Рисунок 1: Вид пробника 5 МВт на кислородном топливе завод используется для экспериментальных попыток.
Авторы: Садег Седдиги, Дэвид Палларес, Филип Джонссон, Микко Варонен, Ирина Хюйтяйнен, Вилле Юля-Аутинен и Марко Палонен
Автор перевода: Крюков А. В.
Источник: 2-я IEA GHG Международная конференция по сжиганию кислорода
Садег Седдиги, Дэвид Палларес, Филип Джонссон, Микко Варонен, Ирина Хюйтяйнен, Вилле Юля-Аутинен и Марко Палонен В статье рассмотрена оценка технологии ЦКС, ее преимущества.
Как и при сжигании на воздухе, сжигание на кислороде с использованием технологии циркулирующего кипящего слоя (ЦКС) может дать преимущества тем, что технология ЦКС обеспечивает высокую топливную гибкость, уменьшение выбросов SOx в печи и относительно плавное распределение извлекаемого теплового потока. Кроме того, тепловой маховик, вызванный потоком твердых частиц и возможность отвода тепла в системе рециркуляции твердых веществ (то есть вне печи) достичь высоких концентраций кислорода при ограничении уровня температуры. Допуская такой высокий кислород концентрации означают значительно более компактные (и, следовательно, менее дорогие) печи, чем те, которые используются в воздухе сгорания.
В настоящей работе кратко излагается текущее состояние текущего проекта, целью которого является оценка технологии ЦКС на кислороде с помощью экспериментальных испытаний и моделирования. Пробные испытания проводятся на пилотной установке по производству кислородного топлива мощностью 5 МВт (представляющей собой крупнейшую установку, работающую на кислородном топливе, работающую в настоящее время). Эта модель является расширенной версией модели сжигания воздуха с воздушным топливом, разработанной авторами в течение последних шести лет и утвержденной для установок промышленного масштаба.
Принимая во внимание, что модель ранее подверглась обширной проверке на основе данных по крупномасштабным котлам, работающим на воздухе, ожидается, что модель будет представлять собой полезный инструмент для оценки, проектирования и масштабирования кислородно-топливных котлов после проверки с измерениями от 5 МВт кислородно-топливная установка. Очевидное применение модели - определение размеров и проектирование поверхностей отвода тепла. Высокие концентрации кислорода требуют большего отвода тепла в системе рециркуляции твердых веществ, что обеспечивается за счет повышенной внешней циркуляции твердых веществ. Такая увеличенная циркуляция твердых частиц может быть установлена с модификациями конструкции печи и изменением рабочих условий и / или свойств твердых частиц. Первая оценка рабочих условий и пределов для работающего на кислороде ЦКС дана в [1].
Модель является всеобъемлющей в том смысле, что она способна обеспечить 1,5- и 3-мерное описание динамики жидкости, химического состава и теплообмена в печи крупногабаритных установок ЦКС и подробно описана в [2]. В настоящей работе представлены результаты 1,5-мерной версии, в которой печь разрешена в вертикальном направлении с горизонтальным разделением между областью сердечника и слоем стенки (в результате получается «1,5-мерная» модель). Модель включает в себя переходную характеристику общего запаса твердых веществ, учитывающую динамику истощения твердых частиц (характеризуется испытаниями исходного сырья) [3] и различные возможности в конфигурации системы рециркуляции дымовых газов (РДГ). Модель решает переходное поведение запаса твердых частиц в прямой связи с динамикой жидкости (из-за сильной связи между ними).
Поток твердых частиц в печи описывается с учетом одной плотной твердой фазы в нижней части печи и двух твердых фаз в надводном борту: кластерная фаза, доминирующая в зоне всплеска в нижнем надводном борту, и дисперсная фаза, создающая структуру потока ядро-кольцо. в верхнем надводном боку (с восходящим потоком в ядре и нисходящим потоком в области вблизи стенок печи), согласно [4]. Смешивание топливных частиц объясняет изменяющееся в жидкости динамическое поведение топливных частиц, когда они подвергаются конверсии (и, следовательно, изменяют размер и плотность), как описано в [5]. Моделирование гидродинамики связано с подмоделью, описывающей кинетику конверсии топлива, и в результате получают поля скорости высвобождения для влаги, летучих веществ и продуктов конверсии полукокса. Такая кинетика конверсии моделируется решением псевдо-стационарного состояния диффузии тепла в частицу топлива с выражениями, предложенными в [6]. Модель включает фрагментацию топлива, основанную на экспериментальных данных из цифрового анализа изображений в качестве входных данных. Смешивание газа в печи описывается с помощью теории потенциального потока в макроскопическом масштабе и учитывает флуктуирующую природу потока газа в псевдоожиженном слое, как описано в [7]. Эти колебания газа происходят из-за динамики плотного слоя и влияют на локальное перемешивание, поскольку динамика газа играет важную роль (контролируя, например, летучее сгорание), а условия восстановления и окисления могут чередоваться в данном месте в печи. Эта последняя особенность имеет большое значение и уникальна для этой модели.
