energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2023-66-6-536-551energy-2333Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGОценка возможности перевода энергетических котлов на альтернативные твердые топлива путем моделирования процессов горенияAssessment of the Possibility of Transition Power Boilers to Alternative Solid Fuels by Modeling Combustion ProcessesПрохоровВ. Б.ProkhorovV. B.

Адрес для переписки:Прохоров Вадим Борисович –Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»,ул. Красноказарменная, 14,111250, г. Москва, Российская Федерация.Тел.: +7 495 362-77-34prokhorovvb@mail.ru

Address for correspondence:Prokhorov Vadim B. – National Research University «Moscow Power Engineering Institute»,14, Krasnokazarmennaya str.,111250, Moscow, Russian Federation.Тел.: +7 495 362-77-34prokhorovvb@mail.ru

prokhorovvb@mail.ruКиричковВ. С.KirichkovV. S.

Москва

Moscow

ЧерновС. Л.ChernovS. L.

Москва

Moscow

ФоменкоМ. В.FomenkoM. V.

Москва

Moscow

Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»РоссияNational Research University «Moscow Power Engineering Institute»Russian Federation202308122023666536551Copyright © Прохоров В.Б., Киричков В.С., Чернов С.Л., Фоменко М.В., 20232023Прохоров В.Б., Киричков В.С., Чернов С.Л., Фоменко М.В.Prokhorov V.B., Kirichkov V.S., Chernov S.L., Fomenko M.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2333

В настоящее время переход на альтернативное топливо при работе ТЭС возникает вследствие сокращения и необеспеченности поставок угля, ухудшения его качества, предложений по использованию более дешевого топлива, ужесточения экологических требований. Под альтернативным топливом понимается уголь, на использование которого не были рассчитаны котлы при их проектировании или реконструкции, а также ранее не прошедший промышленного или опытного сжигания на данной ТЭС. При переводе котлов на альтернативные топлива основными проблемами являются: шлакование топочных экранов и поверхностей нагрева, расположенных над топкой; загрязнение конвективных поверхностей нагрева; неустойчивость горения непроектного топлива; абразивный износ конвективной части котлов; снижение экологических показателей; изменение условий работы систем пылеприготовления, шлакоудаления, золоулавливания и топливоподачи. Перед проведением опытного сжигания альтернативного топлива целесообразно проводить предварительную оценку возможности его сжигания с помощью численного моделирования, которое позволяет заблаговременно выявить возникающие проблемы. Важнейшим фактором оценки возможности использования альтернативных топлив является влияние теплотехнических показателей, характеристик топлива и золы на шлакование поверхностей нагрева в топке. Длительное время способность золы к шлакованию определялась по результатам теста на плавкость по изменению формы пирамиды из частичек золы при ее постепенном нагревании до различных состояний с выделением характерных температур: начала деформации, начала размягчения, начала жидкоплавкого состояния. Тест на плавкость не может предсказать реальную ситуацию, которая возникает при эксплуатации котла. Кроме того, он не позволяет ранжировать угли по склонности к шлакованию, что необходимо для предварительного выбора альтернативного угля, поэтому предложено использовать методику Ватта–Фарадея с уточнением Бомкампа по расчету индекса шлакования для ранжирования углей по годности в качестве непроектных топлив.

