Теплофизические процессы в теплоэнергетике

Исследование процессов горения углей, запасы которых в стране и мире намного превышают все остальные органические топлива и могут служить основой теплоэнергетики в обозримом будущем, имеет огромное научное и прикладное значение.

В институте проводится комплекс работ по физическому и математическому моделированию горения и газификации углей различных стадий метаморфизма при разных условиях – одиночная частица, факел на основе углей ультратонкого (10–30 мкм) помола, водоугольное топливо, вихревой кипящий слой, воспламенение и горение факела при плазменном инициировании процесса и т. д.

Для моделирования процессов горения в предтопке котла используется одномерная математическая модель "Плазма–уголь", описывающая двухфазный, химически реагирующий поток с плазменным поджигом. Наряду с набором кинетических параметров реакции выделения первичных летучих учитываются реакции их дальнейших превращений, включая образование NOx, SO2, реакции окисления и газификации углерода. Искомые характеристики – концентрации продуктов горения аэросмеси, поля температур, скорости газа и частиц топлива.

Для математического моделирования горения в топке котла применяется трехмерная модель "Cinar", а также k–ε модель турбулентности, упрощенная модель горения угольных частиц, учитывающая выделение летучих, горение коксового остатка и горение в газовой фазе, дискретная модель излучения. Искомые характеристики – поля температур, скорости газа, концентрации CO2, O2, NOx в различных сечениях топки котла, траектории частиц коксового остатка в объеме камеры сжигания.

Для исследования горения с плазменной активацией используются программы для трехмерного расчета котлов, программный комплекс σ-Flow, включающий подмодели движения и горения угольных частиц в условиях турбулентной диффузии, аэродинамики многокомпонентной смеси, радиационного теплообмена.

Эксперименты по горению проводятся на укрупненном горячем стенде с тепловой мощностью до 1 МВт. Стенд включает систему микропомола угля (до 30 мкм), му-фелизированную систему термогазоподготовки с газовым и плазменным поджигом пылеугольной смеси, а также камеру сгорания и систему очистки уходящих газов. Стенд снабжен системой сбора и обработки информации.

Проводятся исследования по горению и газификации пылевзвеси и водоугольных топлив в потоке и вихревом кипящем слое.

Расчет поля концентрации О2 в топке котла при сжигании угля ультратонкого помола.	Схема стенда для сжигания углей микропомола.

Разрабатываются научные основы создания и малозатратной реконструкции твердотопливных парогенераторов с технологией сжигания в закрученном потоке на базе современных экспериментально-расчетных методов. Достигаются экологические нормативы по вредным выбросам и требуемая эффективность выгорания. Отходы от сжигания обладают потребительскими свойствами. Ведутся исследования по реологическим свойствам ВУТ, подготовленных из углей различной степени метаморфизма. Разработаны реодинамические модели движения и теплообмена трубопроводного гидротранспорта ВУТ.

Разрабатываются и проходят стендовые испытания высокоэффективные вихревые очистители вредных выбросов (мокрые очистители-скрубберы, сухие циклоны).

Создан и успешно работает комплекс стендов с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) для изотермических исследований аэродинамики топки, оценки влияния масштабного эффекта на структуру ЦКС, а также отработки новых методов измерения концентрации и скоростей твердой фазы.

Параллельно физическому осуществляется математическое моделирование 3D процессов переноса импульса, энергии, массы газовзвеси в рамках эйлер-лагранжева описания на базе современных моделей турбулентности, горения, генерации и подавления токсичных выбросов.

Созданы уникальные стенды для исследования процессов конверсии и горения низкосортных топлив в сверхкритической воде (СКВ). Исследованы механизмы и кинетика конверсии и горения ряда углеводородов, гудрона и угля. Обнаружено, что в СКВ реализуются высокоскоростные механизмы горения в области температур (400–600°С), существенно меньших, чем температура образования вредных окислов NOx, SOx. Это позволило объединить топку и котел с целью экологически чистого получения рабочих тел для паротурбинных и парогазотурбинных установок. Реализован одномодульный блок парогенератора.

Экспериментальный стенд для исследования процессов  конверсии низкосортных топлив в сверхкритической воде.

• Бурдуков А.П. Проблемы развития угольной теплоэнергетики // Горение и плазмохимия. 2003. Т. 1, № 1.
• Бурдуков А.П., Карпенко Е.И., Попов В.И., Разваляев В.Н., Федосенко В.Д. Экспериментальное исследование динамики горения капель водоугольных суспензий // Физика горения и взрыва. 1996. Т. 32, № 4.
• Burdukov A.P., Popov V.I., Tomilov V.G., Fedosenko V.D. The rheodynamics and combustion of coal-water mixtures // Fuel. 2002. V. 81, N. 7.
• Бурдуков А.П., Бурдуков П.А., Петин Ю.М. Способ сжигания угля. Патент на изобретение № 2230981. 26.06.2004 г.
• Messerle V.E., Karpenko E.I., Ustimenko A.B. Plasma-aided solid fuel combustion // Proc. Combust. Inst. 2007. V. 31. Part 11.
• Anacleto P.M., Fernandes E.G., Heitor M.V. and Shtork S.I. Swirl flow structure and flame characteristics in a model lean premixed combustor // Combust. Sci. Technol., 2003. V. 175, N. 8.
• Востриков А.А., Псаров С.А. Взрывное окисление углеводородов в сверхкритической воде // Письма в ЖТФ. 2002. Т. 28, № 18.
• Саломатов В.В. Котел с ЦКС. Патент № 02086851. 18.06.1997 г.