Tadeusz WALA, M arek MIRSKI, R yszard MATUSZKIEWICZ Fabryka Kotłów RAFAKO S.A., Racibórz
WPŁYW SPALANIA NISKOEM ISYJNEGO N A OSIĄGI TECHNICZNE KOTŁA N A PODSTAWIE
KOMPUTEROWEJ ANALIZY Z UŻYCIEM PROGRAMU COMSTAR
S tr e sz c z e n ie . Program COMSTAR je s t wynikiem w ieloletnich b a
dań n a d zagadnieniam i m atem atycznego m odelowania ze spalaniem . W pracy przedstaw iono możliwości obliczeń program em . Do pracy dołą
czono analizy trzech obiektów. W yniki obliczeń sym ulacyjnych pro g ra
mem COMSTAR zostały porów nane z pom iaram i n a rzeczywistych obiektach. Porów nanie dało dobrą zgodność, co pozw ala stw ierdzić, iż algorytm w ykorzystany w program ie je s t popraw ny.
LOW - NOx EM ISSION COMBUSTION EFFEC T ON BOILER’S TECHNICAL PERFORMANCE BASED ON COMSTAR
COMPUTER ANALYSING PROGRAM
Sum m ary. Com star program is a re su lt of long term experiences concerning m athem atical sim ulations of com bustion processes. H erein are included analysies of th re e un its. Sim ulating calculation resu lts of COMSTAR have been com pared w ith th e re su lts of rea l m easurem ents of existing units. The com parison h a s showed a satisfactory com patibility betw een th e com puter re su lts and a reality, w h a t is provided by use of a proper algorithm in th e program .
B JIH R H H E HH3K03M HCCH0HH0T0 O K M T A H H 5 I TOnJIMBA HA TEXHMRECKHE nOKA3ATEJIH KOTJIOATPET AT A HA OCHOBAHHH AHAJIH3A nPOBEREHHOrO HA 3BM IIPH nOMOIRH nPOTPAMMbl COMSTAR
Pe3K)Me. I I p o r p a M M a COMSTAR n p c A H a 3 H a a c H a rjix T p e x M e p H o r o pacv eT a a a p o ß H H a M H K H c r o p a H H s h TenjioodMeHa b T o n o n H O M n p o c r p a H C T B e a H e p r e T H v e c K o r o KOTjia c nHjieyrojihHHMH r o p e m c a M H . P a c a c T H o e r e o M e T p n v e c K o e irpocTpaHCTBo o x B a T H B a e T To n ou Hy io x a v e p y flo m H p M O B o r o naponeperpeBaTe/iH. I I p o r p a M M a COMSTAR onpefleaaeT T p e x M e p H H e n o ™
CKopocTeń, AaBJieHHH, napaMeipoB TypóyjieHTHoro ąBioKeHHH, KOHąeHTpagHH jieTyMHX, TeMnepaTypH / i , h m o b h x ra30B h T.n. rioJiyHCHHbie BeKTopHHe nojia MoacHO npeflCTaBHTb rpacjDHBecKH c noMOiąbio CTpejiOK h j i h TpaeKTopHH flBaaceHHa MacTiip c HyjieBoii Maccoń. CicajiHpHHe nojia m o j k h o npeącTaBHTb rpa(J)HBecKH c noMoinwo h s o j i h h h h h j i h TpexMepHHX rpacjiHKOB. KpoMe SToro Ha nenaTb b h b o a h t c s HHCJiOBasi HHcjiopMaąHsi, xax HanpHMep: cpeąHHc 4)H3HHeCKHe BejlHHHHhl Ha B H X O fle H3 TOnOHHOH KaMepH, nOJIHHH TenjIOBOH noTOK, BocnpHHaTbiH HcnapHTejieM h j i h paflHapnoHHHM naponeperpeBaTejieM
h T.n.
WSTĘP
Rozwój technik kom puterowych, teorii podobieństwa oraz analizy wymiaro
wej w ykorzystany został do bad ań modelowych w wielu dziedzinach nauki i techniki. B adania modelowe rozwijane były głównie w dwu kierunkach:
- bad ania doświadczalne w zmienionej skali (z w ykorzystaniem zasady po
dobieństw a geometrycznego). B adania te określa się m ianem modelowania fizycznego,
- teoretyczne prace m ające n a celu opracowanie analityczne opisu zjawisk.
Dzięki szybkiem u rozwojowi technik kom puterowych w raz z postępującym rozwojem m aszyn cyfrowych, w tym kom puterów klasy PC, została umożli
w iona stosunkowo szybka analiza zjaw isk zachodzących w takich zagadnie
niach, jak:
- m echanika płynów, - w ym iana ciepła i masy, - przepływ ze spalaniem .
