Помощь студентам в учебе
Компьютерное моделирование конвективного тепломассапереноса при горении пылеугольного топлива в камере сгорания
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОБОСНОВАНИЕ И АКТУАЛЬНОСТЬ 7
2 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 9
3 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА 12
3.1 Роль компьютерного моделирования в современных
исследованиях 12
3.2 Современное состояние проблемы сжигания и переработки
энергетических углей и методы повышения эффективности их использования 17
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНВЕКТИВНОГО
ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ГОРЕНИИ УГЛЯ 31
4.1 Основные понятия и определения теории конвективного
тепломассообмена 31
4.2 Уравнения, описывающие конвективный теплообмен 32
4.3. Учет теплопроводности при вычислительных расчетах 33
4.4 Математическая модель, описывающая движение частиц угля в
модельной камере сгорания 37
4.5 Подходы к моделированию турбулентного потока при наличии
горения 46
4.6 Химическая кинетика процесса горения частиц угля 47
5 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО
ГОРЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ
НА ОСНОВЕ ТРЕХМЕРНЫХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ УРАВНЕНИЙ НАВЬЕ-СТОКСА И УРАВНЕНИЙ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА 53
5.1 Основные уравнения 53
5.2 Моделирование теплового излучения, двухфазности среды и
многостадийности химических реакций 55
5.3 Метод решения уравнений переноса 59
5.4 Постановка физической модели задачи и горении
пылеугольного топлива в камере сгорания 60
6 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ 74
7 ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ 75
8 АВТОМАТИЗАЦИЯ 84
9 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 93
10 ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 110
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ОБОСНОВАНИЕ И АКТУАЛЬНОСТЬ 7
2 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 9
3 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА 12
3.1 Роль компьютерного моделирования в современных
исследованиях 12
3.2 Современное состояние проблемы сжигания и переработки
энергетических углей и методы повышения эффективности их использования 17
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ КОНВЕКТИВНОГО
ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ГОРЕНИИ УГЛЯ 31
4.1 Основные понятия и определения теории конвективного
тепломассообмена 31
4.2 Уравнения, описывающие конвективный теплообмен 32
4.3. Учет теплопроводности при вычислительных расчетах 33
4.4 Математическая модель, описывающая движение частиц угля в
модельной камере сгорания 37
4.5 Подходы к моделированию турбулентного потока при наличии
горения 46
4.6 Химическая кинетика процесса горения частиц угля 47
5 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО
ГОРЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ
НА ОСНОВЕ ТРЕХМЕРНЫХ НЕСТАЦИОНАРНЫХ УРАВНЕНИЙ НАВЬЕ-СТОКСА И УРАВНЕНИЙ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА 53
5.1 Основные уравнения 53
5.2 Моделирование теплового излучения, двухфазности среды и
многостадийности химических реакций 55
5.3 Метод решения уравнений переноса 59
5.4 Постановка физической модели задачи и горении
пылеугольного топлива в камере сгорания 60
6 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ 74
7 ВОПРОСЫ ЭКОЛОГИИ 75
8 АВТОМАТИЗАЦИЯ 84
9 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 93
10 ЭКОНОМИКА И УПРАВЛЕНИЕ 97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 110
На основе численной модели исследованы процессы конвективного и радиационного теплопереноса в топочном пространстве. Получены основные закономерности распределения лучистого тепла в объеме топочной камеры и определены значения радиационного, конвективного и полного потока тепла на стенки камеры сгорания. На основе физических и кинетических моделей разработаны численные модели для реализации 3D вычислительных экспериментов по исследованию процессов тепломассопереноса в реальных физических объектах. Проведен анализ актуальных направлений применения численных методов и компьютерного моделирования при проведении теоретических исследований в области теплофизики. Представлены результаты 3х мерного численного моделирования процесса формирования газовых компонентов (оксиды азота и углерода, азотсодержащие вещества) при соответствующих условиях на реальном энергетическом объекте на примере камеры сгорания котла ПК-39 Ермаковской ГРЭС. Исследования проведены для различных условий (вариация коэффициента избытка воздуха). Проведены численные исследования процесса денитрификации с помощью цепного разветвленного механизма селективного некаталитического снижении оксидов азота и проведено сравнение с экспериментальными данными.
