The Kuznetsk Lean Coal Combustion Scheme Optimization Using Straight-Flow Burners and Nozzles with Solid Slag Removal
Keywords:
furnace chamber, straight-flow burners, staged combustion, numerical simulation, Kuznetsk lean coal, waterwall slagging numerical simulation
Abstract
The article presents the results of research and optimization of the furnace volume aerodynamics for furnaces equipped with straight-flow burners with solid slag removal in combusting Kuznetsk lean coal. The research was carried out using the ANSYS Fluent computational fluid dynamics (CFD) system.
Recommendations for the development of the solid fuel combustion schemes using straight-flow burners and nozzles are given along with a methodology for conducting research and optimization of the furnace volume aerodynamics. Optimization criteria are formulated, and input data for carrying out the study are selected.
A general schematic layout of straight-flow burners and nozzles (in relative dimensions) has been developed. The overall layout is divided into three zones over height with subsequent stage-by-stage optimization of the placement of burners and nozzles in each zone. The optimal number of vertical planes for placing the burners and nozzles has been chosen. The previously developed mathematical model of slag deposition on furnace waterwalls was applied to estimate the waterwall slagging probability.
Based on the results from the accomplished optimization of the solid fuel combustion scheme, high performance indicators of the combustion chamber have been obtained.
References
1. ИТС 38—2022. Сжигание топлива на крупных установках в целях производства энергии.
2. Государственный доклад о состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2019 г. М.: Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации, 2020.
3. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / Под ред. Кузнецова Н.В. и др. М.: Энергия, 1973.
4. ГОСТ Р 50831—95. Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования.
5. Архипов А.М., Липов Ю.М., Прохоров В.Б. Использование прямоточных горелок и сопл в топках котлов: инновационный опыт МЭИ. М.: Изд-во МЭИ, 2013.
6. Волков Э.П. и др. Исследование аэродинамики топки котла ТПП-210А при переводе его на твердое шлакоудаление и организации вихревого сжигания топлива // Теплоэнергетика. 2018. № 10. С. 21—28.
7. Prokhorov V.B., Fomenko M.V., Fomenko N.E. Solid Fuel Combustion Processes Modelling in the Furnace in Terms of the Boiler K-50-14-250 // J. Phys.: Conf. Series. 2020. V. 1683(4). P. 042050.
8. Ansys Fluent Iser’s Guide. Canonsburg: ANSYS Inc., 2012.
9. Ansys fluent Theory Guide. Canonsburg: ANSYS Inc., 2011.
10. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. М.: Физматлит, 2006.
11. Ranade V.V., Gupta D.F. Computational Modeling of Pulverized Coal Fired Boilers. Boca Raton: CRC Press, 2014.
12. Липов Ю.М., Третьяков Ю.М. Котельные установки и парогенераторы. М., Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005.
13. Вербовецкий Э.Х. и др. Методические указания по проектированию топочных устройств энергетических котлов. СПб.: ВТИ ЦКТИ, 1996.
14. ГОСТ 28269—89. Котлы паровые стационарные большой мощности. Общие технические требования.
15. Архипов А.М. и др. Эффективность использования прямоточных горелок и сопл при реализации твердого шлакоудаления в топке котла ТПП-210А // Теплоэнергетика. 2017. № 2. С. 63—70.
16. Архипов А.М. и др. Повышение эффективности сжигания Кузнецкого угля в прямоточном вихревом факеле // Надежность и безопасность энергетики. 2015. № 3(30). С. 50—55.
17. Fomenko M.V., Prokhorov V.B., Fomenko N.E. Investigation of the Direct-flow Burners and Nozzles Arrangement at the Direct-flow-vortex Coal Combustion in a Furnace with Solid Slag Removal // J. Phys.: Conf. Series. 2021. V. 2088(1). P. 012015.
18. Клименко А.В., Зорин В.М. Тепловые и атомные электростанции. М.: Издат. дом МЭИ, 2007.
19. Соколов Н.В и др. Расчет и проектирование пылеприготовительных установок котельных агрегатов (нормативные материалы). Л.: НПО ЦКТИ, ВТИ, 1971.
20. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). СПб.: РАО «ЕЭС России», 1998.