W każdym ze zjaw isk teoria modelowania zm ierza do tego, aby wybrać i uwzględnić w badaniach tylko te zjawiska, które są istotne. U m iejętny wybór najw ażniejszych zjawisk do modelu złożonego procesu ze spalaniem stanowi podstaw ową trudność modelowania. Model m atem atyczny przepływ u ze spa
laniem wiąże w sobie szereg zagadnień, do których należą:
- aerodynam ika przepływu w komorze z uwzględnieniem zjawiska turbulencji, - konwekcyjny oraz dyfuzyjny tra n sp o rt masy,
- konwekcyjny oraz dyfuzyjny tra n sp o rt energii,
- zagadnienia kinetyki chemicznej i prom ieniow ania cieplnego.
Ujęcie ich w jed n ą całość w modelu m atem atycznym je s t niezbędne, wyma
ga jed n a k przyjęcia pewnych założeń w opisie i ta k skomplikowanych poszcze
gólnych zagadnień procesu.
Isto ta modeli m atem atycznych przepływu ze spalaniem polega n a rozwią
zaniu rów nań bilansu pędu, m asy i energii w obszarze przepływu, znajdując w te n sposób rozkłady pól prędkości, tem p eratu r, koncentracji składników oraz strum ien i cieplnych. Poszczególne modele m atem atyczne różnią sie więc w zasadzie przyjętym i założeniami i uproszczeniam i oraz m etodyką realizacji
obliczeń. Ze względu n a niski koszt obliczeń modeli m atem atycznych, szyb
kość ich realizacji, a także dużą swobodę form ułow ania w arunków procesu, modele m atem atyczne zastępują niekiedy całkowicie żm udne badan ia do
świadczalne, które są praktycznie niemożliwe do realizacji.
Na tej kanw ie pow stał zaaw ansow any program obliczeniowy COMSTAR (COM putation of Power STAtion CombustoRs), którego stosunkowo łatwa obsługa oraz użycie najnowszych metod obliczeniowych pozwala n a szybkie i w miarę dokładne analizowanie zjawisk zachodzących w komorze paleniskowej.
O PROGRAMIE COMSTAR
Program COMSTAR je s t w ynikiem kilk u letnich wspólnych bad ań Politech
niki W rocławskiej oraz Raciborskiej Fabryki Kotłów n a d zagadnieniem m ate
matycznego m odelowania przepływów ze spalaniem . W Rafako program COMSTAR zainstalow any je st n a kom puterze klasy PC 486, 66 MHz, 16 Mb RAM z lokalnym dyskiem HD 350 Mb oraz dwoma dyskam i sieciowymi 250 Mb. T ak duża pojemność dysków HD zw iązana je s t z potrzebą przechowywa
nia wyników symulacji poszczególnych obiektów.
Z a stosow a n ie :
1. A n a l i z a p r o b l e m ó w e k s p l o a t a c y j n y c h
- niew łaściw a praca kotła - niedogrzanie p a ry wylotowej - n isk a te m p e ra tu ra wylotowa spalin - wysoki niedopał węgla
- nierów nom ierne obciążenie cieplne ścian - przegrzew anie elem entów palników 2. P r o j e k t o w a n ie
- spraw dzanie gabarytów kom ory paleniskowej
- spraw dzanie obciążenia cieplnego ścian i te m p e ra tu ry spalin - an aliza te m p e ra tu ry i składu spalin oraz możliwości szlakow ania 3. O p t y m a l i z a c j a
- optym alizacja ustaw ienia palników - optym alizacja pow ietrza OFA
- optym alizacja rozdziałów czynnika n a poszczególne dysze - dobór optymalnego paliw a
- m inim alizacja niedopału Program COMSTAR oblicza:
- trójwym iarowe pola przepływów
- trójwym iarowe pola te m p e ra tu r spalin oraz w artości średnie - skład spalin
- wym ianę ciepła w komorze paleniskowej
- ilość niespalanego węgla - inne
Do w yznaczenia ww. trój wym i arowych pól konieczna je s t znajomość:
- charaktery sty ki spalanego węgla - założeń konstrukcyjnych takich, jak:
- geom etria komory paleniskowej i palników
- usytuow anie palników n a ścianach kom ory paleniskowej - ilości czynników (węgla i powietrza) oraz prędkości P r z ep ro w a d z o n e analizy:
W niniejszym opracowaniu przedstaw iono analizy trzech obiektów:
- EC Wrocław - kocioł W P-120 - El. Dolna O dra - kocioł O P-650 - EC Siekierki - kocioł O P-430
Analizy przeprowadzono dla węgli spalanych w ww. kotłach oraz rozdzia
łów czynnika i ustaw ień dysz takich, jak ie są w rzeczywistych obiektach.
Przeprowadzone analizy potwierdziły dobrą zgodność wyników symulacji z w ynikam i pomiarów przeprowadzonych n a obiektach.
