Диссертация (Экспериментальное исследование гидродинамики и теплообмена в каналах малого диаметра при высоких приведенных давлениях)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиКаверин Александр АлександровичИССЛЕДОВАНИЕ ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ НИЗКОСОРТНОГОТВЁРДОГО ТОПЛИВА УГРУБЛЕННОГО ПОМОЛА В СИСТЕМЕПРЯМОТОЧНЫХ ТУРБУЛЕНТНЫХ СТРУЙСпециальность 05.14.14 – Тепловые электрические станции, ихэнергетические системы и агрегатыДиссертацияна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наукпрофессорЗройчиков Николай АлексеевичМосква 20172ОГЛАВЛЕНИЕ1.

ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГОТОПЛИВА УГРУБЛЕННОГО ПОМОЛА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИИССЛЕДОВАНИЯ ........................................................................................................ 131.1 Методы сжигания твёрдого топлива .................................................................. 131.2 Виды традиционных пылеугольных топочных камер .....................................

161.3 Специальные конструкции топочных камер ..................................................... 211.4 Технологические аспекты факельного сжигания низкосортного угляугрубленного помола ................................................................................................. 301.4.1 Схемы пылеприготовления и сжигания углей ............................................ 301.4.2 Системы нижнего воздушного дутья ...........................................................

341.4.3 Методы интенсификации сжигания низкосортного угля угрубленногопомола ...................................................................................................................... 371.5 Выводы по первой главе, постановка задачи исследования ........................... 422. ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.ВЕРИФИКАЦИЯ И ВАЛИДАЦИЯ ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ ТОПКИ ДЛЯСЛУЧАЕВ СЖИГАНИЯ ЗАБАЛЛАСТИРОВАННЫХ ТОПЛИВ .......................... 452.1 Описание математической модели топочной камеры......................................

462.2 Верификация и валидация численной модели топочной камеры присжигания высоковлажного бурого угля в котле ТП-14А....................................... 522.2.1 Описание котла ТП-14А Кумертауской ТЭЦ ............................................. 522.2.2 Построение разностной сетки и оценка сходимости численной модели 562.2.3 Сопоставление результатов моделирования с данными испытаний ........ 622.3 Верификация и валидация численной модели топочной камеры присжигании высокозольного каменного угля в котле П-57 ...................................... 672.3.1 Описание котла П-57 Троицкой ГРЭС ........................................................

672.3.2 Построение разностной сетки и оценка сходимости численной модели 712.3.3 Сопоставление результатов моделирования с результатами испытаний 7532.4 Выводы .................................................................................................................. 793. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СЖИГАНИЯ ВЫСОКОЗОЛЬНОГОКАМЕННОГО УГЛЯ В КОМБИНИРОВАННЫХ СХЕМАХ .................................. 813.1 Исходные данные численного исследования ....................................................

813.2 Численное исследование комбинированных схем сжигания .......................... 843.2.1 Вариант комбинированной схемы №1......................................................... 843.2.2 Вариант комбинированной схемы №2......................................................... 933.2.3 Вариант комбинированной схемы №3......................................................... 983.2.4 Вариант комбинированной схемы №4.......................................................

1023.3 Регрессионный анализ результатов моделирования ...................................... 1053.4 Выводы ................................................................................................................ 1134. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОДГОТОВКИ ИСЖИГАНИЯ НИЗКОСОРТНОГО ВЫСОКОВЛАЖНОГО БУРОГО УГЛЯ ВКОМБИНИРОВАННОЙ СХЕМЕ..............................................................................

1154.1 Описание объекта. Исходные данные и граничные условия исследования 1154.2 Численное исследование процесса сушки высоковлажного бурого угля всистеме пылеприготовления с мельницей-вентилятором ................................... 1184.3 Разработка комбинированной схемы сжигания низкосортноговысоковлажного бурого угля .................................................................................. 1264.4 Выводы ................................................................................................................ 1315. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВНЕДРЕНИЯКОМБИНИРОВАННЫХ СХЕМ СЖИГАНИЯ .......................................................

1325.1 Оценка оптимальной тонкости помола при комбинированной схемесжигания экибастузского угля в котле П-57 ......................................................... 1325.2 Влияние тонкости помола на тепловую схему котла П-57 ...........................

1365.3 Расчёт экономической эффективности внедрения комбинированных схем 1465.3.1 Предложение по модернизации котла П-57 Троицкой ГРЭС ................. 1465.3.2 Предложение по модернизации котла ТП-14А Кумертауской ТЭЦ ...... 1495.4 Выводы ................................................................................................................

153ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 1554СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................... 157ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Акт использования результатов диссертации .......................... 168ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Визуализация результатов численного моделированияисходных схем сжигания котлов ТП-14А и П-57 .................................................... 170ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Расходы и скорости воздуха в каналах горелок и сопл длямоделирования комбинированных схем сжигания котла П-57 .............................. 178ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Визуализация результатов численного моделированиякомбинированных схем сжигания котла П-57 .........................................................

184ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Характеристики рассчитанных комбинированных схемсжигания, используемые в регрессионной модели.................................................. 202ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Визуализация результатов численного моделированияпроцессов сушки и сжигания тюльганского угля марки Б1 в котле ТП-14А .......

2065ВВЕДЕНИЕАКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫДобыча угля в Российской Федерации ведётся в 7 федеральных округах и 25субъектах федерации на 192 угольных предприятиях, из них 71 угольная шахта и121 разрез. Совокупная производственная мощность угольных предприятий подобыче угля составляет 407,6 млн т (на 01.01.2016 г.) [1].млн. т400350309.4 314.1329302.6323.4336.7354.6 352.1 359373.4 385.4 3873893953002502001501005002006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019годРисунок 1 - Добыча угля в России в 2006 - 2019 гг., млн. т (данные по2017-2019 гг. - прогноз Минэнерго [2])На рисунке 1 видно, что несмотря на экономические кризисы 2008 г.

и2014 г. общая тенденция роста угледобычи в России сохраняется, пик добычиприходится на 2016 г. (385,4 млн. т) [1]. Минэнерго в 2017 году прогнозируетследующую динамику по добыче угля до 2019 г.: 2017 г. – 387 млн. т, 2018 г. –389 млн. т, 2019 г. – 395 млн. т [2].Согласно Долгосрочной программе развития угольной промышленностиРоссии на период до 2030 г. (2012 г) добыча угля составит 390–430 млн.

т, и будетосуществляться на 82 разрезах и 64 шахтах при благоприятной конъюнктурерынка, в противном случае добыча – на уровне 325 млн. т, т.е. останется надостигнутомуровне.Согласно«Долгосрочнойпрограмме»планируется6увеличить добычу угля в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке с созданиемновых угледобывающих центров в этих регионах.

Доля этих регионов в общейдобыче угля по России возрастет с 35,7% в 2011 г. до 47% к 2030 г [3].В программе «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года»(ЭС-2030) объем добычи угля к 2030 г. прогнозируется на уровне 430–470 млн. т,из них 250 млн. т – внутреннее потребление. Доля угля в выработкеэлектроэнергии на тепловых электростанциях должна существенно увеличиться –с 28 до 36% [4]. Из приведенных выше данных следует, что уголь являетсяосновным источником энергии для Западной и Восточной Сибири, а такжеДальнего Востока, и в обозримом будущем доля угля в топливно-энергетическомбалансе этих регионов только увеличится.Ещё одной из тенденций в отечественной энергетике является постепенноеувеличение доли сжигания углей местных месторождений в топливном балансетепловых электростанций.

Причиной этого послужил рост цен на природный газ имазут, в результате чего сжигание местных углей стало экономическицелесообразным. Перевод котлов на сжигание дешёвого местного твердоготопливаосложняетсяегонизкойтеплотесгоранияисильнойзабалластированности влагой и неорганическим балластом.

Использование такихуглейнакладывает дополнительные требованияк организациипроцессапылеприготовления и сжигания.Необходимоотметить, что сжигание высоковлажных бурых углейотличается недостаточно устойчивым воспламенением и горением (из-забольшого количества влаги и балласта). Сжигание же высокозольных каменныхуглей требует повышенных температур в зоне горения и более тонкого помоладаже при выходе летучих Vг≥25%. Например, результаты исследований [5], [6]показывают, что для экибастузского угля и куучекинского угля следуетрекомендовать тонкость помола R90=10% вместо проектного значения R90=1520%. Такие значения тонины помола приводят к увеличению удельного расходаэлектроэнергии на размол до Эрзм=25-35 кВт·ч/т.

Т.о. помимо решения задачповышенияустойчивостивоспламененияиэффективностигорениядля7высокозольных топлив актуальной является задача снижения расхода насобственные нужды и износ мелющего оборудования.Помимоэтогоприоритетнымиостаютсявопросыэкологическойбезопасности сжигания топлив. В 2014 году принят Федеральный закон № 219-ФЗот 21 июля 2014 г. [7] и ряд важных нормативных правовых актов, направленныхна повышение энергетической и экологической эффективности различныхсекторов экономики страны, в том числе электроэнергетики. Комплекс мер,направленных на отказ от использования устаревших и неэффективныхтехнологий, переход на принципы наилучших доступных технологий и внедрениесовременных технологий отражен в Распоряжении Правительства РоссийскойФедерации от 19 марта 2014 г.

№ 398-р [8]. План мероприятий по внедрениюинновационныхтехнологийвэнергетикезакрепленРаспоряжениемПравительства РФ от 3 июля 2014 г. № 1217-р [9].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 ивоздушных струй образуется сложная топочная аэродинамика, на сегодняшийдень изучены недостаточно полно и требуют глубокого теоретического иэкспериментального исследования.Котельное оборудование на большинстве ТЭС России выработало свойресурс и отличается значительным физическим износом. Все вышеуказанноенеизбежно ведет к необходимости модернизации или замены котельныхустановок.Такимобразомактуальнойстановитсязадачаразработкиэффективной, надежной и экологически безопасной технологии сжиганиинизкосортногоугля,требующейминимальныхкапитальныхзатратнареконструкцию котельного оборудования. Анализ работ проводившихся ранее вэтом направлении показывает, что достижение данной целиневозможно без8применениякомплексногоподходакмодернизациикаксистемыпылеприготовления, так и топочно-горелочных устройств.Данная работа включает численное исследование комбинированных схемсжигания при различных вариантах конструкции горелок и сопл, их компоновки ираспределения воздуха по горелкам и соплам на основные показатели горениязабалластированного топлива угрубленного помола, к которым относятся: потерисмеханическимнедожогом,максимальнаятемпературагазоввтопке,температура на выходе из топки, устойчивость аэродинамики, образование NOx.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫЦель настоящей работы состоит в разработке научных основ созданияновых комбинированных схем сжигания на основе прямоточных горелок и соплдля забалластированной угольной пыли угрубленного помола, с улучшениемсуществующих показателей по эффективности и экологичности горения дляданных топлив.