×
28.03.2020
220.018.1181

СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ КАПЕЛЬНО-ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В ВИХРЕВОМ ПОТОКЕ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к энергетике. Способ оптимизации капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в вихревом потоке включает определение эталонных характеристик процесса горения для данного вида топлива в данной топке, периодическое измерение показаний датчиков в контрольных фиксированных точках в топочной камере, передачу показаний датчиков в снабженный соответствующим программным обеспечением компьютер, сравнение результатов измерения со значениями эталонных характеристик процесса горения, непрерывное регулирование с помощью АСУ подачи топлива и окислителя в соответствии с полученными показаниями. Осуществляют определение эталонных характеристик процесса горения водоугольного топлива, расчет значений эталонных характеристик процесса горения водоугольного топлива осуществляют с помощью программного обеспечения, реализующего физико-математическую модель воспламенения и выгорания водоугольного топлива в данной топке, расчет значений эталонных характеристик процесса горения водоугольного топлива выполняют для 2, 3 и более значений расхода топлива из диапазона его изменения, рассчитанные значения эталонных характеристик процесса горения водоугольного топлива сохраняют на жестком диске компьютера в базе эталонных характеристик процесса горения водоугольного топлива, измерения осуществляют датчиками температуры газов в одной и более контрольных фиксированных точках внутри топочной камеры и одной контрольной фиксированной точке на выходе из топочной камеры. Технический результат - снижение удельного количества используемого топлива и окислителя на единицу полученного тепла, уменьшение энергозатрат на подачу и нагревание избыточно поданного в топку окислителя, вследствие этого улучшаются экологические и экономические показатели энергетических установок.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к энергетике. Изобретение относится к способам для сжигания водоугольного топлива (ВУТ), в различных котельных установках промышленной теплоэнергетики, жилищно-коммунального хозяйства и других теплогенерирующих системах.

Известен способ оптимизация работы котла [CN103939940, 23.07.2014, F23N5/00], оптимизация работы котла которым достигается на основе использования базы данных по эффективности сжигания топлива без указания того, как эта база получена. В частности, нет указания на использование результатов физико-математического моделирования топочных процессов, что снижает эффективность способа.

Известен способ оптимизации систем управления работой котла [CN201368471, 23.12.2009, F23N5/00; G05B19/418]. Указанное изобретение не включает использование результатов моделирования топочных процессов, что снижает его эффективность.

Наиболее близким по технической сущности является способ контроля и управления процессом горения углеводородного топлива в топках котлов и промышленных печей [Патент РФ №:2551714, 27.05.2015], при котором опытным путем определяют стехиометрическое соотношение горючего и окислителя для данного вида топлива в данной топке; определяют значения абсолютных величин электрических потенциалов в трех зонах пламени факела: зоне подготовки, зоне сгорания и зоне догорания при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя и принимают их за эталонные; непрерывно измеряют значения абсолютных величин электрических потенциалов в трех зонах пламени факела и сравнивают их с эталонными, причем по результатам сравнений непрерывно регулируют подачу окислителя в соответствии с полученными показателями.

Недостатком способа является сложность его использования.

Основным недостатком рассмотренных способов является низкая точность экспериментальных способов определения эталонных значений характеристик процесса горения ВУТ и большие технические трудности, связанные с их реализацией.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является оптимизация технологии капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в вихревом потоке с целью обеспечения полного сгорания топлива в топках котлов, промышленных печей или других энергетических установок при минимальной концентрации окислителя за счет постоянного поддержания концентраций горючего и окислителя в соотношении, близком к эталонному значению коэффициента избытка воздуха, равному отношению действительного расхода воздуха-окислителя, необходимого для сжигания 1 кг данного топлива, к теоретически необходимому (стехиометрическому).

Согласно изобретению способ оптимизации капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в вихревом потоке включает определение эталонных характеристик процесса горения для данного вида ВУТ в данной топке с помощью программного обеспечения, реализующего физико-математическую модель воспламенения и выгорания водоугольного топлива, для 2-3 и более значений расхода топлива из диапазона его изменения, и сохранение эталонных характеристик процесса горения ВУТ на жестком диске компьютера в базе эталонных характеристик процесса горения ВУТ. Затем полученные эталонные характеристики процесса горения ВУТ используют для оптимизации капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в реальных условиях. Согласно изобретению периодическое измерение показаний датчиков температуры газов осуществляют в одной и более контрольных фиксированных точках внутри топочной камеры и одной контрольной фиксированной точке на выходе из топочной камеры, показания датчиков передают в компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением, осуществляющим сравнение результатов измерения со значениями эталонных характеристик процесса горения и передачу сигналов АСУ (Автоматизированная система управления) для непрерывного регулирования подачи топлива и окислителя в соответствии с полученными показаниями.

