ТРЕХМЕРНЫЙ РАСЧЕТ ПЛАЗМЕННОЙ АКТИВАЦИИ ГОРЕНИЯ ЭКИБАСТУЗСКОГО УГЛЯ В ТОПКЕ КОТЛА ПК-39-II

  • В.Е. Мессерле Институт проблем горения, ул. Богенбай Батыра 172, Алматы, Казахстан
  • К.А. Умбеткалиев Институт проблем горения, ул. Богенбай Батыра 172, Алматы, Казахстан
  • А.Б. Устименко ТОО «Плазматехника R&D», НИИ Экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. аль-Фараби, Алматы, Казахстан
Ключевые слова: уголь, горение, плазменная активация, плазменно-топливная система, трехмерный расчет, топка котла

Аннотация

В работе представлены результаты расчетов плазменного воспламенения и горения угля в топке котла ПК-39-II Рефтинской ГРЭС. Расчеты выполнены с использованием программ кинетических расчетов Plasma-Coal и Cinar ICE. Для математического моделирования процесса сжигания угля в топке котла использовалась трехмерная математическая модель Cinar ICE. Cinar ICE – это программный комплекс для физического моделирования и расчета гидродинамики, тепломассообмена и горения топлив в объеме топочных устройств. Уравнения сохранения массы и импульса решаются методом контрольных объемов с использованием алгоритма Патанкара. Для описания осредненных во времени уравнений сохранения для газовой фазы используется подход Эйлера. В Эйлеровом подходе частицы интерпретировались как псевдо-газ, т.е. учитывались лишь источник или сток массы, обмен импульсом и энергией. Для моделирования поведения твердой фазы использовался подход Лагранжа, учитывающий динамическое и тепловое отставание частиц, движущихся в потоке. Турбулентность моделируется с помощью стандартной “k-   e  ” модели турбулентности. Выполнено сравнение результатов расчетов для двух режимов горения пылеугольного топлива, традиционного и с использованием плазменной активации горения угля. Показано, что применение плазменно-топливных систем для активации горения твердого топлива позволяет оптимизировать процесс горения угля в топочной камере. Анализ распределения основных характеристик процесса горения показывает, что применение плазменно-топливных систем для растопки котла и стабилизации горения пылеугольного факела положительно влияет на характеристики процесса сжигания, снижая выход NO и мехнедожог топлива как в топочном пространстве, так и на выходе из него. Использование 12 плазменно-топливных систем позволяет понизить температуру сгорания продуктов на выходе топки на 7%, выход оксида азота на 40%, концентрации кислорода на 6% и мехенедожог топлива на 43%.

