Aplikace plazmového hořáku na kotel PG350

Konference ANSYS 2009

Aplikace plazmového hořáku na kotel PG350 P. Kočvarová, M.Kozubková, VŠB-TU OSTRAVA V článku je prezentován princip plazmové technologie a porovnání rychlostí směsi na vstupu do spalovací komory na geometrii s vířivým hořákem a bez hořáku. Úloha je řešena diskrétním fázovým modelem DPM, ve kterém se definují chemické reakce na uživatelem definovaných částicích bez vířivého hořáku. V softwaru Fluent 6.3 je proudění řešeno tzv. modely turbulence kε, přenos tepla pak tzv. radiačními modely. Pro porovnání proudění s vířivým hořákem bylo použito řešení této úlohy v CFX. In this paper principle of plasma technology and comparisons of velocity of mixture on inlet into combustion chamber on geometry with swirl burner and without burner is presented. Problem is solved by discrete phase model DPM, in witch chemical reaction is defined on user defined particles without swirl burner. In software Fluent 6.3 the flow is solved by turbulent model and heat transfer is solved by radiation model. Solving of this problem is used for comparison flowing with swirl burner modeled in CFX. Klíčová slova a Keywords: velocity profile, combustion .

1. Úvod Plazmová technologie byla instalována a testována na Prunéřovském kotli PG350. Plazmová technologie se používá k najíždění elektrárenských kotlů, za účelem omezení spotřeby organických paliv a snížení emisí dusíku. 1.1

Definování nízkoteplotní plazmy

Plazma je považováno za čtvrtý stav látky s posloupností: pevná fáze, kapalina, plyn, plazma. Plazma je zpravidla tvořeno kladnými ionty a elektrony „(Chen.1997). Kladné ionty mají jen jeden elementární náboj. V úplně ionizovaném plazmatu jsou všechny částice ionizovány. Na rozdíl od plynu má plazma velkou tepelnou kapacitu i vodivost a podléhá účinkům elektrického i magnetického pole. Teplota částečně ionizovaného plazmatu činí 5 až 15 kK a plně ionizovaného plazmatu až 100 kK. Střední energii plazmatu lze vyjádřit v elektronvoltech(eV), přičemž platí: 1 eV = 11,6 kK = 1,602·10–19 J 1.2

Popis plazmové technologie

Pro zapálení kotle s práškovým ohništěm je nutné prášek zapálit přídavným palivem. Zpravidla mazutem nebo zemním plynem (jejich aplikace prodražuje výrobu a zhoršuje ekologické parametry zařízení). Tato přídavná paliva mají rovněž vliv i pro následnou stabilizaci hoření při snížení výkonu kotle. Zajímavým řešením je plazmová technologie. Technologie plazmového

TechSoft Engineering & SVS FEM

zapalování primární směsi je známa již od roku 1979. Termín plazmová technologie se objevil roku 1922 a byly takto označeny všechny směry spojené s použitím nízkoteplotní plazmy v oblasti zpracování paliv“(Orgrez). Výhody:

1.3

•

Zabezpečí spolehlivý start kotle a stabilizaci hoření práškového ohniště.

•

Omezuje se nedopal ( to má za následek snížení celkové spotřeby paliva ).

•

Neklade zvýšené nároky na konstrukci kotle.

•

Obsluha plazmové technologie není náročná.

•

Energetická náročnost plazmového hořáku představuje cca 2-3% z množství tepelné energie uvolněné v hořáku působením nízkoteplotní plazmy.