Оптимизацию осуществляют на основе сравнения данных численного моделирования, позволяющего исследовать аэродинамику и распределение температур в топке котла, и экспериментальных данных. Численное моделирование топочных процессов позволяет получить наиболее представительную информацию об аэродинамике и теплообмене в топке котла при сжигании водоугольного топлива.

В результате достигается снижение удельного количества используемого топлива и окислителя на единицу полученного тепла, уменьшение энергозатрат на подачу и нагревание избыточно поданного в топку окислителя, вследствие этого улучшаются экологические и экономические показатели энергетических установок.

В случае использования технологии капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в муфельных топочных камерах энергетических котлов, проработка нового котла начинается с задания мощности котла, выбора типа котла и, в частности, конструкции его топочной камеры (с местами расположения топливной форсунки и сопл для вдува воздуха-окислителя), определения характеристик водоугольной суспензии (ВУС) таких, как марка угля, его теплотворная способность, влажность, зольность, гранулометрический состав угольной массы. Задают форму газо-капельного топливного факела, распределение капель по размеру и скорости движения в факеле. Указывают также режимы работы котла, различающиеся его теплопроизводительностью, а следовательно, расходом топлива.

На основании указанной информации по программе, построенной на основе физико-математического моделирования процессов воспламенения и горения водоугольного топлива, производят расчет сжигания топлива на данном котле при заданном значении расхода топлива с заданными свойствами. Расчет проводят для 2-3 и более значений расхода топлива из диапазона его изменения.

Математическая модель процессов воспламенения и горения водоугольного топлива включает в себя модель движения многокомпонентной неизотермической газовой среды (несущей фазы); модель движения капель/частиц на основе подхода Лагранжа; модель горения в газовой фазе на основе гибридной модели, сочетающей механизмы химического реагирования и турбулентного обмена; модель выгорания коксового остатка. Течение газов в топочных камерах принимается пространственным и турбулентным. Характер его обусловлен способами подвода топлива, воздуха-окислителя и газов рециркуляции, внутренней конструкцией. Максимальные скорости движения газов в топочных камерах не превышают 100 м/с. При температурах около 1800°К это соответствует числам Маха М≤0,12. Для описания движения газов при таких числах Маха используется модель несжимаемой жидкости. Для турбулентного режима течения уравнения движения могут быть записаны в форме осредненных по Рейнолдьсу уравнений Навье-Стокса. Уравнения сохранения для газовой фазы записываются в виде обобщенного закона сохранения в контрольном объеме. Для объема записывается конечно-разностный аналог уравнения. Для вычисления диффузионных потоков на гранях контрольного объема используется центрально-разностная схема, имеющая второй порядок точности. Для расчета стационарного течения использован метод установления. Подаваемое в топку и распыляемое через форсунки водоугольное топливо представляется дискретным набором капель, которые состоят из комплекса вода+угольные частицы. В модели процесс воспламенения и горения частицы происходит стадийно. Вначале происходит испарение внешней влаги, для описания этого процесса используется модель испарения капли. После испарения влаги образуются твердые частицы, для описания выгорания которых используется модель воспламенения и горения угольных частиц.

Расчеты характеристик процесса горения, а именно, расходов топлива и воздуха-окислителя, подаваемых в данную топку для обеспечения нужного режима котла, и температуры газов в контрольных точках топки, выполняют для нескольких значений расхода топлива из заданного диапазона его изменения, и сохраняют в качестве эталонных характеристик процесса горения ВУТ на жестком диске компьютера в базе эталонных характеристик процесса горения ВУТ.

Таким образом, предлагаемый способ оптимизации капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в вихревом потоке, включает следующую последовательность шагов:

1) расчет значений эталонных характеристик процесса горения ВУТ, включающий:

ввод в компьютер исходных данных по ВУТ (теплотворная способность и зольность угля, содержание воды, дисперсный состав угольной массы, форма топливного факела, дисперсный состав капель топлива в факеле), геометрических параметров топочной камеры (форма, геометрические размеры, расположение форсунок и сопл для подачи воздуха-окислителя);

расчет значений эталонных характеристик процесса горения ВУТ с помощью, установленного на компьютере, программного обеспечения, реализующего физико-математическую модель процессов воспламенения и горения водоугольного топлива, в которой учитывают основные стадии горения капли: прогрев капли ВУТ, испарение воды, содержащийся внутри капли, выход и горение летучих веществ, содержащихся в угле, и выгорание углерода, при этом каплю ВУТ представляют в виде сферы с постоянными по всему ее объему свойствами;

