Высокотемпературные процессы при инициировании горения угольных частиц плазмой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Г 7 П ОЛ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КЫРГЫЗСКОЙ

РЕСПУБЛИКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ

На правах рукописи

БУЛАТОВА ЕЛЕНА ВЯЧЕСЛАВОВНА

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ИНИЦИИРОВАНИИ ГОРЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ПЛАЗМОЙ

01.04.14-теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Бишкек 1993

Работа-выполнена в Институте физики Национальной академии наук Кыргызской Республики

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Г.А.Десятков

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

В.М.Лелевкин;

кандидат физико-математических наук, Э.Б.Кулумбаев.

Ведущая организация: Казахский научно-исследовательский институт энергетики им. академика Чокина Министерства энергетики и топливных ресурсов Республики Казахстан.

Защита диссертации состоится "2й" янЬоря 1994 г. в "часов на заседании специализированного совета Д01.93.12 в Институте физики ----НАН-Кыргызской-Республики_(-7-2007-1-г—Бишкек, __проспект_Нуй,_265га)_.___

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке HAH Кыргызской Республики

Автореферат

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических

Г.А.Десятков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена теоретическому исследованию основных физических высокотемпературных процессов и воспламенения угольных частиц при плазменном инициировании горения.

Актуальность работы. Применение газоразрядной плазмы для воспламенения и стабилизации горения пылевидного угля в энергетических установках показало, что плазма обладает намного большей эффективностью по сравнению с традиционными источниками (мазутом, газом) за счет более высокой температуры и химической активности. Высокотемпературное горение угля происходит в условиях усиления роли таких физических процессов, как рост термомеханических напряжений в частицах, самодиффузии и сублимации углерода.

Научно-исследовательские работы в этом направлении проводятся в Институте-"теплофизики СО РАН, КазНЙИЭнергетики, Институте" нефтехимического синтеза РАН и ряде других организаций. В Институте физики HAH Кыргызской Республики разработан метод непосредственного плазменного воспламенения пылевидного угля на основе многофазной высоковольтной дуги. -----------

Для аффективного применения плазмы в этих процессах необходимо изучить основные закономерности и специфические особенности воспламенения и горения индивидуальных угольных и. углеродных частиц и' пылеугольннх потоков в высокотемпературных, в том числе плазменных условиях с учетом сублимации и самодиффузии углерода и других высокотемпературных эффектов .

Работа выполнена в лаборатории физики газового разряда и лаборатории теории плазмы HAH Кыргызсской Республики в соответствии с планом Научного совета АН СССР по проблеме "Низкотемпературная плазма в энергетических установках" на 198S-1990 гг и отраслевой научно-технической программой Минэнерго СССР ОНТП 00.00.01 "Повышение эффективности использования низкосортных топлив на тепловых электростанциях" на 1986-1990 гг.

Цель работы- исследование горения угольных частиц в высокотемпературных условиях, характерных для процессов прямого плазменного воспламенения пылеугольного топлива.

Задачи работы:

1.Моделирование основных высокотемпературных процессов при плазменном инициировании горения угольных частиц.

2.Теоретическое исследование движения, воспламенения и горения угольных частиц в высокотемпературных условиях, реализуемых в плазменных устройствах.

3.Численное исследование движения и воспламенения гшлеугольного потока высоковольтной многофазной дугой с учетом детальной кинетики химических реакций. Научная н о н и з и а:

1.Построена модель и изучен процесс изменения термо- и баронаиряженай в угольных частицах при высоких температурах окислителя.

2.Построены модели и численно исследовано влияние на воспламенение и горение угольных частиц таких высокотемпературных физических процессов, как самодиффузия и сублимация углерода.

3.Проведено исследование движения и горения угольных частиц в газодинамическом вихре поперечно обдуваемой дуги и в потоке с дискретным плазменным источником.

4.Показана возможность стабилизации цилиндрического столба электрической дуги в облаке излучающих частиц.

-5-.Изуч&11Ы—зяконохюриоати_восш[амена11ш^^ат_ока_угольних__част1ш

высоковольтной электрической дугой.

