Исследование влияния различных способов подачи топлива через горелки на процессы горения.
Авторы
DOI:
https://doi.org/10.31489/2025N4/63-73Ключевые слова:
горение, моделирование, тепловая электростанция, прямоточные и вихревые горелки, температура, оксид углерода, диоксид азота.Аннотация
В данной работе представлены новые результаты вычислительных экспериментов по исследованию влияния различных способов подачи топлива (прямоточного и вихревого с углом закрутки пылеугольного потока) через горелочные устройства на процессы горения на примере топочной камеры котла БКЗ-75 Шахтинской ТЭС (г. Шахтинск, Казахстан), сжигающего высокозольный карагандинский уголь. В результате численного моделирования процессов горения получены распределения вектора полной скорости, температурные поля, поля концентрации оксидов углерода и диоксида азота NO2 по всему объему топочной камеры и на выходе из нее. Показано, что вихревой способ подачи воздушной смеси позволяет оптимизировать процесс сжигания высокозольного угля, так как в этом случае происходит повышение температуры в ядре факела и снижение ее на выходе из топочной камеры, что оказывает существенное влияние на химические процессы образования продуктов сгорания. При использовании вихревых горелочных устройств значения концентрации на выходе из топочной камеры по оксиду углерода СО снижаются примерно на 15%, а по диоксиду азота NO2 на 20% по сравнению с прямоточными горелками. Полученные результаты позволяют разработать рекомендации по оптимизации процесса горения пылеугольного факела, что позволит повысить эффективность работы энергетических объектов и сократить выбросы вредных веществ в окружающую среду.
Библиографические ссылки
Pan J., Liu G., Chen L., Xu Q. (2025) Coal dust exposure hazards and prevention technology: A review, Process. Saf. Environ. Prot., 202(B), 107756. https://doi.org/10.1016/j.psep.2025.107756 DOI: https://doi.org/10.1016/j.psep.2025.107756
Zhakiyev N., Burkhanova D., Nurkanat A., Zhussipkaliyeva Sh., Sospanova A., Khamzina A. (2025) Green energy in grey areas: The financial and policy challenges of Kazakhstan's energy transition, Energy Res. Soc. Sci., 124, 104046. https://doi.org/10.1016/j.erss.2025.104046 DOI: https://doi.org/10.1016/j.erss.2025.104046
Tang R., Cheng S. (2023). Combustion chemistry of unsaturated hydrocarbons mixed with NOx: a review with a focus on their interactions, Energies, 16(13), 4967. https://doi.org/10.3390/en16134967 DOI: https://doi.org/10.3390/en16134967
Bartela L., Gladysz P., Ochmann J., Qvist S., Sancho L.O. (2022). Repowering a coal power unit with small modular reactors and thermal energy storage, Energies. 15(16), 5830. https://doi.org/10.3390/en15165830 DOI: https://doi.org/10.3390/en15165830
Messerle V.E., Askarova A.S., Bolegenova S.A., Maximov V.Yu., Nugymanova A.O. (2019) 3D-modelling of Kazakhstan low-grade coal burning in power boilers of thermal power plant with application of plasma gasification and stabilization technologies, J. Phys. Conf. Ser., 1261(1), 012022. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1261/1/012022 DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1261/1/012022
Abbas Q., Yaqoob H., Uzair S., Ali H.M., Jamil M.M. (2025) Utilization of local coal in Pakistan's oil-fired power plants and future clean technologies for power generation, Case Stud. Chem. Environ. Eng., 11, 101132. https://doi.org/10.1016/j.cscee.2025.101132 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cscee.2025.101132
Askarova A., Bolegenova S., Mazhrenova N., Manatbayev R., Ospanova Sh., Berezovskaya I., Maximov V., Nugymanova A., Shortanbayeva Z. (2016) 3D modelling of heat and mass transfer processes during the combustion of liquid fuel, Bulg. Chem. Commun., 48(E2), 229 – 235. Available at: http://www.bcc.bas.bg/BCC_Volumes/Volume_48 _Special_E_2016/Special%20Issue%20E/Statii/Pages229-235.pdf
Gao M., Hong F., Yan G., Liu J., Chen F. (2019) Mechanism modelling on the coordinated control system of a coal-fired subcritical circulating fluidized bed unit, Appl. Therm. Eng., 146, 548-555. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.09.119 DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.09.119
Hongxin W., Chenyi S., Haidn O., Askarova A., Manfletti Ch., Slavinskaya N. (2023) A joint hydrogen and syngas chemical kinetic model optimized by particle swarm optimization, Fuel, 332, 125945. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.125945 DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.125945
Messerle V., Karpenko E.I., Lavrichshev O.A., Ustimenko A. (2013) Plasma preparation of coal to combustion in power boilers, Fuel Process. Technol., 107, 93-98. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2012.07.001 DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2012.07.001
