NUMERIČKA SIMULACIJA UTICAJA PRIMENE ŽALUZINA I

FINOĆE MELJAVE NA RASPODELU UGLJENOG PRAHA PO GORIONIČKIM KANALIMA

NUMERICAL SIMULATION OF THE INFLUENCE OF THE

STATIONARY LOUVER AND PARTICLE SIZE ON COAL POWDER DISTRIBUTION I N POWER PLANT BURNING CHANNELS

G. Živković, S. Nemoda, P. Stefanović P. Radovanović *

Institute of Nuclear Sciences VINCA*

P.O. Box 522, 11001 Belgrade, SERBIA

Abstract: One of the key requirements for implementation of plasma system for oil free combustion support on power plant boilers is a regulation of coal powder distribution in burning channels, in order to achieve adequate concentration of coal powder in the zone where thermal plasma is introduced. This can be efficiently achieved by introduction of the stationary louver in the mixing channel in front of the burning channels. This paper deals with the numerical simulation of two phase flow of the air-coal powder mixture in the mixing channel, and analysis of the influence of the coal powder size on the powder mass distribution among burning channels. Numerical simulation was performed by FLUENT 2.1 commercial code. Results show considerable influence of particle size on the overall distribution. It also confirmed stationary louver as efficient tool for separating phases, through its stronger influence on discrete than on continuous phase flow profile.

Key words: two-phase flow, coal powder, turbulent flow, louver, CFD 1. UVOD

U kanalima aerosmeše mlinova 2 i 5 na kotlu broj 1 na TENT-A umesto klasičnih sistema koji koriste mazut kao gorivo ugrađeni su generatori niskotemperaturske plazme. Glavna prednost ovakvih sistema je što umesto uvoznog mazuta koriste sprašeni ugalj. Za njihovu funkcionalnu primenu potrebno je zadovoljiti koncentraciju od 0,3 kg uglja po kg gasne faze Aerosmeša se nakon izlaska iz mlinova na ovom bloku raspoređuje na osam kanala (gorioničkih prstiju). U četiri od njih ugrađeni su elektrolučni generatori niskotemperaturske plazme – plazmatroni. Bez nekog dodatnog sistema za regulaciju protoka maseni protok ugljenog praha bi bio ravnomerno raspoređen po gorioničkim prstima, a njegova koncentracija u aerosmeši bi bila ispod gore navedene. Zato se moralo pristupiti izradi sistema za preusmeravanje ugljenog praha, odnosno za povećanje njegove koncentracije u gorioničkim prstima gde su ugrađeni plazmatroni, na račun smanjenja koncentracije u gorioničkim prstima gde plazmatrona nema. Regulacija bazirana na sistemu regulacionih klapni već je ugrađena i daje određene rezultate. Međutim, sistem klapni ne vrši u dovoljnoj meri separaciju faza, pa se došlo na ideju da se razmotri efikasnost ugradnje alternativnog sistema sa žaluzinama. Ova ideja je inspirisana pozitivnim iskustvima na sličnim postrojenjima u svetu. Opredeljenje da se za rešenje navedenog problema upotrebe žaluzine proističe iz niskih troškova njihove izrade i ugradnje, i zbog još nekih prednosti žaluzina nad nekim drugim rešenjima, koje se ogledaju u: 1) relativno malom dopunskom padu pritiska od oko 10 mm VS u krugu mlinskog postrojenja i, sledstveno tome, njihovom malom uticaju na rad mlinova; 2) lakoj regulaciji preraspodele “aerosmeše” u određenom opsegu, pošto neke

