Влияние изменения нагрузки котельного агрегата на топочные процессы

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью оценки стабильности горения, теплового напряжения и эмиссии оксидов азота (NOx) при снижении нагрузки парового котла. Поскольку в перспективе большое внимание будет уделяется возобновляемым источникам энергии и АЭС, то угольные ТЭС будут работать на пониженных нагрузках, поэтому важно исследовать надежность эксплуатации и экологические параметры котельного агрегата при регулировании нагрузки. Цель: исследование выгорания пылеугольного топлива, температурных параметров и эмиссии NOx при снижении нагрузки котельного агрегата до 50 % в базовой компоновке и с учетом наличия сопел третичного дутья. Объекты: топочная камера котельного агрегата с естественной циркуляцией паропроизводительностью 220 т/час в базовой компоновке и с соплами третичного дутья. Методы. Применен пакет прикладных программ FIRE-3D для численного исследования. Горение пылеугольного топлива является сложным физико-химическим процессом, поэтому взаимодействие газового потока и твердых частиц моделировалось с использованием эйлеровой и лагранжевой схем соответственно. В газовой фазе моделируется выгорание летучих веществ и CO с дальнейшим догоранием углеродного остатка. Прогноз эмиссии NOx моделировался с помощью моделей постобработки, включающих образование быстрых, топливных и термических оксидов азота. Результаты. Получены поля температур, характеристики потока, выбросов NOx для различных нагрузок топочной камеры котельного агрегата паропроизводительностью 220 т/час на основе численного моделирования. Получены количественные оценки параметров топочной среды, соответствующие нескольким уровням снижения нагрузки котла вплоть до 50 % от номинальной. Установка четырех сопел третичного дутья позволяет снизить выбросы NOx на 12,75 % при теоретически необходимом количестве воздуха в горелочных устройствах (α=1,0)

Relevance. The need to assess the stability of combustion, thermal stress and nitrogen oxides (NOx) emission during load reduction of a steam boiler. Since renewable energy sources and nuclear power plants will receive great attention in the future, coal-fired thermal power plants are to operate at reduced loads, so it is important to investigate the reliability of operation and environmental parameters of the boiler unit in case of load adjustment. Aim. To investigate pulverized coal fuel burnout, temperature parameters and NOx emission at 50% reduction of boiler unit load in the base configuration and taking into account installation of tertiary blast nozzles. Objects. Furnace chamber of a natural circulation boiler unit with steam capacity of 220 t/h in the baseline layout and with tertiary air nozzles. Methods. The package of application programs FIRE-3D for numerical study was applied. Combustion of pulverized coal fuel is a complex physical and chemical process, therefore the interaction of gas flow and solid particles was modeled using Eulerian and Lagrangian schemes, respectively. In the gas phase, the combustion of volatiles and CO with further combustion of carbon residue are modeled. NOx emission is modeled using post-treatment models including formation of fast, fuel and thermal nitrogen oxides. Results. Temperature fields, flow characteristics, NOx emissions for different loads of the furnace chamber of the boiler unit with steam capacity of 220 t/hour are obtained on the basics of numerical modeling. The authors have obtained quantitative estimations of furnace environment parameters corresponding to several levels of boiler load reduction up to 50% of the nominal one. Installation of four tertiary blast nozzles allows reducing NOx emissions by 12.75% at theoretically required amount of air in burner devices (α=1.0)