Моделирање процеса одсумпоравања гасова уношењем спрашеног сорбента у ложиште енергетског котла на угљени прах

Abstract

Environmental problems during energy conversion from coal into electric power are of great importance and must be addressed as such. Before undertaking measures to improve existing utility boilers, or during planning and building new plants, detailed analysis are required, considering both techno-economic and the environmental issues. During the middle of the last century a rapid development of computers started, and at the same time computers became affordable and available to the end user. Thus, the 21st century becomes the era that will be marked by significant changes in computer structure, possibilities and use. Advances in computer development allowed for improvement of the computational methods in mechanical engineering and in other fields as well. Process control and plant design with the aid of computers are becoming everyday task and allow dealing with engineering problems that have previously been unsolvable and required empirical approach. One of the major contributors to environmental pollution is the emission of pollutants from large stationary sources, that is, more precisely, from the pulverized coal powered utility steam boilers. The subject of research in the dissertation is numerical modelling of complex processes in utility boiler furnace during direct injection of pulverized calcium-based sorbent (limestone, or lime) into the furnace for sulfur oxides reduction, with the model development, as well as numerical analysis and optimization of the processes as the primary goals. Process is well known in theory, however, as it can be found in the literature, the sorbent behavior during the furnace sorbent injection is still not understood enough, and thus on the full-scale plants the efficiency of the process significantly varies. Problems and the causes of significant drops in efficiency can be attributed to the poor process control. Numerical modeling allows for investigation of furnace behavior during various configurations of the sorbent injection process, before any changes are made at the plant itself, which is of primary importance during analysis and decision making about directions of the changes and upgrades of the existing plants, and can give good ideas about the design of the new plants. Developed software for three-dimensional furnace calculation includes differential model of flow and heat transfer processes, combustion reactions model, nitrogen oxides formation and destruction reactions model, and two selected and optimized models of sorbent particle reactions with sulfur oxides from furnace gasses, applied within the comprehensive model of furnace processes. A k-ε model is used for turbulence modeling, while the radiative heat exchange is modelled by using the six fluxes model. Two-phase gas-particle turbulent flow is modeled with Euler-Lagrangian approach. Interaction between gas phase and particles is treated by PSI-Cell method, with transport equations for gas phase having source terms that takes into account the particles influence. Significance of development and application of such a software for calculations is mostly notable in possibility to perceive and analyze processes inside of the furnace which cannot be analyzed and (the entire system cannot be) predicted by other means. Understanding the behavior of the boiler furnace during certain operation regimes, with the use of various fuels, as well as under modifications such as the furnace sorbent injection is of great importance, and represents a prerequisite for achieving efficient, reliable and environmentally friendly boiler operation with compromises between the three, important but to some extent opposed conditions. Particular attention is devoted to the modeling of pulverized sorbent furnace injection, regarding that a primary goal is investigation of possibility to reduce sulfur oxides emission by means of direct sorbent injection into the boiler furnace. Problem is approached through several phases, starting with the analysis of selected models of calcination, sintering and sulfation reactions, their stability and behavior in two-dimensional simulated reactors with focus on comparison with available experimental results in order to validate the models implementation. In further study, models are implemented in three-dimensional numerical code for simulation of in-furnace processes, with particular interest to observe, beside the sorbent influence on sulfur oxides content, the influence it has on the furnace exiting gas temperature and other relevant process parameters in the furnace. During the research, a complex numerical study of the furnace sorbent injection possibilities and accompanying phenomena was performed. Sorbent injection was simulated through the burner tiers, and through the special injection ports above the burner tiers, individually and in combination. Process was analyzed for several fuels with different heating values and varied sulfur content, and various the impacts of different operation regimes and combustion configurations on the gaseous combustion products at the furnace exit were shown. Influence of wide range of desulfurization process parameters was considered, such as: sorbent injection position and particle distribution, particle temperature history and residence time, local gas temperature within the furnace, calcium – sulfur molar ratio, local sulfur oxides concentration, local oxygen concentration, etc. Conclusions were drawn considering possibilities for direct sorbent injection into the pulverized coal fired boiler furnace, as well as suggestions were given on optimal furnace sorbent injection configuration, depending on the boiler operation parameters. The developed software includes a user interface for easier data input for the case-study boiler furnace, allowing for easier boiler analysis, and provides engineering staff with a tool for an efficient software control, with the purpose of considering and analyzing better the furnace sorbent injection technology and its potential applications in the utility boiler furnaces.