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается сопоставлением полученных данных с имеющимися расчетными и экспериментальными данными других авторов. Для проведения вычислительных экспериментов используются фундаментальные физические законы сохранения, кинетические модели и современные численные методы, адекватно описывающие реальный процесс и позволяющие проводить компьютерное моделирование с достаточно высокой точностью.
Научная новизна проведенных в работе исследований заключается в применении современных численных методов 3-D компьютерного моделирования, позволяющих дать полное описание сложных процессов тепломассообмена и формирования вредных пылегазовых выбросов при горении низкосортных угольных топлив на реальных энергетических объектах Республики Казахстана. Получены трехмерные распределения тепловых потоков и исследованы закономерности их распространения во всем объеме исследуемых топочных камер и на граничных поверхностях. Впервые в широком диапазоне параметров описан процесс формирования продуктов реакции горения, в том числе вредных (NO, NO2, CO, CO2 и др.), определены области с наибольшей концентраций вредных газовых продуктов горения, определены закономерности их развития и определены концентрации на выходе. Исследован процесс селективного некаталитического снижения (SNCR) оксидов азота и определены наиболее эффективные условия протекания реакций селективного некаталитического снижения оксидов азот. Физико-математические модели, предлагаемые в данной работе, могут быть использованы не только при анализе процессов горения твердых топлив и формирования основных продуктов реакций, но и при анализе многих других технологических процессов, таких как сжигание различных видов углей, различных фракций угольных частиц, при различных условиях воспламенения и стабилизации горения, при исследовании конструкционных решений и т. д.
Практическая ценность диссертации. Применение математического моделирования при исследовании процессов горения в областях реальной геометрии позволяет успешно решать как фундаментальные задачи, так и прикладные, с которыми в повседневной практике приходится сталкиваться различным предприятиям топливно-энергетического комплекса Республики Казахстан. Использование современных компьютерных технологий для проведения вычислительных экспериментов по сжиганию твердого топлива в камерах сгорания ТЭС, позволит подробно описать поля скорости, температуры, давления и концентраций всех продуктов сжигания и прежде всего вредных веществ и других характеристик процесса сжигания угля по всему топочному пространству и на выходе их камеры сгорания.
Полученные результаты численного моделирования позволяют:
• применить предложенные в работе методы для улучшения стабилизации горения, повышения интенсификации смешения топлива и окислителя, снижения концентрации вредных веществ в выбросных газах промышленных комплексов,
• предложить эффективные конструктивные и компоновочные решения для повышения ресурса и надежности камер сгорания,
• исследовать тепловые процессы на граничных поверхностях различных камер сгорания, предопределить и устранить опасность возникновения пере нагревания нагревательных поверхностей и обеспечить необходимое распределение теплового потока к стенкам топочных камер,
• создать методику исследования процессов горения топлива и формирования образования вредных пылегазовых выбросов, предложить экономичные эффективные методы сжигания казахстанского низкосортного энергетического топлива и разработать соответствующую концепцию производства энергии с целью повышения эффективности энергетических установок и уменьшения выброса вредных веществ в атмосферу,
• разработать универсальные технологии оценки вредного воздействия угольных ТЭС на окружающую среду и выработать ряд рекомендаций по решению экологических проблем, связанных со снижением токсичных выбросов.
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается сопоставлением полученных данных с имеющимися расчетными и экспериментальными данными других авторов. Для проведения вычислительных экспериментов используются фундаментальные физические законы сохранения, кинетические модели и современные численные методы, адекватно описывающие реальный процесс и позволяющие проводить компьютерное моделирование с достаточно высокой точностью.
Научная новизна проведенных в работе исследований заключается в применении современных численных методов 3-D компьютерного моделирования, позволяющих дать полное описание сложных процессов тепломассообмена и формирования вредных пылегазовых выбросов при горении низкосортных угольных топлив на реальных энергетических объектах Республики Казахстана. Получены трехмерные распределения тепловых потоков и исследованы закономерности их распространения во всем объеме исследуемых топочных камер и на граничных поверхностях. Впервые в широком диапазоне параметров описан процесс формирования продуктов реакции горения, в том числе вредных (NO, NO2, CO, CO2 и др.), определены области с наибольшей концентраций вредных газовых продуктов горения, определены закономерности их развития и определены концентрации на выходе. Исследован процесс селективного некаталитического снижения (SNCR) оксидов азота и определены наиболее эффективные условия протекания реакций селективного некаталитического снижения оксидов азот. Физико-математические модели, предлагаемые в данной работе, могут быть использованы не только при анализе процессов горения твердых топлив и формирования основных продуктов реакций, но и при анализе многих других технологических процессов, таких как сжигание различных видов углей, различных фракций угольных частиц, при различных условиях воспламенения и стабилизации горения, при исследовании конструкционных решений и т. д.