Princip plazmové technologie

Plazma působí přímo na částice uhlí, resp. na směs pohybující se v oblasti pod plazmovým hořákem „(Blejchař,2007). Počáteční teplota směsi se pohybuje v rozmezí 60-1000C. Teplota na výstupu z plazmatronu má teplotu 5000 – 7000 K. Rychlost výtoku plazmy z plazmatronu je cca 200 m.s-1. Fyzikálně chemické transformace uhelného prachu a okysličovadla s plazmovým zdrojem zahrnují složité procesy různých typů (destrukce paliva, při které dochází k uvolnění těkavých látek, reakce těkavých látek s okysličovadlem, ohřev koksového zbytku a reakce koksového zbytku s plynnou fázi). Při kontaktu proudu plazmy se studenou směsí se současně nahřívá vzduch a uhelné částice. Částice uhlí jsou vystaveny velkému tepelnému šoku, díky kterému se rozpadají až na 1/10 své původní velikosti. Z úlomků částic je uvolňována prchavá hořlavina (CO, CO2, CH, C6H6, N2, H2) a komponenty obsahující dusík (pyridin, pyrrol). Následně se v plynné fázi vytvoří atomární formy (O, H, N, C, S), minerální hmoty uhlí (Si, Al, Ca) a radikály (NH, CH, CN, OH). Kromě toho je v plynné fázi přítomný elektronový plyn (e), kladné (C+, H+, N+, CO+, O+, Si+, K+) a záporné ionty (O-, H-, N2-) obr.1.


Obr. 1. Princip působní nízkoteplotní plazmy na primární směs

Plyn vytvořený z výše jmenovaných prvků je mnohem reaktivnější něž atomární dusík a jeho sloučeniny. Z toho plyne, že kyslík nebude vstupovat do reakce s dusíkem, ale bude se vázat k reaktivnějším složkám, což má za následek snížení plynných emisí Nox. 1.4

Plazmový generátor

U plazmové technologie se plazma vytváří za pomocí plazmového generátoru, viz obr.2. Plazmatron je v technické praxi označováno zařízení produkující nízkoteplotní plazmu, jejíž teplota se v jádře pohybuje v rozmezí 2000- 7000 K. Nízkoteplotní plazma vzniká v prostoru ohraničeném měděnou katodou, měděnou anodou a izolační teflonovou výstelkou, působením elektrického výboje na zavířený proud plazmatvorného vzduchu. Plazmatvorný vzduch je do plazmatronu přiváděn ve dvou úrovních. Přes tří-drážkový terciální zaviřovač ústím katody a šesticestným terciálním zavířovačem ústím anody. Podmínkou pro dosažení co největší životnosti katodových a anodových elektrod je jejich intenzivní chlazení vnějšího obalu demineralizovanou vodou.“(odborné časopisy). Plazmové generátory se dělí: •

Plazmové generátory s elektrodami.

•

Plazmové generátory s vysokofrekvenčním elektromagnetickým polem.

1.

wolframová tyčová katoda

2.

měděná anoda s vodním chlazením

3.

zpracovávaný materiál

4.

vnější anoda

5.

vnitřní anoda

6.

plazma

Obr. 2. Princip plazmatronu


2. Numerické modelování Pro spalování uhelných částic byl použit diskrétní fázový model (DPM), ve kterém se zadávají chemické reakce na uživatelem definovaných částicích. Celkový průtok částic se definuje tak, že se sleduje malý počet částic pohybujících se ve spojité části. Ve Fluentu je možné modelovat spalování uhelných částic matematickým modelem turbulence pro stlačitelné proudění, který se řídí rovnicí kontinuity, rovnicí pro přenos tepla, rovnicí pro přenos hybnosti, transportní rovnicí pro příměsi i.“( Kozubková,2003).