Еколошки проблеми приликом претварања енергије садржане у угљу у електричну енергију су од изузетног значаја и посвећује им се посебна пажња. Пре предузимања конкретних мера на унапређењу постојећих постројења, или приликом планирања и изградње нових потребно је извести детаљне анализе, како техно-економске, тако и анализе утицаја на животну средину. Средином прошлог века отпочео је убрзан развој рачунара, уз истовремено појефтињење и доступност крајњем кориснику, a 21. век је столеће које ће обележити и већ обележавају значајне промене у структури рачунара, могућностима и употреби. Напредак у развоју рачунара омогућио је развој нових прорачунских метода у машинству као и другим областима. Вођење процеса и пројектовање постројења уз примену рачунара постају наша свакодневница у којој је могуће решити проблеме који су раније били нерешиви и приступало им се искључиво емпиријски. Један од ових проблема јесте и проблем емисије штетних једињења из стационарних извора великих капацитета, односно, у нашем конкретном случају из енергетских парних котлова на угљени прах. Предмет проучавања у овој дисертацији јесте нумеричко моделирање сложених процеса у ложишту парног котла при уношењу спрашеног сорбента на бази калцијума (кречњака, или креча) директно у ложиште ради смањења емисије оксида сумпора, а циљеви дисертације су развој модела, као и нумеричка анализа и оптимизација ових процеса. Процес је познат, али, као што се може пронаћи у литератури, понашање сорбента приликом уношења у ложиште је и даље недовољно познат процес, и на стварним постројењима ефикасност процеса значајно варира између постројења исте или сличне снаге. Проблеме и узроке значајних разлика у ефикасности могуће је тражити у лошем вођењу процеса. Нумеричко моделирање нам омогућава да испитамо понашање ложишта приликом различитих организација процеса везаних за уношење сорбента у ложите, пре било каквих измена на постојећем постројењу, што је од изузетног значаја при анализама и одлучивању о правцима у којима треба вршити измене на постојећим постројењима, односно дати смернице при дизајну нових. Развијен је софтвер за прорачун процеса у тродимензионалном котловском ложишту који укључује диференцијални модел струјнотермичких процеса, модел реакција сагоревања, реакција настајања и деструкције оксида азота, и два одабрана и оптимизована модела реакција честица сорбента са оксидима сумпора из ложишних гасова, примењена у сложеном моделу процеса у ложишту. Употребљава се 𝑘� − 𝜀� модел турбуленције, док се за моделирање радијационе размене топлоте користи модел шест флуксева. Двофазни гас-честице турбулентни ток се моделира применом EulerLagrange-овог поступка. Интеракција између гасовите фазе и честица се третира помоћу PSI-Cell методе, односно у транспортним једначинама за гасну фазу постоје изворни чланови којима се узима у обзир утицај честица. Значај развоја и примене оваквог софтвера за прорачун се огледа у могућности сагледавања и анализе процеса унутар ложишта које на други начин није могуће анализирати нити предвидети понашање система другим једноставнијим методама. Познавање понашања котловског ложишта при одређеним радним режимима, уз употребу различитих горива, као и при модификацијама попут уношења сорбента у ложиште је од изузетног значаја, и представља предуслов за постизање ефикасног, поузданог и еколошки прихватљивог рада уз компромисе који из та три битна, али донекле супротстављена захтева произилазе. Овде је посебна пажња посвећена моделирању уношења спрашеног сорбента у ложиште парног котла, с обзиром да је главни циљ провера могућности смањења емисије оксида сумпора помоћу директног уношења спрашеног сорбента у ложиште. Решавању проблема приступљено је кроз етапе, почев од провере имплементације одабраних модела реакција калцинације, синтеровања и сулфатизације честице сорбента, провере њихове стабилности и понашања у дводимензионалним каналима којима се симулирају реактори и у којима је посебно посвећена пажња поређењу резултата са доступним експерименталним резултатима ради валидације модела. Надаље су модели примењени у тродимензионалном нумеричком коду за симулацију процеса у ложишту парног котла и ту је посебно интересантно било посматрати, поред утицаја сорбента на садржај оксида сумпора, и утицај на излазне температуре и друге релевантне параметре процеса у ложишту. У току истраживања изведена је обимна нумеричка анализа могућности уношења спрашеног сорбента у ложиште и пратећих појава. Симулирано је уношење кроз етаже горионичких пакета, као и кроз посебне отворе изнад горионичких пакета, појединачно и у комбинацији. Анализиране су могућности процеса са више горива, са различитим топлотним моћима и садржајима сумпора и приказани су утицаји које различити радни режими и конфигурације сагоревања имају на садржаје гасовитих продуката на излазу из ложишта. Разматран је утицај великог броја радних параметара процеса одсумпоравања, као што су: место уношења и дистрибуција честица сорбента, температурска историја и време боравка честица у ложишту, локална температура гаса у ложишту, моларни однос калцијума и сумпора, локална концентрација оксида сумпора и кисеоника у ложишту, итд. Изведени су закључци о могућностима уношења спрашеног сорбента у ложиште парног котла, као и проналажењу оптималног начина уношења у зависности од радног режима котла. Развијени софтвер је опремљен корисничким интерфејсом који омогућава једноставно задавање улазних података за предметно ложиште, што олакшава анализе, а омогућава и инжењерском кадру олакшан рад са софтвером, а у циљу сагледавања предметног процеса као могуће технологије и њене потенцијалне примене на ложиштима парних котлова.