151570 (Підвищення ефективності роботи котельних агрегатів шляхом пульсаційно-акустичного спалювання палива)

Національна металургійна академія України

АДАМЕНКО ДЕНИС Сергійович

УДК 621.438:662.767:532.517.4

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ КОТЕЛЬНИХ

АГРЕГАТІВ ШЛЯХОМ ПУЛЬСАЦІЙНО-АКУСТИЧНОГО

СПАЛЮВАННЯ ПАЛИВА

05.14.06 Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового степеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ 2008

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професорГІЧОВ ЮРІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, Національна металургійна академія України, професор кафедри промислової теплоенергетики, м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ЦИГАНКОВ ГРИГОРІЙ ТИМОФІЙОВИЧ, Український державний хіміко-технологічний університет, професор кафедри енергетики, м. Дніпропетровськ.

кандидат технічних наук, доцент КРЮЧКОВ ЄВГЕН МИКОЛАЙОВИЧ, Запорізька державна інженерна академія, доцент кафедри теплоенергетики, м. Запоріжжя.

Захист дисертації відбудеться “12” 02 2008 р. о 12³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: НМетАУ, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України, пр. Гагаріна, 4, м. Дніпропетровськ, 49600.

Автореферат розісланий “_04_”___01__2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В умовах дефіциту природного газу в Україні підвищення ефективності роботи котелень, які займають домінуюче положення серед джерел теплопостачання, є одним із пріоритетних завдань в енергозбереженні. Рішення цих завдань можливо шляхом підвищення ефективності згоряння палива за рахунок удосконалювання паливоспалюючих систем. Одним з таких напрямків є застосування пульсаційно-акустичних засобів впливу на процес спалювання палива, що дозволяють знизити втрати з хімічним недопалом і підвищити к.к.д. котельних агрегатів. Широкому впровадженню систем пульсаційно-акустичного згоряння палива перешкоджає відсутність науково-методичних основ їх створення, а також конструктивних рішень для промислової реалізації. Саме вирішенню цих завдань і присвячена дана робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами. Дисертаційна робота виконана відповідно державній програмі енергозбереження України, програмам Міністерства освіти і науки України та планам науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України (НМетАУ). Зокрема, зміст дисертаційної роботи ґрунтується на результатах виконання таких науково-дослідних робіт: “Розробка наукових основ впливу акустичних коливань на інтенсифікацію тепломасообмінних процесів” (тема Г007F10007), “Наукове обґрунтування та розробка систем автономного енергопостачання промислових підприємств” (тема Г007F10000), “Дослідження високотемпературної обробки відходів промисловості та сільського господарства з метою енергозбереження та поліпшення екологічного стану” (тема Г007G10006), у яких автор брав участь як відповідальний виконавець.

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є підвищення енергетичної ефективності роботи котельних агрегатів за рахунок зниження недопалу палива шляхом застосування пульсаційно-акустичного способу спалювання.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити наступні задачі:

• дослідити структуру та характеристики турбулентного дифузійного факела при пульсаційно-акустичному спалюванні на основі величини лінійного розміру вихорів;

• розробити математичну модель процесу вигоряння газоподібного палива в об'ємі турбулентного факела при пульсаційно-акустичному спалюванні;

• розробити математичну модель газодинамічних і теплових процесів у робочому об'ємі камерної топки при пульсаційно-акустичному спалюванні газоподібного палива;

• виконати експериментальні дослідження системи пульсаційно-акустичного спалювання на діючому паровому котлі;

• дослідити якісні та кількісні характеристики впливу акустичних пульсацій на показники ефективності роботи парового котла;

• розробити технологію та конструкцію системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котельних агрегатів і провести її промислову апробацію.

Об'єкт дослідження котельні агрегати із системами пульсаційно-акустичного спалювання палива.

Предмет дослідження газодинамічні та теплові процеси пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котлів.

Методи досліджень. Математичне моделювання процесів горіння, а також газодинамічних і теплових процесів при пульсаційно-акустичному спалювання палива з використанням ПЕОМ. Експериментальні дослідження технології пульсаційно-акустичного спалювання палива в топці парового котла.

Наукова новизна отриманих результатів.

