РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ЗАПЫЛЕННОГО ПОТОКА ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНЕРЦИОННО-ВАКУУМНОГО ЗОЛОУЛОВИТЕЛЯ НА СТЕПЕНЬ УЛАВЛИВАНИЯ ЗОЛЫ
Актуальность темы. Проблема защиты окружающей среды от мелкодисперсных (PM10, РМ2,5) выбросов предусматривает увеличение доли уловленных загрязняющих атмосферный воздух веществ. Для ТЭЦ при сжигании экибастузских углей эта доля составляет 80-95 %. В одиночных циклонах по ГОСТ 31831-2012 такая высокая эффективность применима для потока частиц золы диаметром свыше 10 мкм. Эффективность циклона с уменьшением диаметра улавливаемых частиц < 5мкм снижается на 10-20 %. Гранулометрический состав золы экибастузского угля изменяется по дифференциальной кривой распределения золы по рисунку 1. Средний медианный диаметр экибастузской золы 5 мкм.
Известно множество способов улавливания золы. Несмотря на это, вопрос создания высокоэффективного золоуловителя с долгим сроком работы остается нерешенным. Разработка нового способа улавливания золы - крайне трудоемкая работа, осложненная созданием громоздких дорогостоящих опытных установок, проведением натурных экспериментов на действующих котлах. На сегодняшний день наиболее приемлемыми являются предварительные исследования вновь создаваемых аппаратов на основе численных расчетов с применением программ, таких как ANSYS, позволяющих провести полномасштабный численный эксперимент.
Степень разработанности проблемы исследования
Существенный вклад в решение теоретических проблем, вопросов экспериментального, математического моделирования движения запыленного потока в программных модулях внесли: S. Elghobashi, Kyle D. Squires, John K. Eaton, Maxey M.R., J.J. Riley, T. Chadha, R. Henniger, G.C. Truesdell, Nishchal Agrawal, George H. Choueiri, Ю.А. Алтухов, Е.М. Пузырев, С.М. Кисляк, Аль Замили Али Джасим, Я.В. Чистяков, Д.Е. Смирнов, А.В. Сугак, В.П. Белоглазов, М.Г. Зиганшин и др.
Однако в опубликованных материалах исследований недостаточное внимание уделено постановке граничных условий при численном моделировании запыленного потока в ANSYS CFX. Большинство ученых занималось исследованиями динамики дисперсных потоков либо в ANSYS Fluent, либо в самостоятельно созданных вычислительных модулях. Особенность данного диссертационного исследования заключается в оценке возможности применения модуля ANSYS CFX для решения задач по расчету эффективности золоулавливающей установки инерционного типа.
Целью работы является проведение расчетно-экспериментального моделирования работы инерционно-вакуумного золоуловителя (ИВЗ) и исследование влияния его геометрических характеристик на степень улавливания золы экибастузского угля.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
1) постановка математической задачи;
2) выбор граничных условий, описывающих процесс улавливания золовых частиц;
3) проведение верификации выбранной математической модели;
4) проведение ряда численных экспериментов, при изменении конструктивных параметров установки (входной, выходной патрубок; рассекатель; поворотные камеры), анализ полученных результатов;
5) предоставление рекомендаций по выбору оптимальных конструкций золоуловителя.
Научная новизна работы:
1) создание откорректированной модели ИВЗ после проведения натурного эксперимента в тепловой системе «котел - золоуловитель - дымосос - дымовая труба». Новая модель позволяет при той же эффективности (94-99%) работать с большими расходами дымовых газов 110-150 тыс.м3/ч;
2) уточнена методика расчета движения запыленного потока в
части; установлены взаимосвязь между геометрическими параметрами устройства (высота рассекателя, высота конфузорного участка, высота поворотной камеры, высота колец) и параметрами технологического процесса (эффективность установки);
3) выявлен газодинамический эффект — явление реламиниризации потока для создания условий увеличения эффективности улавливания золы за счет устранения или уменьшения поперечных пульсаций золовых частиц; эффект достигается при введении рассекателя. При его наличии пульсаций нет. Наличие рассекателя увеличивает эффективность установки на 35%;
4) согласование результатов численных экспериментальных исследований процессов золоулавливания с результатами натурных экспериментов.
Теоретическая значимость результатов исследования состоит в разработке математической модели и результатах численных экспериментов на ИВЗ.
Значение полученных результатов исследования для практики
Результаты численного моделирования позволили выбрать оптимальную геометрическую форму отдельных элементов установки, благодаря которым достигнута высокая степень улавливания частиц золы. На базе расчетов данной работы выполнен конструктивный проект золоулавливающей установки и получен акт внедрения от ОАО «ВТИ».
