Расчетно-экспериментальное моделирование течения запыленного потока для оценки влияния геометрических характеристик инерционно-вакуумного золоуловителя на степень улавливания золы : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.04

В последние годы в связи с быстрой индустриализацией стран экологическое состояние регионов Сибирского округа находится в тяжелом положении [1]. Повсеместно подвергаются загрязнениям водоемы и плодородные земли. Эти территории можно использовать под золоотвалы. Скопление большого количе- ства угольной золы оказывает пагубное влияние на качество водоемов в виде их подтопления или иссушения. Помимо этого загрязняются сточные и грунтовые воды [2]. Техногенные массивы, полученные в ходе налегания золовой массы на почву, не только сокращают площади земель, пригодные для сельскохозяйствен- ного пользования, но и изменяют гидрогеологический режим района. Человек, как часть природы и экосистемы, наносит своим влиянием большой ущерб окружаю- щей среде [3]. Транспорт и тепловые электростанции также влияют на качество атмосферы. Они выбрасывают в атмосферу около 1 млрд тонн аэрозольных мел- кодисперсных примесей и сажи [4]. И хотя повсеместные загрязнения предприя- тиями практикуются достаточно давно, само понятие «промышленная экология» как дисциплина, которая занималась бы регулированием и поддержанием чистоты окружающей среды посредством антропогенного воздействия на нее, появилась только в начале 80-х гг. XX в. [5, 6].
На территории России расположено более 24 тысяч предприятий, выбрасыва- ющих вредные вещества в атмосферу [7, 8] и водоемы [9]. Из них 29 % приходит- ся на энергетические объекты (таблица В.1), 8 % – объекты угольной промыш- ленности, 33 % выбросов дают предприятия металлургии. Ежегодно в России улавливается и обезвреживается лишь 76 % общего количества вредных веществ. Одними из причин столь низкого обезвреживания являются технологическая отсталость производства; низкие темпы внедрения ресурсосберегающих и других технически совершенных и безопасных технологий; износ оборудования, дости-
6
гающий в ряде случаев предаварийного состояния; отсутствие нормативно-
правовой базы страхования техногенных рисков [10], как видно из таблицы В.1. Таблица В.1 – Воздействие тепловых электростанций на биосферу
в зависимости от применяемого на станции топлива
Топливо
природный газ ядерное топливо
Вредные выбросы
двуокись азота углекислый газ радиоактивность
Воздействие на окружающую среду
кислотные дожди,
парниковый эффект,
загрязнение, разрушение экосистем продуктами сгорания, производства и транспортировки топлива
радиоактивность ниже установленных норм и естественного фона
уголь, мазут
двуокись серы углекислый газ бенз(а)пирен зола
Из-за станций, работающих на угле, происходит загрязнение близлежащих территорий золой; разрушение экосистем из-за увеличения территории золоотва- лов; создание парниковых эффектов вследствие выбросов CO2; выпадение кислотных дождей из-за выбросов NO2 с SO2.
Антропогенное воздействие человека на атмосферу велико, и из-за этого госу- дарство вынуждено было выставить нормированные показатели по выбросам, выше которых нельзя загрязнять окружающую среду [11]. Год от года разрабаты- ваются новые государственные программы для фокусировки на актуальных про- блемах и их последующих решениях. На реализацию этих программ выделяется значительное финансирование.
Актуальность темы исследования подтверждается государственной про- граммой «Энергоэффективность и развитие энергетики» от 15.04.2014 г. В про- грамме затрагивается вопрос, касающийся снижения антропогенного воздействия топливно-энергетического комплекса на окружающую среду [12]. Исполнителем является Министерство энергетики Российской Федерации. В одной из подпро- грамм «Реструктуризация и развитие угольной промышленности», целью которой является стабильное обеспечение внутреннего рынка углем и продуктами его переработки и развитие экспертного потенциала, поставлена задача «развитие