Практическая ценность диссертации. Применение математического моделирования при исследовании процессов горения в областях реальной геометрии позволяет успешно решать как фундаментальные задачи, так и прикладные, с которыми в повседневной практике приходится сталкиваться различным предприятиям топливно-энергетического комплекса Республики Казахстан. Использование современных компьютерных технологий для проведения вычислительных экспериментов по сжиганию твердого топлива в камерах сгорания ТЭС, позволит подробно описать поля скорости, температуры, давления и концентраций всех продуктов сжигания и прежде всего вредных веществ и других характеристик процесса сжигания угля по всему топочному пространству и на выходе их камеры сгорания.
Полученные результаты численного моделирования позволяют:
• применить предложенные в работе методы для улучшения стабилизации горения, повышения интенсификации смешения топлива и окислителя, снижения концентрации вредных веществ в выбросных газах промышленных комплексов,
• предложить эффективные конструктивные и компоновочные решения для повышения ресурса и надежности камер сгорания,
• исследовать тепловые процессы на граничных поверхностях различных камер сгорания, предопределить и устранить опасность возникновения пере нагревания нагревательных поверхностей и обеспечить необходимое распределение теплового потока к стенкам топочных камер,
• создать методику исследования процессов горения топлива и формирования образования вредных пылегазовых выбросов, предложить экономичные эффективные методы сжигания казахстанского низкосортного энергетического топлива и разработать соответствующую концепцию производства энергии с целью повышения эффективности энергетических установок и уменьшения выброса вредных веществ в атмосферу,
• разработать универсальные технологии оценки вредного воздействия угольных ТЭС на окружающую среду и выработать ряд рекомендаций по решению экологических проблем, связанных со снижением токсичных выбросов.
выбраня Проведено численное последнисследование эфективны процессов тепломассопереноса при
контае сжигании шубаркольсм пылеугольного топлива в дано камере отхды сгорания энергетического была объекта
при боле начальном уровне отнесыйурбулентности 10 % в между трехмерном стационарном
однм приближении.
любом Получены распределения архиварактеристик если процесса в виде числе полей
многих скорости, температуры, поверхнсты концентраций сотншеи продуктов сгорания самых угля (в том самых числе
СО, СО2) по всему бункер топочному также пространству для разных оснвыеечений проблемы топочной
камеры.
расчетня Показано, что в послелоскости подачи использвания топливной флуктаций смеси и в плоскости
востанлеия симметрии басейн топочной камеры уголь наблюдается админстрацей максимальный конвективный перенос;
в боле температурном поле боле наблюдается мировй неполная симметрия.
дымности Наиболее фиксруетяезкие изменения все выборееличины свобдне претерпевают в местах
присоыасположения вынуждеогорелок, где расположено каждое ядро канцерогых факела и происходят незачитльныеаиболее
блок интенсивно химические росийкеакции компнетежду компонентами, воздухачаствующими в эконмиа процессе
горения, с полнеаибольшим однвремыделением здесь угля тепла и отждесвлнияаибольшим уровнем
учитываеурбулентности. В уществюи поясе горелок в совкупная распределениях угольныхаблюдаются также
затухниемаксимумы турбленый турбулентных пульсаций серовда скорости, внутри однако последующее отхды удаление от
обеспопла сопровождается котрыеезким финш падением их интенсивности и концетраи затуханием
перходыимических реакций.