Практическая ценность результатов работы:

1. показана роль сублимации и самодиффузии углерода, изменения термомеханических напряжений в процессе высокотемпературного горения угольных частиц при варьировании основных параметре! процесса (размера частиц, температуры газа и др.);

2. показана возможность сильного влияния характера течения плазмь (в частности, вихревого) на траектории движения горящих угольны? частиц;

3. продемонстрирована возможность реализации цилиндрического столбг дуги во взвеси излучающих частиц;

4. изучено влияние основных параметров на процесс воспламененш пылеугольно-воздушного потока высоковольтной дугой.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Математические модели и результаты исследования измененш термомеханических напряжений в угольной частице, влиянш самодиффузии и сублимации углерода на процессы ее горения.

2.Математические модели и результаты анализа движения I горения угольных частиц в высокотемпературных условиях, характерные для высоковольтной многофазной дуги.

3. Эффект стабилизации цилиндрической дуги в облаке излучающи: частиц.

4.Результаты численного анализа воспламенения пылеугольноп потока высоковольтной дугой с учетом детального описания кинетию химических реакций.

Апробация работы . Результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики" (Новосибирск, 1991 г.)» Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимиии (Рига, 1991 г.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 2 статьи и 3 тезиса докладов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 1БЗ наименований. Объем работы составляет 157 страниц, включая 102 страниц машинописного текста, 55 рисунков, 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы,

—сформулированы—цели—и—задачи—работы,—дани—королюое_содержание.

диссертации по главам и основные результаты. Показана" научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

--В—п е-р-во-й—главе-представлен_обзор_и. анализ. литературы по

исследовании высокотемпературного горения угольных частиц. Показан достаточно высокий уровень изученности закономерностей горения при сравнительно низких температурах до 1800 К, что дает возможность перехода к исследованию высокотемпературного горения частиц. Рассмотрены новые плазменные способы воспламенения пылеугольного топлива, особенности высокотемпературного горения углерода и теоретические методы исследования высокотемпературных пылеуголышх потоков. На основе анализа определены проблемы моделирования высокотемпературного воспламенения и горения' угольных частиц, в частности, в присутствии высоковольтной дуги, и 'сформулированы задачи исследования данной работы.

Во второй главе исследовано влияние

высокотемпературных процессов на воспламенение и горение одиночных угольных частиц в неподвижном окислителе. Рассмотрены такие физические явления, как самодиффузия и сублимация углерода, изменение механических напряжений в углеродных частицах, которые обусловлены высокими значениями температуры и скоростями нагрева частиц в плазменной области и могут изменить интенсивность реагирования частиц с окислителем.

1) Напряженное состояние в угольных частицах возникает за счет: а) термонапряжений:, вызванных неравномерным термическим

расширением угля за счет наличия градиента температуры в частице; б) баронапряжений за счет давления летучих в объеме пор. Для анализа напряженного состояния рассмотрена сферическая пористая угольная частица, химическое реагирование которой описываются суммарной экзотермической реакцией окисления углерода оо2-»со2 не ее поверхности и выходом летучих в поры.

Изменение температуры частицы описывается уравнением энергии эт 1 а вт

IFF -F* -5? <'Ч—; ) U)

с начальными и граничными условиями:

t= о: г=гво, j-=o: ars/ar=о, (2)

г=г :к arc /dr=N-u\ (Г -Г )/2г - о аТ* FIQW ,

еде 3 э » ® О в в h h '

где * .г -теплопроводность и температура газа, т ,р ,с , т. .г.а.г-

9 9 esses

температура, плотность, теплоемкость , масса, ттлптядт. ттпт^ртчпптрг, степень черноты и~_радиус частицьП Q~, Wh -теплота й скоростз гетерогенной реакции, со- постоянная Стефана-Больцмана, Теплопроводность угля находится с учетом пористости частицы. _Компоненты термонапряжений находятся_из^____

т 2схЕ - т г ^ 1 г

"г7 <>■>•>. °'fl=o'0=—сггст icr^^f т r2dr

г 1 V в ti >р 1 ~-и 9 JC О в

где «-коэффициент теплового расширения угольной частицы, £-модул! упругости Юнга, ^-коэффициент Пуассона.

