Исследование режимов горения RDF-топлива в котле малой мощности при изменении влажности топлива и коэффициента избытка воздуха
А.А. Ахмед, П.А. Трубаев
Вестник ИГЭУ, 2025 г. выпуск 3, сс. 13—21
Скачать PDF
Состояние вопроса. Адекватность результатов CFD-моделирования в значительной степени зависит от принятого подхода к моделированию и точности заданных граничных условий. Моделирование горения твердого топлива характеризуется большой сложностью и в связи с высокими вычислительными и временными затратами невозможно без использования существенных упрощений. В связи с этим актуальным является разработка CFD-модели горения твердого топлива в неподвижном слое в топках печей и котлов малой мощности, позволяющей получать решения с приемлемыми вычислительными и временными затратами.
Материалы и методы. Предложен подход к построению CFD-модели горения твердого топлива в неподвижном слое в топках печей и котлов малой мощности. Предлагается слой топлива в отдельную расчетную область не выделять и заменить его граничными условиями, расчетная область при этом должна содержать только газовую часть. Для моделирования горения применяется механизм, состоящий из газофазных реакций окисления СО и углеводородов выделившихся летучих веществ и гетерогенной реакции горения твердого углерода на поверхности слоя топлива. Для оценки параметров модели использованы результаты испытаний промышленного котла, сжигающего RDF-топливо (refuse-derived fuel – топливо, полученное из отходов), что позволило обеспечить допустимое совпадение результатов моделирования с данными измерений на котле при разных режимах его работы.
Результаты. Для окисления находящихся в продуктах сгорания отходов органических вредных веществ предлагается производить дожиг вредных веществ в дополнительном газоходе, расположенном между топкой и конвективной частью (газоводяным теплообменником). В результате моделирования процесса горения при изменении влажности с 10 до 50 % и коэффициента избытка воздуха a с 1,4 до 2,2 установлено, что при незначительном повышении параметров (влажности до 30 % и a до 1,6) условия дожига вредных веществ (нахождение продуктов сгорания более 2 с при температурах 850/1100 °С) соблюдается, но при дальнейшем увеличении параметров дожиг не обеспечивается, при увеличении влажности до 50 % из-за низкой температуры горения даже при увеличении времени нахождения газов в расчетном объеме горение заканчивается позднее, при увеличении коэффициента избытка воздуха наряду с уменьшением температуры газов увеличивается их объем и скорость, что приводит к уменьшению времени нахождения газов в расчетном объеме.
Выводы. Разработанная CFD-модель обеспечивает допустимое совпадение с результатами измерений на промышленном котле при разных режимах его работы, что позволяет считать ее адекватной. Для обеспечения полного сгорания топлива и последующего нахождения продуктов горения не менее 2 с при температурах более 850/1100 °С необходимо соблюдать режим горения при оптимальном коэффициенте избытка воздуха (1,4–1,6) без превышения этого значения, при этом недопустимо подавать на сжигание материал с высокой влажностью.
1. Review on modelling approaches based on computational fluid dynamics for biomass combustion systems / A. Dernbecher, D.A. Alonso, A. Ortwein, F. Tabet // Biomass Conversion and Biorefinery. – 2019. – Vol. 9(1). – P. 129–182. DOI: 10.1007/s13399-019-00370-z.
2. Chaney J., Liu H., Li J. An overview of CFD modelling of small-scale fixed-bed biomass pellet boilers with preliminary results from a simplified approach // Energy Conversion and Management. – 2012. – Vol. 63. – P. 149–156. DOI: 10.1016/j.enconman.2012.01.036.
3. Сжигание rdf-топлива с использованием кислородного дутья / В.М. Коновалов, А.А. Гончаров, А.С. Федоров и др. // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2022. – № 10. – С. 79–86. DOI: 10.34031/2071-7318-2022-7-10-79-86.
4. The impact of secondary air boundary conditions on CFD results in small-scale wood pellet combustion / T. Zadravec, B. Rajh, F. Kokalj, N. Samec // Fuel. – 2022. – Vol. 324(113919). – P. 124451. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.124451.
5. Judt W. Numerical and Experimental Analysis of Heat Transfer for Solid Fuels Combustion in Fixed Bed Conditions // Energies. – 2020. – Vol. 13(22). – P. 6141. DOI: 10.3390/en13226141.
6. Junejo A., Al-Abdeli Y.M., Porteiro J. Role of Air Staging in a Batch-Type Fixed Bed Biomass Combustor under Constant Primary Air // Journal of Thermal Science. – 2023. – Vol. 33(1). – P. 284–299. DOI: 10.1007/s11630-023-1869-9.
7. Performance and boiler efficiency using low-grade coal on 400 MWe coal-fired power plant: case study of Suralaya Power Plant Unit 2 / E. Supriyanto, N. Cahyo, R. Sitanggang, et al. // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. – 2021. – Vol. 882. – P. 12033. DOI: 10.1088/1755-1315/882/1/012033.
8. Combustion and mass loss behavior and characteristics of a single biomass pellet positioning at different orientations in a fixed bed reactor / S.A. El-Sayed, M.E. Mostafa, T.M. Khass, et al. // Biomass Conversion and Biorefinery. – 2024. – Vol. 14. – P. 15373–15393. DOI: 10.1007/s13399-023-03767-z.
9. Часе С.И. Определение скорости витания мелкозернистых материалов методом взвешенного состояния // Известия УГГУ. – 1997. – № 6. – С. 157–164.
10. Белоусов В.Н., Смородин С.Н., Цимбал В.Д. Топливо и процессы горения в теплоэнергетических установках. – СПб.: СПбГУПТД, 2020. – Ч. 3. – 154 с.
11. Ahmed A.A., Trubaev P.A., Ramazanov R.S. CFD Modelling and Optimization of Solid Waste Combustion in a1 MW Fixed Bed Combustion Chamber // Journal of Advanced Research in Numerical Heat Transfer. – 2024. – Vol. 23(1). – P. 66–87. DOI: 10.37934/arnht.23.1.6687.
12. Modelling fuel flexibility in fixed-bed biomass conversion with a low primary air ratio in an updraft configuration / A. Anca-Couce, G. Archan, M. Buchmayr, et al. // Fuel. – 2021. – Vol. 296. – P. 120687. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.120687
13. CFD Steady Model Applied to a Biomass Boiler Operating in Air Enrichment Conditions / M.Á. Gómez, R. Martín, J. Collazo, J. Porteiro // Energies. – 2018. – Vol. 11(10). – P. 2513. DOI: 10.3390/en11102513.