PRÓBA POPRAWY WARUNKÓW PRZEPŁYWOWYCH PRZED ROZDZIELACZEM CZTERODROGOWYM W UKŁADZIE PYŁOWYM KOTŁA BP-1150

Transkrypt

1 INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA 25, (2004) BOLESŁAW DOBROWOLSKI, JANUSZ POSPOLITA, JACEK WYDRYCH PRÓBA POPRAWY WARUNKÓW PRZEPŁYWOWYCH PRZED ROZDZIELACZEM CZTERODROGOWYM W UKŁADZIE PYŁOWYM KOTŁA BP-1150 Politechnika Opolska, Katedra Techniki Cieplnej i Aparatury Przemysłowej ul. Mikołajczyka 5, Opole Przedmiotem pracy są numeryczne i eksperymentalne badania przepływu mieszaniny powietrza-pył węglowy przez rurociąg z wbudowanym kolanem. Ruch fazy gazowej opisano metodą Eulera, a ruch cząstek opisano metodą Lagrange a. W wyniku badań stwierdzono, że niewielka modernizacja układu przepływowego pozwala na ograniczenie segregacji pyłu w obszarze za kolanem. This paper is devoted to numerical and experimental investigations of the flow of an air-coal dust mixture through a pipeline with the elbow build in. Gas movement was described by the Euler s method, and particle movement with the Lagrange s method. From the test results it appears that a simple modification of the flow system is enough to limit a degree of dust segregation in the section just after the elbow. 1. WPROWADZENIE Układy pyłowe kotłów energetycznych mają za zadanie dostarczenie mieszaniny pyłowo-powietrznej do poszczególnych palników. W przypadku kotłów z palnikami narożnymi, tuż za wylotem z młyna znajduje się rozdzielacz czterodrogowy, który powinien równomiernie rozdzielać dostarczaną mieszankę pyłowo powietrzną. Opublikowane prace dotyczące badań teoretycznych i eksperymentalnych rozdzielaczy są stosunkowo nieliczne [2-6, 8]. Jednym z warunków zapewniających założony rozdział pyłu do palników jest równomierny rozkład prędkości i koncentracji pyłu w przekroju wlotowym rozdzielacza. W wyniku badań [2,5,8] stwierdzono, że asymetria rozkładu koncentracji cząstek w przekroju wlotowym rozdzielacza może być przyczyną nierównomiernego rozdziału pyłu oraz powodować przyspieszoną erozję wkładu rozdzielacza [6]. Główną przyczyną obserwowanych trudności eksploatacyjnych

2 BOLESŁAW DOBROWOLSKI, JANUSZ POSPOLITA, JACEK WYDRYCH układów pyłowych jest niekontrolowana segregacja pyłu, prowadząca do formowania się tzw. sznura cząstek [1]. Przedmiotem niniejszej pracy są numeryczne i eksperymentalne badania przepływu mieszanki powietrze-pył węglowy przez rurociąg z wbudowanym kolanem, wewnątrz którego zainstalowano próg rozpraszający cząstki. Zadaniem progu jest ujednolicenie koncentracji cząstek w przekroju wlotowym rozdzielacza. 2. ANALIZOWANY UKŁAD PRZEPŁYWOWY Analizowany układ przepływowy przedstawiono na rys.1. C Wyloty do gałęzi kierujących mieszankę do palników A B D Rozdzielacz czterodrogowy Przekrój pomiarowy przed kolanem Przekrój pomiarowy za kolanem Kolano średnicy 1200mm Mieszanka z młyna Rys.1. Widok ogólny węzła kolano - rozdzielacz czterodrogowy Fig. 1. The view of elbow with four-way distributor Bezpośrednio nad kolanem znajduje się rozdzielacz czterodrogowy. Na zewnętrznym łuku kolana zainstalowano element rozpraszający cząstki. Na rys. 2. przedstawiono geometrię układu przepływowego oraz lokalizację elementu rozpraszającego, którego wysokość wynosi 175mm, co odpowiada kątowi = 90, natomiast kąt wnosi Układ przepływowy charakteryzują następujące wymiary geometryczne: D=1200mm, R=1180mm, lw=2000mm.

