Математическое моделирование и аэродинамическое исследование турбулентного течения запыленного потока в золоуловителях

Актуальность рассматриваемой проблемы. С ухудшением экологической ситуации в мире — по данным ООН ежегодно в атмосферу выбрасывается около 2.5 млн. т пыли — проблема загрязнения атмосферного воздуха от техногенных промышленных выбросов стала важным критерием при выборе различных вариантов технологических процессов и соответствующего оборудования.

17].

В связи с возрастающими энергетическими потребностями и высокой степенью зависимости производства энергии от ископаемого топлива — по прогнозам министерства природных ресурсов РФ с 2030 г. первенство в топливно-энергетическом балансе в России займут уголь и атомная энергетика — несомненна актуальность конструктивного и технологического совершенствования пылеочистного и золоочистного оборудования [120].

Развитие теплоэнергетики в России за последние годы претерпело ряд существенных изменений. Стремление России в мировое экономическое сообщество выдвинуло в качестве одной из важнейших проблем отечественной теплоэнергетики улучшение экологических показателей теплогенерирующих установок [44].

Одной из важных проблем борьбы с загрязнением окружающей среды являются контроль над выбросами твердых примесей (зола, дым и несгоревшие мельчайшие частицы топлива (унос)) в атмосферу. Поэтому дымовые газы перед выбросом их в атмосферу необходимо очищать от золы и уноса в специальных устройствах — золоуловителях, которыми оборудуются почти все современные котельные, работающие на твердом топливе.

Горение угля при такой технологии характеризуется высокими температурами. При этом возникают проблемы с образованием окислов азота, а технологии их подавления достаточно дороги [32].

В большой энергетике твердое топливо сжигается в основном в золо-угольных котлах. Для снижения запыленности среды золой используют процессы улавливания золы в местах ее выделения и скопления с последующей очисткой запыленного воздуха в золоулавливающих аппаратах.

Золоуловители и циклоны стали важнейшими устройствами удаления частиц в таких областях как производство электрои тепловой энергии на угольных ТЭЦ, мусоросжигательные заводы, черная металлургия, цементные заводы, коксовые батареи, пищевая промышленность и т. д.

В настоящее время существует большое количество различных типов устройств. Проектирование и усовершенствование золоуловителей и циклонов проводится постоянно, начиная со времени их изобретения. И сейчас предпринимается много попыток повысить эффективность золоуловителей и циклонов, изменяя их форму с точки зрения соотношения различных ключевых параметров.

Золоуловители с тангенциальным входом являются самыми популярными [39], при этом газ и твердые частицы поступают через тангенциальное входное отверстие в верхнюю часть золоуловителя. В золоуловителе с тангенциальным подводом воздуха процесс извлечения твердой фазы из газовой среды происходит следующим образом. Подлежащий очистке воздух (или иной газ) движется по окружностям вокруг оси золоуловителя. Твердые частицы более высокой плотности, чем газ, под действием центробежной силы инерции смещаются к внешней стенке золоуловителя. Центробежное ускорение в золоуловителе во много раз больше ускорения свободного падения. Вследствие этого даже весьма маленькие частицы золы не в состоянии следовать за линиями тока газов и под влиянием центробежной силы выносятся к стенке. При рассмотрении центробежного эффекта при сепарировании будем считать уловленными частицами достигшие внешней (наружной) стенки золоуловителя или, если золоуловитель разделен на секции с криволинейными каналами, внешней стенки секции.

Золоуловитель для котлов на древесных отходах в большинстве случаев представляют собой блок основных вертикальных золоуловителей и предназначены для сухой инерционной очистки газов от летучей золы [23].

Существуют и горизонтальные золоуловителя, предназначенные для сухой инерционной очистки газов. В этом случае золоуловители более компактны, но при этом коэффициент осаждения золы в них меньше, чем у вертикальных золоуловителей. Горизонтальные золоуловителя обладают меньшим сопротивлением, поэтому они применяются обычно в котельных установках, работающих на «самотяге» (неукомплектованные дымососом).

С технической точки зрения эксплуатационные качества золоуловителя определяются эффективностью золоулавливания и падением давления по тракту золоуловителя. Эффективность работы золоуловителей в существенной степени зависит и от физико-химических свойств золы и поступающих в золоуловители газов.

Золоулавливающее оборудование в зависимости от способа отделения золы от воздушного потока бывает 2-х видов [26]:

— оборудование для улавливания золы сухим способом, при котором отделенные от воздуха частицы золы осаждаются на сухую поверхность;

— оборудование для улавливания золы мокрым способом, при котором отделение частиц от воздушного потока осуществляется с использованием жидкостей.