EC WROCŁAW
Kocioł te n był pierwszym kotłem wodnym, n a którym zastosowano niskoe- m isyjne palniki strum ieniow e. Jednocześnie n a kotle została zabudowana in stalacja do odsiarczania spalin z dozowaniem w apna do kom ory palenisko
wej. W początkowym okresie eksploatacji kotła, bezpośrednio po modernizacji, w ystąpiły znaczne problem y polegające n a podwyższeniu tem p e ra tu ry spalin (w całym ciągu konwekcyjnym i w komorze paleniskowej) oraz szlakowanie komory paleniskowej. Podejrzewano, że przyczyną tego sta n u mogło być za
równo wprowadzenie palników niskoem isyjnych, ja k również dozowanie wap
n a do kom ory paleniskowej (co mogło wpłynąć n a obniżenie p u n k tu mięknię
cia popiołu). Celem analizy modelowej była ocena wpływu zastosow ania palni
ków niskoem isyjnych n a wym ianę ciepła w komorze paleniskowej i n a tempe
ra tu rę spalin wylotowych. Ponadto założono przeprow adzenie optymalizacji kątów ustaw ienia dysz palników, dysz OFA, prędkości wylotowych czynników i rozdziału pow ietrza w aspekcie ograniczenia szlakow ania oraz poprawienia stopnia w ypalenia węgla (obniżenie zaw artości części palnych w popiele).
Efekt obniżenia emisji NOx został uzyskany ze znacznym zapasem (zawar
tość NOx w spalinach została obniżona do poziomu 350 + 470 mg/m^), przy czym czynnikiem ograniczającym utrzym anie pożądanego ze względu n a NOx rozdziału pow ietrza była zbyt wysoka te m p e ra tu ra spalin przy pełnej wydaj
ności kotła.
Przeprow adzona analiza pozwoliła n a sform ułow anie następujących wnios
ków:
- Zastosowanie dwustopniowego sp alania (z dyszam i OFA) powoduje obniże
nie tem p e ra tu ry spalin n a wylocie z komory paleniskowej poprzez bardziej efektywne obciążenie cieplne ścian kom ory paleniskow ej. Średnie obciąże
nie cieplne ścian kom ory paleniskowej je s t wyższe niż dla spalan ia jedno- stopniowego (bez dysz OFA), przy tym obniżeniu ulegają m aksym alne w artości jednostkowego obciążenia ścian w rejonie palników , zaś pozostała część kom ory paleniskowej je s t w ykorzystana w sposób bardziej efektyw
ny. W niosek te n sformułowano przy założeniu, że stopień czystości ścian komory paleniskowej je s t tak i sam dla obydwu rodzajów spalania. W przy
padku większego zabrudzenia ścian (na przykład w w yniku szlakow ania spowodowanego obniżeniem te m p e ra tu ry m ięknięcia popiołu) te m p e ra tu r a spalin n a wylocie z kom ory paleniskowej może być wyższa.
- O ptym alne ustaw ienie dysz OFA, przy którym te m p e ra tu ra spalin jest najniższa, określone je s t kątem nachylenia w pionie 0° i ustaw ieniem w poziomie stycznie do koła w iru o prom ieniu 1 m. Przy tak im u staw ieniu te m p e ra tu ra spalin je s t o około 50°C niższa w sto sunku do sytuacji bez dysz OFA
- Przeciwny wpływ n a tem p e ra tu rę spalin m a obniżenie ogólnego współ
czynnika n a d m iaru pow ietrza (co w ynika z ogólnego bilansu komory pale
niskowej), np. zm iana współczynnika n a d m ia ru pow ietrza z 1,25 n a 1,15 powoduje w zrost tem p e ra tu ry wylotowej o około 20°C.
- Zastosow anie dysz OFA powoduje zwiększenie zaw artości części palnych w popiele. Stopień zwiększenia zależny je s t od u staw ien ia dysz OFA i dysz palnikowych, ja k również od ogólnego n a d m ia ru pow ietrza i rozdziału pow ietrza n a palnik i dyszę OFA. Przy założonym n adm iarze powietrza, optym alnym ze względu n a emisję NOx (według danych z pomiarów), n ajniższą zaw artość części lotnych w popiele uzyskuje się przy ustaw ieniu dysz OFA takim sam ym ja k przy najniższej tem p e ra tu rz e spalin (to je s t 0°
w pionie i koło w iru lm ). Przy bardzo dużym poziomym odchyleniu dysz OFA w stronę ścian daje się zauważyć pow stanie w centralnej części ciągu spalin m artw ej strefy bardzo ubogiej w tle n i zawierającej dużo niespalone- go węgla. Świadczy to o niewłaściwym m ieszaniu się z powietrzem . Rów
nież zbyt duże odchylenie dysz pow ietrza w tórnego w stronę ścian komory powoduje podobny efekt, który ponadto wiąże się ze w zrostem tem p e ra tu ry spalin n a wylocie z kom ory paleniskow ej.
Bardzo duży wpływ n a zaw artość części palnych w popiele m a również przem iał węgla, a szczególnie zaw artość grubych frakcji. Przy zm ianie pozostałości R 2ooz 2 % n a 5 % niedopał w z ra sta z ~ 3 % n a ~ 9 % .