1) Уперше запропонована система диференціальних рівнянь теплообміну, руху й нерозривності газового потоку для турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом на основі величини лінійного розміру вихорів, що дозволило:

• розрахунковим шляхом визначити діапазон частот амплітудно-частотної характеристики факела залежно від конструктивних характеристик пальника;

• визначити вплив лінійного розміру вихорів на інтенсифікацію процесів сумішоутворення та вигоряння газоподібного палива в об’ємі турбулентного дифузійного факела, що перебуває під зовнішнім пульсаційно-акустичним впливом.

2) Уперше експериментально підтверджено вплив зовнішніх пульсаційно-акустичних дій на якість спалювання газоподібного палива в топці парового котла: підвищення температури в топці на 50 60 ^ОС, зниження хімічного недопалу палива з 2,0% до 0,5 %, що відбувається за рахунок інтенсифікації процесів сумішоутворення та переміщення максимуму температур газу до вихідного перерізу амбразури пальників.

Практичне значення отриманих результатів.

• Розроблена й адаптована математична модель теплових і газодинамічних процесів, що відбуваються в топці парового котла при пульсаційно-акустичному спалюванні палива.

• Розроблені спосіб і конструкція системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках котельних агрегатів (патент на корисну модель "Спосіб спалювання палива" № 25300) і топка котла для здійснення способу (патент на корисну модель "Топка котла" № 25608), що пройшли промислову апробацію.

• Розроблені технологічні рекомендації зі застосування системи пульсаційно-акустичного спалювання палива на різних типах котельних агрегатів, на основі яких розроблено технічне завдання на реконструкцію топки парового котла ДКВР-10-13. Очікувана економія природного газу - 114 тис. м³/рік, строк окупності інвестицій менш одного року.

Особистий внесок здобувача. Експериментальні дослідження, що представлені в дисертаційній роботі, виконані при особистій участі автора разом зі співробітниками Національної металургійної академії України. Теоретичні дослідження виконані автором самостійно. У наукових працях автора, що виконані разом зі співавторами, його особистий внесок полягає: у розробці математичної моделі кінетики вигоряння газоподібного палива в об’ємі турбулентного факела і математичної моделі газодинамічних процесів, що відбуваються в топці парового котла при пульсаційно-акустичному спалюванні палива [1, 2, 4, 5, 9-13]; у розробці методики й участі в проведенні досліджень системи пульсаційно-акустичного спалювання палива в топці діючого парового котла, обробці й аналізі отриманих результатів [1-3, 5, 6, 10, 13, 14]; у розробці способу пульсаційно-акустичного спалювання палива й розробці конструкції топки котла для здійснення способу [7, 8].

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертаційної роботи були повідомлені й обговорені на міжнародних конференціях: "Теплотехника и энергетика в металлургии", Дніпропетровськ (Україна), 2002, 1-3 жовтня; “Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии”, Москва (Росія), 2002, 3-5 грудня; “Рациональное использование природного газа в металлургии”, Москва (Росія), 2003, 13-14 листопада; “Теория и практика решения экологических проблем в металлургической и горнодобывающей промышленности”, Дніпропетровськ (Україна), 2004, 5-7 жовтня; “Наука і Освіта ^/2005”, Дніпропетровськ (Україна), 2005, 7-21 лютого; "Теплотехника и энергетика в металлургии", Дніпропетровськ (Україна), 2005, 18-19 жовтня; “Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М.А. Глинкова”, Москва (Росія), 2006, 1-3 лютого; „Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепломасопереносу”, Дніпропетровськ (Україна), 2006, 16-17 листопада.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 14 друкованих працях: 2 - у спеціалізованих журналах, 4 - у збірниках наукових праць, 6 - у матеріалах і працях наукових конференцій, 2 - патенти на винахід. З них 6 - у виданнях, що входять у перелік ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку літературних джерел і додатків. Матеріал роботи викладений на 139 сторінках машинописного тексту, містить 10 таблиць, 34 рисунка, 5 додатків. Список використаних джерел становить 116 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження. Наведено нові наукові результати, що отримані в роботі, показана їхня практична цінність, визначено особистий внесок здобувача, представлені відомості про апробацію роботи.