7
системы промышленной и экологической безопасности в угольной промышлен-
ности». Ожидаемыми результатами реализации подпрограммы является «доведе- ние величины удельного выброса загрязняющих веществ в атмосферу на одну тонну добычи до 2,9 кг/т». Разработка инновационного газоочистного оборудова- ния как раз является одним из решений поставленной задачи.
Вклад в промышленную экологию, которая решает вопросы, касающиеся загрязнения атмосферы энергетическими объектами, также осуществляет госу- дарственная программа «Технологическая модернизация электроэнергетики Рос- сии». Одним из ее пунктов является использование инновационных технологий в теплоэнергетике. Разделы программы, напрямую касающиеся рассматриваемого объекта в данной диссертации, входят в пункты «Модернизация ТЭС» и «Разра- ботка и освоение инновационных технологий и оборудования» [13].
Проблема защиты окружающей среды от мелкодисперсных выбросов настолько важна, что ей занимаются не только энергетики, но и экологи, это мож- но увидеть из государственной программы Российской Федерации «Охрана окру- жающей среды» на 2012–2020 гг. Все ее пункты ориентированы на решение одной основополагающей цели «повышение уровня экологической безопасности и сохранение природных систем». В подпрограмме 1 «Регулирование качества окружающей среды», исполнителем которой является Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации, указано стремление к росту доли уловленных и обезвреженных, загрязняющих атмосферный воздух, веществ от стационарных источников до 77,4 % [14]. К примеру, в 2017 г. данный факти- ческий показатель был равен 88 %, хотя плановый показатель – 75,4 %.
В связи с необходимостью повышения энергоэффективности станций и улуч- шением экологической ситуации регионов в РФ осуществляются переводы котлов с твердого топлива на газообразное. Таким образом, можно устранить загрязнения природы золовыми отходами. Однако подобный переход будет весьма дорогосто- ящим, поэтому большинство российских станций продолжает работать на том топливе, которое изначально было запроектировано тепловым расчетом котла на станции. Таким топливом в Омском регионе является экибастузский уголь.

8
К характеристикам этого топлива можно отнести высокую теплоту сгорания [15],
что положительно влияет на возможность передачи тепла от него к рабочим телам в рамках газовоздушного тракта и высокую зольность. Зола, полученная в процес- се горения твердого топлива, имеет широкий спектр гранулометрического состава частиц. Помимо этого, зола экибастузского угля является высокоабразивной, что сказывается на уменьшении долговечности работы конвективных поверхностей котла, а также золоулавливающей установки вследствие эрозионного износа.
Степень разработанности темы исследования составляет 80 %.
Существенный вклад в решение теоретических проблем, вопросов экспери- ментального, математического моделирования движения запыленного потока в программных модулях внесли Ю. А. Алтухов, Е. М. Пузырев (Институт физико- математического образования, г. Барнаул), С. М.Кисляк, Аль Замили Али Джасим (Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползу- нова, г. Барнаул), Я. В. Чистяков (Ярославское высшее военное училище противо- воздушной обороны Министерства обороны РФ, г. Ярославль), Д. Е. Смирнов (Тульский государственный университет, г. Тула), А. В. Сугак (Ярославский гос- ударственный технический университет, г. Ярославль), М. Г. Зиганшин (Казан- ский государственный архитектурно-строительный университет, г. Казань), В. П. Белоглазов (Омский государственный технический университет, г. Омск).
Однако в опубликованных материалах исследований недостаточное внима- ние уделено постановке граничных условий при численном моделировании запы- ленного потока в ANSYS CFX. Большинство ученых занималось исследованиями динамики дисперсных потоков либо в ANSYS Fluent, либо в самостоятельно со- зданных вычислительных модулях. Особенность данного диссертационного ис- следования заключается в оценке возможности применения модуля ANSYS CFX для решения задач по расчету эффективности золоулавливающей установки инерционного типа.
Личное участие автора состоит в проведении численных и натурных экспе- риментальных исследований, разработке проекта эффективной золоулавливаю- щей установки, обобщении результатов экспериментальных и численных иссле-

9
дований, разработке рекомендаций по использованию результатов исследования.
Целью является проведение расчетно-экспериментального моделирования влияния геометрических характеристик инерционно-вакуумного золоуловителя (ИВЗ) на степень улавливания золы экибастузского угля. Из этого вытекают следующие задачи:
1) выполнение математической постановки задачи;
2) выбор граничных условий, максимально адекватно описывающих процесс
улавливания золовых частиц;
3) проведение верификации выбранной математической модели;
4) построение конфигурации расчетных моделей с помощью системы автома-
тизированного проектирования SolidWorks;
5) проведение ряда численных экспериментов, анализ полученных результатов;
6) представление рекомендаций по выбору оптимальных конструкций золо-
уловителя.
Научная новизна:
1) создание откорректированной модели ИВЗ после проведения натур- ного эксперимента в тепловой системе «котел – золоуловитель – дымосос – дымо- вая труба». Новая модель позволяет при той же эффективности (94-99%) работать с большими расходами дымовых газов 110-150 тыс.м3/ч.
2) уточнена методика расчета движения запыленного потокав ча- сти;установленывзаимосвязьмежду геометрическими параметрами устройства (высота рассекателя, высота конфузорного участка, высота поворотной камеры, высота колец) и параметрами технологического процесса (эффективность уста-
новки).
3) выявлен газодинамический эффект — явление реламинириза-
ции потока для создания условий увеличения эффективности улавливания золы за счет устранения или уменьшения поперечных пульсаций золовых частиц; эффект достигается при введении рассекателя. При его наличии пульсаций нет. Наличие рассекателя увеличивает эффективность установки на 35%.

