Вычислительный эксперимент был проведен на реальном энергетическом объекте. В качестве исследуемого объекта в работе выбрана камера сгорания котла ПК-39 к блоку 300 Мвт, паропроизводительностью 475т/ч. Котел установлен на Ермаковской электростанции (Казахстан). На рисунке 1 представлена общая схема камеры сгорания этого котла и разбивка ее на элементарные объемы для проведения вычислительных экспериментов. Камера сгорания оборудована 12 вихревыми трехканальными горелками. Горелки расположены встречно в два яруса по 6 горелок в каждом. Для интенсификации воспламенения и создания благоприятных условий устойчивого горения горелки имеют два размера, что позволяет обеспечить разные коэффициенты избытка воздуха в них: нижний ярус aг=1,4, верхний ярус aг=0,9. Топливо по ярусам распределено поровну.
Источником кислорода для камеры сгорания является атмосферный воздух. Для осуществления реакции горючих компонентов топлива с кислородом необходима достаточно высокая температура для воспламенения, тщательное перемешивание топлива или турбулентность, обеспечивающая такое перемешивание, а также время, достаточное для полного сгорания. Анализ скоростных и температурных полей показал, что в центре топочной камеры создаются благоприятные условия для интенсивного протекания реакций горения. Изменение концентрации окислителя по высоте топочной камеры представлено на рисунке 2 в виде кривых изменения концентрации кислорода. Максимальные изменения концентрации кислорода имеют место в области горелок, через которые подается топливо и окислитель.
Рисунок 1. Общий вид топочной камеры котла ПК-39 и разбивка
ее на контрольные объемы
В этой области химические реакции идут наиболее интенсивно и однородно. По мере приближения к выходу отклонения максимальных и минимальных значений от среднего сокращается.
1-0 – минимальные; 2-0 – средние; 3-0 – максимальные в сечении значения
Линии 1-0, 2-0, 3-0 – расчет; 
Рисунок 2. Распределение концентрации О2 по высоте топочной камеры
Картина образования оксидов углерода (СО, СО2) представлена на рисунках 2 — 4. Процесс этот неоднозначен. В процессе горения углерода вторичные реакции догорания СО в газовом объеме и восстановления СО2 на поверхности углерода, переплетающиеся с первичными реакциями, позволяют судить о нелинейности истинного химического механизма горения углерода. Кроме того, гетерогенный процесс горения углерода, связанный с наложением диффузионных явлений на химические процессы, вместе с внутренним реагированием еще более искажает основной химический процесс. Механизм реагирования углерода с кислородом представляется следующим образом. Из газового объема кислород адсорбируется на поверхности углерода, где атомы кислорода вступают в химическое соединение с углеродом, образуя сложные углеродно-кислородные комплексы СxОy. Последние распадаются с образованием СО2 и СО. Скорость распада сильно увеличивается с увеличением температуры. Углерод при определенных температурных условиях реагирует с кислородом и углекислотой. В результате реагирования углерода с кислородом одновременно образуется оба окисла углерода — СО2 и СО, а в результате реагирование с углекислотой – окись углерода. Совместное нахождение окиси углерода и кислорода, способных реагировать друг с другом, дает третью реакцию – горение окиси углерода. В местах расположения горелок происходит как подача пылеугольной пыли с определенной концентрацией углерода, так и воздуха с определенным значением концентрации углерода. В этой области происходят основные реакции реагирования углерода, о чем свидетельствуют максимумы на кривых распределения СО (рисунок 3).
Таким образом, можно выделить три основных процесса, преобладающих при реагировании углерода топлива:
— реагирование углерода с кислородом, связанное с одновременным образованием СО2 и СО: С + О2 = СО2 + 409,1 МДж/моль
2С + О2 = 2СО + 2*123,3 МДж/ 2 моля
— взаимодействие углекислоты с углеродом
С + СО2 = 2СО – 162,5 МДж/моль
— соединение кислорода с окисью углерода
2СО + О2 = 2СО2 + 2*285,8 МДж/2 моля.
