Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2022
Ключевые слова: тепломассообмен, аэродинамика, вихревые многофазные турбулентные реагирующие течения, физическое и математическое моделирование, бесконтактные методы диагностики, 3D численные расчеты, способы управления процессами переноса, перспективные вихревые топочные устройства, горение низкокачественного угля, энергоэффективность, экологическая безопасность
Аннотация: Разработано и создано новое вихревое горелочное устройство малой мощности для совместного сжигания угольного и жидкого углеводородного топлива при распылении высокоскоростной струей перегретого водяного пара. В горелке реализован способ тангенциальной (вихревой) подачи пылеугольного топлива совместно с вторичным воздухом в область Показать полностьюгорения жидкого топлива. Проведены лабораторные испытания и опытная оптимизация режимных параметров.?Получены результаты экспериментальных исследований калориметрических, газоаналитических и температурных измерений характеристик процесса горения угольного и жидкого топлива в исследуемых режимах работы созданного горелочного устройства. Рассмотрены 3 основных варианта сжигания: горение одиночного жидкого топлива с подачей пара; горение одиночного жидкого топлива с паром и подачей вторичного воздуха; совместное горение жидкого и пылеугольного топлива в условиях паровой газификации. Экспериментально показана принципиальная возможность совместного сжигания пылеугольного и жидкого топлива в разработанном вихревом горелочном устройстве малой мощности. Полученная информация об основных теплотехнических (тепловыделение, температура факела) и экологических (содержание промежуточных и конечных продуктов сгорания, в т.ч. токсичных выбросов) показателей при совместном сжигании угольного и жидкого углеводородного топлива демонстрируют перспективность как подхода, так и созданной новой конструкции вихревого горелочного устройства малой мощности для совместного сжигания угольного и жидкого углеводородного топлива при распылении высокоскоростной струей перегретого водяного пара.?Разработана математическая модель совместного сжигания угольного и жидкого углеводородного топлива при распылении высокоскоростной струей перегретого водяного пара. Математическое описание включает в себя комплекс взаимосвязанных моделей, описывающих турбулентное движение газа, перенос тепловой и лучистой энергии, процессы горения, газификации и движения капель дизельного топлива и угольных частиц и т.д. Для численного моделирования нестационарного турбулентного течения газов использовалась URANS k-w SST модель Ментора. Движение капель дизельного топлива и частиц угля описывалось уравнениями динамики материальной точки с учетом силы сопротивления и силы тяжести. Учет турбулентности потока при движении частицы производился введением случайных флуктуаций скорости газа в уравнение движения для частиц. Для решения уравнения переноса теплового излучения использовался метод дискретных ординат. Коэффициенты поглощения газа вычислялись по модели суммы серых газов. Расчет горения газообразных компонент базировался на модель EDC которая позволяет использовать подробные химические механизмы в турбулентных реагирующих потоках. Дизельное топливо представлялось в виде n-гептана (C7H16). Для описания химических реакций использовался редуцированный механизм с 60 реакциями и 35 компонентами, разработанный в исследовательском центре (ERC) университета Висконсина. Процесс горения угольной частицы рассматривался в виде следующих последовательных этапов: испарение влаги из топлива, выход и горение летучих компонент и горение коксового остатка. Скорость реагирования коксового остатка рассчитывалась согласно положениям классической диффузионно-кинетической теории. Для описания процессов реагирования твердого углерода в математическую модель включены реакции окисления и паровоздушной конверсии угля. Модель реализована в CFD пакете Ansys Fluent.?Проведена адаптация комплексной модели процессов при горении твердого и жидкого углеводородного топлива по результатам данных лабораторных испытаний горелочного устройства. Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными показало удовлетворительное соответствие основных параметров горения, таких как распределение температуры, концентраций окислителя – О2 и продуктов горения СО2, а также промежуточных продуктов реакции – СО и Н2, для разных режимов работы горелочного устройства: сжигание только жидкого топлива; сжигание жидкого топлива с подачей вторичного воздуха; совместного сжигания жидкого топлива и пылеугольного топлива. Получены результаты расчетных исследований влияния параметров топливной смеси и режимных параметров на эффективность сжигания топлива в горелочном устройстве и экологические характеристики уходящих газов. ?Анализ результатов показал, что тангенциальный ввод угольной пыли, реализованный в экспериментальной горелке, приводит к ее осаждению в камере, а также к интенсивной сепарации частиц после их выхода из горелки, т.е. увеличению недожега топлива. Поэтому расчетным было путем выполнено оптимизация горелочного устройства с вводом угольной пыли прямоточной струей вторичного воздуха. Такая организация устройства позволила обеспечить стабильное горение факела при сжигании в горелки смеси жидкого и угольного до соотношения 50% на 50% по тепловой мощности. При этом газовые компоненты выгорают полностью, а недожег твердого топлива не превышает 5%. В результате моделирования проанализированы варианты с различной долей загрузки угольной пылью от 0 до 50%. Хотя результаты расчета близки к полученным экспериментальным данным, варьирование параметров для полученной модели и оптимизация рабочих параметров требует подтверждение на экспериментальной установке и планируется на следующем этапе проекта.?Результаты исследований обобщены и представлены в подготовленных научных публикациях в форме докладов на всероссийских и международных конференциях, статей в высокорейтинговых научных журналах, входящих в базы Web of Science и Scopus.?Подана заявка на патент на изобретение на разработанное горелочное устройство (заявка зарегистрирована в ФИПС 01.11.2022).?