. Currently, the transition to alternative fuel during the operation of thermal power plants (TPP) occurs due to the reduction and unreliability of coal supplies, deterioration of its quality, proposals for the use of cheaper fuel, tightening environmental requirements. Alternative fuel means such coal, for the use of which the boilers have not been designed during their design or reconstruction, as well as coal that has not previously undergone industrial or experimental combustion at this TPP. When converting boilers to alternative fuels, the main problems are: slag of the furnace shields and heating surfaces located above the furnace; fouling of convective heating surfaces; instability of non-designed fuel combustion; abrasion of the convective part of boilers; reduction of environmental performance; change in operating conditions of dust preparation, slag removal, ash collection and fuel supply systems. Before conducting experimental combustion of alternative fuels, it is advisable to carry out a preliminary assessment of its combustion possibility using numerical simulation, which makes it possible to identify emerging problems in advance. The most important factor in assessing the possibility of using alternative fuels is the influence of thermal performance, fuel and ash characteristics on the slagging of heating surfaces in the furnace. For a long time, the ability of ash to slagging was determined by the results of a fusibility test by changing the shape of a pyramid of ash particles during its gradual heating to various states according to the specific temperatures, viz. the initial deformation temperature, the softening temperature, the hemispherical temperature. The fusibility test cannot predict the real situation that occurs during the boiler operation. In addition, it does not allow ranking coals according to their tendency to slagging, which is necessary for the preliminary selection of alternative coal. Therefore, it is proposed to use the Watt - Fereday method with Bomkamp’s refinement for calculating the slagging index for ranking coals according to suitability as non-design fuels.