- K oncentracja CO i 0 2 w strefie przyściennej, m ająca wpływ n a ew entualną korozję tem peratu ro w ą r u r parow nika oraz n a ew entualne szlakowanie,
je s t zależna od n ad m iaru pow ietrza w paln iku i k ą ta nachylenia dysz pow ietrza wtórnego. Poprzez odchylenie dysz pow ietrza wtórnego w stronę ścian kom ory m ożna uzyskać koncentrację 0 2 w strefie przyściennej powy
żej 3%, co według EVT skutecznie zapobiega korozji wysokotem peraturo
wej. Również wpływ atm osfery redukcyjnej (bogatej w CO) n a szlakowanie nie je s t większy niż w tradycyjnym palenisku, jeżeli dysze pow ietrza wtór
nego są odchylone od stru m ien ia m ieszanki w stronę ściany o k ą t około 2,5°. Przeprowadzona analiza wskazuje, że zastosow anie palników niskoe- m isyjnych nie może być powodem zwiększonego szlakow ania kotła. Aby ocenić ew entualny wpływ dozowania w apnia n a możliwość szlakowania, przeprowadzono analizę składu żużla i popiołu lotnego (wykorzystując wyniki pomiarów przeprowadzonych przez zespól Politechniki Wrocła
wskiej). Pom iary wskazują, że zarówno w popiele, ja k i żużlu występuje zwiększona zawartość związków wapnia. Świadczy to, że część dozowanej mączki wapiennej przechodzi przez komorę paleniskow ą do leja nie wcho
dząc w reakcję z tlenkiem siarki i może powodować obniżenie tem peratury m ięknięcia popiołu w strefie przyściennej, co przyczynia się do zwiększenia zabrudzenia kom ory paleniskowej i w konsekwencji do wyraźnego zwię
kszenia tem p e ra tu ry spalin. Proces odsiarczania w ym aga dawkowania związków w apnia w ilości nadstechiom etrycznej. Konieczne je s t więc, aby przy optymalizacji pracy instalacji odsiarczania uwzględnić wpływ dawko
w ania związków w apnia n a ew entualne szlakowanie.
Obecnie, po przeprow adzeniu optymalizacji obydwu instalacji (odsiar
czania i palników), nie obserwuje się większych problemów z przekrocze
niem tem p eratu ry spalin i m ożna przyjąć, że pod tym względem kocioł pracuje poprawnie.
Problemem wymagającym dalszych działań je s t obniżenie zawartości części palnych w popiele i w żużlu. W początkowym okresie eksploatacji kotła po m odernizacji zaw artość części palnych w popiele wynosiła do 9%, a w żużlu do 20%, w zależności od w arunków ruchowych. Średnie wartości z rocznego okresu eksploatacji wynoszą odpowiednio - 7% i - 17%. Dla sprawności kotła większy wpływ m a zaw artość części palnych w popiele (ilość żużla je s t niska i części palne w żużlu m ają wpływ około pięciokrotnie niższy). Drogą do obniżenia części palnych w popiele je s t popraw a jakości popiołu. J e s t to możliwe poprzez m odernizację separatorów młynów oraz optymalizację wentylacji. Wydaje się, iż wystarczająco skuteczna byłaby w ym iana separatorów żaluzjowych n a odśrodkowe (typ Raymonda).
Nieco mniejszy wpływ n a stopień w ypalenia cząstek węgla m a również skład m ieszanki pyłowej oraz k sz ta łt dyszy pyłowej palnika. W analizowa
nym kotle suszenie węgla odbywa się za pomocą spalin zassanych przez m łyny z komory paleniskowej, z m ałym dodatkiem powietrza. Zawartość tlen u w tej m ieszance gazów po wysuszeniu węgla wynosi - 7% (przy pracy
dwóch młynów). Zwiększenie zaw artości tle n u o rząd kilku procent podnio
słoby tem p e ra tu rę w strefie intensyw nego spalania, przyśpieszyło zapłon i spowodowało lepsze wypalenie. Przyśpieszenie zapłonu węgła m ożna rów
nież uzyskać poprzez tak ie u kształtow anie dyszy m ieszanki pyłowej, aby wokół stru m ien ia m ieszanki pow stał w ir zasysający gorące spaliny z kom o
ry paleniskowej do strefy zapłonu. Rozw iązania tak ie są stosow ane przez niektóre firm y kotłowe. Ilościowe określenie wpływu powyższych czynni
ków n a stopień w ypalenia je s t n a obecnym etapie niem ożliwe za pomocą program u COMSTAR (ze względu n a ograniczenia sprzętowe). Dlatego też konieczne je s t w ykonanie b ad ań n a m odelu fizycznym względnie w ykona
nie odpowiednich prób n a obiekcie drogą kolejnych modyfikacji k sz ta łtu dysz pyłowych.
