Aplikce plzmového hořáku n kotel PG350 P. Kočvrová, M.Kozuková, VŠB-TU OSTRAVA V článku je prezentován princip plzmové technologie porovnání rychlostí směsi n vstupu do splovcí komory n geometrii s vířivým hořákem ez hořáku. Úloh je řešen diskrétním fázovým modelem DPM, ve kterém se definují chemické rekce n uživtelem definovných částicích ez vířivého hořáku. V softwru Fluent 6.3 je proudění řešeno tzv. modely turulence k- ε, přenos tepl pk tzv. rdičními modely. Pro porovnání proudění s vířivým hořákem ylo použito řešení této úlohy v CFX. In this pper principle of plsm technology nd comprisons of velocity of mixture on inlet into comustion chmer on geometry with swirl urner nd without urner is presented. Prolem is solved y discrete phse model DPM, in witch chemicl rection is defined on user defined prticles without swirl urner. In softwre Fluent 6.3 the flow is solved y turulent model nd het trnsfer is solved y rdition model. Solving of this prolem is used for comprison flowing with swirl urner modeled in CFX. Klíčová slov Keywords: velocity profile, comustion. 1. Úvod Plzmová technologie yl instlován testován n Prunéřovském kotli PG350. Plzmová technologie se používá k njíždění elektrárenských kotlů, z účelem omezení spotřey orgnických pliv snížení emisí dusíku. 1.1 Definování nízkoteplotní plzmy Plzm je povžováno z čtvrtý stv látky s posloupností: pevná fáze, kplin, plyn, plzm. Plzm je zprvidl tvořeno kldnými ionty elektrony (Chen.1997). Kldné ionty mjí jen jeden elementární náoj. V úplně ionizovném plzmtu jsou všechny částice ionizovány. N rozdíl od plynu má plzm velkou tepelnou kpcitu i vodivost podléhá účinkům elektrického i mgnetického pole. Teplot částečně ionizovného plzmtu činí 5 ž 15 kk plně ionizovného plzmtu ž 100 kk. Střední energii plzmtu lze vyjádřit v elektronvoltech(ev), přičemž pltí: 1 ev = 11,6 kk = 1,602 10 19 J 1.2 Popis plzmové technologie Pro zpálení kotle s práškovým ohništěm je nutné prášek zpálit přídvným plivem. Zprvidl mzutem neo zemním plynem (jejich plikce prodržuje výrou zhoršuje ekologické prmetry zřízení). Tto přídvná pliv mjí rovněž vliv i pro následnou stilizci hoření při snížení výkonu kotle. Zjímvým řešením je plzmová technologie. Technologie plzmového
TechSoft Engineering & SVS FEM zplování primární směsi je znám již od roku 1979. Termín plzmová technologie se ojevil roku 1922 yly tkto oznčeny všechny směry spojené s použitím nízkoteplotní plzmy v olsti zprcování pliv (Orgrez). Výhody: Zezpečí spolehlivý strt kotle stilizci hoření práškového ohniště. Omezuje se nedopl ( to má z následek snížení celkové spotřey pliv ). Neklde zvýšené nároky n konstrukci kotle. Osluh plzmové technologie není náročná. Energetická náročnost plzmového hořáku předstvuje cc 2-3% z množství tepelné energie uvolněné v hořáku půsoením nízkoteplotní plzmy. 1.3 Princip plzmové technologie Plzm půsoí přímo n částice uhlí, resp. n směs pohyující se v olsti pod plzmovým hořákem (Blejchř,2007). Počáteční teplot směsi se pohyuje v rozmezí 60-100 0 C. Teplot n výstupu z plzmtronu má teplotu 5000 7000 K. Rychlost výtoku plzmy z plzmtronu je cc 200 m.s -1. Fyzikálně chemické trnsformce uhelného prchu okysličovdl s plzmovým zdrojem zhrnují složité procesy různých typů (destrukce pliv, při které dochází k uvolnění těkvých látek, rekce těkvých látek s okysličovdlem, ohřev koksového zytku rekce koksového zytku s plynnou fázi). Při kontktu proudu plzmy se studenou směsí se součsně nhřívá vzduch uhelné částice. Částice uhlí jsou vystveny velkému tepelnému šoku, díky kterému se rozpdjí ž n 1/10 své původní velikosti. Z úlomků částic je uvolňován prchvá hořlvin (CO, CO 2, CH, C 6 H 6, N 2, H 2 ) komponenty oshující dusík (pyridin, pyrrol). Následně se v plynné fázi vytvoří tomární formy (O, H, N, C, S), minerální hmoty uhlí (Si, Al, C) rdikály (NH, CH, CN, OH). Kromě toho je v plynné fázi přítomný elektronový plyn (e), kldné (C +, H +, N +, CO +, O +, Si +, K + ) záporné ionty (O -, H -, N 2- ) or.1.