skupine žaluzina mogu biti izrađene kao pokretne, odnosno sa promenljivim nagibom. Osim toga, na nekim mlinovima TENT-B1 izvršena je ugradnja sistema žaluzina sa ciljem preraspodele protoka aerosmeše po nivoima gorionika, i ona je dala pozitivne rezultate. Uticaj žaluzina na strujni profil smeše određuje više konstruktivnih parametara: dužina i ugao žaluzina, rastojanje između njih, ugao postavljanja nepokretnih žaluzina u kanal “aerosmeše”, kao i ugao otklona pokretnih žaluzina. Za optimalan efekat ugradnje žaluzina neophodno je pre njihove ugradnje izvršiti detaljnu analizu uticaja pojedinih parametara, odnosno određivanje strujnog polja i distribucije protoka “aerosmeše” po kanalima gorionika. Numerička simulacija se već izvestan broj godina u svetu smatra standardnom savremenom metodom za rešavanje problema ovog tipa. Saglasno gore navedenom, sprovedena je opsežna numerička analiza efekata ugradnje žaluzina, kao i uticaja pojedinih geometrijskih i strujnih parametara na preraspodelu aerosmeše po gorioničkim prstima. U ovom radu analiziran je uticaj kvaliteta meljave, odnosno veličine čestica ugljenog praha na ovu preraspodelu.

2. MODELIRANJE STRUJANJA DVOFAZNE SMEŠE GASA I ČESTICA UGLJA

U radovima [1-4] koji su tretirali strujanje dvofazne smeše, korišćeni su numerički modeli i kodovi koje su samostalno razvili autori radova za rešavanje konkretnih problema. Iako ovakav pristup daje najtačnije rezultate, on je prilično dugotrajan i skup. Sa druge strane, komercijalni CFD kodovi su u poslednjih nekoliko godina dostigli takav nivo da je praksa u svetu pokazala da se oni mogu uspešno koristiti i za proračune tako kompleksnih strujanja kakva se javljaju, na primer, u kanalu iza mlina sa ugrađenim žaluzinama. Zato je za njegovo rešavanje upotrebljen komercijalin softver FLUENT, verzija 6.18, koji ima posebno razvijen modul za proračun višefaznih disperznih strujanja. Model razvijen u ovom modulu ima sve osnovne karakteristike modela opisanih u [1-4]. Radi se o Lagranžeovskom praćenju čestica sa PSI-CELL modelom sprezanja faza, sa razvijenim modelom stohastičkog kretanja čestica u koji su uključene sve relevantne sile (hidrodinamička sila otpora, uzgonska, Magnusova i dr.). Čestice uglja smatrane su idealnim sferama. Kao rezultat dobijaju se trajektorije čestica uglja, sa pozicijom i brzinom u svakom vremenskom trenutku.

[m]

[m]

0 0.5 1 1.5 20

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

a)

[m]

[m]

0.8 1 1.2 1.4 1.61

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

b)

Slika 1. a) geometrija razmatranog strujnog prostora; b) globalan prikaz numeričke mreže jednog dela strujnog prostora.

Na slici 1.a) prikazana je geometrija strujnog prostora koji je razmatran u modelu. Na bočnim zidovima kanala neposredno iza mlinova nalaze se dve skretne ploče sa zadatkom da spreče grupisane disperzne faze u blizini bočnih zidova. Plazmatroni su postavljeni u četiri

desna gorionička prsta, koji na svojim ulazima imaju klapne koje se po potrebi mogu otvarati i zatvarati. Tokom proračuna ove klapne su bile u poluotvorenom položaju, onako kako je prikazano na slici. U strujni prostor postavljene su po celoj širini kanala žaluzine dužine 120 mm i debljine 10 mm, pod uglom od 20o u odnosu na horizontalu, i to tako da se sve nalaze ispred prva četiri gorionička prsta, gde nema plazmatrona. U ovom radu razmatrani su slučajevi sa 5, odnosno 6 žaluzina. Proračun je sproveden za dvodimenzijsku geometriju. Na slici 1b) je radi sticanja jasnije predstave prikazana numerička mreža jednog dela strujnog prostora. Radi dobijanja tačnijih rezultata u zonama velikih brzinskih gradijenata generisana je finija numerička mreža u okolini žaluzina i klapni. Ukupan broj kontrolnih zapremina je u razmatranom proračunu iznosio 38000. 3. PRIKAZ REZULTATA Za početne uslove prilikom sprovođenja proračuna, uzeti su rezultati merenja (od 29. maja 2007) protoka “aerosmeše”, protoka osušenog sprašenog uglja i temperatura na mlinu broj 5 na TENT-B1. Usvojen je uniformni profil brzine na ulazu od 24,8 m/s i temperatura aero