Analizowano cztery w arian ty u staw ienia dysz OFA w pionie (0°, -5°, -10°, -15°) oraz u staw ienia n a różne koło w iru 0 m, 1,5 m, 4,4 m). W kotle W P-120 dysze pow ietrza wtórnego są podzielone n a dwie części. Połówka dyszy położo
na od strony dyszy pyłowej je s t skierow ana n a w iększe koło wiru. Dysze OFA są zabudowane około trz y m etry n a d palnikam i głównymi n a ścianach bocz
nych. Przez dysze OFA podaje się około 20% pow ietrza stechiom etrycznego potrzebnego do spalania. Dysze przew idziano jako uchylne w dwóch k ie ru n kach: pionowym i poziomym.
N a rys. 1 przedstaw iono analizę tem p e ra tu ry oraz niespalonych części węgla przy ustaw ieniu dysz OFA w kącie pionowym -15°, oraz n a różne koło wiru (0 m, 1 m, 1,5 m). Pokazano tak że porów nanie wyników przy wyłączo
nych dyszach OFA. Z analizy dla ww. u staw ień w ynika, iż dysze OFA obniżają
Rys. 1. N iedopał i tem peratura spalin n a w ylocie z komory paleniskow ej - dysze OFA u staw ione w kącie pionowym -1 5 °
Fig. 1. U n b u m ed carbon and outlet tem perature - OFA n ozzless a t vertical tilt -1 5 °
tem p e ra tu rę wylotową spalin, podwyższając procentow ą zaw artość niespalo- nych części węgla.
N a rys. 2 przedstaw iono analizę te m p e ra tu ry oraz niespalonych części węgla przy ustaw ieniu dysz OFA w kącie pionowym 0° oraz n a różne koło wiru (0 m, 1 m z godnie z kierunkiem ru ch u obrotowego w iru oraz 1 m przeciwnie do k ieru n k u wiru). T ak ja k n a ry su n k u 1 przedstaw iono porównanie wyników przy wyłączonych dyszach OFA. Z ww. analizy wynika, iż najniższa procento
w a zawartość niespalonych części węgla w ystępuje przy ustaw ieniu dysz OFA n a koło w iru o prom ieniu 1 m, zgodnie z k ierunkiem ruchu obrotowego wiru.
Jedn akże dla takiego ustaw ienia dysz OFA uzyskujem y najniższą tem peratu
rę wylotową spalin z kotła.
Rys. 2. N iedopał i tem peratura spalin na w ylocie z komory paleniskow ej - dysze OFA u staw ione w kącie pionow ym 0°
Fig. 2. U nburned carbon and outlet tem perature - OFA n ozzless at vertical tilt 0°
N a rys. 3 przedstaw iono porównanie wpływu różnych u staw ień dysz OFA w pionie n a tem p e ra tu rę wylotową spalin z kotła i n a części palne. Z ww. analizy wnioskujemy, iż najniższą procentową zaw artość niespalonych części węgla uzyskujem y dla ustaw ienia dysz OFA w uchylę pionowym 0°. Jednocześnie dla tego ustaw ienia osiągana je s t najniższa te m p e ra tu ra spalin wylotowych z komory paleniskow ej. T em p eratura ta je s t niższa o około 50°C od tem peratury uzyskanej bez OFA.
Pola przepływów w wybranych przekrojach komory pokazano n a rys. 4. Na ry su n k u widoczne są zawirow ania w obrębie p asa palnikowego, a także w obrębie dysz OFA. Widoczne zaw irow ania stru m ien ia OFA od wirowego ruchu w komorze sprzyjają dobrem u w ym ieszaniu w tym rejonie.
o1. Kąt pionowy 0.0 o 2. Kąt pionowy -5.0 o 3. Kąt pionowy -10.0 o 4. Kąt pionowy -15.0 e 5. Ofa wyłączone
Rys. 3. N iedopał i tem peratura sp alin n a w ylocie z kom ory paleniskow ej — dysze OFA sk ie
row ane n a koło w iru 1 m zgodnie
Fig. 3. U nburned carbon and outlet tem perature - OFA n ozzless directed a i m diam eter circle
Rys. 4. Kocioł W P-120 pola przepływów w wybranych przekrojach komory Fig. 4. Flow areas in chosen furnace intersection-boiler W P-120
Rysunek 5 ukazuje obciążenie cieplne ścian (kW/m2). N a ry sun ku można zauważyć rów nom ierne obciążenie ścian w okolicy p a sa palnikowego.
Rys. 5. Kocioł W P -120 obciążenie cieplne ścian (kW/m2) Fig. 5. Therm al fluxes to furnace w alls (kW/m2) boiler W P -120
El. DOLNA ODRA
Po przeprow adzeniu m odernizacji kotła n r 4, k tó ra spowodowała obniżenie emisji NOx o około 40%, zaobserwowano bardzo nierów nom ierny rozkład
tem p eratu ry spalin n a wylocie z komory paleniskowej i w iążący się z tym nierównom ierny przepływ pary n a lewej i praw ej stronie kotła. Ponadto wys
tąpił brak przegrzew u pary, szczególnie głęboki w początkowym okresie pracy po m odernizacji, kiedy kom ora paleniskow a nie była jeszcze przybrudzona.