Как видно из рисунков 3 и 4 картина распределения СО не соответствует полю СO2, что говорит об отличиях в процессе образования СО2 и СО. Видно, что основное образование диоксида углерода СО2 происходит по мере удаления от центра топки, т.е. области столкновения струй топлива и окислителя из противогорелок. Таким образом, можно сделать вывод о том что, процесс образования оксидов углерода зависит не только от явлений переноса, но и от кинетики процесса. Тот факт, что углерод может реагировать с кислородом разными способами, чрезвычайно важен при проектировании топочных камер. Любые технологии сжигания должны обеспечивать полное смешивание топлива с кислородом до полного сгорания с образованием CO2, а не CO. В противном случае тепловыделение резко снизится, поскольку при образовании CO выделяется лишь 28% той энергии, которая выделяется при образовании CO2.
Кроме углерода, в топливе содержится определенное количество водорода, что тоже вносит свой вклад в процесс горения 2H2 +O2 = 2H2O. В процессе реакции горения вода, содержащаяся в топливе, испаряется. Поскольку экибастузский уголь имеет высокую влажность при высоких температурах процесс испарения идет интенсивно, с чем связано наличие минимумов на кривых распределения концентрации H2O (рисунок 5). Образование воды в газообразном состоянии наиболее интенсивно происходит на некотором расстоянии от зоны горелок и имеет равномерный характер по мере приближения к выходу из топочного пространства. Распределение концентрации водорода (рисунок 6) говорит об отличии в формировании этого вещества в процессе горения. Видно, что основное выделение водорода происходит выше основной области горения, где расположены горелочные устройства.
1-0 – минимальные; 2-0 – средние; 3-0 – максимальные в сечении значения
Рисунок 5. Распределение концентрации Н2О по высоте топочной камеры
При организации процесса горения, необходимо особое внимание уделять процессу формирования оксидов азота, поскольку в настоящее время данные соединения признаны одними из наиболее опасных веществ, выбрасываемых в атмосферу. В общем случае азот образует с кислородом шесть оксидов: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 и N2O5. Наибольшее количество оксидов азота, образующихся при горении пылеугольной пыли и их последующей трансформации в атмосфере, представлено оксидом (NO) и диоксидом азота (NO2). Исследования [1, c.99; 2, с.218] показали, в основном можно указать два основных источника образования оксидов азота: окисление азота воздуха и переход азота угля в оксиды. При горении пылеугольной пыли, при умеренных температурах ядра факела (~1500ºС) основным источником оксидов азота является азот топлива. При более высоких температурах значительную роль играют воздушные оксиды азота.
Картина распределения максимальных, минимальных и средних значений NOx по всему топочному пространству представлена на рисунке 7. Видно, что зоной основного газообразования NOx является область расположения горелок, т.е. там, где в максимальном количестве присутствуют топливо и окислитель и уровень температур достаточно высок.
Кроме газовых компонентов в процессе горения образуются и твердые вещества. Распределение твердых субстанций представлено в виде полей концентрации кокса (рисунок 8), золы (рисунок 9) и суммарной концентрации твердых частиц (рисунок 10). Максимумы всех концентраций и наиболее резкие изменения все кривые претерпевают в местах расположения горелок, т.е в области поступления в камеру сгорания топлива и окислителя. Отметим, что такой характер распределений наблюдается практически для всех типов топочных камер.
Формирование и разложение различных продуктов реакции горения происходит с выделением и поглощением энергии за счет химических реакций. Энергия, полученная в результате реакции горения, определяется только составом исходных веществ и конечных продуктов реакции, независимо от того, какие промежуточные продукты возникают в процессе горения.
Список литературы:
1.Аскарова А.С., Болегенова С.А., Максимов В.Ю., Габитова З.Х. Моделирование процессов образования продуктов горения в пылеугольном факеле: Материалы VI Международной научно-практической конференции «Решение развития предприятий: роль научных исследований», ISSN 2308-703X. — Краснодар, 2014. — С.97-102.
2. Askarova A.S., Bolegenova S., Bekmukhamet A., Maximov V.– 3D modeling of heat and mass transfer in industrial boilers of Kazakhstan power plant: 2nd International Conference on Mechanical, Production and automobile Engineering (ICMPAE-‘2012) / Singapore.– 2012. – 217-220 p.[schema type=»book» name=»ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ НАЛИЧИИ ГОРЕНИЯ В ОБЛАСТЯХ РЕАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ» author=»Аскарова Алия Сандыбаевна, Болегенова Салтанат Алихановна, Болегенова Сымбат Алихановна, Максимов Валерий Юрьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-24″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_4(13)» ebook=»yes» ]