Распределение давления вследствие выделения летучих в порах с учетом их конденсации и диффузии определяется уравнением:

a P. R Т с Э «?Р--з—г1 — W. F R Т -k R Т Р. Г(Т /V. )iyZ---4- -2 — (Г2 -'*) (3)

at I В е W 4 e"i > fj£ Dc- . г дг 1 дг- 1

где pl, ; -парциальное давление, скорость выделения i молекулярная масса i-ro компонента летучих, ^-универсальная газова> постоянная, с-коэффициент проницаемости угля. Коэффициенты диффузш о.летучих определяются по формуле Кнудсена.

Варонапряжения в частице рассчитываются по формулам:

* 201 р Р 1 ' ,

CiCr^+ZCiO-W. JCr>=-p> S Pr2dr (4)

Проведен численный анализ задачи (1)-(4) для угольных частиц

Ра=1200 кг/м3, са=960 Дж/кг-К, 0^=3,5 ВДж/кг, Уь=5-102 м/с пр! варьировании размера частиц ^ =50^-200 мкм, температуры окислителл Тд=250Си-3500 К, пористости, коеффициента теплопроводности частицы I начального содержания летучих. Максимальные напряжения наблюдаютс!

(пунктир) в центральной области угольной частицы, г =50 мкм, г К: 1-2500, 2-3000, 3- 3500.

Рис.2. Изменение и т. углеродной частицы с учетом (сплошные линии) и без учета (пунктир) само диффузии. г =50 мкм; г , К: 1-2500, 2-3000, 3-3500. ' 9

в центре частицы, при етом баронаггряжения являются растягивающими, а термонапряжения - сжимающими. Так, при увеличении температуры окислителя ттермонапряжения растут за счет больших градиентов температур внутри частицы, а баронапряжения уменьшаются вследствие более интенсивной диффузии и выхода летучих из объема частицы (рис.1). При Тд<3000 К суммарные напряжения определяются в основном давлением летучих, а при Гд>3000 К- термическим расширением. Разрушение частицы может произойти на различных стадиях ее реагирования в зависимости от конкретных значений предельного напряжения, которые находятся в пределах 0,3 - 3 МПа.

2) Самодиффузия углерода к поверхности частицы возникает при Г=>2400 К за счет увеличения подвижности его атомов при наличии градиентов температуры и концентрации углерода внутри частицы Для анализа влияния этого процесса на горение рассмотрена углеродная пористая частица, внутри и на поверхности которой .лротекает^гетерогенная_реа1щдя_с.+са2=со2._Углерод и няходящийся_в__

порах газ описывается одной температурой Г^.

Уравнения энергии для частицы и диффузии для реагентов:

а т 1 а а т

р с -" =----( ггХ -8 ) + <Э. V Г

ее 2 * в, ' Ь Ь

о I г~ дг дг

(5)

(6)

Эр 1а а р МГц

V V V

- =--Сй . Г2 --+ —г:-

л . 2.1, V

г дг ат

с соответствующим начальными и граничными условиями, где индекс 1=с,о,со2~ для плотностей углерода, кислорода и углекислого газа. Коэффициент самодиффузии углерода в кинетическом режиме 0с=Осоехр(-£(1/кГь). Коэффициенты диффузии о2 и со2 внутри частицы определяются с учетом поправки на ограниченность объема пор. Реакция углерода с окислителем имеет первый порядок и описываются уравнением Аррениуса 1/=)/ ехр(-£ /(7"_/г)).

На основе уравнений (5), (6) проведен численный анализ влияния самодиффузии на горение частицы при варьировании: -7^=2500-3500 К, =25*500 мкм, пористости и размера пор. Показано, что учет самодиффузии углерода приводит к увеличению Г^ на 20СИ-300 К и уменьшению времени ее сгорания на 10*30 % (рис.2). Это происходит благодаря более интенсивному окислению углерода во внешних слоях частицы толщиной =1/3 *~еза счет его диффузии из центральных областей, что согласуется с экспериментом (Е.С.Головина). Влияние самодиффузии на значение т и т. начинает сказываться с

г 9

400-3000 К и растет с увеличением Г .

3) Сублимация углврида ------

и приводит к появлению атомарного углерода в окружающем частицу зе. Для анализа роли этого процесса рассмотрена непроницаемая этермичная углеродная частица в среде высокотемпературного с =т^а=сопз{ кислорода с равновесным соотношением концентраций о2 и Реагирование частицы описывается гетерогенными реакциями на верхности и гомогенными в газе.

