Теплофизическая и экологическая оценка использования природного газа при реконструкции пылеугольного котла

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью оценки полноты выгорания топлива, эмиссии вредных веществ и температурного напряжения экранных поверхностей топочной камеры пылеугольного котельного агрегата при его реконструкции для организации сжигания природного газа. В настоящее время перевод топливосжигающих установок с твердого топлива на природный газ является весьма актуальным в связи с существенно более низким выбросом углеродных соединений. Цель: исследование физико-химических процессов в топочной камере на различных нагрузках с факельным сжиганием природного газа и оценка эффективности организации горения при реконструкции пылеугольного котла. Объекты: топочная камера котельного агрегата паропроизводительностью 210 т/час, горелочные устройства, параметры топочной среды. Методы: сравнение результатов аналитических тепловых расчетов и результатов численного моделирования. Численное моделирование горения газового факела выполнено с использованием программного пакета ANSYS Fluent. Для описания турбулентного потока применялись подходы Reynold Avaraged Navier-Stokes, основанные на осреднении уравнений Навье-Стокса по числу Рейнольдса с дополнительными уравнениями массовой плотности турбулентной энергии k и скорости диссипации турбулентной энергии ε. Результаты. Проведено численное исследование физико-химических процессов в топочной камере котельного агрегата после его реконструкции под организацию сжигания природного газа. Получены зависимости изменения температурного уровня, гидродинамики и концентраций компонентов продуктов сгорания в объеме топки на различных нагрузках. Установлено перераспределение высокотемпературных продуктов сгорания к фронтовой и тыльным стенам, что приводит к образованию зон в пристенном слое со значительным температурным градиентом. Сопла третичного дутья способствуют снижению эмиссии оксидов азота в топочном объеме за счет подавления их образования из-за недостатка кислорода в зоне горения, а также за счет снижения температуры факела в окислительной зоне

The relevance of the investigation is caused by the need to assess the completeness of fuel combustion, harmful emissions, and temperature stress of the screen surfaces of a pulverized coal-fired boiler during its reconstruction for natural gas combustion. Currently, the conversion of solid fuel combustion installations to natural gas is highly relevant due to significantly lower emissions of carbon compounds.The main aim of this research is to study the physicochemical processes in the combustion chamber at various loads with flammable natural gas combustion and evaluate the effectiveness of combustion organization during the reconstruction of a pulverized coal-fired boiler. Objects: combustion chamber of a boiler unit with a steam capacity of 210 t/h, burners, parameters of the combustion chamber environment. Methods: comparison of results obtained from analytical thermal calculations and numerical modeling. The numerical simulation of gas flare combustion was performed using the ANSYS Fluent software package. Reynolds Averaged Navier-Stokes approaches based on averaging the Navier-Stokes equations over the Reynolds number with additional equations for the turbulent kinetic energy k and the rate of turbulent kinetic energy dissipation ε were applied to describe the turbulent flow. Results. A numerical study of the physicochemical processes in the combustion chamber of a boiler unit was conducted after its reconstruction for natural gas combustion. Dependencies of temperature level changes, hydrodynamics, and concentrations of combustion products components in the volume of the combustion chamber at various loads were obtained. It was found that high-temperature combustion products are redistributed towards the front and rear walls, resulting in the formation of zones in the wall layer with a significant temperature gradient. The nozzles of the tertiary air contribute to the reduction of nitrogen oxide emissions in the combustion chamber by suppressing their formation due to oxygen deficiency in the combustion zone, as well as by lowering the temperature of the flame in the oxidizing zone