Численное моделирование турбулентного горения в топочных камерах, оборудованных системами плазменного воспламенения

Ж.Ж. Аканова, Е.И. Лаврищева (Алма-Ата, Казахстан)

Исследования процессов конвективного тепломассопереноса в реагирующих средах, происходящих при сжигании пылеугольного топлива в топочных камерах ТЭС, приобретают особую актуальность в связи с сокращением использования жидкого топлива, являющегося ценным сырьем для нефтеперерабатывающей промышленности, и расширением применения твердых топлив. Исследуемая плазменная технология сжигания углей и компьютерное моделирование процессов, происходящих внутри топочного пространства камер сжигания, являются новыми и эффективны при сжигании всех типов углей, используемых на ТЭС. Численное моделирование турбулентных течений с химическими реакциями, включающее термодинамическое, кинетическое и трехмерное компьютерное моделирование топочных камер, позволит с наименьшими затратами детально исследовать турбулентное горение пылеугольного топлива в реальных камерах сгорания и дать практические рекомендации по использованию новой технологии плазменной обработки низкосортного твердого топлива.

При термохимической плазменной подготовке топлива пылеугольный поток разделяется на две части, одна из которых нагревается электродуговой плазмой до температуры практически полного выделения летучих угля и частичной газификации коксового остатка. Тем самым из части аэросмеси (уголь + воздух), прошедшей зону электродугового разряда, получают высокореакционное двухкомпонентное топливо (горючий газ + коксовый остаток), способное воспламеняться при смешении с оставшимся потоком аэросмеси и стабилизировать процесс горения. В отличие от обычных горелок, в топку поступает факел реагирующей топливной смеси, что вызывает изменение основных параметров процесса горения.

В работе проведено численное исследование влияния плазменной подготовки на сложные физико-химические процессы, происходящие при сжигании обработанного угля в камерах сгорания. Математическая модель, описывающая реагирующие течения в камере сгорания, включает в себя нелинейные дифференциальные уравнения: уравнения неразрывности, движения вязкой среды, распространения тепла и диффузии для компонентов реагирующей смеси и продуктов реакции, уравнения состояния и уравнения химической кинетики. Решение этих уравнений проводилось на базе программного комплекса для трехмерного моделирования florean. В результате проведенных вычислительных экспериментов получены поля температуры и концентраций продуктов реакции (со, со2, о2, nох и т.д.). Показано положительное влияние плазменной подготовки на процесс горения низкосортного угля.