Or. 1. Princip půsoní nízkoteplotní plzmy n primární směs Plyn vytvořený z výše jmenovných prvků je mnohem rektivnější něž tomární dusík jeho sloučeniny. Z toho plyne, že kyslík neude vstupovt do rekce s dusíkem, le ude se vázt k rektivnějším složkám, což má z následek snížení plynných emisí Nox. 1.4 Plzmový generátor U plzmové technologie se plzm vytváří z pomocí plzmového generátoru, viz or.2. Plzmtron je v technické prxi oznčováno zřízení produkující nízkoteplotní plzmu, jejíž teplot se v jádře pohyuje v rozmezí 2000-7000 K. Nízkoteplotní plzm vzniká v prostoru ohrničeném měděnou ktodou, měděnou nodou izolční teflonovou výstelkou, půsoením elektrického výoje n zvířený proud plzmtvorného vzduchu. Plzmtvorný vzduch je do plzmtronu přiváděn ve dvou úrovních. Přes tří-drážkový terciální zviřovč ústím ktody šesticestným terciálním zvířovčem ústím nody. Podmínkou pro dosžení co největší životnosti ktodových nodových elektrod je jejich intenzivní chlzení vnějšího olu deminerlizovnou vodou. (odorné čsopisy). Plzmové generátory se dělí: Plzmové generátory s elektrodmi. Plzmové generátory s vysokofrekvenčním elektromgnetickým polem. 1. wolfrmová tyčová ktod 2. měděná nod s vodním chlzením 3. zprcovávný mteriál 4. vnější nod 5. vnitřní nod 6. plzm Or. 2. Princip plzmtronu
TechSoft Engineering & SVS FEM 2. Numerické modelování Pro splování uhelných částic yl použit diskrétní fázový model (DPM), ve kterém se zdávjí chemické rekce n uživtelem definovných částicích. Celkový průtok částic se definuje tk, že se sleduje mlý počet částic pohyujících se ve spojité části. Ve Fluentu je možné modelovt splování uhelných částic mtemtickým modelem turulence pro stlčitelné proudění, který se řídí rovnicí kontinuity, rovnicí pro přenos tepl, rovnicí pro přenos hynosti, trnsportní rovnicí pro příměsi i. ( Kozuková,2003). 3. Řešená úloh Ve Fluentu yl řešen zjednodušená vrint výpočtu, kdy vstup oshovl směs uhelného prášku se vzduchem. Okrjové podmínky fyzikální vlstnosti yly definovány následovně. Proudícím médiem je vzduch, který je n vstupu č.1 definovný hmotnostním průtokem 4,32 kg/s teplotu 343 K. Tímto vstupem dále vstupují částice uhlí, definovné pomocí injections. Jsou zdány hmotnostním průtokem 0,72kg/s. N vstupu č. 2 vstupuje rovněž vzduch, který nhrzuje plzmu o teplotě 7000 K hmotnostním průtoku 0,0334 kg/s. Vstup č. 3 je definován stejně jko vstup č. 2, viz or.3. Ve výpočtu je použitý stndrdní k-ε model turulence. Úloh yl počítán diskrétním fázovým modelem. (Kočvrová 2008). Tto směs proudil celou větví práškovodu, kde proíhlo splování částic. Výsledkem ylo proudové pole v celé olsti rozložení teplot. Zjednodušení této vrinty spočívlo ve vypuštění vířivého hořáku. Z důvodu zhodnocení zjednodušeného přístupu ylo rychlostní pole porovnáno s výpočtem proudění v celé geometrii provedeném v CFX. Výsledky oou přístupů yly vyhodnoceny v olsti z vířivým hořákem n vstupu do splovcí komory, viz or.3 or.4. Or. 3. Celá geometrie kotle řešená ve Fluentu Or. 4. Oznčení plochy (vstup) pro vyhodnocení rychlostních profilů.