Askarova A., Georgiev A., Bolegenova S., Beketayeva M., Maximov V., Bolegenova S. (2022) Computational modeling of pollutants in furnaces of pulverized coal boilers of the Republic of Kazakhstan, Energy, 258, 124826. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124826 DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124826
Liu Ya., Lin B., Liu T., Hao Zh. (2025) Conjugate heat transfer characteristics of crushed coal rock mass under axial compression: Coupling numerical analysis based on CT reconstruction and FEM, Int. J. Heat Mass Transf., 242, 126788. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126788 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126788
Ustimenko A.B., Messerle V. (2018) Plasma Gasification Energy Conversion Systems, Comp. Energy Syst., 4, 1026-1064. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809597-3.00444-2 DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809597-3.00444-2
Liu J., Yu P., Li Y., Wan Ch., Du D. (2022) Numerical simulation on convective heat transfer characteristics in porous media based on the digital rock technology. Int. J. Heat Mass Transf., 196, 123323. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123323 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123323
Feng X.-B., Liu Q., He Ya-L. (2020) Numerical simulations of convection heat transfer in porous media using a cascaded lattice Boltzmann method, Int. J. Heat Mass Transf., 151, 119410. https://doi.org/ 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119410 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119410
Liu Q., Zhong W., Yu A. (2025) Study on the gas-solid flow and reaction characteristics of oxy-fuel co-firing of coal and biomass in a pressurized fluidized bed by 3D Eulerian-Lagrangian modelling, Powder Technol., 456, 120808. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2025.120808 DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2025.120808
Liu X., Tan H., Wang Y., Yang F., Mikulčić H., Vujanović M., Duić N. (2018) Low NOx combustion and SCR flow field optimization in a low volatile coal fired boiler, J. Environ. Manag., 220, 30 - 35. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.05.009 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.05.009
Choi M., Park Ye., Li X., Kim K., Sung Y., Hwang T., Cho G. (2021) Numerical evaluation of pulverized coal swirling flames and NOx emissions in a coal-fired boiler: Effects of co- and counter-swirling flames and coal injection modes, Energy, Vol. 217, 119439. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119439 DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119439
Xia Z., Chen C., Bi J., Li K., Jin Ya. (2016) Modeling and simulation of catalytic coal gasification in a pressurized jetting fluidized bed with embedded high-speed air jets, Chem. Eng. Sci., 152, 624–635. https://doi.org/10.1016/j.ces.2016.06.052 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2016.06.052
Klimanek A., Bigda J. (2018) CFD modelling of CO2 enhanced gasification of coal in a pressurized circulating fluidized bed reactor, Energy, 160, 710 – 719. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.046 DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.046
Zhong W., Yu A., Zhou G., Xie J., Zhang H. (2016) CFD simulation of dense particulate reaction system: approaches, recent advances and applications, Chem. Eng. Sci., 140, 16-43. https://doi.org/10.1016/j.ces.2015.09.035 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2015.09.035
Messerle V., Ustimenko A. (2020) Modeling of Coal Ignition in Plasma-Fuel Systems with an Electric Arc Torch, IEEE Trans. Plasma Sci., 48(2), 344 – 349. https://doi.org/10.1109/TPS.2019.2956847 DOI: https://doi.org/10.1109/TPS.2019.2956847
Askarova A.S., Bolegenova S.A., Maximov V.Yu., Beketayeva M.T. (2018) Modeling of Heat Mass Transfer in High-Temperature Reacting Flows with Combustion, High Temp., 56(5), 738–743. https://doi.org/10.1134/ S0018151X1805005X DOI: https://doi.org/10.1134/S0018151X1805005X
Wu X., Hu F., Ding C., Yang Y., Yang Ch., Liao H., Lu K., Li B., Liu T., Liu Ch., Li P., Liu Zh. (2024) Progress in numerical simulations and fundamental characteristics of pulverized coal co-firing with ammonia, Int. J. Hydrog. Energy, 82, 740 – 758. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.07.456 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.07.456
Askarova A.S., Bolegenova S.A., Georgiev A., Bolegenova S.A., Maximov V.Yu., Manatbayev R.К., Yergaliyeva A.B., Nugymanova A.O., Baizhuma Zh.Т. (2018) The use of a new “clean” technology for burning low-grade coal in on boilers of Kazakhstan TPPs, Bulg. Chem. Commun., 50, 53 – 60. Available at: http://bcc.bas.bg/BCC_ Volumes/Volume_50_Special_G_2018/BCC_50G_PD_2018.Or.pdf#page=51
