Modelling of coal-fired furnaces

Abstract

oz KÖMÜRLE ÇALIŞAN FIRINLARIN MODELLENMESİ KATNAŞ, Sinan Doktora Tezi, Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı Tez Yöneticisi : Prof.Dr.Kemal Gürüz Yardımcı Tez Yöneticisi : Prof.Dr.Nurcan Baç Aralık 1993, 211 sayfa Bu araştırmanın amacı farklı kömür çeşitleri ile çalışabilecek farklı geometrilerde güç santralı tasarlanmasını gerçekleştirmektir. Ayrıca tasarım özellikle nem ve inorganik madde içerikleri yüksek, karbon içerikleri düşük Türk kömürlerinin yanma özelliklerini içerecek şekilde planlanmıştır. Matematiksel modelleme yapılan kazan kömürün düşük kalitesi nedeniyle hem duvar, hem köşeden ateşlemelidir. Söz konusu kazanın verimliliğini incelemek amacıyla önerilen üç boyutlu model süreklilik kuramlarından yararlanılarak türetilmiştir. Kargaşalı akış iletim katsayılarının bulunmasında k-e kargaşalı akış modeli kullanılmıştır. Yanma gazlarının içinde bulunan, karbon dioksit ve su buharının soğurma ve yayımlama katsayıları, ağırlıklı gri gaz yaklaşımı vıkullanılarak hesaplanmıştır. Kül tanecikleri de içeren yanma gazlarında radyasyonun yokolma katsayısı küresel parçacıklar için geçerli olan Mie denklemleri kullanılarak bulunmuştur. Toplam radyasyon etkileşim katsayılarının hesaplanması Monte Carlo yöntemiyle gerçekleştirilmitir. Radyasyon ısı iletim akısı bölge analiz yöntemi aracılığıyla hesaplanmıştır. Elde edilen hareket ve enerji denklemlerinin çözümü sayısal olarak kesikli farklar yöntemi ile SIMPLEC algoritması kullanılarak çözülmüştür. Elde edilen hız vektörleri, sıcaklık konturları ve duvara olan ısı akışı konturları xy-, yz- ve xz- düzlemleri üzerinde çizilerek gösterilmiştir. Geliştirilen matematiksel model kolayca kullanılabilecek bir yazılım haline dönüştürülmüştür. Bu yazılım vektör işlemcisi olan IBM 3090 bilgisayar ünitesinde 300 saniye içinde ısı aktarımında % 1'den az, hız vektörlerinde ise % 0.01 hata payı ile sonuçlanmaktadır. Matematiksel modelden elde edilen sonuçlar radyasyon ve konveksiyonla ısı aktarımı etkileşimlerinin bölgesel olarak değerlendirebilmesini sağlamaktadır. Matematiksel model hedef alınan yanma fırınında Beypazarı, Tunçbilek ve Seyitömer linyitleri yakıldığında verimliliği öngörmek ve öngörüleri karşılaştırmak amacıyla kullanılmıştır. Yanma gazları içinde bulunan kül parçacıklarının çeşitli özelliklerinin toplam ısı aktarım hızına etkileri de önerilen matematiksel model aracılığıyla incelenmiştir. Bunun sonucunda kül parçacıklarının ortalama boyutunda %50 oranında bir azalmanın radyasyon yoluyla ısı aktarım hızını %20 oranında artırdığı gözlenmiştir. Ayrıca kül parçacıklarının kompleks kırılma endisi 1.5-Oi dan 1. 5-0.01 2i'ye çıktığında ve derişimleri sıfırdan 0.0105 kg/m3 değerine çıktığında radyasyon yoluyla ısı aktarım-hızının %10 oranında arttığı görülmüştür. vııAnahtar Kelimeler Kömürlü yanma fırınları, Radyasyon yoluyla ısı aktarımı, Kargaşalı akış modeli, Radyasyon özellikleri, SIMPLE© algoritması. ( Bilim Dalı Sayısal Kodu : 603.01.01 ve 603.01.02 vm

ABSTRACT MATHEMATICAL MODELLING OF COAL-FIRED FURNACES KATNAS, Sinan Ph. D Thesis in Chemical Engineering Supervisor: Prof. Dr. Kemal Guruz Co-Supervisor: Prof. Dr. Nurcan Bac December 1993, 211 pages The main objective of the present study is to carry out the three- dimensional (3-D) mathematical modelling of pulverized coal-fired furnaces to enable power plant design in various geometries operating on different types of coal. Specifically, it was aimed to suggest apossible method for combustion chamber design for domestic coals which are high in moisture and ash content, low in carbon content resulting in low higher heating value (HHV). The boiler selected for mathematical modelling in the present study was both corner- and wall-fired due to the low quality of the coal used. A three-dimensional (3-D) mathematical model in rectangular coordinates based on the continuum approach was proposed for the evaluation of the overall performance. The k-s turbulence model was used 111for the evaluation of the turbulent transfer coefficients. The weighted gray gas format was used for the evaluation of the absorptivities and emissivities of carbon dioxide and water vapor in the combustion gas mixture. The extinction coefficient for the combustion gas mixture containing suspended ash and unburnt coal particles was calculated using Mie equations for spherical particles. Monte Carlo technique was used for the evaluation of the total interchange factors. Evaluation of the radiative heat transfer rate was done using the zone method of analysis. Numerical solution of the fundamental equations of motion and energy were carried out by finite difference formulation using the well known SIMPLEC algorithm. The results for velocities were reported in the form of vector plots, while the temperatures and wall heat fluxes were reported in the form of contour plots on xy-, xz- and yz-planes. The mathematical model proposed was developed into a user- friendly, ready-to-use software package which achieves convergence in about 300 seconds on IBM 3090 with vector processing facility with an error limit of less than 1% for the total heat transfer rate and about 0.01% for all the calculated velocities. The mathematical model was able to predict local interactions between radiative and convective mechanisms. Predictions of the mathematical model on overall furnace performance was compared for Beypazari, Tuncbilek and Seyitomer lignites in the selected combustion chamber. Results obtained on the variation of suspended ash particle characteristics indicate 50% decrease in the ash particle size increases radiative heat transfer rate by 15%. Increasing the complex refractive index from 1.5-Oi to 1. 5-0.01 2i and increasing the ash particle concentration from zero to 0.0105 kg/m3 increased radiative heat transfer rate by 10%. IVKey Words: Coal-Fired Furnaces, Radiative Heat Transfer, Turbulence Model, Radiative Properties, SIMPLEC Algorithm. Science Code: 603.01.01 and 603.01.02