Технические, экономические и технологические разработки, направленные на повышение эффективности золоуловителя, невозможны без изучения гидродинамических особенностей процесса улавливания частиц и их движения во вращающемся потоке газа. Существующие математические модели движения диспергированных в газовом потоке твердых частиц позволяют оценить эффективность золоуловителя и выявить влияющие на нее факторы.

Поток в золоуловителе имеет достаточно сложную структуру, что связано с турбулентностью, наличием твердых включений, трехмерностью и, в общем 6 случае, нестационарностью. Вычислительная гидрогазодинамика (CFD), наряду с экспериментальными методами изучения возникающих проблем, может достаточно точно смоделировать турбулентные потоки, реализующиеся в газоочистных устройствах. Требуемая точность моделирования в известных работах достигалась использованием достаточно полных математических моделей, описывающих течения запыленного потока в различных устройствах, и надежных алгоритмов численного исследования сформулированных задач.

Теоретические и экспериментальные исследования циклонов и золоуловителей начались в 19 веке [23, 125]. За полтора века «циклоностроения» техника газоочистки использовала множество вариантов конструкций циклонов и золоуловителей. В 1886 году О.М. Meursault получил патент на циклон, который был изобретен гораздо раньше [113].

Эффективность улавливания считается основной характеристикой золоуловителей, поэтому большинство исследований связано с определением эффективности золоуловителей и определения путей её повышения.

Первые исследования [115, 53, 124, 92, 56, 66, 111] эффективности улавливания и её повышения основаны на простых теоретических и экспериментальных фактах. При этом чтобы найти оптимальные параметры золоуловителя в экспериментальном исследовании, необходимы дорогостоящие процедуры, причем экспериментальные исследования оказываются справедливыми только для определенного диапазона условий эксплуатации и геометрических соотношений.

Последние достижения в области компьютерной техники, появление программных комплексов и технологии параллельных вычислений сделали возможным использование методов вычислительной гидрогазодинамики (CFD) для предсказания характеристик потока и распределения частиц внутри золоуловителя [77].

Вычислительная гидрогазодинамика (CFD) обеспечивает экономичный способ описания достаточно сложного поведения запыленного потока и учета 7 влияние на него конструктивных особенностей и условий эксплуатации устройств.

Одним из первых применений СБЭ моделирования для описания эффективности улавливания было выполнено Воуэап и др. [57]. После этой новаторской работы в других исследованиях изучалось влияние турбулентности потока [113, 89, 59, 105, 125, 79], структуры формирующегося потока [60, 128, 58, 51, 54, 101, 24], траекторий частиц [97, 49, 61, 65, 62] и перепада давления [137, 76, 116] на эффективность улавливания.

Для лучшего понимания процессов золоулавливания в некоторых случаях необходимо учитывать не только параметры потока (скорость, давление, турбулентная модель и т. д.) и параметры конфигурации золоуловителя, но и, например, влияние формы частиц на эффективность улавливания [19, 83].

Для математического описания движения частиц и расчета эффективности золоуловителей обычно используются 2 подхода: Эйлера-Эйлера и Эйлера-Лагранжа. Описание в рамках подхода Эйлера-Эйлера для расчета движения несущего потока, частиц и вычисления эффективности улавливания сравнительно сложно [97, 104] ив настоящее время используется довольно редко. Подход Эйлера-Лагранжа оказался более востребованным для описания движения частиц в циклонах и золоуловителях, чем подход Эйлера-Эйлера [94], и успешно использовался во многих исследователях [56, 57, 118, 63, 128, 61, 85, 88, 107, 59, 62, 73, 105, 55, 79, 3−15].

Многие исследования [81, 102, 113, 89, 59, 105, 125, 73, 79] подтверждают, что одним из важных аспектов моделирования СБО являются модели турбулентности, которые существенно влияют на результаты моделирования.

Влияние скорости потока на эффективность улавливания изучены вычислительно и экспериментально в [75, 76, 129, 3, 4].

Влияние перепада давления на эффективность улавливания частиц в золоулавливающих устройствах изучено экспериментально и численно в [115, 137, 48, 76, 116].

Влияние массовой загрузки и размеров частиц на эффективность улавливания исследованы в [137, 90, 82, 83, 75, 63, 61, 127]. Детальное исследование процессов эрозии стенок и связь с эффективностью улавливания проведено в [86,136, 100, 128].

Большинство исследователей считали, что геометрическая конфигурация золоуловителя или циклона является самым важным аспектом, влияющим на эффективность улавливания золоуловителя, которая чувствительна к небольшим геометрическим изменениям [83, 130, 117, 70, 95, 80, 30, 73, 96]. Antonio [51] рассчитал эффективность улавливания, соединенных последовательно, чтобы уменьшить выбросы частиц.

Практическое использование математических моделей, численных методов, соответствующего программного обеспечения и экспериментальных модельных установок позволило бы существенно повысить точность и эффективность проектирования промышленных золоулавливающих установок.