---
Для цитирования: Фоменко М.В., Прохоров В.Б., Фоменко Н.Е. Оптимизация схемы сжигания кузнецкого тощего угля с использованием прямоточных горелочных устройств и сопел с твердым шлакоудалением // Вестник МЭИ. 2023. № 4. С. 72—79. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-4-72-79
---
Работа выполнена при поддержке: гранта Российского научного фонда (грант № 22-19-00722), https://rscf.ru/project/22-19-00722/
#
1. ITS 38—2022. Szhiganie Topliva na Krupnykh Ustanovkakh v Tselyakh Proizvodstva Energii. (in Russian).
2. Gosudarstvennyy Doklad o Sostoyanii i Ispol'zovanii Mineral'no-syr'evykh Resursov Rossiyskoy Federatsii v 2019 g. M.: Ministerstvo Prirodnykh Resursov i Ekologii Rossiyskoy Federatsii, 2020. (in Russian).
3. Teplovoy Raschet Kotel'nykh Agregatov (Normativnyy Metod). Pod red. Kuznetsova N.V. i dr. M.: Energiya, 1973. (in Russian).
4. GOST R 50831—95. Ustanovki Kotel'nye. Teplomekhanicheskoe Oborudovanie. Obshchie Tekhnicheskie Trebovaniya. (in Russian).
5. Arkhipov A.M., Lipov Yu.M., Prokhorov V.B. Ispol'zovanie Pryamotochnykh Gorelok i Sopl v Topkakh Kotlov: Innovatsionnyy Opyt MEI. M.: Izd-vo MEI, 2013. (in Russian).
6. Volkov E.P. i dr. Issledovanie Aerodinamiki Topki Kotla TPP-210A pri Perevode Ego na Tverdoe Shlakoudalenie i Organizatsii Vikhrevogo Szhiganiya Topliva. Teploenergetika. 2018;10:21—28. (in Russian).
7. Prokhorov V.B., Fomenko M.V., Fomenko N.E. Solid Fuel Combustion Processes Modelling in the Furnace in Terms of the Boiler K-50-14-250. J. Phys.: Conf. Series. 2020;1683(4):042050.
8. Ansys Fluent Iser’s Guide. Canonsburg: ANSYS Inc., 2012.
9. Ansys fluent Theory Guide. Canonsburg: ANSYS Inc., 2011.
10. Varnatts Yu., Maas U., Dibbl R. Gorenie. Fizicheskie i Khimicheskie Aspekty, Modelirovanie, Eksperimenty, Obrazovanie Zagryaznyayushchikh Veshchestv. M.: Fizmatlit, 2006. (in Russian).
11. Ranade V.V., Gupta D.F. Computational Modeling of Pulverized Coal Fired Boilers. Boca Raton: CRC Press, 2014.
12. Lipov Yu.M., Tret'yakov Yu.M. Kotel'nye Ustanovki i Parogeneratory. M., Izhevsk: NITS «Regulyarnaya i Khaoticheskaya Dinamika», 2005. (in Russian).
13. Verbovetskiy E.Kh. i dr. Metodicheskie Ukazaniya po Proektirovaniyu Topochnykh Ustroystv Energeticheskikh Kotlov. SPb.: VTI TSKTI, 1996. (in Russian).
14. GOST 28269—89. Kotly Parovye Statsionarnye Bol'shoy Moshchnosti. Obshchie Tekhnicheskie Trebovaniya. (in Russian).
15. Arkhipov A.M. i dr. Effektivnost' Ispol'zovaniya Pryamotochnykh Gorelok i Sopl pri Realizatsii Tverdogo Shlakoudaleniya v Topke Kotla TPP-210A. Teploenergetika. 2017;2:63—70. (in Russian).
16. Arkhipov A.M. i dr. Povyshenie Effektivnosti Szhiganiya Kuznetskogo Uglya v Pryamotochnom Vikhrevom Fakele. Nadezhnost' i Bezopasnost' Energetiki. 2015;3(30):50—55. (in Russian).
17. Fomenko M.V., Prokhorov V.B., Fomenko N.E. Investigation of the Direct-flow Burners and Nozzles Arrangement at the Direct-flow-vortex Coal Combustion in a Furnace with Solid Slag Removal. J. Phys.: Conf. Series. 2021;2088(1):012015.
18. Klimenko A.V., Zorin V.M. Teplovye i Atomnye Elektrostantsii. M.: Izdat. Dom MEI, 2007. (in Russian).
19. Sokolov N.V i dr. Raschet i Proektirovanie Pyleprigotovitel'nykh Ustanovok Kotel'nykh Agregatov (Normativnye Materialy). L.: NPO TSKTI, VTI, 1971. (in Russian).