Po około miesięcznym okresie pracy w ystąpiły uszkodzenia dysz pow ietrza wtórnego i dysz OFA spowodowane przegrzaniem m ateriału.
Powyższe u sterk i w znacznym stopniu obniżyły pozytywny efekt przepro
wadzonej m odernizacji. Dla p ro jek tan ta zaskakujący był duży niedogrzew pary zw iązany z obniżeniem te m p e ra tu ry p ary n a wylocie z komory paleni
skowej, podczas gdy w kotle W P-120 w EC WROCŁAW obserwowano odwrot
ne sk u tk i modernizacji.
Celem analizy było:
- określenie przyczyny nierównom iernego rozkładu tem p e ra tu ry spalin i znalezienie m etod jej wyrównania,
- określenie w pływu sp alan ia niskoem isyjnego n a uzyskiw any przepływ p a
ry,
- określenie wpływu zm iany k ą ta nachylenia dysz p a ln ik a n a uzyskiw any przepływ p ary oraz n a ilość niespalonego węgla,
- określenie rozkładu te m p e ra tu r spalin w komorze paleniskowej.
W ykonano kilkanaście obliczeń sym ulujących pracę kom ory paleniskowej w w aru nkach przed m odernizacją oraz po m odernizacji, przy różnych iloś
ciach pow ietrza w p aln ik u i w dyszach OFA i różnych k ą ta c h u staw ien ia dysz.
Wnioski z przeprowadzonej analizy są następujące:
- T em p eratu ra spalin n a wylocie z kom ory paleniskowej je s t niższa o rząd - 140°C w stosunku do te m p e ra tu ry przed m odernizacją. E fekt ten jest wywołany w równym stopniu przez zm ianę k ą ta nachylenia dysz palników (po m odernizacji dysze skierow ane są w dół pod k ątem -15°C), ja k i przez zabudowę dysz OFA. Przy zwiększonym zabrudzeniu kom ory palenisko
wej, jak ie m a miejsce po kilkum iesięcznej eksploatacji kotła, różnica te m p e ra tu r spalin obniża się do około 100°C. Rezygnacja z pochylenia dysz palnikowych zm niejszyłaby spadek te m p e ra tu ry spalin o połowę. Jednakże odbiłoby się to niekorzystnie n a redukcji em isji NOx.
- N ierów nom ierny rozkład te m p e ra tu ry spalin n a wylocie z kom ory palenis
kowej m a swoje źródło w geom etrii samej komory. G arb usytuow any n a wylocie z komory powoduje przesunięcie koła w iru w stronę naroża komory paleniskowej. Powoduje to jednocześnie przesunięcie pola tem p e ra tu r, a także niesym etrię w rozkładzie obciążenia cieplnego kom ory paleniskow ej.
Nierównomierność ta utrzym uje się bez względu n a usytuow anie dysz pow ietrza i nie likw iduje jej naw et skierow anie dysz OFA przeciw nie do w iru palników. W tym o statnim przypadku zw iększa się ilość niespalonego węgla. Pew ną popraw ę rozkładu te m p e ra tu r m ożna uzyskać przez zróżni
cowanie obciążenia palników pracujących n a poszczególne naroża. Ma to
jed n ak niekorzystny wpływ n a niedopał i je s t przedsięwzięciem dość ryzy
kownym z uwagi n a konieczność w prow adzenia stałych zm ian k onstruk
cyjnych w przewodach m ieszanki pyłowej, które mogą wywołać niekorzyst
ne objawy przy częściowym obciążeniu młynów.
N a podstaw ie przeprowadzonej analizy sform ułowano wnioski dla mo
dernizacji kolejnych kotłów (nr 5 i 6). Obejmują one:
- korektę powierzchni podgrzewaczy dla u zy skan ia pełnego przegrzewu pary,
- zm iany konstrukcyjne dysz OFA i dysz palnikowych, polegające na zm ianie g atunk u m ateriału i zapew nieniu lepszego chłodzenia dysz.
- Zm iany te zostały wprowadzone w czasie m odernizacji kotłów n r 5 i 6. Nie zlikwidowały one całkowicie niesym etrii obciążenia pomiędzy lewą i prawą stro n ą kotła, ale pozwoliły n a uzyskanie pełnego przegrzew u. Jednocześnie poprzez odpowiednią optymalizację pracy palników, k tó rą przeprowadzono pod nadzorem RAFAKO, uzyskano doskonały wynik w realizacji emisji NOx. Uzyskano emisję n a poziomie 350 + 450 mg/m® (co odpowiada 120 +■
160 g/GJ), przy niew ielkim wzroście zaw artości części palnych w popiele do 1,1%. Przeprow adzona analiza kom puterow a pozwoliła uniknąć wielu kosztownych prób i badań n a obiekcie, które nie dałyby zadowalającego w yniku, a um ożliwiła skoncentrow anie się n a tych zagadnieniach, które dały pozytywny rezultat.