Результаты численного моделирования рабочего процесса и их верификация с полученными экспериментальными данными позволили разработать рекомендации по увеличению эффективности золоулавливающей установки.
Полученные результаты использовались при разработке НИР, которая проводилась совместно с ОАО «ВТИ» при финансовой поддержке фонда «Энергия без границ» (Интер РАО). Результаты исследования применялись для конструирования золоуловителя, установленного на Омской станции ТЭЦ-4.
Методология и методы диссертационного исследования
Для решения поставленных задач в диссертации использованы основные теоретические положения теории гидрогазодинамики, расчеты химического состава уходящих газов, рассчитывается эффективность золоулавливающего вспомогательного оборудования промышленного котлоагрегата. Численное моделирование выполнено с использованием программных продуктов Microsoft Excel, ANSYS Meshing, CFX (метод контрольных объемов). Верификация используемых моделей турбулентности выполнена на основании полученных автором результатов натурных экспериментальных исследований по аппарату ИВЗ первого поколения для разработки ИВЗ второго поколения.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
1) результаты численного эксперимента по определению влияния изменения отдельных участков проточной части ИВЗ на степень улавливания;
2) верификация ИВЗ второго поколения на уже работающем ИВЗ первого поколения;
3) способ моделирования процессов, протекающих в установке;
4) рекомендации по увеличению ресурса работы инерционно-вакуумного золоуловителя.
Степень достоверности и апробация результатов
Осредненная погрешность натурного эксперимента составила 6%, что связано с погрешностями работы измерительного оборудования. Погрешность численного эксперимента составила 2%.
Основные положения и результаты разработанной расчетно-экспериментальной методики докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: «Техника и
технология нефтехимического производства. Oil and gas engineering 2016» (Омск, 2016); 1-я научно-техническая конференция молодых ученых Уральского энергетического института (Екатеринбург, 2016 г.); «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2016); «Наука и молодежь в XXI веке» (Омск, 2016 г.); «Культура, наука, образование: проблемы и
перспективы» (Нижневартовск, 2017); «Актуальные вопросы энергетики» (Омск, 2018 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 25 научных статьи, из них 15 статей в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК и Аттестационным советом УрФУ, в том числе 2 статьи - в журналах, индексированных Scopus и WoS; получен патент РФ на полезную модель «Инерционно-вакуумный золоотделитель для очистки дымовых газов» № 175570. Бюл. 35 от 11.12.2017.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой из них, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем работы 165 страниц, в том числе: 143 страницы - основной текст, содержащий 24 таблицы, 83 рисунка, 47 формул; список литературы из 116 наименования на 13 страницах; 2 приложения на 5 страницах.
1. На основании многих численных экспериментов установлены зависимости степени улавливания золы от геометрических размеров аппарата и от его элементов, просчитаны конструктивные решения установки. Это позволило без дополнительного технического оснащения достичь максимальной эффективности улавливания частиц, а именно:
1) увеличения эффективности аппарата на 25 % благодаря установке рассекателя;
2) добавки в 29 % вследствие учета ПК и модернизации рассекателя до принципа
направляющего аппарата;
3) возможности повышения общей эффективности улавливания золы до 93,7 % с учетом изменения конструкции и появления эффекта реламиниризации.
2. Отклонения в работу вносит неосесимметричность и невозможность достижения эффекта реламиниризации при малых расходах запыленного потока. Для лучшей работы аппарата необходимо производить жесткую фиксацию направляющего аппарата, чтобы устранить подобные вариации сдвига. При сдвиге в 36,36 мм можно отметить, что распределение скоростей происходит неравномерно: где сечение уже, там скорость потока больше и очистка газа проходит лучше.
3. Проведенная работа позволила сконструировать инерционно-вакуумный золоуловитель второго поколения, получить на него патент и изготовить аппарат, установив его на котел БКЗ- 320 ТЭЦ-4 г. Омска.
4. Рассчитан диапазон существования явления реламиниризации, что является особенностью ИВЗ. Этим можно объяснить его невысокое сопротивление при сложной проточной части.
5. Представлены рекомендации по дальнейшему исследованию ИВЗ...
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ЗАПЫЛЕННОГО ПОТОКА ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИНЕРЦИОННО-ВАКУУМНОГО ЗОЛОУЛОВИТЕЛЯ НА СТЕПЕНЬ УЛАВЛИВАНИЯ ЗОЛЫ
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