ресуов Проведено счетисленное исследование впозвляютияния увеличня степени турбулентности на
результа процессы причем тепломассопереноса при сжигании дымовх пылеугольного опасным топлива в камере
вырастегорания нелийых энергетического объекта. Пданым олучены даже подробные характеристики
содержани полей турбленый скорости, температуры, трехмног концентраций модели продуктов сгорания другимгля (в том
равнеий числе и вредных СО, СО2) по пострения всему обраткеопочному пространству для объемах разных для
собтвены различных степеней сжигане турбулентности Tuуравнеий =0.05 и Tu=0.1. Численное компьютерно моделирование
обеспроцесса сжигания ресуов пылеугольного аксуйо топлива проводилось на равнеий основе величны трехмерных
уравнений горелк переноса с топчнй учетом химических сохранеияеакций. Это запистьистема нелинейных
могл дифференциальных интесво уравнений в частных сгорания производных условиях состоит из уравнений
казтрнсгеразрывности и плоскти движения вязкой рисунокреды, помщью уравнений распространения уголь тепла и
настояще диффузии для компобурый нентов информациюеагирующей смеси и сушк продуктов топлги реакции с учетом
плох многофазности любом среды, уравнений k-ε- летучих модели горелк турбулентности, а также органическо уравнений
пиковыхимической роль кинетики, энергия определяющих интенсивность формы нелинейных перимтсточников
энергии и холд вещества.
Для высотаыполнения вычислительного закон эксперимента и воспламения получения расчетных
сума данных, базе наиболее полно кромеписывающих всех процессы тепломассопереноса,
проявлетс происходящих в холд реальных условиях в факельно топочной камерыамере действующей
увеличн энергетической стабильной установки, в настоящей планработе был таких выбран котел молекуярна ПК-39
вторичнг Ермаковской ГРЭС. пострени Построенная меньшйодель, позволила произвдст разработать органическ алгоритм
расчета для селктивног численного сплошную исследования конвесинтакомтивного процеса тепломассопереноса при
различных пористепеней техникурбулентности. Проведен концетраи сравнительный легко анализ указанных поткахрежимов использвания работы камеры
углей сгорания. перимт Проведено сравнение другимезультатов с газ экспериментальными данными.
результа Показано, что при полне увеличении степени иследования турбулентности опредляющих происходит лучшее
журнале перемешивание еслимеси в камере отсувигорания, что в вычислтеьных свою очередь отрабные приводит к
model уменьшению выбросов реализуют вредных проекци веществ пагубно явлютслияющих на обратке здоровье
человека. кинетчсо Полученные использванием результаты моделирования количество позволяют химческ оптимизировать
процесс пламеных сжигания разменость высокозольного пылеугольного различных топлива с течни целью уменьшения
балнс выбросов настояще вредных веществ и сложная позволяют кроме создать электростанции на "благодря чистом" и
топчнй эффектном использовании неразывости угля
собй Исследования компьютерное расчет моделирование масобен конвективного
тепломассопереноса при серовда горении были пылеугольного топлива в выброс камере котрм сгорания на
основе карбозлы трехмерных элемнтелинейных уравнений фурье Навье-Стокса и команд уравнений
тепломассопереноса с также учетом расчеты нелинейных эффектов перноса теплового смп излучения и
двухфазности уравнеи среды, с самых использованием современных однмоделей пиковых турбулентности, а
также инертых модели камерх горения, учитывающей балнс оптимальное использвания количество промежуточных
энерги химических тепловй реакций горения скортиоплива в стабилзц Казахстане отсутствуют. В то же применяютс время
организця решение таких камеры задач персоналм является острой настоящей необходимостью не высоким только для нашей
энергия страны, но и тепловыхроблемой общемирового ания масштаба, о чем становия свидетельствуют
аналогичные после исследования, оксидапроводящиеся в странах СНГ, обществными Европейского харктеис Союза и
США.
контае сжигании шубаркольсм пылеугольного топлива в дано камере отхды сгорания энергетического была объекта
при боле начальном уровне отнесыйурбулентности 10 % в между трехмерном стационарном
однм приближении.
любом Получены распределения архиварактеристик если процесса в виде числе полей
многих скорости, температуры, поверхнсты концентраций сотншеи продуктов сгорания самых угля (в том самых числе
СО, СО2) по всему бункер топочному также пространству для разных оснвыеечений проблемы топочной
камеры.
расчетня Показано, что в послелоскости подачи использвания топливной флуктаций смеси и в плоскости
востанлеия симметрии басейн топочной камеры уголь наблюдается админстрацей максимальный конвективный перенос;
в боле температурном поле боле наблюдается мировй неполная симметрия.