Rychlostní profil pro porovnání yl získný z modelu oshujícího vířivý hořák, který yl řešen firmou Orgrez pomocí softwru CFX (Blejchř). V tulce 1 je znázorněn část souoru definující rychlostní profil. Souor oshovl souřdnice rychlosti v jednotlivých složkách. Ze souoru Exel yl vytvořený textový souor. Tento souor yl do Fluentu 6.3 nčten jko rychlostní profil definovný n vstupu do splovcí komory. x y z u v w 3.257e+00-2.017e+00 5.295e+00 8.354e+00-1.437e+00 1.360e-01 3.259e+00-1.963e+00 5.284e+00 8.694e+00-1.815e+00 5.271e-01 3.263e+00-1.971e+00 5.268e+00 8.641e+00-1.565e+00 3.227e-01 3.269e+00-2.015e+00 5.251e+00 8.356e+00-9.805e-01-2.068e-01 3.249e+00-2.015e+00 5.323e+00 8.427e+00-1.745e+00 4.500e-01 3.225e+00-2.003e+00 5.4075e+00 8.255e+00-2.311e+00 9.916e-01 T. 1. Rychlostní profil 4. Výsledky O přístupy yly porovnávány ve velikosti jednotlivých složkách rychlostí. N orázku 5 je zorzen velikost vektoru rychlosti. Průěhy jednotlivých složek rychlosti jsou ukázány n orázcích 6,7,8. Or. 5 Velikost rychlosti, CFX, Fluent
TechSoft Engineering & SVS FEM Or.6. Průěh rychlostí ve směru x, CFX,, Fluent Or.7. Průěh rychlostí ve směru y,, CFX,, Fluent Or.8. Průěh rychlostí ve směru z,, CFX,, Fluent
5. Závěr Článek pojednává o porovnání řešení s vířivým hořákem ez vířivého hořáku vyhodnocení rychlostí n vstupu do splovcí komory. Úloh yl počítán ve Fluentu pomocí turulentního modelu k-ε s trnsportem příměsi splováním částic. Úloh spočívl v porovnání průěhu rychlostí n ústí do splovcí komory s vygenerovným rychlostním profilem z CFX, který zohledňovl vířivý hořák. Z výsledků je ptrné, že vířivý hořák hrje význmnou roli v průěhu rychlostí je proto nutné jej do geometrie zřdit, neoť jednotlivé složky rychlostí se neshodovly. Dlší postup ude spočívt v ndefinování hořáku do olsti práškovodů pomocí FAN modelu ve Fluentu opět porovnt rychlosti, teploty množství emisí. 6. Reference 1. Kozuková M, Dráková S., Mumerické modelování proudění FLUENT I,. [Online]. c2003. Ostrv: VŠB TUO, 116 s, poslední revize 9.1.2006, Dostupné z: <URL: http://www.338.vs.cz/seznm.htm. 2. Blejchř.T, Mlý.R., Model splování uhlí v CFD progrmu Ansys/CFD Mezinárodní konfrence, Energetik životní prostředí 2007, pp.19-31. 26-27.9.2007, Sorník ISBN 978-80-248-1586-2 3. Fluent: Fluent 6.12 User s guide. Fluent Inc. Octoer 2007. 4. Bojko.M., Mtemtické modely splování práškového uhlí v progrmu Fluent 6.3.26 v plikci n pádovou truku, ANSYS Users Meeting & 14. ANSYS CFD Users Meeting, Luhčovice, 5. - 7. listopd 2008. Sorník [CD]. 2008. ISBN 978-80-254-3355-3. 5. http://www.odornecsopisy.cz/index.php?iddocument=26496 6. Orgrez,.s., Studie plzmové hořáky n elektrárně Prunéřov 7. Chen, F. F., Úvod do fyziky plzmtu. Plenum press,1997.328 s. 8. Blejchř.T, Ansys výpočet - Rychlostní profil. 9. Kočvrová, P, Kozuková, M., Numericl simultion of col prticles comustion. Sorník příspěvků mezinárodní konference - XXVII. Setkání kteder mechniky tekutin termomechniky, Plzeň, 24. 27. červn 2008. Plzeň, Zápdočeská univerzit v Plzni, 2008, pp. 147-155, ISBN 978-80-7043-666-0.