Температура частицы находится из уравнения энергии

с с£Г Ыи X

9 " 3= _ЯСТ - н а Г "*+ ТО. V . -О V +а)гр У/ (7)

— 5Т ~~гГ 9 " ° Т 1 а " I *■**•>

в

Здесь Од,1/^-тепло и скорость газофазных реакций; <Эа,1/в-те11лота скорость сублимации углерода! Последняя определяется соотношением =1/ехр(-Е /кг ), где £0=711,6 кДж/моль - энергия активации блимации, 1/оа=3,3*10в кг/м2с; теплота сублимации 0в=60 мДж/кг.

Изменение размера частицы происходит за счет гетерогенного мического'реагирования сублимации-углерода:

От

=-су . + Г V , ¿=о: г =г (8)

вмК м&1 « * а а/Ч ' *

сИ

еиЪ д в^л в во

1=2-//СехрС/Э-1Э, }=с 'СсСгп /<ИЭ/Сгпс1 \

ее в д

Уравнение неразрывности для газообразных компонентов смеси:

др1 1 э г ар1 (91

— = -2 - £> О- 1 + Г V _ 1) --- » '

в1 г а г I дг у дл эт '

це р. ^- плотность, коэффициент диффузии и суммарная

корость реагирования £-го компонента газа, «-скорость движения леей.

При малых изменениях р и р скорость смеси определяется в ¡виде: :гЭ=срСгЭ-р^з/рСг} с, где р-давление смеси; • р^-давление газа на эсконечности; р=£ р ; с-скорость звука. Давление газа находится из равнения состояния р=к т £ рУц.^ 1

Рассмотрены следующие реакции *С02 -» 2СО, С +0,-»С0,, 2С *о,->2со, С ♦0+С0, С +2&+С0,,

9 х б ^ * ' 3 * В В *

со*о2-»2со2 , со+о2->со2*о, со»о+со2, с+со2->2со, с+о2-»со2.

Химические реакции имеют первый порядок, скорость которых авна V = кр^, где ^-константы скоростей реакций, определяемые по акону Аррениуса. Константы скорости обратных реакций мь ^ пределялись по значениям константы равновесия соответствующих рямых реакций/^ ^ где ^-константа скорости прямой

еакции.

Результы расчета по (7)-(9), в частности, показали (см.рис.3),

________ ________ _ - ХА^/ЖХ 1 олчАсгрса х ^ рс?

ТВ>3000 К. Изменение массы частицы происходит за счет сублимации и химического реагирования. При атом последний процесс протекает менее интенсивно вследствие уменьшения температуры частицы г^ из-за поглощения тепла сублимации. Скорость, и следовательно, время сгорания частицы определяются конкуренцией указанных процессов. При относительно малых температурах газа наблюдается увеличение времени сгорания частиц, а при больших оно уменьшается за счет

интенсивной сублимации углерода.

Рис.3. Изменение г и т. углеродной частицы с учетом (сплошные линии) и без учета (пунктир) сублимации. гв=50 мкм, т , К: 1-2500, 2-3000, 3-3500 К.

В третьей главе исследовано взаимодействие одиночных угольных частиц с плазменными источниками различной конфигурации.

1) Для моделирования процесса воспламенения угольных частиц многофазной высоковольтной дугой последняя представлена в виде ряда дискретных плазменных областей с заданными температурой и размерами. Движущаяся в потоке частица попеременно находится в холодном газе и высокотемпературной дуговой области. Ее температура определяется уравнением

т. с от

° а _* = о + <р1/ - <э 1/ -ж а Г ,

Ж т • " ° " ■

где <?т описывает теплообмен частицы с окружающей средой: в холодном газе я =ми\ ст -т э/гг , в плазме о =мл ст-г , где х =\сг :>,

Т ддав Тааа» д д

\ »^сг^ ,тй- температура плазмы. Изменение размера частиц

определяется из уравнения (8).

Проведен анализ- воспламенения и горения угольной частицы в потоке воздуха при варьировании 1^=50-^150 мкм, 7^=3000-7000 К, поперечного размера дуговой области <5=0,2-^1 см. Результаты показали, что процесс характеризуется ступенчатым изменением температуры частицы: в плазменной области она резко повышается за счет интенсивного нагрева частицы, а в холодном газе происходит ее уменьшение. Это приводит к волнообразному уменьшению размера частицы в процессе сгорания. Расчеты показали, что мелкие частицы (г^о<100 мкм) угля воспламеняются и полностью сгорают после прохождения 2-3-х плазменных областей, более крупные (хво>150 мкм)-догорают вне дуговой области.