3. Řešená úloha Ve Fluentu byla řešena zjednodušená varianta výpočtu, kdy vstup obsahoval směs uhelného prášku se vzduchem. Okrajové podmínky a fyzikální vlastnosti byly definovány následovně. Proudícím médiem je vzduch, který je na vstupu č.1 definovaný hmotnostním průtokem 4,32 kg/s a teplotu 343 K. Tímto vstupem dále vstupují částice uhlí, definované pomocí injections. Jsou zadány hmotnostním průtokem 0,72kg/s. Na vstupu č. 2 vstupuje rovněž vzduch, který nahrazuje plazmu o teplotě 7000 K a hmotnostním průtoku 0,0334 kg/s. Vstup č. 3 je definován stejně jako vstup č. 2, viz obr.3. Ve výpočtu je použitý standardní k-ε model turbulence. Úloha byla počítána diskrétním fázovým modelem. „(Kočvarová 2008). Tato směs proudila celou větví práškovodu, kde probíhalo spalování částic. Výsledkem bylo proudové pole v celé oblasti a rozložení teplot. Zjednodušení této varianty spočívalo ve vypuštění vířivého hořáku. Z důvodu zhodnocení zjednodušeného přístupu bylo rychlostní pole porovnáno s výpočtem proudění v celé geometrii provedeném v CFX. Výsledky obou přístupů byly vyhodnoceny v oblasti za vířivým hořákem na vstupu do spalovací komory, viz obr.3 a obr.4.

Obr. 3. Celá geometrie kotle řešená ve Fluentu

Obr. 4. Označení plochy (vstup) pro vyhodnocení rychlostních profilů.


Rychlostní profil pro porovnání byl získaný z modelu obsahujícího vířivý hořák, který byl řešen firmou Orgrez pomocí softwaru CFX “(Blejchař). V tabulce 1 je znázorněna část souboru definující rychlostní profil. Soubor obsahoval souřadnice a rychlosti v jednotlivých složkách. Ze souboru Exel byl vytvořený textový soubor. Tento soubor byl do Fluentu 6.3 načten jako rychlostní profil definovaný na vstupu do spalovací komory.

x

y

z

u

v

w

3.257e+00

-2.017e+00

5.295e+00

8.354e+00

-1.437e+00

1.360e-01

3.259e+00

-1.963e+00

5.284e+00

8.694e+00

-1.815e+00

5.271e-01

3.263e+00

-1.971e+00

5.268e+00

8.641e+00

-1.565e+00

3.227e-01

3.269e+00

-2.015e+00

5.251e+00

8.356e+00

-9.805e-01

-2.068e-01

3.249e+00

-2.015e+00

5.323e+00

8.427e+00

-1.745e+00

4.500e-01

3.225e+00

-2.003e+00

5.4075e+00

8.255e+00

-2.311e+00

9.916e-01

Tab. 1. Rychlostní profil

4. Výsledky Oba přístupy byly porovnávány ve velikosti a jednotlivých složkách rychlostí. Na obrázku 5 je zobrazena velikost vektoru rychlosti. Průběhy jednotlivých složek rychlosti jsou ukázány na obrázcích 6,7,8.

a

b Obr. 5 Velikost rychlosti – a, CFX, b Fluent


a b Obr.6. Průběh rychlostí ve směru x a, CFX, b, Fluent

a b Obr.7. Průběh rychlostí ve směru y, a, CFX, b, Fluent

a b Obr.8. Průběh rychlostí ve směru z, a, CFX, b, Fluent


5. Závěr Článek pojednává o porovnání řešení s vířivým hořákem a bez vířivého hořáku a vyhodnocení rychlostí na vstupu do spalovací komory. Úloha byla počítána ve Fluentu pomocí turbulentního modelu k-ε s transportem příměsi a spalováním částic. Úloha spočívala v porovnání průběhu rychlostí na ústí do spalovací komory s vygenerovaným rychlostním profilem z CFX, který zohledňoval vířivý hořák. Z výsledků je patrné, že vířivý hořák hraje významnou roli v průběhu rychlostí a je proto nutné jej do geometrie zařadit, neboť jednotlivé složky rychlostí se neshodovaly. Další postup bude spočívat v nadefinování hořáku do oblasti práškovodů pomocí FAN modelu ve Fluentu a opět porovnat rychlosti, teploty a množství emisí.

6. Reference 1. Kozubková M, Drábková S.,“Mumerické modelování proudění – FLUENT I“,. [Online]. c2003. Ostrava: VŠB – TUO, 116 s, poslední revize 9.1.2006, Dostupné z:

Aplikace plazmového hořáku na kotel PG350

Recommend Documents