Литература

[1]. BP Energy Outlook 2035. February 2015. BP p.l.c., 2015. 98 p. http://www.bp.com/content/dam/bp/pdf/energy-economics/energy-outlook-2015/bp-energy-outlook-2035-booklet.pdf
[2]. Key World Energy Statistics 2012: International Energy Agency. OECD/IEA, Paris, 2012. – 80 p. www.iea.org
[3]. Key World Energy Statistics 2011 Edition, International Energy Agency, OECD/IEA, Paris, 2011. – 80 p www.iea.org
[4]. Messerle V.E., Ustimenko A.B. Coal Combustion: Plasma-Assisted. In Encyclopedia of Plasma Technology. Edited by J. Leon Shohet. CRC Press 2016. Published: 07 Feb 2017. P. 269–283. Print ISBN: 978-1-4665-0059-4; eBook ISBN: 978-1-4822-1431-4. https://doi.org/10.1081/E-EPLT-120053800
[5]. Messerle V.E., Karpenko Е.I., Ustimenko A.B. Plasma assisted power coal combustion in the furnace of utility boiler: Numerical modeling and full-scale test // Fuel, 2014. – V. 126. – P. 294–300.
[6]. Карпенко Е.И., Мессерле В.Е. Плазменно-энергетические технологии использования твердых топлив. // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. / Под ред. академика РАН Фортова, В.Е. — М.: Наука. 2000. Т.4. – С.359–370.
[7]. V.E. Messerle, A.B. Ustimenko. Plasma-assisted ignition and combustion of pulverized coal // Scientific Program & Book of Abstracts of the 11th International Symposium on Non-Thermal/Thermal Plasma Pollution Control Technology & Sustainable Energy, Montegrotto Terme, Italy, July 1-5, 2018. – P. 49.
[8]. Мессерле В.Е., Устименко А.Б. Плазменное воспламенение и горение твердого топлива. (Научно-технические основы). // Saarbrucken, Germany: Palmarium Academic Publishing (ISBN: 978-3-8473-9845-5), 2012. – 404 с.
[9]. Messerle V.E., Karpenko E.I., Ustimenko A.B., Lavrichshev O.A. Plasma preparation of coal to combustion in power boilers // Fuel Processing Technology, March 2013. – V. 107. – P. 93–98.
[10]. Lockwood F.C., Mahmud T., Yehia M.A. Simulation of pulverised coal test furnace performance // Fuel, 1998. – V. 77, No.12. – P. 1329–1337.
[11]. Lockwood F.C., Saloja A.P. and Syed S.A. A Prediction Method for Coal Fired Furnaces. // Combustion and Flame, 1980. – V. 38. – P. 1–15.
[12]. Patankar S.V. Numerical heat transfer and fluid flow, Taylor & Francis. London, 1980.
[13]. Levy J.F. Prediction of Flows, Combustion and Heat Transfer in Coal Fired Cement Kilns, Ph.D. Thesis, University of London, London, 1991.
[14]. Jones W.P., Launder B.E. The Prediction of Laminarization with a Two-equation model of Turbulence // Int. J. Heat and Mass Transfer, 1972. – V. 15, No.2. – P. 301–314.
[15]. Kandamby N.H., Lazopoulos G., Lockwood F.C., Perera A., Vigerano L. // Proceedings of the ASME IJPGC Conference, Huston, Texas, October 1996.
[16]. Anthony D.B., Howard J.B. Coal Devolatilisation and Hydro-gasification, A.I.Ch.E Journal, 1976. – V. 22, No. 4.
[17]. Badzioch S. and Hawkesley P.G.W. Kinetics of Thermal Decomposition of Pulverised Coal Particles, Ind. Eng. Chem. Process Des. Develop., 1970. – V. 9, No. 4.
[18]. Field M.A., Gill D.W., Morgan B.B., Hawksley P.G.W. Combustion of Pulverised Coal, BCURA, England, Publisher: Cheney &Sons Ltd, England, 1968.
[19]. Arscott J.A., Gibb J., Jenner R. European Symposium, The Combustion Institute, Sheffield, 1973.
[20]. Trulove J.S. A Mixed Grey Gas Model for Flame Radiation, AERE HARWELL R-8494, 1976.
[21]. DeSoete G.G. // Overall Reaction Rates of NO and N2 Formation from Fuel Nitrogen // Proceedings of the 15th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, 1975. – P. 1093.
[22]. DeSoete G.G. // Heterogeneous N2O and NO Formation from Bound Nitrogen Atoms during Coal Char Combustion / Proceedings of the 23rd Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, 1990. – P. 1257.
[23]. Sawyer R.F. // The Formation and Destruction of Pollutants in Combustion Processes: Clearing the Air on the Role of Combustion Research // Proceedings of the 18th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, 1981. – P. 1.
[24]. Levy J., Chan L., Sarofim A. and Beer J. NO/Char Reactions at Pulverised Coal Flame Conditions, Proceedings of the 19th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, 1981. – P. 111.
[25]. Dimitriou D., Kandamby N.H. and Lockwood F.C. A Mathematical Modelling Technique for Gaseous and solid Fuel Reburning in Pulverised Coal Combustors // Fuel. – 2003. – V. 82, No.15–17. – P. 2107–2114.
[26]. Messerle V.E., Ustimenko A.B., Umbetkaliev K.A. Plasma ignition of dust-coal flame // Горение и плазмохимия, 2019. – Т.17, №1. – С. 14–22.
[27]. Gorokhovski M., Karpenko E.I., Lockwood F.C., Messerle V.E., Trusov B.G., Ustimenko A.B. Plasma Technologies for Solid Fuels: Experiment and Theory. // Journal of the Energy Institute, 2005. – V. 78, N 4. – P. 157–171.
Опубликован
2020-09-29