Influence of the physicochemical properties of granulated biofuel on three-dimensional hydrodynamics, heat transfer, and nitrogen oxide formation in small-and medium-capacity hot-water boilers

Abstract

The aim of the study is to establish three-dimensional patterns of aerodynamics, heat and mass transfer, particle burnout kinetics, and CO and NOx emissions in the furnace volumes of 25 and 50 kW hot-water boilers firing six heterogeneous types of fuel pellets using CFD modeling in ANSYS Fluent. To achieve this aim, the following tasks were addressed: 3D polyhedral modelsof the boiler furnace chambers and gas ducts were developed with detailed representation of burner assemblies and staged air supply; the numerical framework (Euler-Lagrange DPM, Realizable k-ε, DO radiation, diffusion-kinetic char combustion, and detailed NOx chemistry) was verified against manufacturer data and adiabatic temperatures; velocity, turbulence (k), particle burnout, heat-flux (q), and NOx emission fields were investigated when changing from wood to agropellets and bottom sludge pellets. The most important results are the demonstration of flame stability (velocity variation ≤ 3.3%) at a fuel burnout degree of 94.0…99.2%, the identification of a 16.1% reduction in peak turbulence with a shift of maximum heat fluxes toward the inclined arch when firing agricultural biomass, the determination of a safe temperature window (1000…1150 °C) against slagging of heating surfaces, and the identification of reducing zones at the flame root (≤ 36 ppm NOx) suppressing fuel NOx when firing high-nitrogen feed-stock (Nr≤ 3.65%). The significance of the results lies in creating a computational and theoretical basis for operating-mode optimization and the safe conversion of serial pellet boilers to low-grade agricultural biomass and organic sludges.

Scopul studiului este de a determina modelele tridimensionale ale aerodinamicii, transferului de căldură și de masă, cineticii arderii particulelor și formării emisiilor de CO și NOₓ în focarele cazanelor de apă caldă cu puteri de 25 și 50 kW, alimentate cu șase tipuri de pelete de combustibil cu proprietăți eterogene, prin utilizarea modelării fluidodinamice computaționale (CFD) în ANSYS Fluent. Pentru atingerea acestui obiectiv, au fost realizate următoarele activități: dezvoltarea unor modele tridimensionale cu elemente poliedrice ale camerelor de ardere și canalelor de gaze ale cazanelor, cu reprezentarea detaliată a ansamblurilor arzătoarelor și a sistemelor de alimentare cu aer în trepte; precum și definirea cadrului de modelare numerică, care include modelul Euler–Lagrange pentru faza discretă (DPM), modelul de turbulență Realizable k–ε, modelul de radiație DO, modelul de ardere a cocsului bazat pe cinetică și difuzie și modelul chimic detaliat al formării oxizilor de azot (NOₓ). Cele mai importante rezultate constau în demonstrarea stabilității flăcării, caracterizată printr-o variație a vitezei de cel mult 3.3 %, la un grad de ardere a combustibilului cuprins între 94.0 % și 99.2 %; identificarea unei reduceri cu 16.1 % a intensității maxime a turbulenței, însoțită de deplasarea zonelor cu flux termic maxim către bolta înclinată în cazul utilizării biomasei agricole; determinarea unui interval de temperatură sigur, de 1 000–1 150 °C, pentru prevenirea formării zgurii pe suprafețele de schimb de căldură; și identificarea unor zone reducătoare la baza flăcării, în care concentrația de NOₓ este de cel mult 36 ppm, ceea ce inhibă formarea NOₓ din azotul conținut în combustibil atunci când se utilizează materii prime cu un conținut ridicat de azot (Nᵣ≤ 3.65 %). Semnificația rezultatelor constă în crearea unei baze computaționale și teoretice pentru optimizarea regimurilor de funcționare și pentru conversia în condiții de siguranță a cazanelor pe peleți, proiectate inițial pentru funcționarea în regim standard, în vederea utilizării biomasei agricole de calitate inferioară și a nămolurilor organice.

Целью работы является установление трехмерных закономерностей аэродинамики, тепломассообмена, кинетики выгорания частиц и эмиссии CO и NOxв топочных объемах водогрейных котлов мощностью 25 и 50 кВт при сжигании шести разнородных видов топливных гранул методами CFD-моделирования в ANSYS Fluent. Для достижения цели решены следующие задачи: построены 3D-полиэдрические модели топочных камер и газоходов котлов с детализацией горелочных узлов и стадийного дутья; верифицирован численный комплекс (Euler-Lagrange DPM, Realizable k-, DO-излучение, диффузионно-кинетическое горение кокса, детальная химия NOx) по паспортным данным и адиабатическим температурам; исследованы поля скоростей, турбулентности (k), степени выгорания частиц, тепловых потоков (q) и эмиссии NOxпри переходе от древесины к агропеллетам и донным илам. Научная новизна результатов заключается в установлении количественной взаимосвязи между свойствами разнородных биотоплив, полиэдрической сеточной топологией и перераспределением локальных тепловых и экологических нагрузок в котлах разной геометрии, а также в доказательстве полного устранения ложной диффузии полиэдрической сеткой в закрученном факеле (Tcore= 1450…1670 °C, qmaxдо 150 кВт/м2). Наиболее важными результатами являются доказательство стабильности факела (вариация скорости ≤ 3.3 %) при степени выгорания топлива 94.0…99.2 %, выявление снижения пиковой турбулентности на 16.1 % со смещением максимума тепловых потоков на наклонный свод при сжигании агробиомассы, определение безопасного температурного окна (1000…1150 °C) против шлакования поверхностей нагрева и фиксация восстановительных зон в корне факела (≤ 36 ppm NOx), подавляющих топливные NOxпри сжигании высокоазотистого сырья (Nr≤ 3.65 %). Значимость полученных результатов заключается в создании расчетно-теоретического базиса для режимной оптимизации и безопасного перевода серийных пеллетных котлов на низкосортную агробиомассу и органические шламы.