Diagnostyka pracy kotła fluidalnego

Bazując na modelu rdzeniowo-pierścieniowym opracowano program obli-czeniowy. Parametry, które należy wprowadzić do programu są następujące: • strumienie masowe powietrza: pierwotnego PP, kg/s i wtórnego PW, kg/s,

z uwzględnieniem rozdziału powietrza wtórnego na części: górną PWgorne, środkową PWsrodkowe i dolną PWdolne,

• strumienie masowe: sorbentu qsorb., kg/s i węgla qwegiel, kg/s,

• analiza pierwiastkowa i techniczna węgla: XC, XS, XH, XN, XO, Xpopiol, Xwilg., • spadek ciśnienia na komorze paleniskowej p, hPa,

• energia aktywacji (-E/R) (K) oraz stała k0 preeksponencjalna dla modelu Arheniusa szybkości reakcji chemicznej,

• uziarnienia dla węgla i sorbentu,

• gęstości węgla, sorbentu i koksiku (kg/m³), • współczynniki fragmentacji i ścierania,

• współczynnik au funkcji eksponencjalnej opisującej zmianę udziałów

objętościowych węgla i sorbentu wzdłuż wysokości komory,

• wymiary geometryczne cyklonu i współczynniki charakteryzujące ich pracę: współczynnik przyśpieszenia i współczynnik pojemności nośnej wiru.

Zamodelowanie reakcji chemicznych zaimplementowanych w modelu (re-akcje spalania węgla, tworzenie i redukcja tlenków azotu oraz odsiarczanie spalin, tlenu na wylocie z komory) wymagało doboru odpowiednich stałych reakcji i ich energii aktywacji.

IV. Modelowanie numeryczne pracy kotła fluidalnego 41

Program, w trakcie obliczeń, wyznacza następujące podstawowe rozkłady wzdłuż wysokości komory kotła:

• rozkład uziarnienia cząstek stałych osobno dla poszczególnych materiałów (węgiel (koksik), sorbent, materiał inertny) oraz dla zastępczego materiału nazywanego złożem;

• profile udziałów objętościowych dla poszczególnych materiałów;

• rozkłady udziałów objętościowych fazy gazowej (m.in. koncentracje: O2, CO, CO2, NO, N2O, SO2, H2O);

• profile temperatury w rdzeniu komory i przy jej ścianach.

Interfejs graficzny programu został opracowany z wykorzystaniem opro-gramowania Winteracter dla sytemu Windows. Przykładowe okno programu przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3. Przykładowe okno graficzne programu obliczeniowego

Informacje zawarte w oknie dotyczą między innymi: profilu temperatury wzdłuż wysokości kotła, sposobu rozdziału powietrza pierwotnego i wtórnego, ilości wyprodukowanych związków węgla, siarki i azotu oraz strumieni popio-łów lotnych i dennych. Z analizy przykładowych danych obliczeniowych wyni-ka, że przy zadanych warunkach pracy kotła, uzyskano zbyt wysokie stężenie SO2 w spalinach, co jest wypadkową dużej zawartości siarki w węglu oraz zbyt małego strumienia masy podawanego sorbentu. Natomiast zawartość związków

azotu NOx pozostała na poziomie ~130 mg/Nm³. Zmiany koncentracji związ-ków siarki, azotu i węgla wzdłuż wysokości komory paleniskowej zostały za-prezentowane na rys. 4. Na górnym lewym diagramie można zaobserwować zmiany koncentracji tlenu, którego zawartość spada do poziomu ~3% na wylo-cie z kotła. Produkcja tlenku azotu NO osiąga minimalną wartość w dolnej czę-ści komory na wysokoczę-ści ok. 10 m, gdy tymczasem koncentracja SO2 osiąga w tym rejonie swoją maksymalną wartość. Zmiany te korespondują z profilem temperatury, który na tej wysokości osiąga w osi kotła najwyższą temperaturę rzędu 800 °C. Przykładowy spadek ciśnienia w złożu fluidalnym oraz zmiany udziału objętościowego fazy stałej wzdłuż wysokości kotła przedstawiono na rysunku nr 5.