Mas

eniu

deo

frakc

ijace

stic

a%

0

5

10

15

20

25

30

35

45 μm80 μm150 μm400 μm700 μm1200 μm

a)

[m]

[m]

0 0.5 1 1.5 20

1

2

3

4

5

60555045403530252015105

m/s

b)

Slika 2. a) maseni udeo frakcija čestica u smeši koji je razmatran u proračunu; b) brzinski profil za geometriju sa 6 žaluzina i neke karakteristične strujnice.

smeše od 180oC. Izabrani prečnici čestica uglja (45 µm, 80 µm, 150 µm, 400 µm, 700 µm, 1200 µm) odgovaraju sprovedenoj sitovnoj analizi. Maseni udeo po frakcijama prikazan je na slici 2.a) Na slici 2.b) prikazan je strujni profil kontinualne faze za geometriju sa 6 žaluzina. Pored toga, radi dobijanja jasnije slike o izgledu strujanja prikazano je nekoliko karakterističnih strujnica. Uočava se da žaluzine nisu ’nepropusne’ za diskretnu fazu. Na slici 3. prikazana je raspodela čestica uglja u stacionarnom stanju u strujnom prostoru u okolini žaluzina u jednom vremenskom trenutku za svih 6 razmatranih frakcija. Uočava se značajna razlika u izgledu razmatranih profila. Najmanje čestice sa malom inercijom dobro prate strujanje kontinualne faze, prolaze koso izmedju žaluzina, koje na njih imaju najmanji uticaj. Sa porastom prečnika raste i inercija čestica, i dužina puta koji one mogu da pređu nakon sudara sa žaluzinom, što se manifestuje povećanjem njihove koncentracije u kanalima sa plazmatronima. Na najveće čestice fluid gotovo da nema uticaj, pa one prolaze vertikalno između žaluzina, a one koje se odbiju od njih imaju dovoljno inercije da stignu do drugog kraja kanala, što se najbolje uočava u grupisanju ovih čestica iza desne skretne ploče i značajnom porastu masenog protoka uglja u gorioničkim prstima 5-8. Na slici 4. su prikazani

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Slika 3. Raspodela čestica uglja u stacionarnom stanju u strujnom prostoru u okolini žaluzina u jednom vremenskom trenutku: a) d = 45 µm; b) d = 80 µm; c) d = 150 µm; d) d = 400 µm;

e) d = 700 µm; f) d = 1200 µm;

1 2 3 4 5 6 7 80

5

10

15

20 6 zaluzina 5 zaluzina

%

izlaz

45 μm

a)

1 2 3 4 5 6 7 80

5

10

15

20

80 μm

izlaz

% 6 zaluzina 5 zaluzina

b)

1 2 3 4 5 6 7 80

5

10

15

20

25

30

150 μm

izlaz

% 6 zaluzina 5 zaluzina

c)

1 2 3 4 5 6 7 80

5

10

15

20

25

30

35

40

400 μm

%

izlaz

6 zaluzina 5 zaluzina

d)

1 2 3 4 5 6 7 80

5

10

15

20

25

30

700 μm

izlaz

% 6 zaluzina 5 zaluzina

e)

1 2 3 4 5 6 7 80

5

10

15

20

25

1200 μm

izlaz

% 6 zaluzina 5 zaluzina

f)

Slika 4. Raspodela čestica uglja u stacionarnom stanju po gorioničkim prstima (s leva na desno) za 5 i 6 žaluzina: a) d = 45 µm; b) d = 80 µm; c) d = 150 µm; d) d = 400 µm;

e) d = 700 µm; f) d = 1200 µm.