Rys. 6. Kocioł OP-650 - pola przepływów w wybranych przekrojach komory Fig. 6. Flow areas in chosen furnace intersections boiler O P-650
R ysunek 6 ukazuje pola przepływów w w ybranych przekrojach komory paleniskowej. Niesymetryczność kom ory (jednostronne jej przewężenie), ja k w ykazała sym ulacja, wpływa n a przesunięcie koła w iru, które to przesunięcie może mieć wpływ n a nierów nom ierne obciążenie cieplne ścian kom ory paleni
skowej. W arstw a przyścienna w okolicach przew ężenia wpływa ham ująco na wir powodując jego przeciąganie. Zjawisko to je s t n a d e r niekorzystne.
Rys. 7. Kocioł O P -6 5 0 - obciążenie cieplne ścian (kW/m2) Fig. 7. Therm al fluxes to furnace w alls (kW/m2) - boiler O P -650
R ysunek 7 ilu stru je obciążenie cieplne ścian komory paleniskowej kotła O P-650 (dla tego typu kotła stwierdzono nierów nom ierne obciążenie cieplne ścian komory paleniskowej). N ierów nom ierne obciążenie cieplne uwydatnia się w okolicach sąsiadujących palników. W zrost te m p e ra tu ry w okolicach sąsiadujących palników może mieć wpływ n a ich przegrzew anie się.
Rysunki 8 i 9 (poz. 2) przedstaw iają wpływ zabudowy dysz OFA n a tempe
r a tu rę spalin n a wylocie z komory paleniskowej oraz n a niedopal.
Rys. 8. Porównanie tem peratur w ylotow ych spalin Fig. 8. O utlet tem peraturę
Rys. 9. Porównanie części niespalonych w ęgla Fig. 9. U nburned carbon
EC SIEKIERKI
Kocioł n r 14 w EC Siekierki był zm odernizowany w rok u 1992. Był to jeden z pierwszych kotłów m odernizow anych przez Rafako. Z akres m odernizacji był ograniczony ze względu n a w ym agany niski koszt p rac i obejmował zabudowę dysz OFA w raz z regulacją ilości pow ietrza, bez w ym iany palników. Redukcja emisji NOx wyniosła około 30% i nie była zadow alająca. Dlatego też, przy opracowywaniu oferty n a m odernizację kolejnych kotłów O P-430, wykonano szeroką analizę możliwości popraw ienia redukcji emisji NOx, przy możliwie najmniej niekorzystnym wpływie n a przegrzew p ary i zaw artość części pal
nych w popiele. Optym alnym w ariantem okazało się zastosow anie dwóch poziomów dysz OFA („dolne”, położone bezpośrednio n ad paln ikam i i „górne”
położone w odległości ~ 4 m od palników). W tak im układzie obniżenie tem pe
ratu ry spalin n a wylocie z kom ory paleniskowej wynosi tylko około 20°C, zaś ilość niespalonego węgla nie zwiększa się. Rozwiązanie tak ie nie było dotąd stosowane w tak im zakresie do m odernizacji kotłów, aczkolwiek pew ne ele
menty były już sprawdzone z pozytywnym wynikiem w kotłach O P-120 w El. Skawina.
W celu um ożliw ienia korekty przegrzew u p a ry zachowano w m oder
nizowanym p alnik u możliwość zm iany k ą ta nachylenia dysz. Przew iduje się
Rys. 10. Kocioł OP-430 - pola przepływów w wybranych przekrojach komory Fig. 10. Flow areas in chosen furnace intersections - boiler O P-430
potrzebę takiej korekty w początkowym okresie eksploatacji kotła, do czasu uzyskania norm alnego stopnia zabrudzenia ścian komory paleniskowej. Jed
nocześnie przew iduje się korektę powierzchni przegrzew acza pary, która bę
dzie przeprow adzona po uzyskaniu rezultatów m odernizacji paleniska.
Rysunki 8 i 9 (poz. 3) przedstaw iają wpływ zabudowy dysz OFA n a tempe
ra tu rę spalin n a wylocie z kom ory paleniskowej oraz n a niedopał.
Rysunek 10 przedstaw ia pola przepływów w w ybranych przekrojach komo
ry paleniskowej dla w a ria n tu o zwiększonej liczbie podziałów siatki różnico-
Rys. 11. Kocioł O P -4 3 0 - obciążenie cieplne ścian (kW/m2) Fig. 11. Therm al fluxes to furnace w alls (kW/m2) - boiler O P -430
wej. Zadano tu ta j 140000 węzłów siatki różnicowej, co uw idacznia się w wydłużonym czasie obliczeń.
Na rys. 11 pokazano obciążenie cieplne ścian z punktowym ich obciążeniem.
Widoczny jest rejon minimalnego strum ienia związany z chłodzeniem ściany przez „zimny” strum ień z palnika i rejon związany z obecnością ją d ra płomienia.