Rys. 4. Przykładowe przebiegi zamian związków wegla, siarki i azotu wzdłuż wysokości kotła fluidalnego

Szybki spadek ciśnienia w dolnej części kotła (do wysokości około 2 m) bardzo dobrze koresponduje ze zmianą udziału objętościowego w dolnej części komory (rys. 5). Koncentracja w tym obszarze cząstek stałych na poziomie 16% wskazuje na istnienie w leju komory warstwy gęstej, która jest pożąda-nym efektem, wpływającym stabilizująco na pracę całego złoża. Od wysokości 5 m następuje liniowy spadek ciśnienia oraz ustala się stała wartość udziału

IV. Modelowanie numeryczne pracy kotła fluidalnego 43

objętościowego fazy stałej co wskazuje na równomierny rozkład cyrkulującego materiału wzdłuż wysokości kotła i prawidłowy przebieg procesu szybkiej flui-dyzacji.

Rys. 5. Przykładowy spadek ciśnienia oraz zmiana udziału objętościowego fazy stałej wzdłuż wysokości kotła fluidalnego

4. Podsumowanie

W pracy zaprezentowano ekspercki program obliczeniowy wykorzystujący 1,5–wymiarowy model rdzeniowo-pierścieniowy do modelowania zjawisk cieplno-przepływowych zachodzących w kotle fluidalnym. Program oblicze-niowy umożliwia zarówno bieżącą diagnostykę parametrów pracy kotła jak również optymalne sterowanie rozdziałem powietrza pierwotnego i wtórnego oraz racjonalną gospodarkę kamieniem wapiennym. Do zalet programu można zaliczyć:

• krótki czas obliczeń (możliwość włączenia programu do systemu monitorowania pracy bloku w trybie on-line),

• możliwość generowania raportów bieżących, dziennych, zbiorczych np. tygodniowych lub miesięcznych,

• łatwy sposób modyfikacji wartości strumieni masy podawanego węgla, sorbentu i powietrza (pierwotnego i wtórnego),

• możliwość podglądu zmian koncentracji NOx i SO2 wzdłuż wysokości kotła, • możliwość wykorzystania jako oprogramowanie szkoleniowe w celu

Program umożliwia również przewidywanie skutków zmian konstrukcyj-nych kotła fluidalnego oraz ich wpływ na jego optymalną pracę. Pozwala badać procesy zachodzące wewnątrz komory paleniskowej, jak również może stanowi narzędzie do prób modyfikacji parametrów pracy i nastaw kotła fluidalnego, w celu jego optymalizacji np. pod względem emisji zanieczyszczeń gazowych czy sprawności spalania węgla.

LITERATURA

[1] ANDREWS M.J.,O’ROURKE P.J., The multiphase particle-in-cell (MP-PIC) method for dense particulate flows, Int. J. Multiphase Flow, Vol. 22, No. 2, 1996, 379-402.

[2] BASU P.FRASER S.A., Circulating fluidized bed boilers. Design and operations, Butterworth– Heineman, Boston, 1991.

[3] DREW D.A.,PASSMAN S.L., Theory of Multicomponent Fluids, Springer, 1999. [4] GIDASPOW D., Multiphase Flow and Fluidization, Academic Press, 1994.

[5] GRACE J.R.,AVIDAN A.A.,KNOWLTON T.M., Circulating fluidized beds, Blackie Academic & Professional, London, 1997.

[6] HANNES J.P., VAN DEN BLEEK C.M.,RENZ U., The IEA model for circulating fluidized bed com-bustion, in Proceedings of the 13th International Conference on Fluidized Bed Combustion; Or-lando, ASME, 287-296, 1995.

[7] PATANKAR N.A.,JOSEPH D.D., Modeling and numerical simulation of particulate flows by the Eulerian-Lagrangian approach, Int. J. Multiphase Flow 27, 2001, 1659-1684.

V. DIAGNOSTYKA PRACY UKŁADU