Transformation of radiation–convective heat transfer and thermomechanical state of industrial steam generators under furnace-space ballasting with carbon dioxide from biogas

Abstract

The purpose of this study is to provide a scientific substantiation of the mechanisms governing changes in the structure of local heat absorption and the kinetics of pollutant formation when natural gas is replaced by biogenic gas mixtures ballasted with carbon dioxide. To achieve this objective, the following tasks were accomplished: numerical simulation of three-dimensional combustion processes was performed, and an accurate assessment of the thermomechanical state of critical boiler unit components was conducted. The integrated numerical approach combines Computational Fluid Dynamics (CFD) and Finite Element Analysis (FEA) methods over an extended load range (40–100% of nominal capacity). The scientific novelty of the results lies in the identification of the physical effect of radiation heat transfer intensification within the furnace volume due to an increase in the partial pressure of triatomic gases (CO2), which compensates for the reduction in the adiabatic flame temperature of biogas. It has been theoretically demonstrated that an increase in the volumetric flow rate and emissivity of combustion products leads to a redistribution of thermal load along the boiler circuit, causing a stable increase in temperature within the convective pass by 20–25 °C. This effect ensures that the flue gas temperature remains above the dew point, thereby eliminating the risk of low-temperature corrosion of heating surfaces under deep load-following operating conditions. The practical significance of the study lies in establishing the regularities of local heat flux homogenization, which reduces temperature gradients and the amplitude of peak thermomechanical stresses in the metal of waterwall tubes and drums by 15–20%. The obtained results provide a scientific basis for predicting the service life and thermal reliability of pressure-retaining components in the context of energy sector decarbonization.

Scopul studiului este de a oferi o fundamentare științifică a mecanismelor care guvernează modificările structurii absorbției locale de căldură și cinetica formării poluanților atunci când gazul natural este înlocuit cu amestecuri de gaze biogene balastate cu dioxid de carbon. Pentru a atinge acest obiectiv, au fost realizate următoarele sarcini: s-a efectuat o simulare numerică a proceselor tridimensionale de ardere și s-a realizat o evaluare precisă a stării termomecanice a componentelor critice ale unității cazanului. Abordarea numerică integrată combină metodele de hidrodinamică computațională (CFD) și analiza cu elemente finite (FEA) pe un interval extins de sarcină (40–100 % din capacitatea nominală). Noutatea științifică a rezultatelor constă în identificarea efectului fizic al intensificării transferului de căldură prin radiație în volumul cuptorului, datorită creșterii presiunii parțiale a gazelor triatomice (CO2), care compensează reducerea temperaturii flăcării adiabatice a biogazului. S-a demonstrat teoretic că o creștere a debitului volumetric și a capacității de emisie a produselor de ardere conduce la o redistribuire a sarcinii termice de-a lungul circuitului cazanului, provocând o creștere stabilă a temperaturii în trecerea convectivă cu 20–25 °C. Acest efect asigură menținerea temperaturii gazelor de ardere peste punctul de rouă, eliminând astfel riscul coroziunii la temperatură scăzută a suprafețelor de încălzire în condiții de funcționare sub sarcină intensă. Semnificația practică a studiului constă în stabilirea regularităților omogenizării fluxului termic local, care reduce gradienții de temperatură și amplitudinea solicitărilor termomecanice de vârf în metalul tuburilor și tamburelor peretelui de apă cu 15–20 %. Rezultatele obținute oferă o bază științifică pentru prezicerea duratei de viață și a fiabilității termice a componentelor care lucrează sub presiune, în contextul decarbonizării sectorului energetic.

Целью данного исследования является научное обоснование механизмов изменения структуры локального тепловосприятия и кинетики образования загрязняющих веществ при замене природного газа биогенными газовыми смесями, балластированными диоксидом углерода. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: выполнено численное моделирование трехмерных процессов горения и проведена точная оценка термонапряженного состояния критических элементов котельного агрегата. Комплексный численный подход объединяет методы вычислительной гидрогазодинамики (CFD) и метод конечных элементов (FEA) в расширенном диапазоне нагрузок (40...100% от номинальной). Научная новизна результатов заключается в выявлении физического эффекта интенсификации радиационного теплообмена в топочном объеме за счет увеличения парциального давления трехатомных газов (CO2), что компенсирует снижение адиабатической температуры пламени биогаза. Теоретически доказано, что увеличение объемного расхода и излучательной способности продуктов сгорания приводит к перераспределению тепловой нагрузки по контуру котла, вызывая стабильный рост температуры в конвективной шахте на 20...25 °C. Этот эффект гарантирует превышение температуры уходящих газов над точкой росы, полностью исключая риск низкотемпературной коррозии поверхностей нагрева в условиях глубокого маневрирования. Практическая ценность работы заключается в установлении закономерностей гомогенизации локальных тепловых потоков, что снижает температурные градиенты и амплитуду пиковых термомеханических напряжений в металле экранных труб и барабанов на 15–20%. Полученные результаты обеспечивают научную базу для прогнозирования срока службы и тепловой надежности элементов, работающих под давлением, в контексте декарбонизации энергетики.