сохранение рассчитанных значений эталонных характеристик процесса горения ВУТ на жестком диске ПК в базе эталонных характеристик процесса горения ВУТ;

2) мониторинг и управление работой котла, включающий:

периодическое измерение блоком датчиков температуры температур газов в одной и более контрольных фиксированных точках внутри топочной камеры и одной контрольной фиксированной точке на выходе из топочной камеры;

передача результатов измерения в снабженный соответствующим программным обеспечением и базой эталонных значений компьютер;

сравнение результатов измерения со значениями эталонных характеристик процесса горения ВУТ, соответствующими данному значению расхода топлива;

регулирование с помощью АСУ в соответствии с полученными результатами сравнения подаваемого в топочную камеру объема ВУТ и окислителя.

При известных значениях расхода топлива и расхода дутьевого воздуха, температура газа на выходе из топки определяет производительность тепловой энергии котла. В том случае, если температура газа на выходе из канала оказывается ниже эталонного значения, изменяют расход воздуха-окислителя и расход топлива и последовательными шагами находят такие их значения, которые обеспечивают с заданной точностью необходимые показатели по температуре газов на выходе из топки.

Предложенный способ позволяет контролировать и поддерживать коэффициент избытка окислителя в топке на таком уровне, что концентрации горючего и окислителя находятся в соотношении, обеспечивающем полное сгорание топлива при минимальной концентрации окислителя. Вследствие этого минимизируются концентрации вредных продуктов неполного сгорания топлива (таких как СО и СН), что повышает экологичность процесса сжигания топлива, а также уменьшается расход электроэнергии на подачу окислителя и снижаются потери теплоты, полученной от сгорания топлива, ввиду отсутствия необходимости нагрева избыточно подаваемого окислителя в топку.

На основе численного моделирования и экспериментальных исследований проведен анализ сжигания водоугольного топлива в водогрейном котле малой мощности при различных режимах. Для исследования процессов воспламенения и горения водоугольного топлива в вихревом потоке и сравнения расчетных и экспериментальных данных был использован водогрейный котел с номинальной мощностью 1 МВт.В левой боковой стенке топки котла было предусмотрено 9 отверстий для измерения температуры в отдельных точках топочного объема. Через данные отверстия осуществляли ввод датчиков температуры и замер температуры.

Использовано топливо, приготовленное на основе кека ОФ «Северная» (Кемеровская область, Россия) и представляющее собой смесь угля марки «К» и воды с массовым соотношением 50/50.

С помощью пакета "SigmaFlow" [Чернецкий, М.Ю. Математическая модель процессов теплообмена и горения пылеугольного топлива при факельном сжигании / М.Ю. Чернец-кий, А.А. Дектерев // Физика горения и взрыва. - 2011. - №3. - С. 37-46] рассмотрена и реализована математическая модель горения частиц водоугольного топлива, которая включает в себя: модель движения частиц/капель, уравнение сохранения энергии для капли ВУТ и частицы угля, модель испарения капли, модель испарения остаточной влаги из угольной частицы, модель выхода летучих веществ и модель горения коксового остатка, модель переноса газовых компонент, модель турбулентности, метод пристеночных функций [Делягин Г.Н. Вопросы теории горения водоугольной суспензии в потоке воздуха // Сб. Сжигание высокообводненного топлива в виде водоугольных суспензий. - М.: изд-во АН СССР, 1967. С.45-55. Делягин Г.Н. Вопросы теории воспламенения и горения распыленной водоугольной суспензии // В кн.: Кинетика и аэродинамика процессов горения топлива. - М.: Наука, 1969. С. 71-77. М. Chernetskiy, K. Vershinina, P. Strizhak Computational modeling of the combustion of coal water slurries containing petrochemicals. Fuel 220 (2018) 109-119]. Задача решалась в трехмерной постановке. Сетка составляла 864140 узлов, в области форсунки сетка строилась более дробной, для того чтобы более детально описать процесс распыливания водоугольного топлива.

Полученные расчетные результаты достаточно хорошо совпали с экспериментом, что свидетельствует об эффективности предложенного способа оптимизации капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в вихревом потоке.