3 Próba poprawy warunków przepływowych przed rozdzielaczem czterodrogowym... R Przekrój pomiarowy II lw Przekrój pomiarowy I Wlot Rys. 2. Geometria układu przepływowego z elementem rozpraszającym Fig. 2. Configuration of flow system with scatterer Aby określić warunki przepływowe w przekroju wlotowym, przeprowadzono pomiary rozkładu prędkości i koncentracji pyłu w przekroju I. Metodykę pomiarów oparto na normie [7]. Pomiary wykonano wzdłuż pięciu średnic, łącznie w 40 punktach przekroju poprzecznego rurociągu [8]. Wyniki pomiarów wykorzystano jako warunki brzegowe w obliczeniach numerycznych. Analogiczne pomiary przeprowadzono w przekroju poprzecznym rurociągu tuż za kolanem. Wyniki pomiarów porównano w dalszej części pracy z wynikami obliczeń numerycznych. 3. WYNIKI OBLICZEŃ NUMERYCZNYCH W oparciu o metodykę przedstawioną w pracach [3, 6] zrealizowano serię obliczeń numerycznych przy wykorzystaniu programu FLUENT [9]. Rozkłady prędkości gazu w płaszczyźnie symetrii oraz wybranych przekrojach poprzecznych układu przepływowego przedstawiono na rys. 3. Na rys. 4 i 5 porównano obliczone i otrzymane eksperymentalnie pola prędkości gazu w przekroju poprzecznym rurociągu tuż za kolanem. Na rysunkach tych zamieszczono również odpowiednie dane dla układu przed modyfikacją. Z analizy rozkładów prędkości przedstawionych na rys. 3-5 wynika, że umieszczenie elementu rozpraszającego w znacznym stopniu wpływa na rozkład prędkości gazu za kolanem. Na podstawie analizy trajektorii ruchu cząstek obliczono koncentrację pyłu węglowego w wybranych przekrojach. Wyniki odpowiednich obliczeń przedstawiono na rys. 6 i 7. Wpływ umieszczenia elementu rozpraszającego na obliczone rozkłady koncentracji frakcji stałej w przekroju za kolanem przedstawiono na rys 7, natomiast na rys. 8 przedstawiono wyniki pomiarów koncentracji cząstek w przekroju za kolanem.

4 BOLESŁAW DOBROWOLSKI, JANUSZ POSPOLITA, JACEK WYDRYCH 0 52m/s Rys. 3. Rozkłady prędkości gazu w wybranych przekrojach obszaru obliczeniowego dla układu z elementem rozpraszającym Fig. 3. Distribution of gas velocity in selected sections of area for configuration with scatterer bez elementu rozpraszającego without scatterer z elementem rozpraszającym with scatterer m/s Rys. 4. Rozkład prędkości w przekroju tuż za kolanem otrzymany na drodze obliczeń numerycznych Fig. 4. Distribution of gas velocity in cross section just after elbow from numeric computation m/s Rys. 5. Rozkład prędkości w przekroju tuż za kolanem otrzymany eksperymentalnie Fig. 5. Distribution of gas velocity in cross section just after elbow from experiment

5 Próba poprawy warunków przepływowych przed rozdzielaczem czterodrogowym g/(s*cm 2 ) Rys. 6. Rozkłady koncentracji cząstek w wybranych przekrojach obszaru obliczeniowego dla układu z elementem rozpraszającym Fig. 6. Distribution of dust concentration in selected sections of computational area for configuration with scatterer bez elementu rozpraszającego without scatterer z elementem rozpraszającym with scatterer 0 4.6g/(s*cm 2 ) Rys. 7. Rozkład koncentracji w przekroju pomiarowym za kolanem otrzymany na drodze obliczeń numerycznych Fig. 7 Distribution of dust concentration in cross section just after elbow from numeric computation g/(s*cm 2 ) Rys. 8. Rozkład koncentracji w przekroju pomiarowym za kolanem otrzymany eksperymentalnie Fig. 8. Distribution of dust concentration in cross section just after elbow from experiment

