Численное моделирование гидродинамики фонтанирующего слоя в твердотопливном котле

Рассмотрены вопросы численного моделирования гидродинамики фонтанирующего топливного слоя в топке котла, работающего на твердом топливе. Твердотопливные котлы широко используются в энергетике РФ, и в прогнозируемые сроки доля угольной генерации также продолжит оставаться значимой, ввиду чего исследование эффективности теплотехнических и гидродинамических процессов, обеспечивающих реализацию чистых угольных технологий, является актуальной задачей на сегодня и в долгосрочной перспективе. Представлены основные этапы численного моделирования гидродинамики фонтанирующего слоя: постановка задачи с выбором граничных и исходных («начальных») условий, методы решения уравнений Навье-Стокса, неразрывности для потока воздуха, уравнения Ньютона и диффузии для частиц. В расчетах использована модель турбулентности k-omega, описываемая с помощью уравнений для переменных k (кинетическая энергия турбулентности) и omega (удельная скорость диссипации k). Проведен сравнительный анализ экологических преимуществ и недостатков существующих способов сжигания низкосортного угля в схемах с внутрицикловой газификацией (ВЦГ). Показаны преимущества и сложности перехода к конструкциям с ЦКС в фонтанирующем режиме. Выполнено численное моделирование холодного фонтанирующего слоя посредством инжекции частиц, представлен набор исходных настроек и граничных условий, выполнена проверка адекватности полученных результатов по гидродинамическим характеристикам изотермического процесса. Полученные результаты позволяют перейти к следующим этапам с неизотермическими моделями и с учетом теплообмена и реакций горения в фонтанирующем слое угля. Уточнение физической модели в дальнейшем с применением современных вычислительных методов исследования процессов горения позволит достичь более точных и надежных результатов и обеспечить их корректное масштабирование.

1. Газификация угля и ее применение в энергетике / В. С. Пряткина, А. А. Белов, В. В. Иванов, В. Н. Балтян, В. И. Чеботарев // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. Энергетика 2018; №3 (199): 42 – 7.

2. Филипповa С. П., Кейко А. В. Газификация угля: на перепутье. Технологические факторы / Теплоэнергетика 2021; (3): 45 – 58.

3. Techno-economic analysis of oxy-fuel IGCC power plants using integrated intermittent chemical looping air separation / Bin Shi; Wen Xu; Wei Wu; Po-Chih Kuo // Energy Conversion and Management 2019; (195): 290 – 301.

4. Иванова К. С., Стрежик А. А. Котел-утилизатор Гродненской ТЭЦ-2 с камерой сжигания дополнительного топлива // НТК БНТУ «Актуальные проблемы энергетики» 2020; (76): 39 – 42.

5. Морев В. Г. О дожигании топлива в утилизаторах теплоты выхлопных газов / Промышленная энергетика 2018; (11): 33 – 44.

6. Опыт пуска и начальной эксплуатации блока №9 с котлом с ЦКС Новочеркасской ГРЭС / Г. А. Рябов, О. М. Фоломеев, Е. В. Антоненко, И. В. Крутицкий // Сб. докл. IV конференции «Использование твёрдых топлив для эффективного и экологически чистого производства электроэнергии и тепла». − М.: ОАО «ВТИ» 2018; 73 – 82.

7. Пузырёв Е. М., Саломатов В. В. Перспективы и возможность промышленного освоения ЦКС технологии сжигания топлива // Ползуновский вестник 2019; (1): 132 – 136

8. Бондарев А. В. Концептуальные основы создания систем автоматизации котлов малой мощности с кипящим слоем при строительстве и реконструкции угольных котельных // Электронный научный журнал «Инженерный вестник Дона» 2018; 4 (51): 176.

9. Разработка дизельных теплоэлектростанций с активными котлами утилизаторами высокотемпературного кипящего слоя / А. В. Смирнов, А. В. Бондарев, С. В. Александров, Э. В. Болбышев // Двигателестроение 2018; (3): 19 – 23.

10. Бондарев А. В., Болбышев Э. В., Смирнов А.В. Автоматизация угольных котлов малой мощности с топками высокотемпературного кипящего слоя и рециркуляцией дымовых газов // Двигателестроение 2018; (3): 24–28.

11. Пузырёв Е. М, Голубев В. А., Пузырёв М. Е. Перспективы применения котлов с топками циркулирующего кипящего слоя в коммунальной энергетике / Новости теплоснабжения 2016; (10): 31 – 33.

12. Зиганшин М. Г. Расчеты параметров устройств с фонтанирующим полидисперсным материалом для систем топливоподготовки ТЭС / Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики 2013; (3 – 4): 39 – 47.

13. Bacelos M. S., Passos M. L. and Freire J. T. Characteristics of flow in wet conical spouted beds of unequal-sized spherical particles / Brazilian Journal of Chemical Engineering 2008; Vol. 25: 27 – 38

14. Modelling of Spouted and Spout-Fluid Beds: Key for Their Successful Scale Up / Moliner C., Marchelli F., Bosio B., and Arato E. // Energies 2017; Vol.10: 1729.

15. Numerical Study on the Gas−Solid Flow in a Spouted Bed Installed with a Controllable Nozzle and a Swirling Flow Generator / Feng Wu, Xinxin Che, Zhenyu Huang, Haojie Duan, Xiaoxun Ma, and Wenjing Zhou // ACS Omega 2020; (5): 1014 – 1024.

16. Experimental Study on Gas−Solid Flow in the Spouted Bed under Longitudinal Vortex. / Feng Wu, Xinxin Che, Haojie Duan, Lingyi Shang, Xiaoxun Ma, Gang Wang, and Zhiquan Hu // ACS Omega 2019; (4): 18880 – 18888.