Application of the Zone-by-Zone Optimization Method and a Simplified Numerical Model for the Efficient Solid Fuel Combustion Schemes Development Using Direct-Flow Burners and Nozzles

Abstract

The article considers the application of two approaches to optimizing the direct-flow burners and nozzles location using numerical simulation. The study objects are two furnaces of the traditional and invert type with solid slag removal for boilers for supercritical and ultra-supercritical steam parameters, respectively. The lean hard Kuznetsk coal was used for both cases, somewhat different in characteristics in the cases under consideration. This coal type is currently burned mainly in furnaces with liquid slag removal. The use of the zone-by-zone optimization method implies a sequential each pre-selected zones optimization of the furnace in the direction of flue gas movement with modeling of the solid fuel combustion process with different burner and nozzle layouts. A dimensionless scheme for burning coal dust in a traditional furnace with an upward flue gases movement has been developed. The use of a simplified numerical model (SNM) due to certain settings made it possible to approximate the results of furnace aerodynamics modeling without taking into account the chemical reactions to the results with combustion simulation, which significantly reduced the conducting research time. As a result of modeling the invert furnace aerodynamics, the optimal arrangement of direct-flow burners and nozzles was selected. The article discusses the main features of each research method use, optimization criteria, research objects, initial combustion schemes, design parameters of combustion schemes that are changed during optimization, as well as the main results of the optimization. The solid fuel combustion schemes obtained using two approaches to conducting research using direct-flow burners and nozzles ensure the operation of the considered furnaces with better values of efficiency and environmental indicators than traditional combustion of similar fuel in furnaces with liquid slag removal. The obtained values are at a level acceptable for the Russian Federation

В статье рассмотрено применение двух подходов к оптимизации расположения прямоточных горелок и сопл с использованием численного моделирования. Первый способ – позонный метод, второй – с использованием упрощенной численной модели. Объектами исследования являются две топки традиционного и инвертного типа с твердым шлакоудалением для котлов на сверхкритические и ультрасверхкритические параметры пара соответственно. Для обоих случаев использовался тощий каменный кузнецкий уголь, несколько отличающийся по характеристикам в рассматриваемых случаях, который в настоящее время сжигается в основном в топках с жидким шлакоудалением. Использование позонного метода подразумевает проведение последовательной оптимизации каждой из заранее выделенных зон топочной камеры в направлении движения дымовых газов с моделированием процесса горения твердого топлива при различных компоновках горелок и сопл. Разработана безразмерная схема сжигания угольной пыли в традиционной топке с восходящим движением дымовых газов. Использование упрощенной численной модели за счет определенных настроек позволило приблизить результаты моделирования топочной аэродинамики без учета протекания химических реакций к результатам с горением, что дало возможность существенно сократить время на проведение исследований. В результате моделирования топочной аэродинамики инвертной топки был выбран оптимальный вариант расположения прямоточных горелок и сопл. В статье рассмотрены основные особенности использования каждого способа исследования, критерии оптимизации, объекты исследования, исходные схемы сжигания, конструктивные параметры схем сжигания, изменяемые в ходе оптимизации, а также основные результаты выполненных оптимизаций. Полученные с помощью двух подходов к проведению исследований схемы сжигания твердого топлива с применением прямоточных горелочных устройств и сопл обеспечивают работу рассматриваемых топочных камер с лучшими значениями показателей эффективности и экономичности, чем при традиционном сжигании аналогичного топлива в топках с жидким шлакоудалением, находящимся на допустимом для Российской Федерации уровне