6 BOLESŁAW DOBROWOLSKI, JANUSZ POSPOLITA, JACEK WYDRYCH Wyniki przedstawione na rys. 7 i 8 pozwalają ocenić wpływ umieszczenia elementu rozpraszającego na rozkład koncentracji pyłu węglowego. Umieszczenie elementu rozpraszającego spowodowało, że strefa wysokiej koncentracji cząstek występująca po stronie zewnętrznego łuku kolana ma większy zasięg. Daje się zauważyć jakościowe podobieństwo wyników obliczeń i pomiarów. Obserwowane różnice ilościowe mogą wynikać z przyjętych uproszczeń oraz możliwych zmian obciążenia młyna w trakcie pomiarów. Innym powodem obserwowanych rozbieżności może być trójwymiarowość przepływu w badanym układzie, co ogranicza zakres stosowalności metod użytych do pomiaru prędkości i koncentracji pyłu [7]. W tabeli 1 zestawiono procentowy rozdział gazu i pyłu na poszczególne gałęzie pyłoprzewodów przedstawione na rys. 1. W tabeli 2 zestawiono analogiczne dane dla układu po zabudowaniu elementu rozpraszającego. Wyniki pomiarów dotyczące procentowego rozdziału gazu i pyłu odpowiadają wartościom średnim w zakresie wydajności młyna t/h. Daje się zauważyć niewielką poprawę procentowego rozdziału pyłu na poszczególne pyłoprzewody, co jest efektem ujednorodnienia koncentracji pyłu w przekroju wlotowym rozdzielacza. Tabela 1. Procentowy rozdział gazu i pyłu do poszczególnych nitek instalacji przed zabudową elementu rozpraszającego [8] Table 1. Percentage distribution gas and dust to instalation branch for configuration without scatterer [8] Procentowy rozdział gazu na naroża [%] Wydajność [t/h] A B C D ,2 25,6 24,9 24,3 Procentowy rozdział pyłu na naroża [%] ,9 20,6 28,2 26,3 Tabela 2. Procentowy rozdział gazu i pyłu do poszczególnych nitek instalacji po zabudowie elementu rozpraszającego [8] Table 2. Percentage distribution gas and dust to instalation branch for configuration with scatterer [8] Procentowy rozdział gazu na naroża [%] Wydajność [t/h] A B C D ,9 25,8 24,9 24,4 Procentowy rozdział pyłu na naroża [%] ,7 24,8 26,4 26,1