20. Teplovoy Raschet Kotlov (Normativnyy Metod). SPb.: RAO «EES Rossii», 1998. (in Russian)
---
For citation: Fomenko M.V., Prokhorov V.B., Fomenko N.E. The Kuznetsk Lean Coal Combustion Scheme Optimization Using Straight-Flow Burners and Nozzles with Solid Slag Removal. Bulletin of MPEI. 2023;4:72—79. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-4-72-79
---
The work is executed at support: Grant of Russian Science Foundation (Grant No. 22-19-00722), https://rscf.ru/project/22-19-00722/
2. Государственный доклад о состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2019 г. М.: Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации, 2020.
3. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / Под ред. Кузнецова Н.В. и др. М.: Энергия, 1973.
4. ГОСТ Р 50831—95. Установки котельные. Тепломеханическое оборудование. Общие технические требования.
5. Архипов А.М., Липов Ю.М., Прохоров В.Б. Использование прямоточных горелок и сопл в топках котлов: инновационный опыт МЭИ. М.: Изд-во МЭИ, 2013.
6. Волков Э.П. и др. Исследование аэродинамики топки котла ТПП-210А при переводе его на твердое шлакоудаление и организации вихревого сжигания топлива // Теплоэнергетика. 2018. № 10. С. 21—28.
7. Prokhorov V.B., Fomenko M.V., Fomenko N.E. Solid Fuel Combustion Processes Modelling in the Furnace in Terms of the Boiler K-50-14-250 // J. Phys.: Conf. Series. 2020. V. 1683(4). P. 042050.
8. Ansys Fluent Iser’s Guide. Canonsburg: ANSYS Inc., 2012.
9. Ansys fluent Theory Guide. Canonsburg: ANSYS Inc., 2011.
10. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. М.: Физматлит, 2006.
11. Ranade V.V., Gupta D.F. Computational Modeling of Pulverized Coal Fired Boilers. Boca Raton: CRC Press, 2014.
12. Липов Ю.М., Третьяков Ю.М. Котельные установки и парогенераторы. М., Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005.
13. Вербовецкий Э.Х. и др. Методические указания по проектированию топочных устройств энергетических котлов. СПб.: ВТИ ЦКТИ, 1996.
14. ГОСТ 28269—89. Котлы паровые стационарные большой мощности. Общие технические требования.
15. Архипов А.М. и др. Эффективность использования прямоточных горелок и сопл при реализации твердого шлакоудаления в топке котла ТПП-210А // Теплоэнергетика. 2017. № 2. С. 63—70.
16. Архипов А.М. и др. Повышение эффективности сжигания Кузнецкого угля в прямоточном вихревом факеле // Надежность и безопасность энергетики. 2015. № 3(30). С. 50—55.
17. Fomenko M.V., Prokhorov V.B., Fomenko N.E. Investigation of the Direct-flow Burners and Nozzles Arrangement at the Direct-flow-vortex Coal Combustion in a Furnace with Solid Slag Removal // J. Phys.: Conf. Series. 2021. V. 2088(1). P. 012015.
18. Клименко А.В., Зорин В.М. Тепловые и атомные электростанции. М.: Издат. дом МЭИ, 2007.
19. Соколов Н.В и др. Расчет и проектирование пылеприготовительных установок котельных агрегатов (нормативные материалы). Л.: НПО ЦКТИ, ВТИ, 1971.
20. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). СПб.: РАО «ЕЭС России», 1998.
---
Для цитирования: Фоменко М.В., Прохоров В.Б., Фоменко Н.Е. Оптимизация схемы сжигания кузнецкого тощего угля с использованием прямоточных горелочных устройств и сопел с твердым шлакоудалением // Вестник МЭИ. 2023. № 4. С. 72—79. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-4-72-79
---
Работа выполнена при поддержке: гранта Российского научного фонда (грант № 22-19-00722), https://rscf.ru/project/22-19-00722/
#
1. ITS 38—2022. Szhiganie Topliva na Krupnykh Ustanovkakh v Tselyakh Proizvodstva Energii. (in Russian).
2. Gosudarstvennyy Doklad o Sostoyanii i Ispol'zovanii Mineral'no-syr'evykh Resursov Rossiyskoy Federatsii v 2019 g. M.: Ministerstvo Prirodnykh Resursov i Ekologii Rossiyskoy Federatsii, 2020. (in Russian).
