Improved method for calculating fuel burnout in pulverized coal furnaces

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

An improved method of engineering calculation of the degree of burnout of pulverized solid organic fuel in the flare furnaces of steam boilers is proposed, taking into account the kinetics of the processes of moisture evaporation, the release of volatile substances with a separate assessment of individual gaseous components and tar release and their combustion, secondary cracking of tars, combustion and gasification of coke residue, conversion of mineral part of the fuel, which allows for assessment and control of the implementation of material balances of individual stages, stages and, in general, the entire gross process of coal combustion, and ultimately an adequate determination of the magnitude of heat losses with mechanical and chemical incompleteness of combustion. Methodological provisions have been developed to take into account the kinetic and diffusion processes of the thermochemical transformation of coal to establish a quantitative relationship between the temperature-time characteristics of the combustion of pulverized coal particles and the local parameters of the combustion process. The technique is implemented in the form of specialized algorithmic and software and makes it possible to assess the degree of fuel burnout, both for the active combustion zone and for zones located in the cooling chamber of the combustion space during design and operational adjustment work.

Full Text

Restricted Access

About the authors

E. A. Boyko

Siberian Federal University

Author for correspondence.
Email: EBoiko@sfu-kras.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk

S. V. Pachkovsky

Siberian Federal University

Email: p-sv@mail.ru
Russian Federation, Krasnoyarsk

K. V. Lebedev

Siberian Federal University

Email: konstantin.lebedev.2000@gmail.com
Russian Federation, Krasnoyarsk

References

  1. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод). Изд. 3-е, перераб. и дополнен. СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. С. 257.
  2. Померанцев В.В. Основы практической теории горения / В.В. Померанцев, К.М. Арефьев, Д.Б. Ахмедов и др. Л.: Энергоатомиздат, 1986. С. 312.
  3. Проектирование топок с жидким шлакоудалением (руководящие указания и дополнения к нормативному методу теплового расчета котельных агрегатов) / Под ред. Ю.Л. Маршака, В.В. Митора. М.: ВТИ, 1983. С 102.
  4. Проектирование топок с твердым шлакоудалением (руководящие указания и дополнения к нормативному методу теплового расчета котельных агрегатов) / Под ред. В.В. Митора, Ю.Л. Маршака. Л.: ЦКТИ, 1981. С. 118.
  5. Бабий В.И. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела / В.И. Бабий, Ю.Ф. Куваев. М.: Энергоатомиздат, 1986. С. 209.
  6. Hanbaba P. Nichtisoterme Reactionskinetik der Kohlenpyrolyse / P. Hanbaba, H. Juntgen, W. Peters // Brenstoff-Chemie, 1968. № 49. P. 368–376.
  7. Шатиль А.А. Расчетная оценка устойчивости факельного горения твердых топлив в топке котлов // Теплоэнергетика, 1990. № 4. С. 2–6.
  8. Вулис Л.А. Тепловой режим горения. М.–Л.: Госэнергоиздат, 1954.
  9. Nsakala N., Patel R.L., Borio R.W. An Advanced Methodology for Prediction of carbon loss in Commercial Pulverized Coal-Fired Boilers. ASME / IEEE Joint Power Generation Conference // Combustion Engineering, Windsor, TIS-8211 Portland, Oregon, 1986. P. 867–882.
  10. Варнатц Ю., Маас У., Диблл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ. Пер. с англ. Под ред. П.А. Власова. М.: Физматлит, 2003. С. 352.
  11. Бойко Е.А., Пачковский С.В. Диффузионно-кинетическая модель горения и тепломассобмена пылеугольных частиц в газовом потоке // Химия твердого топлива, 2008. № 6. С. 3–13.
  12. Бойко Е.А. Реакционная способность энергетических углей // Красноярск: ИПЦ СФУ, 2011. C. 606.
  13. Виленский Т.В. Динамика горения пылевидного топлива: (исследования на электронных вычислительных машинах) / Т.В. Виленский, Д.М. Хзмалян. М.: Энергия, 1978. С. 248.
  14. Бойко Е.А., Страшников А.В. Теоретическое обобщение и развитие математического аппарата неизотермической кинетики // Известия РАН. Энергетика, 2021. № 2. С. 97–118.
  15. Шатиль А.А. Топочные процессы и устройства (исследования и расчет) / А.А. Шатиль. СПб.: АООТ «НПО ЦКТИ», 1997. С. 183.
  16. Бойко Е.А., Страшников А.В. Кинетика термохимического превращения твердого топлива при высокоскоростном нагреве // Известия РАН. Энергетика, 2021. № 4. С. 103–126.
  17. Бойко Е.А., Пачковский С.В., Шишмарев П.В., Ровенский Д.П., Янов С.Р. Программно-вычислительный комплекс для расчета выгорания и теплообмена в пылеугольных топках паровых котлов. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2008613017. 2008 г.
  18. Бойко Е.А., Пачковский С.В., Вольнев В.Н., Сургутский Д.В. Имитационный динамический тренажер для отработки процессов в топочных устройствах паровых котлов // Теплоэнергетика, 2022. № 4. С. 81–92.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Mechanism of thermochemical transformation of a pulverised coal particle as applied to a wide class of technological processes and devices