7 Próba poprawy warunków przepływowych przed rozdzielaczem czterodrogowym... WNIOSKI Zrealizowane badania pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: Zabudowa progu rozpraszającego cząstki powoduje zauważalne ujednorodnienie koncentracji pyłu w przekroju poprzecznym przewodu tuż za kolanem, co poprawia warunki przepływowe przed rozdzielaczem. Próg powinien być zlokalizowany w obszarze gdzie występuje duża koncentracja cząstek tj. za lub w końcowej części kolana. Wykonane pomiary rozkładu koncentracji pyłu węglowego przed i po zainstalowaniu progu uzasadniły celowość jego zabudowy. Stwierdzono również zadawalającą zgodność wyników obliczeń z danymi eksperymentalnymi. Celowe jest prowadzenie dalszych badań związanych z optymalizacją kształtu i lokalizacją elementów ujednoradniających rozkład koncentracji pyłu przed kluczowymi elementami instalacji pyłowych kotłów. PIŚMIENNICTWO CYTOWANE - REFERENCES [1]. DOBROWOLSKI B., BORSUK G., WYDRYCH J., Badania numeryczne niekontrolowanej segregacji pyłu węglowego w układach pyłowych kotłów energetycznych, IX Konferencja Kotłowa 2002 "Aktualne problemy budowy i eksploatacji kotłów", Gliwice 2002, t. 1, s [2]. DOBROWOLSKI B., NOWOSIELSKI G., Badania numeryczne aerodynamiki układu odsiewacz młyna węglowego -separator pyłu w instalacji pyłowej kotła OP-650, Konferencja Naukowo - Techniczna "Energetyka 2002", Wrocław 2002, t. 1, s [3]. DOBROWOLSKI B., NOWOSIELSKI G., Modelowanie zjawisk przepływowych w odsiewaczu młyna wentylatorowego, Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Energetyka [4]. FOUNTI M. A., KLIPFEL A. S., Numerical simulation of pneumatic transport and erosion wear in the distribution ducts in large lignite power plants, 1996 Fluids Engineering Division Conference, Volume 1, FED-Vol.236, ASME (1996), s [5]. DOBROWOLSKI B., i inni, Optymalizacja konstrukcji separatora pyłu dla kotła OP-230 na podstawie obliczeń numerycznych, Etap II; Praca NB zrealizowana na zlecenie RAFAKO S.A. w Raciborzu ; Opole; Lipiec [6]. WYDRYCH J., Aerodynamiczne uwarunkowania procesu erozji instalacji pyłowych kotłów energetycznych, Rozprawa doktorska, Politechnika Opolska, Opole (2002). [7]. PN-91/M-34131, Instalacje młynowe, pobieranie próbek pyłu, Wyd. Normalizacyjne, Warszawa, [8]. PARYS R., Pomiary rozpływu mieszanki w rozdzielaczu czterodrogowym w instalacji pyłowej młyna 4MW3 w Elektrowni Opole, Praca wykonana przez firmę Introl na zlecenie Elektrowni Opole, Opole (2000). [9]. FLUENT INC.: Fluid Dynamics Analysis Package. Fluid Dynamic Internationale Inc.

8 BOLESŁAW DOBROWOLSKI, JANUSZ POSPOLITA, JACEK WYDRYCH BOLESŁAW DOBROWOLSKI, JANUSZ POSPOLITA, JACEK WYDRYCH IMPROVEMENT OF FLOW CONDITIONS BEFORE THE FOUR-WAY DISTRIBUTOR IN THE DUST SYSTEM OF BP-1150 BOILER In operation of dust systems of big power boilers, a required dust-air mixture should be distributed to particular burners. This problem is very important because loss of imperfect combustion should be limited, and also because of life of the furnace system and emission of nitric oxides. In many cases, in pneumatic conveying systems for coal dust we can observe diversified concentration and out-of-control segregation of particles leading to diversified deliquescences, disturbances of combustion and accelerated erosion of the installation elements. In the boilers with corner burners, just after the mill outlet there is a four-way distributor for uniform distribution of the dust-air mixture. Strong diversification of concentration and particle segregation within the elbow causes diversification of concentration at the mixture silt to the four-way distributor located directly above the elbow. It is a reason of diversified dust silt to the boiler corners and accelerated erosion of distributors. This paper is devoted to numerical and experimental tests of the flow of an air-coal dust mixture through a pipeline with the elbow build in. Gas movement was described by the Euler s method, and particle movement with the Lagrange s method. For calculations, a typical fraction composition of milled coal was assumed and 15 discrete fractions with known mass fractions were distinguished. Numerical calculations were done with FLUENT program. Fields of velocity and concentration were measured with the gravimetric method. From the test results it appears that a simple modification of the considered system (dissipative threshold) is enough to limit a degree of dust segregation in the section just after the elbow and to improve flow conditions before the distributor.