2) Проведен анализ движения, воспламенения и горения углеродной частицы в вихревом высокотемпературном потоке.

Вихревое поле течения описывается на основе известного обобщенного решения Хилла (В.Ц.Гурович, Г.А.Десятков), полученного -из -условия,—что-сферический-вихрь-ограничен сепаратрисой-радиусам,-а температура и, следовательно, плотность и другие физические свойства газа внутри и вне вихря постоянны, но имеют различные значения. Решение дает компоненты скорости газа и Си^.-и^.оэ внутри

и вне вихря.,

Скорость одиночной сферической частицы С Сг,г,г,о' 0-3 взаимодействующей с вихревым течением в приближении Стокса, определяется уравнением движения

т. а \>/<1Ь~3 п и <1 Си -и^, (10)

в_ ______д 3 -

где и - вязкость газа, а температура т - из уравнения анергии 9

ш с сГГ /си= СЫи X УЛ ЗСТя-ТгЭ-и сТЭ+СО^рЗ (11)

в в в да о о о д

Реагирование углеродной частицы описывается одной гетерогенной реакцией, концентрация окислителя (кислорода) у поверхности частицы с=с /с/ о;>;>, где с - концентрация на бесконечности; о

коэффициент диффузии окислителя.

Число Нуссельта определяется в виде:

сЬп

Ыи=г//СехрС/}-1Э, /=с ]—' \yC2nd\i. (12)

в ас в д

Изменение массы частицы описывается уравнением

(Зта/<±1=-У с р^ 5 (13)

На основе модели проведен численный анализ влияния высокотемпературного вихревого течения на динамику и горение углеродной частицы. В расчетах варьировались начальный диаметр частицы ,температура воздуха внутри вихря Г , скорость

набегающего потока и и начальное положение частицы в пространстве.

Рис.4. Изменение во времени температуры и диаметра углеродных частиц и их траектории в поле вихря (ит=1 м/с, 7^=1500 К). Значения а : мкм: 1-50, 2-100, 3^200, 4-300, 5-800.

во %

Штриховые линии-линии тока газа •

Результаты расчетов показывают сложную линамику частиц, в поле жхря. Например, при IV =1500 К (рис,4) частицы размером 100 <" 100 мкм за счет инерционности глубоко проникают в ¡исокотемпературную зону, затем выталкиваются из вихря не юспламенившись и огибают его извне. Относительно мелкие частицы ЮО мкм) за малое время пребывания внутри вихря успевают зоспламениться и догорают вне вихря в высокотемпературном диффузионном режиме.

Чем меньше 0» тем выше температура горения частицы вне вихря (кривые 1,2). Крупные частицы ( а 0- 900 мкм) пролетают сквозь зихрь при практически неизменной температуре и не воспламеняются (кривая 6).

3) При достаточно больших концентрациях частиц в дуговой эбласти начинают проявляться эффекты обратного воздействия аэродисперсной фазы на характеристики дуги. В работе проанализирован один—из—таких—эффектов^—обусловленный—интенсив ным-излучением частиц в периферийной зоне дуги.

Рассмотрена дуга, горящая в облаке частиц с достаточно высокой температурой плавления (Тр1^3770 К). Считается, что дута состоит из двух зон: центральной, (05*~<г-ж) в которой в результате испарения частицы отсутствуют, и периферийной (гж<г<К), содержащей твердые излучающие частицы, нагретые до т3-тр]_ ■

Задача описывается системой уравнений

1 а <хг

С 1-Х -- 3 = , т—О: Т=Т , <*Т/сгг=0,

в о

г <2т- с1г

О, 0<г<гж

аСТ-Т 2=ахТ , о = _ , „ _

з в ' ахпГ±Т , г

где т, х, а, <р- температура, теплопроводность, электропроводность и объемное излучение плазмы.

На рис.5 приведены профили температуры дуги при различной концентрации частиц в газе (аргоне). В частности, видно, что при п=8,9 мм"3 реализуется режим горения цилиндрической дуги в отсутствии стенок. Этот эффект достигается за счет выноса энергии из периферийной зоны дуги излучением частиц.