В данной работе разработан расчетно-моделирующий комплекс, состоящий из нескольких взаимосвязанных частей, каждая из которых состоит из специализированного программного обеспечения.

В настоящей работе изучались процессы в двух моделях золоуловителей.

Первая модель — это центробежный золоуловитель (ЦЗУ) с тангенциальным входом (НИЦ ПО «Бийскэнергомаш»), который использует непосредственно после котельных установок для грубых частиц, при этом основными силами, влияющими на очистку потока, являются центробежная сила и сила тяжести.

Вторая модель — это лабиринтный золоуловитель (ЛЗУ). Эта модель используется для более мелких частиц и устанавливается обычно после ЦЗУ [41].

В настоящее время отсутствуют рекомендации по повышению эффективности ЛЗУ и ЦЗУ, основанные на результатах численного исследования трехмерных турбулентных течений [3]. В данной работа изучается аэродинамика и особенности течений в модельных устройствах на основе экспериментальных методов и вычислительного эксперимента.

Цель работы заключается в разработке численно-экспериментальной методики изучения турбулентного течения запыленного газового потока и расчете эффективности 2-х разных типов золоуловителей — центробежный золоуловитель (ЦЗУ) и лабиринтный золоуловитель (ЛЗУ) — с различными конструктивными особенностями при различных режимах работы, а также в выработке рекомендаций, определяющих оптимальные параметры золоуловителя, обеспечивающие более высокую степень очистки потока от дисперсной фазы.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

В теоретической части работы:

1. Изучены и сформулированы уравнения для потока и движения частиц в золоуловителях, выбрана математическая модель турбулентности газа в золоуловителях и сформулированы краевые условия для газа, твердых частиц и параметров турбулентности.

2. Построены конфигурации расчетных моделей с помощью система автоматизированного проектирования — программа SolidWorks — и адаптирован метод конечного объема и SIMPLE алгоритм (комплекс программ — STAR-CD) для решения трехмерных уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу.

3. Разработан алгоритм многовариантного анализа и выбора оптимальных геометрических и режимных параметров золоуловителей, проведено численное исследование и сравнение полученных результатов с экспериментальными результатами.

4. Исследованы разные типы золоуловителей при различных режимах работы, определена эффективность и предложены рекомендации по выбору оптимальных конструкций золоуловителей.

В экспериментальной части работы, исследованы различные режимы течения запыленного газового потока в 2-х модельных экспериментальных.

10 установках — получены поля скорости, давления и степени улавливания дисперсной фазы, и проведен расчет эффективности улавливания частиц. Эффективность улавливания частиц определялась весовым методом с помощью ситового анализа.

Объектом исследования является течение запыленного газового потока в золоуловителях.

Предметом исследования являются математическое моделирование течения запыленных газовых потоков и исследование аэродинамики турбулентного течения в разных типах золоуловителей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы численного решения дифференциальных уравнений в частных производных и систем нелинейных дифференциальных уравнений. Для проведения вычислительных экспериментов использовались программные пакеты с открытым программным кодом. Аэродинамические параметры потока определялись экспериментально на модельных устройствах.

Научная новизна. Разработана математическая модель процессов, протекающих в запыленных турбулизованных потоках в золоулавливающих устройствах сложной геометрической формы. Предложена вычислительная технология исследования процессов массопереноса в турбулизованном запыленном газовом потоке в различных моделях золоуловителей, позволяющая выбрать оптимальные значения конструктивных и режимных параметров при проектировании и реконструкции золоуловителей.

Разработанной программно-экспериментальный комплекс позволяет определять как эффективность золоулавливания конкретных золоуловителей, так и выбирать на основе многовариантного численного моделирования конструкции, удовлетворяющие заданным требованиям по энергозатратам.

Предложены рекомендации по конструированию расчетной сетки, обеспечивающие достижение приемлемой для практических целей точности расчетов.

Экспериментально исследованы процессы золоулавливания на модельных установках и определены параметры протекающих процессов, которые подтвердили адекватность разработанной математической модели.

Степень достоверности полученных результатов. Все основные положения и выводы, сформулированные в диссертации, обеспечиваются корректностью постановок задач, использованием апробированных вычислительных алгоритмов и расчетных схем, а также сравнением результатов численного анализа с экспериментальными данными, полученными на модельных установках.

На защиту выносятся:

1. Обоснование математических моделей, описывающих турбулентное течение газа и поведение частиц в золоуловителях.

2. Рекомендации по конструированию расчетной сетки и выбору моделей турбулентности, позволяющие рассчитывать течения запыленных газовых потоков в золоуловителях разных конструкций при различных режимах работы.

3. Разработанный комплекс программ, обеспечивающий технологию многовариантного анализа и выбора оптимальных геометрических и режимных параметров в золоулавливающих установках — программный интерфейс, обеспечивающий взаимодействие между программами SolidWorks, STAR-CD и экспериментальными данными.

