Оценка возможности перевода энергетических котлов на альтернативные твердые топлива путем моделирования процессов горения

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.

1. Майданик, 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.

2. Государственный доклад о состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2019 году / Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации. М.: 2020. 494 с.

3. Энергетические угли восточной части России и Казахстана: справочник / В. В. Богомолов [и др.]. Челябинск: УралВТИ, 2004. 304 с.

4. Тепловой расчет котлов (Нормативный метод) / под ред: Н. В. Кузнецов [и др.]. Санкт-Петербург, 1998. 259 с.

5. 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)).

6. 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.

7. Watt, 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.

8. 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.

9. Char 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.

10. Hashimoto, 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.

11. Haas, 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.

12. Thermochemical 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.

13. Experimental 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.

14. Комбинированное 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.

15. 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.

16. Audai 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.

17. Комбинированное 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.

18. . ANSYS FLUENT, 14.5. Theory Guide. Canonsburg, Pennsylvania, USA: ANSYS, Inc., 2014. 2616 p.

19. 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.

20. Engineering 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).

21. Тепловой расчет котельных агрегатов (Нормативный метод) / под ред. Н. В. Кузнецова [и др.]. М.: Энергия, 1973. 296 с.

22. Седов, Л. И. Методы подобия и размерности в механике / Л. И. Седов. М.: Наука, 1972. 440 с.

23. Кутателадзе, С. С. Моделирование теплоэнергетического оборудования / С. С. Кутателадзе, Д. Н. Ляховский, В. А. Пермяков. М.-Л.: Энергия, 1966. 351 с.

24. 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.