10
4) согласованиерезультатовчисленных экспериментальных исследова-
ний процессов золоулавливания с результатами натурных экспериментов.
Теоретическая и практическая значимость работы
Результаты численного моделирования позволили выбрать оптимальную гео- метрическую форму отдельных элементов установки, благодаря которым достиг- нута высокая степень улавливания частиц золы. На базе расчетов данной работы выполнен конструктивный проект золоулавливающей установки и получен акт внедрения от ОАО «ВТИ» (Приложение 1).
Результаты численного моделирования рабочего процесса и их верификация с полученными экспериментальными данными позволили разработать рекомен- дации по увеличению эффективности золоулавливающей установки.
Полученные результаты использовались при разработке НИР (Приложение 2), которая велась с ОАО «ВТИ», с помощью финансовой поддержки фонда «Энергия без границ» (Интер РАО). Результаты исследования применялись для конструирова- ния золоуловителя, установленного на Омской станции СП «ТЭЦ-4» АО «ТГК-11».
Методология и методы исследования
Для решения поставленных задач в диссертации использованы основные тео- ретические положения теории гидрогазодинамики, расчетов химического состава уходящих газов, рассчитывается эффективность золоулавливающего вспомога- тельного оборудования промышленного котлоагрегата. Численное моделирование выполнено с использованием программных продуктов Microsoft Excel, ANSYS Meshing, CFX. Верификация используемых моделей турбулентности выполнена на основании полученных автором результатов экспериментальных исследований по аппарату ИВЗ первого поколения для разработки ИВЗ второго поколения.
К положениям, выносимым на защиту, относятся:
1) результаты численного эксперимента;
2) верификация ИВЗ второго поколения на уже работающем ИВЗ первого по-
коления, а также корректное моделирование процессов, протекающих
в установке;
3) верификация численного эксперимента на ИВЗ второго поколения относи-

11
тельно промышленного образца ИВЗ второго поколения;
4) рекомендации по увеличению ресурса работы инерционно-вакуумного золоуловителя.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные положения и результаты разработанной расчетно-экспериментальной методики докладыва- лись и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
1) 6-я международная научно-техническая конференция «Техника и техноло- гия нефтехимического производства. Oil and gas engineering 2016», (Омск, 2016 г.);
2) I научно-техническая конференция молодых ученых Уральского энергети- ческого института (Екатеринбург, 16–20 мая 2016 г.).
3) международная научно-техническая конференция «Динамика систем, меха- низмов и машин», международная конференция, (Омск, 16–20 ноября 2016 г.);
4) III региональная студенческая конференция «Наука и молодежь в XXI веке» (Омск, 5 декабря 2016 г.);
5) Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Актуальные вопросы энергетики» (Омск, 17 мая 2018 г.) Публикации. Материалы диссертации полно представлены в работах,
опубликованных соискателем. Основное содержание работы отражено в 25 пе- чатных работах, опубликовано 15 статей из Перечня ВАК, включая 2 статьи в журналах, входящих в международные системы цитирования; получен патент РФ на полезную модель «Инерционно-вакуумный золоотделитель для очистки дымо- вых газов» No 175570 Бюл. 35 от 11.12.2017.
Внедрение. Для возможности создания и проведения экспериментов на дан- ной установке была заключена хоздоговорная тема No 15001 между ОмГТУ и ОАО «ВТИ» – «Разработка, авторский надзор за монтажом и участие в испыта- ниях полномасштабного инерционно-вакуумного золоуловителя». Финансирова- ние темы осуществлялось за счет Интер РАО ЕЭС фонд «Энергия без границ».