Download (205KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Calculation scheme of kinetic processes of thermochemical transformation of solid organic fuel

Download (271KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of στ on the ignition time of a particle of Borodino coal for the time of stay of the particle in the active combustion zone of the furnace of boiler unit BKZ-320-140 at d0: ○ - 100 μm; ∆ - 200 μm; ◊ - 400 μm; □ - 600 μm; and: (a) ϑg: 1 - 1600°C; 2 - 1400°C; 3 - 1200°C at α = 1. 2; Ar = 5 per cent; (b) a: 1 - 1.3; 2 - 1.2; 3 - 1.1 at ϑr = 1400°C; Ar = 5 per cent; (c) Ar: 1 - 15 per cent; 2 - 10 per cent; 3 - 5 per cent at ϑr = 1400°C; a = 1.2

Download (95KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Variation of the mean integral index of particle temperature excess θ (°C) as a function of particle diameter: ϑr = 1200°C, a = 1. 1 - Ar = 0%; 2 - Ar = 4%; 3 - Ar = 6%; 4 - Ar = 10%; 5 - Ar = 26%; 6 - Ar = 30%

Download (84KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Algorithm of post-zone calculation of pulverised coal flame burnout degree in steam boiler furnaces

Download (447KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Variation of mechanical q4 chemical q3 incompleteness of particle combustion from the time of its stay in the furnace chamber at dh (μm): 1 - 100; 2 - 200; 3 - 400; 4 - 600; ϑf = 1400°C, a = 1.2 and Ar = 5%

Download (78KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of mechanical incompleteness of fuel combustion on the excess air ratio at the outlet from the active combustion zone: solid line - calculation; experiment: (a) ○ - ϑf = 1200°C; □ - ϑf = 1400°C; ∆ - ϑf = 1600°C at Ar = 5%; (b) ○ - Ar = 15%; □ - Ar = 10%; ∆ - Ar = 5% at ϑf = 1400°C

Download (97KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Dependence of the mechanical underburning value on the grinding fineness and temperature level in the active combustion zone of the BKZ-320-140 boiler: (a) - ϑzag = 1510°C; (b) - ϑzag = 1486°C; polydispersity coefficient, n: × - 0.9; - 1.0; ∆ - 1.1; ○ - 1.2; • - 1.3

Download (102KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Dependence of the degree of burnout and temperature of gases at the outlet from the active combustion zone of the boiler BKZ-320-140 on the fineness of grinding of Borodino coal taking into account the separate estimation of the duration of fuel combustion processes: × - βsg, %; o - ϑzag, °C

Download (67KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Variation of: (a) fuel burnout; (b) chemical incompleteness of combustion; (c) particle diameter of Borodino coal from the residence time in the furnace chamber of boiler BKZ-320-140 at α = 1.2, Ar = 5%, d0 = 250 μm and ϑf: -- calculation; experiment: ○ - 1200°C; □ - 1400°C; ∆ - 1600°C

Download (96KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Change in the concentration of carbon monoxide and hydrogen for the time of stay of the particle in the furnace chamber of the boiler BKZ-320-140. Calculation: CO - solid line and H2 - dashed line; experiment: ○ - ϑf = 1200°C; □ - ϑf = 1400°C; ∆ - ϑf = 1600°C at Ar = 5%, α = 1.2

Download (75KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Schemes of furnace breakdown into design zones: (a) - BKZ-210-100; (b) - BKZ-320-140; (c) - BKZ-420-140; (d) - BKZ-500-140; (e) - P-67

Download (423KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. Comparison of calculated (solid line, 1 - BKZ-210-100; 2 - BKZ-320-130; 3 - BKZ-500-130; 4 - P-67) and experimental values (marker) of the degree of coal burnout from the value 1/qv

Download (93KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Российская академия наук