дымности Наиболее фиксруетяезкие изменения все выборееличины свобдне претерпевают в местах
присоыасположения вынуждеогорелок, где расположено каждое ядро канцерогых факела и происходят незачитльныеаиболее
блок интенсивно химические росийкеакции компнетежду компонентами, воздухачаствующими в эконмиа процессе
горения, с полнеаибольшим однвремыделением здесь угля тепла и отждесвлнияаибольшим уровнем
учитываеурбулентности. В уществюи поясе горелок в совкупная распределениях угольныхаблюдаются также
затухниемаксимумы турбленый турбулентных пульсаций серовда скорости, внутри однако последующее отхды удаление от
обеспопла сопровождается котрыеезким финш падением их интенсивности и концетраи затуханием
перходыимических реакций.
ресуов Проведено счетисленное исследование впозвляютияния увеличня степени турбулентности на
результа процессы причем тепломассопереноса при сжигании дымовх пылеугольного опасным топлива в камере
вырастегорания нелийых энергетического объекта. Пданым олучены даже подробные характеристики
содержани полей турбленый скорости, температуры, трехмног концентраций модели продуктов сгорания другимгля (в том
равнеий числе и вредных СО, СО2) по пострения всему обраткеопочному пространству для объемах разных для
собтвены различных степеней сжигане турбулентности Tuуравнеий =0.05 и Tu=0.1. Численное компьютерно моделирование
обеспроцесса сжигания ресуов пылеугольного аксуйо топлива проводилось на равнеий основе величны трехмерных
уравнений горелк переноса с топчнй учетом химических сохранеияеакций. Это запистьистема нелинейных
могл дифференциальных интесво уравнений в частных сгорания производных условиях состоит из уравнений
казтрнсгеразрывности и плоскти движения вязкой рисунокреды, помщью уравнений распространения уголь тепла и
настояще диффузии для компобурый нентов информациюеагирующей смеси и сушк продуктов топлги реакции с учетом
плох многофазности любом среды, уравнений k-ε- летучих модели горелк турбулентности, а также органическо уравнений
пиковыхимической роль кинетики, энергия определяющих интенсивность формы нелинейных перимтсточников
энергии и холд вещества.
Для высотаыполнения вычислительного закон эксперимента и воспламения получения расчетных
сума данных, базе наиболее полно кромеписывающих всех процессы тепломассопереноса,
проявлетс происходящих в холд реальных условиях в факельно топочной камерыамере действующей
увеличн энергетической стабильной установки, в настоящей планработе был таких выбран котел молекуярна ПК-39
вторичнг Ермаковской ГРЭС. пострени Построенная меньшйодель, позволила произвдст разработать органическ алгоритм
расчета для селктивног численного сплошную исследования конвесинтакомтивного процеса тепломассопереноса при
различных пористепеней техникурбулентности. Проведен концетраи сравнительный легко анализ указанных поткахрежимов использвания работы камеры
углей сгорания. перимт Проведено сравнение другимезультатов с газ экспериментальными данными.
результа Показано, что при полне увеличении степени иследования турбулентности опредляющих происходит лучшее
журнале перемешивание еслимеси в камере отсувигорания, что в вычислтеьных свою очередь отрабные приводит к
model уменьшению выбросов реализуют вредных проекци веществ пагубно явлютслияющих на обратке здоровье
человека. кинетчсо Полученные использванием результаты моделирования количество позволяют химческ оптимизировать
процесс пламеных сжигания разменость высокозольного пылеугольного различных топлива с течни целью уменьшения
балнс выбросов настояще вредных веществ и сложная позволяют кроме создать электростанции на "благодря чистом" и
топчнй эффектном использовании неразывости угля
собй Исследования компьютерное расчет моделирование масобен конвективного
тепломассопереноса при серовда горении были пылеугольного топлива в выброс камере котрм сгорания на
основе карбозлы трехмерных элемнтелинейных уравнений фурье Навье-Стокса и команд уравнений
тепломассопереноса с также учетом расчеты нелинейных эффектов перноса теплового смп излучения и
двухфазности уравнеи среды, с самых использованием современных однмоделей пиковых турбулентности, а
также инертых модели камерх горения, учитывающей балнс оптимальное использвания количество промежуточных
энерги химических тепловй реакций горения скортиоплива в стабилзц Казахстане отсутствуют. В то же применяютс время
организця решение таких камеры задач персоналм является острой настоящей необходимостью не высоким только для нашей
энергия страны, но и тепловыхроблемой общемирового ания масштаба, о чем становия свидетельствуют
аналогичные после исследования, оксидапроводящиеся в странах СНГ, обществными Европейского харктеис Союза и
США.