В четвертой главе исследовалось воспламенение, движение и горение полидисперсного потока угольных частиц в высокотемпературном воздухе с источником энергии в виде высоковольтной электрической дуги.

В потоке выделены две группы частиц - центральная и периферийная. Воздействие дуги заключается в нагреве центральных

частиц, которые периодически проходят сквозь высокотемпературны токовые шнуры, получая дясоулево тепло. Периферийные частицы непосредственно не контактирующие с плазмой, воспринимают вес лучистый поток от центральной группы частиц. Транспортирующий га нагревается за счет теплообмена с частицами, а также остальной дол джоулевой анергии от дуги. Во всех трех фазах (газовой и дву дисперсных) протекают соответствующие химические реакции.

Основой для численного анализа рассматриваемых процессо выбрана модель, разработанная в Институте нефтехимического синтез РАН (Л.С.Полак, Р.А.Калиненко, А.А.Левицкий) для исследовани высокотемпературной переработки угля, включающая одномерны стационарные уравнения движения и энергии для газа и частиц детальным описанием кинетики химических реакций. В модель, внесен изменения, учитывающие процессы, обусловленные специфика воспламенения угольных частиц многофазной дугой: разделена

—аэро дисперсного—потока—на—центральную_и_периферийную_аонь

дискретный нагрев центральной части потока~плазменным источникоь перенос энергии излучения между частицами в центральной периферийной зонах; учет сублимации частиц; учет эффекта дроблега

частиц. ----- ------ _ ____________ _________________________ __ .....

Результирующая система включает в себя уравнет неразрывности, уравнения для концентраций компонент, уравнет движения для газа и частиц. При этом уравнения энергии для частиц газа записываются в виде: -для центральной груттпн частиц:

п т. с V ^1= -п 5 а о с/ -7*.>+ТО № '—о —О V

1 в1 в в1~т--1 1 в О в! Ъ в 11 А в в

ах } .

яв = п $ т - вне дугового шнура,

в а э '

яа = ^^ Ма ~ внутри дуги.

<2

-для периферийной группы частиц:

п т. с х) -тх 5 ИиХ<,СТ -Т 5 а а СТ* -гЪ+ПЗ V -О V/

2 В2 в В2 --— 2 2 ---а &2 2 2 в О В1 Ъ »21 В21 в в

Ох <2 ]

£2

Уравнение для температуры газа: и Е с .с. ^ = е п £ Ыирхаст -т а у .+<? ;

Р1 1 Ох к <1 9 ] 91 91 0,0 "

вк

Система уравнений является жесткой и для ее решен: использован метод Гира.

Расчеты по модели проведены для условий, близких к режимам воспламенению пылевидного угля высоковольтной многофазной дуг

(В.С.Энгелыпт, Г.А.Десятков, Н.^.мусинь юилшзи ------------ -

цилиндрический канал длиной 0,5 м и диаметром 0,25 м. Плазменная область моделировалась высокотемпературными шнурами с поперечным размером 0,01 м, тепловая мощность плазмы 0^=100 кВт. В расчетах варьировалось: доля частиц, идущих сквозь дугу (20*50%), начальный радиус частиц (50+200 мкм), расход воздуха (1*2 т/ч), температуры

дуги (5000+7000 К).

Основной задачей расчетов было определение режимов, при которых плазма воспламеняет весь топливный поток. Результаты расчета показывают (рис.5), что изменение доли частиц г=с УС с +с э, непосредственно контактирующих с дугой, существенно" влияет на условия воспламенения и горения топливного потока. При больших ^0,8 (кривая 4) они, частично выгорев внутри плазменной области, гаснут к концу топливного канала, не обеспечивая воспламенение периферийных частиц. При г=0,7

центральные частицы за счет-евоего-излучения—воспламеняют

периферийные. При малых >-<0,6 периферийные частицы опять не загораются вследствие уменьшения потока излучения от центральной фракции частиц, температура которых не успевает достигать режима ~ во спламе не гая (кривые -1-, 2 ) .

Результаты показали, что при мощности дуги Оа=100 Вт происходило воспламенение потока угля вв=1 т/ч, ^=1+2 т/ч, ^во=100 мкм, что согласуется с экспериментом.

