Particularities of thermal regimes and emission characteristics of hot water boilers operating on heterogeneous fuel pellets

Abstract

The aim of this study is to provide a scientific substantiation of the mechanisms of thermochemical conversion of wood pellets and low-grade agrobiomass in the furnace chambers of municipal boilers using multiparameter CFD modeling methods. To achieve this aim, the following tasks were solved: a numerical approach combining the Discrete Phase Method (DPM) and the Laminar Flamelet model was implemented to account for the staged release of volatile matter; the influence of intensive aerodynamic turbulence on particle trajectories was investigated; and the processes of staged air supply were modeled. The scientific novelty of the results lies in establishing the regularities of local reducing zone formation in the flame root during the combustion of high-nitrogen fuels (bottom sludge and poultry manure), for which it was theoretically demonstrated that the vortex effect of turbulence ensures a burnout completeness of the dispersed phase at the level of 98.0–99.2%. The most important results are the proof that staged air supply forms stable reducing zones near the burner, limiting the local NOx concentration to 36 ppm, as well as the mathematical determination of the safe slag-free interval (10001150 °C) for the thermal conversion of straw and rapeseed. The practical value of the work consists in the verification of the numerical model based on detailed chemical kinetics approaches, which provides increased accuracy in predicting reducing zones compared with standard Eddy Dissipation models. The significance of the obtained results lies in confirming the possibility of efficient and environmentally safe utilization of low-quality agrobiomass and industrial sludge in serial boiler units. This determines the optimal operating conditions of the equipment and creates a fundamental scientific basis for diversification of the fuel base and extension of the residual service life of thermal power installations under deep load maneuvering.

Scopul acestui studiu este de a fundamenta științific mecanismele de conversie termochimică a peleților din lemn și a agrobiomasei de calitate inferioară în camerele de ardere ale cazanelor municipale, utilizând metode de modelare CFD multiparametrică. Pentru atingerea acestui obiectiv au fost realizate următoarele sarcini: a fost implementată o abordare numerică ce combină Metoda Fazei Discrete (DPM) cu modelul flameletului laminar, pentru a descrie eliberarea etapizată a materiilor volatile; a fost investigată influența turbulenței aerodinamice intense asupra traiectoriilor particulelor; și au fost modelate procesele de alimentare etapizată cu aer. Noutatea științifică a rezultatelor constă în stabilirea mecanismelor de formare a unei zone reducătoare locale în rădăcina flăcării în timpul arderii combustibililor cu conținut ridicat de azot (nămol de fund și gunoi de grajd de pasăre). Sa demonstrat teoretic că efectul de vortex al turbulenței asigură arderea aproape completă a fazei dispersate, atingând un grad de conversie de 98.0–99.2%. Cele mai importante rezultate constau în demonstrarea faptului că alimentarea eșalonată cu aer conduce la formarea unor zone reducătoare stabile în apropierea arzătorului, limitând concentrația locală de NOx la 36 ppm, precum și în determinarea, prin modelare matematică, a intervalului sigur de temperatură fără formarea zgurii (1000–1150 °C) pentru conversia termică a paielor și a rapiței.

Целью данного исследования является научное обоснование механизмов термохимического превращения древесных пеллет и низкосортной агробиомассы в топочных камерах котлов муниципального назначения методами многопараметрического CFD-моделирования. Для достижения цели решены следующие задачи: реализован численный подход с сочетанием метода дискретной фазы (DPM) и модели Laminar Flamelet для учета стадийности выхода летучих веществ, исследовано влияние интенсивной аэрадинамической турбулизации на траекторию частиц и смоделированы процессы ступенчатого подвода воздуха. Научная новизна результатов заключается в установлении закономерностей формирования локальных восстановительных зон в корне факела при сжигании высокоазотистого топлива (донных илов, птичьего помёта), при которых теоретически доказано, что вихревой эффект турбулизации обеспечивает полноту выгорания дисперсной фазы на уровне 98.0...99.2%. Наиболее важными результатами являются доказательства того, что ступенчатая подача воздуха формирует стабильные восстановительные зоны вблизи горелки с ограничением локальной концентрации NOx до 36 ppm, а также математическое определение безопасного бесшлакового интервала (1000...1150 °C) для термической конверсии соломы и рапса. Практическая ценность работы заключается в верификации численной модели на базе подходов детальной химической кинетики, обеспечивающей повышенную точность прогнозирования зон восстановления по сравнению со стандартными моделями Eddy Dissipation. Значимость полученных результатов заключается в подтверждении возможности эффективной и экологически безопасной утилизации низкокачественной агробиомассы и промышленных илов в серийных котлоагрегатах. Это определяет оптимальные эксплуатационные режимы оборудования, а также создает фундаментальную научную основу для диверсификации топливной базы и увеличения остаточного ресурса теплоэнергетических установок при глубоком маневрировании нагрузкой.