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. ww.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 низко-температурной 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, No1. – 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
Как цитировать
Мессерле, В., Умбеткалиев, К., & Устименко, А. (2020). Трехмерный расчет плазменной активации горения Экибастузского угля в топке котла ПК-39-II. ГОРЕНИЕ И ПЛАЗМОХИМИЯ, 18(3), 111-126. https://doi.org/10.18321/cpc356