maseni udeli ugljenog praha po gorioničkim prstima (izlazima) za određenu veličinu čestica, za slučajeve sa 5, odnosno 6 žaluzina. Ukupni maseni udeo polidisperzne smeše ugljenog praha dobija se množenjem masenog udela svake od frakcija sa njenim procentualnim udelom u smeši, slika 1.a), i njihovim sabiranjem. Ovako dobijene vrednosti su prikazane na slici 5. crvenim stubićima. Postupak parcijalnog izračunavanja masenog udela svake od frakcija i zatim njihovog sabiranja je izuzetno dug. Moguć je i drugi, kraći, ali nešto neprecizniji

pristup, da se na ulazu ubacuje već obrazovana polidisperzna smeša, a zahtevani udeo određene frakcije u smeši bio bi zadovoljen slučajnim generisanjem veličine svake čestice koja se ubacuje u strujni prostor, na način koji će zadovoljiti raspodelu sa slike 2.a). Upoređenje rezultata ovako sprovedenog proračuna sa prethodno opisanim je prikazan na slici 5. plavim stubićima.

1 2 3 4 5 6 7 80

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22%

izlaz

5 zaluzina

na osnovu udela frakcija pomesane frakcije na ulazu

a)

1 2 3 4 5 6 7 80

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

izlaz

%

6 zaluzina

na osnovu udela frakcija pomesane frakcije na ulazu

b)

Slika 5. Raspodela čestica uglja u stacionarnom stanju po gorioničkim prstima (s leva na desno) dobijenih na osnovu izracunatih raspodela udela svake frakcije po izlazima i njihovog udela u smeši i kada se na ulazu uvode već pomešane frakcije za: a) 5 žaluzina; b) 6 žaluzina.

4. ZAKLJUČAK

Generalno, može se zaključiti da žaluzine predstavljaju efikasan metod kako za reorganizaciju strujanja u celini, tako isto i za razdvajanje faza. Što se tiče matematičkog modeliranja kao metode za ispitivanje uticaja žaluzina na organizaciju strujanja i iznalaženje optimalnog rešenja, nakon verifikacije postavljenog modela, ova metoda pokazala se kao veoma koristan, efikasan i pouzdan alat. Prečnik čestica uglja predstavlja značajan parametar, od čije vrednosti veoma zavisi raspodela koncentracije disperzne faze, kao i raspodela masenog protoka disperzne faze po gorioničkim prstima. Umesto parcijalnog izračunavanja masenog udela svake od frakcija te njihovog sabiranja moguće je ubacivanje već obrazovane polidisperzne smeše ugljenih čestica na ulazu u strujni prostor.

LITERATURA´ [1] Pavlović, P., Stefanović P. i dr.: Primena plazmatrona za stabilizaciju sagorevanja na kotlu bloka 210 MW u TE "Nikola Tesla", Idejno-tehničko rešenje, NIV-ITE-155, Vinča, 1999.

[2] Sommerfeld, M., Živković, G.: Recent advances in the numerical simulation of pneumatic conveying through pipe systems, Computational Methods in Applied Science, Invited Lectures and Special Technological Sessions of the First European Computational Fluid Dynamics Conference, pp. 201-212, Brussels, 1992.

[3] Stefanović, P., Pavlović, P. i dr.: Plazma sistemi za potpalu i podršku vatre kod kotlova loženih ugljenim prahom – pregled izvedenih industrijskih postrojenja u svetu, Procesna tehnika, broj 1, godina 19, Beograd, mart 2003.

[4] Živković, G., Živković, N., Stefanović, P.,: Numerička simulacija regulisanja distribucije ugljenog praha u sistemu održavanja plamena u kotlu korišćenjem niskotemperaturske plazme, XI Simpozijum termičara SCG, Zlatibor, oktobar 2003.