энергетические котлытвердое топливошлакованиемеханический недожогчисленный индекс шлакованиячисленное моделированиевнутритопочная аэродинамикаpower boilerssolid fuelslaggingcombustive lossnumerical slagging indexnumerical simulationin-furnace aerodynamicsИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-19-00722, https://rscf.ru/project/22-19-00722/.ReferencesМайданик, М. Н. Предварительная оценка возможности перевода котлов тепловых электростанций на сжигание альтернативного угля / М. Н. Майданик, Э. Х. Вербовецкий, А. Н. Тугов // Теплоэнергетика. 2021. № 9. С. 33–42. https://doi.org/10.1134/S0040363621080051.Maidanik M. N., Verbovetskii E. K., Tugov A. N. (2021) Preliminary Assessment of the Possibility to Shift Thermal Power Plant Boilers for Burning Alternative Coal. Thermal Engineering, 68 (9), 690–697. https://doi.org/10.1134/S004060152108005XГосударственный доклад о состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2019 году / Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации. М.: 2020. 494 с.Ministry of Natural Resources and Ecology of the Russian Federation (2020) State Report on the State and Use of Mineral Resources of the Russian Federation in 2019. Moscow. 494 (in Russian).Энергетические угли восточной части России и Казахстана: справочник / В. В. Богомолов [и др.]. Челябинск: УралВТИ, 2004. 304 с.Bogomolov V. V., Artem'eva N. V., Alekhnovich A. N., Novitskii N. V., Timofeeva N. A. (2004) Energy Coals of the Eastern Part of Russia and Kazakhstan. Chelyabinsk, UralVTI. 304 (in Russian).Тепловой расчет котлов (Нормативный метод) / под ред: Н. В. Кузнецов [и др.]. Санкт-Петербург, 1998. 259 с.Kuznetsov N. V., Mitor V.V., Dubovskii I. E., Karasina E. S. (eds.) (1998) Thermal Calculation of Boilers (Standard Method). Sankt-Peterburg. 259 (in Russian).Алехнович, А. Н. Шлакование пылеугольных энергетических котлов / А. Н. Алехнович. М.: НТФ «Энергопрогресс», 2013. 112 с. (Библиотечка электротехники, приложение к журналу «Энегетика»; Вып.8 (176)).Alekhnovich A. N. (2013) Slagging of Pulverized Coal Power Boilers. Moscow. 112 (in Russian)Numerical Assessment of Coals/Blends Slagging Potential in Pulverized Coal Boilers / M. U. Degereji [et al.] // Fuel. 2012. Vol. 102. P. 345–353. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.07.028.Degereji M. U. Ingham D.B., Ma L., Pourkashanian M., Williams A. (2012) Numerical Assessment of Coals/Blends Slagging Potential in Pulverized Coal Boilers. Fuel, 102, 345–353. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.07.028Watt, J. D. The Flow Properties of Slag Formed from the Ashes of British Coals. Part 1: Viscosity of Homogeneous Liquid Slag in Relation to Slag Composition / J. D. Watt, F. Ferreday // J. Inst. Fuel. 1969. Vol. 42. P. 99–103.Watt J. D., Ferreday F. (1969) The Flow Properties of Slag Formed from the Ashes of British Coals. Part 1: Viscosity of Homogeneous Liquid Slag in Relation to Slag Composition. Journal of the Institute of Fuel, 42, 99–103.Characterization of Coal Blends for Effective Utilization in Thermal Power Plants / S. S. Raaj [et al.] // Applied Thermal Engineering. 2016. Vol. 102. P. 9–16. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.03.035.Santhosh Raaj S., Arumugam S., Muthukrishnan M., Krishnamoorthy S., Anantharaman N. (2016) Characterization of Coal Blends for Effective Utilization in Thermal Power Plants. Applied Thermal Engineering, 102, 9–16. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.03.035Char Characterization and DTF Assays as Tools to Predict Burnout of Coal Blends in Power Plants / C. Ulloa [et al.] // Fuel. 2005. Vol. 84. Iss. 2–3. P. 247–257. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2004.08.008.Ulloa C., Borrego A.G., Helle S., Gordon A. L., García X. (2005) Char Characterization and DTF Assays as Tools to Predict Burnout of Coal Blends in Power Plants. Fuel, 84 (2–3), 247–257. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2004.08.008Hashimoto, N. Numerical Simulation of Sub-Bituminous Coal and Bituminous Coal Mixed Combustion Employing Tabulated-Devolatilization-Process Model / N. Hashimoto, H. Shirai // Energy. 2014. Vol. 71. P. 399–413. https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.04.091.Hashimoto N., Shirai H. (2014) Numerical Simulation of Sub-Bituminous Coal and Bituminous Coal Mixed Combustion Employing Tabulated-Devolatilization-Process Model. Energy, 71, 399–413. https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.04.091Haas, J. Characterisation of Coal Blends for Pulverised Fuel Combustion / J. Haas, M. Tamura, R. Weber // Fuel. 2001. Vol. 80. Iss. 9. P. 1317–1323. https://doi.org/10.1016/S0016-2361(00)00216-7.Haas J., Tamura M., Weber R. (2001) Characterisation of Coal Blends for Pulverised Fuel Combustion. Fuel, 80 (9), 1317–1323. https://doi.org/10.1016/S0016-2361(00)00216-7Thermochemical and Combustion Behaviors of Coals of Different Ranks and Their Blends for Pulverized-Coal Combustion / C. Moon [et al.] // Applied Thermal Engineering. 2013. Vol. 54. Iss. 1. P. 111–119. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.01.009.Moon C., Sung Y., Ahn S., Kim T., Choi G., Kim D. (2013) Thermochemical and Combustion Behaviors of Coals of Different Ranks and Their Blends for Pulverized-Coal Combustion. Applied Thermal Engineering, 54 (1), 111–119. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.01.009Experimental Investigation for the Combustion Characteristics of Blends of Three Kinds of Coal / C. Tong [et al.] // Fuel. 2021. Vol. 300. P. 120937. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120937.Tong C., Yang X., Chen G., Zhang Y., Chen L., Zhou Y., He T., Jin B. (2021) Experimental Investigation for the Combustion Characteristics of Blends of Three Kinds of Coal. Fuel, 300, 120937. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120937Комбинированное сжигание потоков различных промышленных отходов в топках котлов. Часть 1 / Ю. П. Ярмольчик [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 3. С. 236–252. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-3-236-252.Yarmolchick Yu. Р., Schröger R., Haberfelner H., Pichler M., Kostić D., Moroz G. V. (2020) Combined Combustion of Various Industrial Waste Flows in Boiler Furnaces. Part 1. Energetika. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations. 63 (3), 236–252 https://doi.org10.21122/1029-7448-2020-63-3-236-252 (in Russian).Vuthalura, R. Modelling of a Wall-Fired Furnace for Different Operating Conditions Using FLUENT / R. Vuthalura, H. B. Vuthaluru // Fuel Process. Technol. 2006, Vol. 87. P. 633-639. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2006.01.004.Vuthalura R., Vuthaluru H. B. (2006) Modelling of a Wall-Fired Furnace for Different Operating Conditions Using FLUENT. Fuel Processing Technology, 87 (7), 633–639. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2006.01.004Audai Hussein Al-Abbas. Computational Fluid Dynamic Modelling of a 550 MW Tangentially-Fired Furnace Under Different Operating Conditions / Audai Hussein Al-Abbas, Jamal Naser // Procedia Engineering. 2013. Vol. 56. P. 387–392. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.03.137.Al-Abbas A.H., Naser J. (2013) Computational Fluid Dynamic Modelling of a 550 MW Tangentially-Fired Furnace under Different Operating Conditions. Procedia Engineering, 56, 387–392. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.03.137Комбинированное сжигание потоков различных промышленных отходов в топках котлов. Ч. 2 / Ю. П. Ярмольчик [и др.] // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 6. С. 526–540. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-526-540.Yarmolchick Yu. P., Schröger R., Haberfelner H., Pichler M., Kostić D., Moroz G. V. (2020) Combined Combustion of Various Industrial Waste Flows in Boiler Furnaces. Part 2. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering As-sociations. 63 (6), 526–540 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-526-540. ANSYS FLUENT, 14.5. Theory Guide. Canonsburg, Pennsylvania, USA: ANSYS, Inc., 2014. 2616 p.. ANSYS FLUENT, 14.5. (2014) Theory Guide. Canonsburg, Pennsylvania, USA: ANSYS, Inc., 2616.Filkoski R., V. Optimisation of Pulverised Coal Combustion by Means of CFD/CTA Modelling / R. V. Filkoski, I. J. Petrovski, P. Karas // Thermal Science. 2006. Vol. 10. Iss. 3. P. 161–179. https://doi.org/10.2298/TSCI0603161F.Filkoski R. V., Petrovski I. J., Karas P. (2006) Optimisation of Pulverised Coal Combustion by Means of CFD/CTA Modelling. Thermal Science, 10 (3), 161–179. https://doi.org/10.2298/TSCI0603161FEngineering Simulation ANSYS [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.ansys.com/ (date of access: 12.03.2018) ; 3D Design Products [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.ansys.com/products/3d-design (date of access: 12.03.2018).Engineering Simulation ANSYS. Available at: https://www.ansys.com/ (accessed 12 March 2018) ; 3D Design Products. Available at: https://www.ansys.com/products/3d-design ((accessed 12 March 2018).Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / под ред. Н. В. Кузнецова [и др.]. М.: Энергия, 1973. 296 с.Kuznetsov N. V., Mitor V.V., Dubovskii I. E., Karasina E. S. (eds.) (1973) Thermal Calcula-tion of Boilers (Standard Method). Moscow, Energiya Publ. 296 (in Russian).Седов, Л. И. Методы подобия и размерности в механике / Л. И. Седов. М.: Наука, 1972. 440 с.Sedov L. I. (1972) Similarity and Dimensionality Methods in Mechanics. Moscow, Nauka Publ. 440 (in Russian).Кутателадзе, С. С. Моделирование теплоэнергетического оборудования / С. С. Кутателадзе, Д. Н. Ляховский, В. А. Пермяков. М.-Л.: Энергия, 1966. 351 с.Kutateladze S. S., Lyakhovskii D. N., Permyakov V. A. (1966) Modeling of Thermal Power Equipment. Moscow-Leningrad, Energiya Pibll. 351 (in Russian).Архипов, А. М. Использование прямоточных горелок и сопл в топках котлов: инновационный опыт МЭИ / А. М. Архипов, Ю. М. Липов, В. Б. Прохоров. М.: Издательство МЭИ, 2013. 240 с.Arkhipov A. M., Lipov Yu. M., Prokhorov V. B. (2013) The Use of Direct-Flow Burners and Nozzles in Boiler Furnaces: Innovative Experience of MPEI. Moscow, MPEI Publ. 240 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.