WNIOSKI
Kompleksowe, trójwym iarowe obliczenia kom ory paleniskowej mogą u ła twić rozw iązanie w ielu problemów związanych z bieżącą eksploatacją komory paleniskowej lub planow aną m odernizacją np. u k ład u palnikowego lub zabu
dową dysz OFA. Można szczegółowo przeanalizow ać, ja k planow ane zm iany układu zasilania, rodzaju węgla lub przem iału w pływ ają na: w ym ianę ciepła, pola tem p e ra tu r, niedopał, zagrożenie erozji powierzchni kom ory itp.
Z agadnienia te m ożna analizować dla różnych obciążeń kotła. Takie przed
sięwzięcia, ja k spalanie z niedom iarem tle n u czy recyrkulacja spalin, należące do najtańszych sposobów ograniczenia emisji NOx, w ym agają szczegółowej analizy w ym iany ciepła w komorze. Ich nierozw ażne stosow anie może wywo
łać niedopał, żużlowanie oraz niekorzystną ch arak terysty kę cieplną kotła.
Z przeprowadzonych analiz wynika, że zastosow anie dysz OFA powoduje zmianę rozkładu te m p e ra tu r w komorze paleniskowej oraz strum ieni ciepła przejmowanego przez ściany. Powoduje to najczęściej obniżenie tem p eratu ry spalin n a wylocie z kom ory paleniskowej oraz zwiększenie ilości niespalonego węgla. Z przeprowadzonej analizy obiektów w ynika, iż obniżenie niedopalu jest możliwe w w yniku odpowiedniego u staw ien ia dysz OFA (analiza W P-120 EC Wrocław). Różnica te m p e ra tu r zależy od gabarytów komory, ilości poda
wanego pow ietrza oraz m iejsca zabudowy dysz OFA (O P-430 EC Siekierki).
Efekt te n m a bardzo istotne znaczenie dla w ym iany ciepła w przegrzewaczu.
W skrajnych przypadkach może powodować problem y z uzyskaniem pełnego przegrzewu p ary w szerokim zakresie obciążeń.
Program COMSTAR je s t ciągle rozwijany. Przew iduje się uzupełnienie go o możliwości obliczenia emisji tlenków azotu i tlenków węgla. Możliwe będzie również przeprow adzenie obliczeń dla paliw ciekłych i gazowych. Zakup no
wego, bardziej wydajnego sprzętu umożliwi prow adzenie obliczeń z większą dokładnością oraz bardziej w szechstronne m odelowanie k sz ta łtu kom ory p a leniskowej (np. paleniska cyklonowe, p alenisk a typu „U” itp.).
Program COMSTAR je s t uniw ersalnym narzędziem , niezwykle przyd at
nym w procesie projektow ania kotłów.
Recenzent: Dr hab. inż. M arek PRONOBIS Wpłynęło do Redakcji 9.08.1994 r.
A b stract
P resented com putation program is th e re su lt of m any years of research of Boiler Engineering Company RAFAKO and Wroclaw Technical U niversity on problem s of m athem atical m odelling of flows w ith combustion.
COMSTAR program computes th ree-d im en sio n al flow, combustion and h e a t exchange in th e combustion cham ber of a power boiler supplied by pulverized fuel burners. The geometric a rea of com putation can comprise the furnace up to th e are a of p laten superh eaters.
COMSTAR calculates th ree-d im en sio n al areas of: velocity, pressure, turbulence p aram eters, concentration of volatile p a rts, gas tem perature, th erm al fluxes inclusive of convective rad iatio n fluxes to th e furnace.
O u tpu t values of flow a rea can be shown in th e form of graphical vector field (by m eans of arrow s or traces of motion of zero m ass particles). Areas of scalar q u an tities can be shown in graphical form by m eans of isolines or th ree-dim ension al draw ings. N um erical values like m ean o utlet values, total flux tak e n over by evaporator or w all su p erh eater, m axim um fluxes, etc. are also derived.
Such u n d ertak in g like combustion w ith oxygen depletion or gas recycling belong to the cheapest ways of lim iting NOx em ission and require detailed analysis of h e a t exchange in th e furnace. T heir thoughtless application can cause form ation of unburned carbon, slagging and unfavourable therm al characteristic of th e whole boiler. In tu rn in dry flue gas desullfurization m ethods and non-cataly tic m ethods of NOx reduction only good knowledge of tem p eratu re areas and aerodynam ics of th e cham ber can enable optimum location of injection of reag ents to th e chamber.
Complex, three-dim en sion al com putation of th e furnance can facilitate solution of m any problem s related to c u rren t operation of th e furnance of scheduled retrofit: for instance b u rn er system or in stallin g of OFA nozzles.
One can analyse in detail how planned changes of supply system , coal type and m illing influence th e h e a t exchange tem p e ra tu re areas, u n b urned carbon and erosion of furnace surfaces, expected level of NOx emission, etc.
These problem s can be analysed for various boiler loads.
