploenergetika. 1978;8:9—14. (in Russian).
13. Teplovoy Raschet Kotlov (Normativnyy Metod). SPb.: NPO TSKTI, 1998. (in Russian).
14. Ranade V.V., Gupta D.F. Computational Modeling of Pulverized Coal Fired Boilers. Boca Raton: CRC Press, 2014.
15. Zel'dovich Ya.B., Sadovnikov P.Ya., Frank-Kamenskiy D.A. Okislenie Azota pri Gorenii. M.: Izd-vo AN SSSR, 1947. (in Russian).
16. De Soete G.G. Overall Reaction Rates of NO and N2 Formation from Fuel Nitrogen. Proc. International Symp. Combustion. 1975;15.(1):1093—1102.
17. Glarborg P. Fuel Nitrogen Conversion in Solid Fuel Fired Systems. Progress Energy Combustion Sci. 2003;29(2):89—113.
18. Levy J.M., Chan L.K., Sarofim A.F., Beér J.M. NO/char Reactions at Pulverized Coal Flame Conditions. Proc. International Symp. Combustion. 1981;18(1):111—120
---
For citation: Pronin A.K., Zavorin A.S. Numerical Modeling of Fractional Combustion of Pulverized Coal Fuel. Bulletin of MPEI. 2024;4:108—115. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-4-108-115
---
The study was carried out with the support State Task No. FEWZ-2024-0013 «Scientific and Technical Foundations and Applied Solutions for Resource-efficient Thermal Processing of Organic Raw Materials to Produce Products with High Added Value for The Energy, Metallurgical and Agricultural Industries»
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Опубликован
2024-06-18
Выпуск
Раздел
Теоретическая и прикладная теплотехника (технические науки) (2.4.6)