Доминирующим механизмом теплопередачи при отводе тепла из котлов ЦКС является конвекция (то есть прямой контакт псевдоожиженных твердых частиц с поверхностью отвода тепла), хотя излучение может доминировать в верхней и более разбавленной части печи. Важной особенностью модели является раздельное моделирование конвективного и радиационного теплообмена, часто смешанное в моделировании ЦКС. Коэффициенты радиационного и конвективного теплообмена, использованные в модели (включая оптические факторы и среднюю излучательную способность газотвердых суспензий различной концентрации и с разным размером твердых частиц), были взяты из крупномасштабных данных ЦКС [8]. Из-за ожидаемого доминирования излучения твердых частиц в условиях ЦКС, излучение газа игнорируется.
На рис. 1 показан котел на кислородном топливе мощностью 5 МВт. В дополнение к предоставлению экспериментальных результатов для сравнения с моделированием, эксперименты с котлом используются для оценки безопасности и технической возможности сжигания кислородного топлива. Экспериментальный проект был реализован компаниями Metso Power Oy и Fortum при частичном финансировании со стороны Tekes (Финское агентство по финансированию технологий и инноваций). Эксперименты включали как воздушные, так и кислородные корпуса.
Печь имеет высоту 13 м с поперечным сечением 1х1 м2 в верхней части печи. Агрегат оснащен одним циклоном, в то время как кислород поступает из резервуара с жидким кислородом объемом 50 м3 в систему. Еще одна особенность этого устройства - большая гибкость в способности отвода тепла с помощью подвижных панелей отвода тепла, прикрепленных к стенкам печи, напоминающих водные стенки. Кроме того, гибкий отвод тепла из системы рециркуляции твердых частиц возможен через трубчатый теплообменник, расположенный в уплотнении частиц. Материал для макияжа использовался для того, чтобы контролировать инвентаризацию слоя твердых частиц во время прогонов. Во время испытаний в качестве топлива использовались два разных типа угля. Различные параметры были изменены во время прогонов для изучения их влияния на процесс сгорания: концентрация подаваемого кислорода (в диапазоне от 16 до 36 %, влаги), соотношение Ca / S, температура в нижнем слое (между 800 и 900 по Цельсию), влажность РДГ, используемого при псевдоожижении уплотнения, скорость псевдоожижения, соотношение первичного и вторичного газа и кислорода. Режим отвода тепла и отвод тепла в кольцевом уплотнении использовались таким образом, чтобы достичь заданных температур плотного слоя. Также проводились периодические эксперименты с топливом для изучения динамического отклика агрегата и кинетики сгорания полукокса. Экспериментальные данные, собранные для анализа, включают скорости отвода тепла от различных панелей, температуру, давление, профили состава газа и образцы твердых веществ.
Рисунок 1: Вид пробника 5 МВт на кислородном топливе завод используется для экспериментальных попыток.
Рисунок 2 иллюстрирует результаты моделирования с вертикальными профилями концентрации газа, соответствующими корпусу с кислородным обогревом (36% O2) и воздушному корпусу, оба с подводом теплового топлива 4,7 МВт (что соответствует условиям испытаний пилотной установки).
Вторичные газовые впрыскивания на двух уровнях выше газораспределителя можно увидеть по резким скачкам на кривых. Эти модельные результаты показывают, что большая часть процесса сжигания в случае кислородного топлива может происходить в нижней части печи, то есть в случае кислородного топлива получается гораздо более крутой градиент концентрации кислорода, чем в воздушном корпусе. Это происходит из-за увеличения скорости сгорания полукокса, причем полугорье в основном присутствует в нижней части печи.
Рисунок 2: Смоделированные вертикальные концентрации O2 и CO2 для пилотной установки мощностью 5 МВт. В дополнение к O2 и CO2, дымовые газы содержат влагу (в значительных количествах, поскольку дымовой газ рециркулирует на влажной основе).
На презентации конференции будут представлены результаты текущей оценки экспериментальных прогонов, включая сравнение с моделированием.
Seddighi, S., Pallares, D.; Johnsson, F. (2010). One-dimensional modeling of oxy-fuel fluidized bed combustion for CO2 capture. 13th Int. Conf. on Fluidization (Gyeong-ju, South Korea).
Pallares, D. (2008). Fluidized bed combustion – modeling and mixing. PhD thesis, Chalmers University of Technology (Goteborg, Sweden).
Pallares, D., Johnsson, F. and Palonen, M. (2010). Modeling of the solids inventory in CFB boilers. 13th Int. Conference on Fluidization (Gyeong-ju, South Korea).
Pallares, D., Johnsson, F., (2006). Macroscopic modelling of fluid dynamics in large-scale circulating fluidized beds. Progress in Energy and Combustion Science, 32 (5-6) pp.539-569.
Pallares, D., Johnsson, F., Modeling of fuel mixing in fluidized bed combustors (2008). Chemical Engineering Science,63 (23), pp.5663-5671.
Palchonok ,G., Breitholtz ,C., Thunman ,H., Leckner ,B. (1997). Impact of heat and mass transfer on combustion of a fuel particle in CFB boilers. 14th Int. Conference on Fluidized Bed Combustion (Vancouver, BC, Canada).
Pallares, D; Johnsson, F., (2009). Dynamical modeling of the gas phase in fluidized bed combustion - accounting for fluctuations. 20th Int. Conference on Fluidized Bed Combustion (Xi’an, China).
Baskakov, A.P., Leckner, B. (1997). Radiative heat transfer in circulating fluidized bed furnaces. Powder Technology. 90(3), pp.213-218.