4. Результаты численного и экспериментального исследования турбулентного течения запыленного газа в разных типах золоуловителей, расчета эффективности улавливания.

Теоретическая и практическая ценность работы. Адекватная вычислительная модель, позволяющая получать поля скоростей, давления и распределение дисперсной фазы в рассматриваемых устройствах, дает возможность выбора оптимальных параметров конструкции и режимов работы. Корректное численное моделирование, подтвержденное сравнением с экспериментальными данными, не уступающее эксперименту по точности, дает возможность сокращения затрат на проектирование новых и реконструкции существующих устройств.

Полученные результаты могут использоваться в учебном процессе при организации специальных курсов для аспирантов и студентов.

Личный вклад автора. Участие в постановке всех сформулированных и рассмотренных задач, проведении вычислительного эксперимента, обработка результатов экспериментального исследования. Сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными. Обсуждение результатов и формулировка выводов. В постановке отдельных задач и обсуждении результатов участие принимали С. М. Кисляк и Ю. А. Алтухов, как соавторы научных работ. Все результаты, имеющие научную новизну и выносимые на защиту, получены автором лично.

Апробация основных выводов и предложений. Основные результаты докладывались на российских и международных конференциях и семинарах:

II международная научно-практическая конференция иностранных студентов и аспирантов (Барнаул, 2011 г.) — Всероссийский инновационный форум «Современные тенденции химической технологии и теплоэнергетического комплекса (Технологии XXI века)» (Бийск, 2011 г.) — 8-я Всероссийская научно-техническая конференция «Наука и молодежь — 2011» (Барнаул, 2011 г.) — VII Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике (Кемерово, 2011 г.) — Международная заочная научно-практическая конференция «Наука и Техника в Современном Мире» (Новосибирск, 2011 г.) — XIII Международная научно-практическая конференция «Наука и современность — 2011» (Новосибирск, 2011 г.) — Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2011» (Одесса, 2011 г.) — Международная школа-семинар «Ломоносовские Чтения на Алтае» (Барнаул, 2011 г.) (диплом победителя) — V Международная научно-практическая конференция «Научное творчество XXI века» (Красноярск, 2012 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 13 печатных работах, в том числе в: журналах из списка ВАК — 3, научных журналах — 7, материалах трудов конференций и семинаров — 3. Общий объем публикаций — 0,36 п.л. (лично автора — 0,15 п.л.).

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 88 рисунков, 5 таблиц и списка литературы, включающего 137 названий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации экспериментально и теоретически решена задача расчета параметров трехмерного турбулентного запыленного потока в золоуловителях (центробежный золоуловитель (ЦЗУ) и лабиринтный золоуловитель (ЛЗУ)) при различных режимах работы и разных конструктивных особенностях золоуловителей.

Численное исследование базируется на трехмерных уравнениях Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу, с использованием ШЮ к-£ модели турбулентности, а движения частиц в ЦЗУ и ЛЗУ описывается в рамках одно-частичного приближения в переменных Лагранжа.

Экспериментально полученные данные позволили установить адекватность сформулированной математической модели и подтвердить достоверность полученных результатов математического моделирования. Решение данной задачи имеет существенное значение для проектирования и разработки различных устройств очистки газовых потоков от твердых частиц.

В данном исследовании получены следующие результаты:

1. Разработана математическая модель процессов, протекающих в запыленных турбулизованных потоках в золоулавливающих устройствах сложной геометрической формы.

2. Показано, что ШЧв к-е модель дает более точные и надежные результаты для широкого диапазона турбулентных течений в золоуловителях, чем стандартная к-е модель турбулентности.

3. Адекватность математической модели и корректность принятых допущений подтверждена сопоставлением полученных численных результатов с данными эксперимента.

4. Эффективность улавливания ЦЗУ и коэффициент аэродинамического сопротивления повышается с увеличением заглубления выхлопных труб и с увеличением высоты закручивателей в ЦЗУ.

5. Рециркуляция части запыленного потока через улавливающие карманы, образованные перегородками, значительно повышает эффективность ЗЛУ.

6. Эффективность ЛЗУ снижается с увеличением высоты ЛЗУ при постоянной ширине каналов ЛЗУ и повышается с увеличением входной скорости.

7. Перепад полного давления снижается в ЛЗУ с ростом высоты каналов и увеличится с ростом входных скоростей.

8. Показана результативность методов численного исследования поставленной задачи и работоспособность разработанных алгоритмов.

9. Обоснованы рекомендации по конструированию расчетной сетки, обеспечивающие достижение приемлемой для практических целей точности расчетов.

10. На основе анализа существенных факторов, влияющих на эффективность золоуловителей, предложена технология многовариантного анализа и выбора оптимальных параметров устройств и режимов их работы.