В заключении приведены основные результаты работы:

1) Развита модель" и проведен численный анализ изменения термомеханических напряжений в угольных частицах, обусловленных выходом летучих и неравномерным термическим расширением вещества. Показано, что при высокотемпературных условиях разрушение частиц достигается на различных стадиях ее реагирования в зависимости от конкретных значений предельного напряжения.

2) Развита модель и исследовано влияние самодиффузии углерода на гррение углеродных частиц. Показано, что самодиффузия интенсифицирует процесс сгорания частиц за счет перераспределения плотности углерода в объеме частицы, в поры которой проникает окислитель. При высокотемпературном горении углеродных частиц, зона реакции С*02->С02 локализуется вблизи поверхности.

3) Разработана модель и исследовано влияние сублимации углерода на горение углеродных частиц. Показано, что учет сублимации приводит, с одной стороны, к уменьшение температуры частиц т в зоне высокотемпературного горения, а с другой, - к более интенсивной потери углерода.

Рис.5 Изменение температуры центральной (сплошные линии) и пер!^рийной_(пудети^__гру1та1_^и£тиц_д)и варьировании г: 1-0,5; 2-0,6; 3-0,7; 4-0,8.

Рис.6 Изменение температуры газа (а) и скорости частиц и газ (пунктир) (б) при варьировании г: 1-0,5; 2-0,6; 3-0,7; 4-0,8.

4) Исследованы процессы нагрева и воспламенения угольных частиц, взаимодействующих с дискретными плазменными областями многофазной дуги. Изменение времени сгорания частиц определяется конкуренцией этих 8-х эффектов. Процесс характеризуется ступенчатым изменением температуры частиц. При атом воспламенение частиц с г^о=Ю0н-200 мкм происходит при прохождении 2-5-4 дуговых зон.

5) Исследованы процессы движения и воспламенения одиночных углеродных частиц в высокотемпературном вихре. Показано, что траектории движения частиц в вихре могут иметь сложный характер, влияющий на процессы их воспламенения и сгорания.

6) Исследована стабилизирующая роль взвеси излучающих частиц в дуге. Показано, что за счет излучения нагретых до высокой температуры частиц происходит интенсивный теплоотвод из периферийной области дуги, в результате чего может быть реализован

—режим~горения-цилиндричвской-д.уги-бед_стабилизиру1ощих стенок._

7) Проведено численное исследование воспламенения пылевидного угля в потоке воздуха с многофазной высоковольтной дугой при детальном описании кинетики химических реакций. Показано, что при температуре дуги 7000 К центральная группа частиц нагревается до температуры, обеспечивающей самостоятельный режим горения потока при прохозвдении только первой области дуги при расходе через дуговую область 30%. Проанализированы условия воспламенения топливного потока при варьировании г, »~eo, Td, с . "в частности, дуга мощностью Q =100 кВт воспламеняет поток угольных частиц размером 100 мкм при расходе угля G =1 т/ч.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Булатова Е.В. .Десятков Г.А. Дицамика и горение углеродной частицы в поле высокотемпературного вихря//Известия СО РАН. Сибирский физ.-техн.журнал.-1992.-Вып.5.-С.105-108.

2. Булатова Е.В., Гурович В.Ц., Десятков Г.А. Численное исследование влияния самодиффузии и сублимации углерода, а также напряженного состояния угольных частиц при их воспламенешга высокотемпературным источником //-Ред. журн. "Изв. HAH Кыргызской Республики.Сер. физ.-техн., матем. и горно-геолог. наук".- Бишкек, 1993.-32 С.- Деп. в ВИНИТИ, 1993.

3.Булатова Е.В.,Гурович В.Ц.,Десятков Г.А..Энгельшт В.С.Моделирование воспламенения пылеугольного потока высоковольтной дугой // Тез.докл. Междунар.симп.по теоретич.и прикл.плазмохимии.- Рига, 1991.-С.98-100.

4.Булатова Е.В., Гурович В.Ц., Десятков Г.А., Энгельшт B.C.

Исследование инициирования горения угольных частиц вихревым плазмоидом.- Там же.-С.101-103.

5.Булатова Е.В. Горение углеродной частицы в поле высокотемпературного сферического вихря // Тез. докл. 5-ой Всесоюзной конференции молодых исследователей "Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики.- Новосибирск: И'ГФ СО РАН, 1991.-С.192-193.