Автореферат (Исследование факельного сжигания низкосортного твердого топлива угрубленного помола в системе прямоточных турбулентных струй)

На правах рукописиКАВЕРИН АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧИССЛЕДОВАНИЕ ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯНИЗКОСОРТНОГО ТВЁРДОГО ТОПЛИВАУГРУБЛЕННОГО ПОМОЛА В СИСТЕМЕПРЯМОТОЧНЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ СТРУЙСпециальность: 05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетическиесистемы и агрегатыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20172Работа выполнена на кафедре тепловых электрических станций федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования"Национальный исследовательский университет "МЭИ"Научный руководитель:Зройчиков Николай Алексеевичдоктор технических наук, профессор,заместитель генерального директора по науке АО«ЭНИН», профессор кафедры ТЭС ФГБОУ ВО«НИУ «МЭИ», г.

МоскваОфициальные оппоненты: Любов Виктор Константиновичдоктор технических наук, профессор, заведующийкафедрой теплоэнергетики и теплотехники ФГАОУВО«Северный(Арктический)федеральныйуниверситет имени М.В. Ломоносова,г. АрхангельскГрибков Александр Михайловичкандидат технических наук, профессор кафедры ТЭСФГБОУВО«Казанскийгосударственныйэнергетический университет», г. КазаньВедущая организация:ФГБОУ ВО «Ивановский государственныйэнергетический университет им.

В.И. Ленина»,г. ИвановоЗащита диссертации состоится «28» февраля 2018 г. в 16 часов 00 мин. на заседаниидиссертационного совета Д 212.157.07 при ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» по адресу:111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Зал Ученого совета НИУ «МЭИ».С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» и насайте www.mpei.ru.Автореферат разослан ____ октября 2017 г.Ученый секретарь диссертационного советаД 212.157.07 к.т.н., доцентИльина И.П.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫНесмотря на экономические кризисы 2008 г.

и 2014 г. общая тенденцияроста угледобычи в России сохраняется, пик добычи приходится на 2016 г. (385,4млн. т). Минэнерго в 2017 году прогнозирует следующую динамику по добыче углядо 2019 г.: 2017 г. – 387 млн. т, 2018 г. – 389 млн. т, 2019 г. – 395 млн. т. Согласно«Долгосрочной программе развития угольной промышленности России на периоддо 2030 г.» планируется увеличить добычу угля в Восточной Сибири и на ДальнемВостоке с созданием новых угледобывающих центров в этих регионах. Доля этихрегионов в общей добыче угля по России возрастёт с 35,7% в 2011 г.

до 47% к 2030г. В программе «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» объёмдобычи угля к 2030 г. прогнозируется на уровне 430–470 млн. т, из них 250 млн. т –внутреннее потребление. Доля угля в выработке электроэнергии на тепловыхэлектростанциях должна существенно увеличиться – с 28 до 36%. В связи с этиминтерес к эффективным и экологически безопасным технологиям сжигания углейбудет неуклонно расти.Особый интерес представляют технологии сжигания низкосортных топлив сповышенной долей балласта - влаги или золы, ввиду их низкой стоимости. Наиболеепривлекательный для ТЭС вариант - это сжигание низкосортных местных углей, т.к.при этом сокращаются расходы на транспортировку топлива.

Однако использованиетаких углей накладывает дополнительные требования к организации процессапылеприготовления и сжигания.Одним из перспективных направлений решения проблемы являетсяприменение комбинированных схем сжигания. Способ компоновки горелок ивоздушных сопл содержит огромный потенциал в плане повышения устойчивостивоспламенения, эффективности выгорания твёрдого топлива и сниженияобразования NOx.

Вопросы применения комбинированных схем сжигания, вкоторых в результате более оптимального взаимодействия горелочных и воздушныхструй образуется сложная топочная аэродинамика, отличная от традиционных схем,на сегодняшний день изучены недостаточно полно и требуют глубокоготеоретического и экспериментального исследования.4Котельное оборудование на большинстве ТЭС России выработало свой ресурси отличается значительным физическим износом.