Способ оптимизации капельно-факельного сжигания водоугольного топлива в вихревом потоке, включающий определение эталонных характеристик процесса горения для данного вида топлива в данной топке, периодическое измерение показаний датчиков в контрольных фиксированных точках в топочной камере, передачу показаний датчиков в снабженный соответствующим программным обеспечением компьютер, сравнение результатов измерения со значениями эталонных характеристик процесса горения, непрерывное регулирование с помощью АСУ подачи топлива и окислителя в соответствии с полученными показаниями, отличающийся тем, что осуществляют определение эталонных характеристик процесса горения водоугольного топлива, расчет значений эталонных характеристик процесса горения водоугольного топлива осуществляют с помощью программного обеспечения, реализующего физико-математическую модель воспламенения и выгорания водоугольного топлива в данной топке, расчет значений эталонных характеристик процесса горения водоугольного топлива выполняют для 2, 3 и более значений расхода топлива из диапазона его изменения, рассчитанные значения эталонных характеристик процесса горения водоугольного топлива сохраняют на жестком диске компьютера в базе эталонных характеристик процесса горения водоугольного топлива, измерения осуществляют датчиками температуры газов в одной и более контрольных фиксированных точках внутри топочной камеры и одной контрольной фиксированной точке на выходе из топочной камеры.
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 95 items.
27.07.2013
№216.012.5916

Способ сепарации низкокипящего компонента из смеси паров и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к нефтяной, газовой отраслям промышленности и может быть использована при разделении углеводородных смесей и сжиженных газов. Согласно способу сепарации низкокипящего компонента из смеси паров смесь подают в состоянии пароконденсата и закручивают внутри вертикальной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488427
Дата охранного документа: 27.07.2013
10.08.2013
№216.012.5dd6

Конденсационная котельная установка (варианты)

Изобретение относится к энергетике. Конденсационная котельная установка включает паровой котел с основным и байпасным газоходами, водяной экономайзер (ЭВ), конденсационный теплообменник-утилизатор теплоты продуктов сгорания топлива (КТУ), дымосос и дымовую трубу, а также поверхностный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489643
Дата охранного документа: 10.08.2013
10.11.2013
№216.012.7f86

Способ бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений и устройство для его реализации

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать потоки жидкости и газа. Изобретение основано на совместном использовании ЛДА и PIV. Устройство включает импульсный лазер с энергией импульса не менее 120 мДж, частотой срабатывания не менее 16 Гц, две CCD камеры...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002498319
Дата охранного документа: 10.11.2013
20.12.2013
№216.012.8dee

Способ экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов и мусоросжигательный завод для его осуществления

Изобретение относится к области сжигания отходов или низкосортных топлив. Мусоросжигательный завод состоит из бункерного блока, блока сжигания ТБО во вращающейся печи барабанного типа, блока дымоочистки, блока водоподготовки и утилизации тепла, блока утилизации золы, который содержит плавильный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502017
Дата охранного документа: 20.12.2013
20.12.2013
№216.012.8def

Комплексная районная тепловая станция для экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов

Изобретение относится к области сжигания отходов или низкосортных топлив. Комплексная районная тепловая станция для экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов содержит 2 цеха: мусоросжигающий цех (МСЦ) и теплоцех, причем...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502018
Дата охранного документа: 20.12.2013
27.01.2014
№216.012.9d33

Трансформаторный плазматрон низкого давления для ионно-плазменной обработки поверхности материалов

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к трансформаторным плазмотронам низкого давления, и может быть использовано в микроэлектронике для обработки полупроводниковых материалов (плазменное травление, оксидирование, очистка поверхности и т.д.), осаждения тонких пленок, в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002505949
Дата охранного документа: 27.01.2014
10.02.2014
№216.012.9f7d

Оптический способ измерения мгновенного поля толщины прозрачной пленки

Способ может быть использован для бесконтактных, непрерывных измерений толщин прозрачной пленки. Способ включает направленное воздействие лучей света на пленку, их полное внутреннее отражение на границе раздела сред и последующую обработку отраженного света. Источник света помещают над пленкой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506537
Дата охранного документа: 10.02.2014
20.02.2014
№216.012.a2fb

Инжектор для криогенной жидкости

Изобретение относится к области криогенной и вакуумной техники и касается устройств дозированной выдачи криогенной жидкости в технологические зоны с высоким и сверхвысоким давлением. Инжектор криогенной жидкости включает узел ввода криогенной жидкости, криорезервуар и узел вывода криогенной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002507438
Дата охранного документа: 20.02.2014
10.04.2014
№216.012.afd9

Система охлаждения светодиодного модуля

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при конструировании эффективных систем охлаждения модулей мощных светодиодов. Технический результат - обеспечение высокоэффективного отвода тепла от расположенных на поверхности модуля полупроводниковых светодиодов при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510732
Дата охранного документа: 10.04.2014
10.04.2014
№216.012.b21e

