Расчетное сопоставление режимов сжигания топливной пыли в прямоточной и противоточной вихревых горелках


DOI: 10.34759/tpt-2021-13-12-543-554

Авторы

Евдокимов О. А.*, Лебедев И. Р.**, Гурьянов А. И., Веретенников С. В.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьёва, РГАТУ, ул. Пушкина, 53, Рыбинск, Ярославская область, 152934, Россия

*e-mail: yevdokimov_oleg@mail.ru
**e-mail: ilya.lebedev1755@mail.ru

Аннотация

Представлены результаты численного моделирования рабочего процесса вихревых горелочных устройств прямоточного и противоточного типа в двух режимах работы. В качестве топлива использовался пылевидный торф. Расчеты, выполненные в стационарной RANS-постановке, показали, что противоточные горелки имеют более высокие экологические и энергетические показатели. Более широкий диапазон параметров устойчивой работы, а также особенности структуры газового потока и фронта пламени позволили достичь значений эмиссии монооксида углерода CO на уровне 286 мг/нм3, оксидов азота NOx ‒ 4 мг/нм3, полноты сгорания топлива — η=0.999. Отмеченные показатели достигаются при интегральном коэффициенте избытка воздуха αΣ=2.41. Они обусловлены значительным увеличением времени пребывания частиц твердого топлива в профилированной части вихревого противоточного устройства, обеспечивающем завершение большинства окислительно-восстановительных реакций при более низкой температуре.

Ключевые слова:

закрученный поток, вихревая прямоточная горелка, вихревая противоточная горелка, топливная пыль, торф