У першому розділі розглянуто способи та варіанти технічного здійснення пульсаційно-акустичних впливів, що підвищують ефективність спалювання газоподібного палива. На підставі аналізу літературних джерел для досліджень обраний спосіб, пов'язаний із зовнішнім акустичним впливом на процес згоряння палива, технічне здійснення якого не вимагає конструктивних змін у котельному агрегаті та пальниках.

Дослідження впливу зовнішніх акустичних дій на процес горіння проводилися такими вченими як Л.А. Вуліс, Ш.А. Єршин, А.П. Ярін, О.А. Кузнєцов, Д.М. Хзмалян, Я.А. Каган, В.І. Фурлетов, В.А. Скляров, В.Є. Дорошенко, Ю.Я. Борисов, Е.І. Розенфельд, В.М. Смоленський, О.Б. Хаврошкин, Н.Н. Панченко та ін. Переважно це експериментальні дослідження, які виконувалися на лабораторних стендах у вузькому інтервалі характеристик турбулентного газового струменя факела.

Аналіз літературних джерел по акустичному спалюванню дозволяє констатувати:

• акустичні впливи викликають зміну конфігурації факела, причому істотна ця зміна в початковій частині факела;

• по своїй фізичній суті зміна конфігурації факела пов'язана зі зміною характеру вихроутворення у факелі, яке найбільш чуттєве до акустичних коливань у порівнянні з іншими газодинамічними процесами, що відбуваються у факелі;

• у зміні параметрів факела під дією акустичних коливань відзначене збільшення ступеня турбулентності, швидкості просування фронту горіння, інтенсивності тепловиділення, температури факела й, як наслідок цих змін, відзначене поліпшення якості згоряння палива, тобто зниження хімічного недопалу;

• при акустичному впливі на факел проявляється ефект резонансу, тобто аномальна зміна параметрів факела при збігу частот акустичного впливу із частотами коливань у факелі та усередині робочого об’єму камери згоряння.

Для розробки та впровадження пульсаційно-акустичного спалювання палива в топках парових котлів, необхідне вирішення ряду наукових і технічних завдань, які не досліджувалися раніше: визначення характеру вигоряння газоподібного палива за довжиною турбулентного факела, що перебуває під впливом зовнішніх акустичних пульсацій; дослідження впливу зовнішніх акустичних пульсацій на газодинамічну й теплову картину в робочому об’ємі камерної топки котла; розробка технології та апаратурного забезпечення системи зовнішніх акустичних впливів, яка адаптована до конкретних умов згоряння палива для різних типів котельних агрегатів.

Рішення цих завдань вимагає математичного моделювання. Аналіз існуючих математичних моделей, що описують процеси вигоряння газоподібного палива в об’ємі турбулентного факела, а також моделей газодинамічних і теплових процесів у робочому об’ємі камерної топки показав, що відомі моделі не дозволяють урахувати вплив зовнішніх акустичних дій. Це потребує розробки нового підходу при математичному моделюванні.

У другому розділі виконано теоретичні та експериментальні дослідження структури та характеристик турбулентного дифузійного факела при пульсаційно-акустичному спалюванні палива.

Теоретичні дослідження виконані шляхом математичного моделювання процесу вигоряння газоподібного палива на основі величини лінійного розміру вихорів. Еквівалентний діаметр вихорів, що утворюються, залежно від конструктивних характеристик пальника і відповідно до характеру вихороутворення, приймався рівним d_В= (де - діаметр отворів, через які витікає газ у потік повітря, м). При русі вихорів у потоці, розміри вихорів збільшуються внаслідок їхньої асоціації до d_В= .

Математичне моделювання виконано шляхом розділення факела на лінійні відрізки, що відповідають розмірам вихорів, і опис процесу вигоряння в об’ємах цих відрізків. Допущеннями при моделюванні були фіксований об’єм факела, а також рівномірний попередній підігрів газу в об’ємі вихорів до температури запалювання.

На рис. 1 представлена розрахункова схема для моделювання процесу вигоряння газоподібного палива.

Математичне моделювання виконане шляхом спільного рішення диференціальних рівнянь теплообміну, руху й нерозривності газового потоку, перетворених з урахуванням прийнятих фізичних уявлень про утворення вихорів у турбулентному факелі та з урахуванням діаметрів вихорів (d_В):

, (1)