Всё вышеуказанное неизбежноведёт к необходимости модернизации или замены котельных установок. Такимобразом актуальной становится задача разработки эффективной, надежной иэкологически безопасной технологии сжигании низкосортного угля, требующейминимальных капитальных затрат на реконструкцию котельного оборудования.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫЦель настоящей работы состоит в разработке научных основ создания новыхкомбинированных схем сжигания на основе прямоточных горелок и сопл длязабалластированной угольной пыли угрубленного помола, с улучшениемсуществующих показателей по эффективности и экологичности горения для данныхтоплив. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:создать, верифицировать и настроить численную модель топочнойкамеры в программном комплексе ANSYS Fluent для случаев горения наиболеезабалластированных топлив: влажного бурого угля марки Б1 (Wp=52%; Qнр=7,3МДж/кг) и высокозольного каменного угля (Ар=40%; Qнр=16,3 МДж/кг);усовершенствоватьтехнологиюфакельногосжиганиязабалластированных топлив угрубленного помола за счёт организации оптимальнойвнутритопочной аэродинамики и модернизации элементов технологической схемысжигания;выполнить вариантные численные расчёты горения высокозольногокаменного угля в комбинированных схемах на базе котла П-57 и оценить вкладконструктивных и режимных параметров на горение угля Экибастузскогоместорождения;разработать комплексную схему модернизации котла ТП-14А,включающуюсовершенствованиепроцессапредварительнойсушкивысоковлажного бурого угля в устройстве нисходящей сушки и горения в топочнойкамере на основе прямоточных горелок и сопл;оценить экономическую эффективность практической реализациивариантов модернизации котлов, сжигающих высоковлажные бурые ивысокозольные каменные угли.5ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯОбъектом исследования являются комбинированные схемы сжиганиязабалластированных углей угрубленного помола на базе котлов П-57 и ТП-14А спрямоточными горелками и соплами.НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ1.Предложены новые решения по устойчивому и эффективномуфакельному сжиганию забалластированного угля угрубленного помола с низкимивыбросами NOx и минимальными затратами на модернизацию топки и пылесистемыкотла.2.Разработаны новые варианты комбинированных схем сжиганиянизкосортных углей, с улучшением существующих показателей по эффективности иэкологичности горения для данных типов топлив.3.Проведено исследование горения забалластированных топливугрубленного помола в комбинированных схемах сжигания с различнымивариантами компоновки горелок и сопл, определено влияние конструктивных,компоновочных и режимных факторов на горение топлива, топочную аэродинамикуи образование оксидов азота NOx.4.Разработан метод оценки эффективности сжигания топлива вкомбинированных схемах с помощью построения уравнения регрессии отнезависимых переменных.

Составлено уравнение регрессии, позволяющеепрогнозировать потери с механическим недожогом для вновь проектируемыхкомбинированных схем для котлов, сжигающих экибастузский уголь марки СС.5.С помощью численного моделирования процесса предварительнойсушки высоковлажного бурого угля в сушильной шахте получены зависимостиизменения температуры и влагосодержания для частиц угля разного размера отвремени пребывания в шахте.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫТеоретическая значимость состоит в развитии метода факельного сжиганиязабалластированных углей угрубленного помола на основе оптимизациикомпоновки прямоточных горелок и сопл и разработке метода прогнозированиявыгорания экибастузского угля марки СС в комбинированных схемах сжигания.6ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫПолученные в диссертационной работе данные создают предпосылки дляпроектирования топок котельных установок на основе комбинированных схемсжигания, позволяющих сжигать топливо угрубленного помола с приемлемымипоказателями экономичности и экологической безопасности.

Разработанная вданной работе схема сжигания тюльганского угля марки Б1 в котле ТП-14Авключена в инвестиционный проект "Техническое перевооружение парового котласт.№7 Кумертауской ТЭЦ ООО "БГК".МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯВ настоящей работе применялось математическое моделирование,регрессионный анализ, аппроксимация и экстраполяция. Расчеты топки, тепловойсхемы котла и пылесистемы выполнялись в специализированных программах ANSYS Fluent, Boiler Designer и Stoker.

Результаты численного моделированиятопки верифицировались с данными испытаний действующих котлов.ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУрезультаты вариантных численных расчетов комбинированных схемсжигания для котла П-57, показывающие влияние конструктивных, компоновочныхи режимных факторов на топочную аэродинамику, горение топлива и образованиеоксидов азота NOx.комбинированные схемы сжигания для котла П-57 и для котла ТП-14А,позволяющие сжигать забалластированное топливо угрубленного помола сулучшением существующих показателей экономичности и экологичности дляданных котлов.вариантмодернизациипроцессапредварительнойвысоковлажных углей в устройстве нисходящей сушки.сушкиуравнение регрессии, позволяющее прогнозировать потери смеханическим недожогом для вновь проектируемых комбинированных схем длякотлов на экибастузском угле марки СС.рекомендации по организации топочного процесса применительно ккомбинированным схемам сжигания с прямоточными горелками и соплами инижним воздушным дутьём.7СТЕПЕНЬ ДОСТОВЕРНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВДостоверность результатов обеспечивается применением апробированныхматематических моделей и программных продуктов.

Высокое совпадениерезультатов численного моделирования с данными испытаний на действующихкотлах и результатами теплового расчета топки по нормативному методу тепловогорасчёта котельных агрегатов (под ред. Н.В. Кузнецова, В.В. Митора, И.Е.Дубовского, Э.С. Карасиной, 1973 г.).ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРАЛичный вклад автора состоит в: разработке, верификации и валидациичисленной модели топки для случаев сжигания высоковлажного бурого ивысокозольного каменного угля в программе ANSYS Fluent; разработке новыхкомбинированных схем факельного сжигания забалластированных углейугрубленного помола на основе прямоточных горелок и сопл; выполнениивариантных численных расчетов горения забалластированных углей угрубленногопомола в комбинированных схемах; разработке варианта модернизации устройстванисходящей сушки высоковлажного бурого угля и выполнении численногомоделирования процесса сушки; разработке нового подхода предпроектногопрогнозирования потерь с мехнедожогом в комбинированных схемах сжигания иразработке уравнения регрессии для прогнозирования потерь с мехнедожогом длякомбинированных схем, сжигающих экибастузский уголь.АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯОсновные положения и результаты диссертационного исследованиядокладывались на: XXI международной научно-технической конференциистудентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" 26-27февраля 2015 г., г.Москва; XXII международной научно-технической конференциистудентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" 25-26февраля 2016 г., г.Москва; XV международной научно-практической конференции«Тенденции развития науки и образования», 25.06.16, г.