Дезинтегратор для помола угля

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для помола угля в установках глубокой переработки угля в другие виды топлива. Дезинтегратор для помола угля содержит корпус 1, два вращающихся в противоположных направлениях и жестко закрепленных на полых горизонтальных валах...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002511314
Дата охранного документа: 10.04.2014
Showing 1-10 of 30 items.
20.12.2013
№216.012.8dee

Способ экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов и мусоросжигательный завод для его осуществления

Изобретение относится к области сжигания отходов или низкосортных топлив. Мусоросжигательный завод состоит из бункерного блока, блока сжигания ТБО во вращающейся печи барабанного типа, блока дымоочистки, блока водоподготовки и утилизации тепла, блока утилизации золы, который содержит плавильный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502017
Дата охранного документа: 20.12.2013
20.12.2013
№216.012.8def

Комплексная районная тепловая станция для экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов

Изобретение относится к области сжигания отходов или низкосортных топлив. Комплексная районная тепловая станция для экологически чистой переработки твердых бытовых отходов с производством тепловой энергии и строительных материалов содержит 2 цеха: мусоросжигающий цех (МСЦ) и теплоцех, причем...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002502018
Дата охранного документа: 20.12.2013
10.06.2014
№216.012.cef7

Устройство для сжигания водоугольного топлива (варианты)

Изобретение относится к устройствам для сжигания жидкого, в том числе водоугольного топлива (ВУТ), в различных котельных установках промышленной теплоэнергетики, жилищно-коммунального хозяйства и других теплогенерирующих системах. Топочное устройство для сжигания водоугольного топлива включает...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002518754
Дата охранного документа: 10.06.2014
20.07.2014
№216.012.e1cd

Горелочное устройство

Изобретение относится к жидкотопливным горелочным устройствам, использующим для горения перегретый водяной пар. Горелочное устройство содержит расположенные соосно корпус, парогенератор водяного пара, установленный в корпусе и состоящий из бачка-испарителя, паросепаратора, выполненных в виде...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002523591
Дата охранного документа: 20.07.2014
27.07.2014
№216.012.e2aa

Пневматическая форсунка (варианты)

Изобретение относится к энергетике и предназначено для распыливания жидкостей и суспензий, например водоугольного топлива (ВУТ). В пневматической форсунке кольцевое щелевое газовое сопло установлено на срезе диффузора и имеет коническую форму с углом конусности от 60 до 150 градусов. Внутренняя...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002523816
Дата охранного документа: 27.07.2014
27.07.2014
№216.012.e3a8

Устройство для разработки и удаления грунта под водой

Изобретение относится к струйной технике, а именно к подводным грунтозаборным устройствам, в частности к устройствам, при работе которых допускается вторичное загрязнение водоема, например, предназначенным для использования водолазами при судоподъемных, подводно-технических и гидротехнических...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002524070
Дата охранного документа: 27.07.2014
27.12.2014
№216.013.14ae

Способ повышения устойчивости и эффективности процесса сжигания топлива в вихревой топке энергетической установки

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более конкретно, к способу устойчивости и эффективности процесса сжигания топлива в вихревой топке энергетической установки. Способ включает формирование и стабилизацию вихревого потока. Формирование вихревого потока осуществляют за счет симметричного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002536718
Дата охранного документа: 27.12.2014
10.12.2015
№216.013.967b

Металло-воздушный источник тока

Изобретение относится к химическим источникам тока с газодиффузионным воздушным катодом, металлическим анодом и водными растворами электролитов. Металло-воздушный источник тока содержит корпус, заполненный электролитом, размещенный внутри него металлический анод, газодиффузионные воздушные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002570143
Дата охранного документа: 10.12.2015
10.04.2016
№216.015.2d94

Горелочное устройство

Изобретение относится к жидкотопливным горелочным устройствам, использующим при горении перегретый водяной пар. Горелочное устройство содержит корпус с топкой. В корпусе размещен парогенератор перегретого водяного пара, а в дне топки установлена форкамера. Парогенератор состоит из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579298
Дата охранного документа: 10.04.2016
27.08.2016
№216.015.4d95

Способ оптимизации процесса сжигания угольного топлива в вихревой топке энергетической установки

Изобретение относится к теплоэнергетике, а более конкретно к способу оптимизации процесса сжигания угольного топлива в вихревой топке энергетической установки. Способ включает использование в режиме запуска энергетической установки угля микропомола с размерами частиц не более 10 мкм,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002595304
Дата охранного документа: 27.08.2016
+ добавить свой РИД