Библиографический список

  1. Vamvuka D. Overview of Solid Fuels Combustion Technologies. Handbook of Combustion / ed. Lackner M., Winter F., Agarwal A.K. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2010. P. hoc056.
  2. Koornneef J., Junginger M., Faaij A. Development of fluidized bed combustion—An overview of trends, performance and cost // Progress in Energy and Combustion Science. 2007. Vol. 33. N 1. P. 19–55.
  3. Du R. et al. A sectioning method for the kinetics study on anthracite pulverized coal combustion // J. Therm. Anal. Calorim. 2017. Vol. 130. N 3. P. 2293–2299.
  4. Chen D. et al. Optimizing in-situ char gasification kinetics in reduction zone of pulverized coal air-staged combustion // Combustion and Flame. 2018. Vol. 194. P. 52–71.
  5. Wen X. et al. Analysis of pulverized coal flame stabilized in a 3D laminar counterflow // Combustion and Flame. 2018. Vol. 189. P. 106–125.
  6. Wan K. et al. Large-eddy Simulation of Pilot-assisted Pulverized-coal Combustion in a Weakly Turbulent Jet // Flow Turbulence Combust. 2017. Vol. 99. N 2. P. 531–550.
  7. Christopher Higman, Maarten van der Burgt. Gasification. Elsevier, 2003.
  8. Tabakaev R. et al. Evaluation of Autothermal Peat Pyrolysis Realization for Fuel Processing Technologies // Waste Biomass Valor. 2019. Vol. 10. N 4. P. 1021–1027.
  9. Pinchuk V.A., Sharabura T.A., Kuzmin A.V. Improvement of coal-water fuel combustion characteristics by using of electromagnetic treatment // Fuel Processing Technology. 2017. Vol. 167. P. 61–68.
  10. Chernetskiy M.Yu. et al. Comparative analysis of turbulence model effect on description of the processes of pulverized coal combustion at flow swirl // Thermophys. Aeromech. 2016. Vol. 23. N 4. P. 591–602.
  11. Eluk T. et al. Transition Mechanism Between Combustion Regions in Swirling Entrained Flow Downer Reactors // Energy Fuels. 2017. Vol. 31. N 2. P. 1927–1934.
  12. Gorelikov E.U. et al. Measuring the velocity in pulverizedcoal flame at co- and counter-swirl of combustion chamber stage // AIP Conference Proceedings, 2018. Vol. 2027. P. 040055.
  13. Evdokimov O.A. et al. Experimental investigation of burning of pulverized peat in a bidirectional vortex combustor // Thermal Science and Engineering Progress. 2020. Vol. 18. P. 100565.
  14. Winkler D. et al. Characterisation, testing and modelling of a variety of pulverised biomass fuels burnt in an axially air staged, swirl-stabilised test burner for industrial heating applications // European Biomass Conference and Exhibition Proceedings. 2018. Vol. 2018. N 26thEUBCE. P. 395–402.
  15. Sung Y., Choi G. Non-intrusive optical diagnostics of coand counter-swirling flames in a dual swirl pulverized coal combustion burner // Fuel. 2016. Vol. 174. P. 76–88.
  16. Zhou C. et al. Mechanism analysis on the pulverized coal combustion flame stability and NOx emission in a swirl burner with deep air staging // Journal of the Energy Institute. 2019. Vol. 92. N 2. P. 298–310.
  17. Burdukov A.P. et al. Autothermal combustion of mechanically-activated micronized coal in a 5MW pilot-scale combustor // Fuel. 2014. Vol. 122. P. 103–111.
  18. Михайлов А.С. Разработка способа стабилизации горения твердого пылевидного топлива в ограниченном закрученном потоке: дисс. ... канд. техн. наук. РГАТУ имени П.А. Соловьева, 2016. 131 с.
  19. Piralishvili Sh.A., Gur’yanov A.I. Dimensionless Base of Experimental Investigation of Thermogasdynamic Parameters in a Twisted Flow with Combustion // Heat Trans Res. 2008. Vol. 39. N 8. P. 703–712.
  20. Yu N. et al. Experimental and simulation study of a Gaseous oxygen/Gaseous hydrogen vortex cooling thrust chamber // Acta Astronautica. 2016. Vol. 118. P. 11–20.
  21. Munson S. et al. Development o f a L ow-Cost Vortex-Cooled Thrust Chamber Using Hybrid Fabrication Techniques // 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. San Diego, California: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2011.
  22. Augousti A.T., Baker A., Marlow J.-J. Design and test firing of a dual bidirectional double vortex bipropellant rocket engine // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. Vol. 1065. P. 262002.
  23. Guryanov A.I. et al. Criterion analysis and experimental study of combustion mechanisms in a bidirectional swirling flow and their relationship with pollutants emission // Int. J. Energy Res. 2020. P. er.6178.
  24. Maicke B.A., Majdalani J. Characterization of Particle Trajectories in the Bidirectional Vortex Engine // 51st AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. Orlando, FL: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2015.
  25. Majdalani J., Chiaverini M.J. Characterization of GO2—GH2 Simulations of a Miniature Vortex Combustion Cold-Wall Chamber // Journal of Propulsion and Power. 2017. Vol. 33. N 2. P. 387–397.
  26. Евдокимов О.А., Пиралишвили Ш.А., Гурьянов А.И., Веретенников С.В. Исследование малоразмерного реактивного двигателя на основе вихревой противоточной горелке // Тепловые процессы в технике. 2020. Т. 12. № 10. С. 465‒472.
  27. Guryanov A.I. et al. Experimental investigation of premixed air—fuel mixtures and of the combustion specifics of diffusion fuel jets // Inter. J. Ener. Clean Env. 2017. Vol. 18. N 4. P. 335–348.
  28. Evdokimov O.A. et al. A study of flame and flow structures and their effect on emission properties in a bidirectional vortex pulverized peat combustor // Fuel. 2021. Vol. 291. P. 120120.
  29. Piralishvili Sh.A., Ivanov R.I. Calculation and experimental investigation of mixture formation in a vortex mixer // Russ. Aeronaut. 2012. Vol. 55. N 2. P. 179–183.
  30. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. ANSYS Inc., 2011.
  31. Badernikov A.V., Piralishvily S.A., Guryanov A.I. Results of Numerical Modeling of Combustion Processes in a Vortex Chamber // MATEC Web Conf. / ed. Mebel A., Azyazov V. 2018. Vol. 209. P. 00023.
  32. Mikhailov A.S. et al. Features of Burning of Pulverized Peat Fuel in a Vortex Burner Device // J Eng Phys Thermophy. 2018. Vol. 91. N 4. P. 925–932.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024