3. Teplovoy Raschet Kotel'nykh Agregatov (Normativnyy Metod). Pod red. Kuznetsova N.V. i dr. M.: Energiya, 1973. (in Russian).
4. GOST R 50831—95. Ustanovki Kotel'nye. Teplomekhanicheskoe Oborudovanie. Obshchie Tekhnicheskie Trebovaniya. (in Russian).
5. Arkhipov A.M., Lipov Yu.M., Prokhorov V.B. Ispol'zovanie Pryamotochnykh Gorelok i Sopl v Topkakh Kotlov: Innovatsionnyy Opyt MEI. M.: Izd-vo MEI, 2013. (in Russian).
6. Volkov E.P. i dr. Issledovanie Aerodinamiki Topki Kotla TPP-210A pri Perevode Ego na Tverdoe Shlakoudalenie i Organizatsii Vikhrevogo Szhiganiya Topliva. Teploenergetika. 2018;10:21—28. (in Russian).
7. Prokhorov V.B., Fomenko M.V., Fomenko N.E. Solid Fuel Combustion Processes Modelling in the Furnace in Terms of the Boiler K-50-14-250. J. Phys.: Conf. Series. 2020;1683(4):042050.
8. Ansys Fluent Iser’s Guide. Canonsburg: ANSYS Inc., 2012.
9. Ansys fluent Theory Guide. Canonsburg: ANSYS Inc., 2011.
10. Varnatts Yu., Maas U., Dibbl R. Gorenie. Fizicheskie i Khimicheskie Aspekty, Modelirovanie, Eksperimenty, Obrazovanie Zagryaznyayushchikh Veshchestv. M.: Fizmatlit, 2006. (in Russian).
11. Ranade V.V., Gupta D.F. Computational Modeling of Pulverized Coal Fired Boilers. Boca Raton: CRC Press, 2014.
12. Lipov Yu.M., Tret'yakov Yu.M. Kotel'nye Ustanovki i Parogeneratory. M., Izhevsk: NITS «Regulyarnaya i Khaoticheskaya Dinamika», 2005. (in Russian).
13. Verbovetskiy E.Kh. i dr. Metodicheskie Ukazaniya po Proektirovaniyu Topochnykh Ustroystv Energeticheskikh Kotlov. SPb.: VTI TSKTI, 1996. (in Russian).
14. GOST 28269—89. Kotly Parovye Statsionarnye Bol'shoy Moshchnosti. Obshchie Tekhnicheskie Trebovaniya. (in Russian).
15. Arkhipov A.M. i dr. Effektivnost' Ispol'zovaniya Pryamotochnykh Gorelok i Sopl pri Realizatsii Tverdogo Shlakoudaleniya v Topke Kotla TPP-210A. Teploenergetika. 2017;2:63—70. (in Russian).
16. Arkhipov A.M. i dr. Povyshenie Effektivnosti Szhiganiya Kuznetskogo Uglya v Pryamotochnom Vikhrevom Fakele. Nadezhnost' i Bezopasnost' Energetiki. 2015;3(30):50—55. (in Russian).
17. Fomenko M.V., Prokhorov V.B., Fomenko N.E. Investigation of the Direct-flow Burners and Nozzles Arrangement at the Direct-flow-vortex Coal Combustion in a Furnace with Solid Slag Removal. J. Phys.: Conf. Series. 2021;2088(1):012015.
18. Klimenko A.V., Zorin V.M. Teplovye i Atomnye Elektrostantsii. M.: Izdat. Dom MEI, 2007. (in Russian).
19. Sokolov N.V i dr. Raschet i Proektirovanie Pyleprigotovitel'nykh Ustanovok Kotel'nykh Agregatov (Normativnye Materialy). L.: NPO TSKTI, VTI, 1971. (in Russian).
20. Teplovoy Raschet Kotlov (Normativnyy Metod). SPb.: RAO «EES Rossii», 1998. (in Russian)
---
For citation: Fomenko M.V., Prokhorov V.B., Fomenko N.E. The Kuznetsk Lean Coal Combustion Scheme Optimization Using Straight-Flow Burners and Nozzles with Solid Slag Removal. Bulletin of MPEI. 2023;4:72—79. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-4-72-79
---
The work is executed at support: Grant of Russian Science Foundation (Grant No. 22-19-00722), https://rscf.ru/project/22-19-00722/
Published
2023-04-12
Section
Energy Systems and Complexes (2.4.5)
