Моделирование горения полидисперсного твердого топлива в условиях сложного теплообмена

Скорик, Иван Александрович

Моделирование горения полидисперсного твердого топлива в условиях сложного теплообмена тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Скорик, Иван Александрович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Екатеринбург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Моделирование горения полидисперсного твердого топлива в условиях сложного теплообмена»

Автореферат диссертации на тему "Моделирование горения полидисперсного твердого топлива в условиях сложного теплообмена"

На правах рукописи

¿V

Скорик Иван Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ПОЛИДИСПЕРСНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОГО ТЕПЛООБМЕНА

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Екатеринбург - 2013

005541453

Работа выполнена в Уральском энергетическом институте ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента

России Б.Н. Ельцина»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Голдобин Юрий Матвеевич

Официальные оппоненты:

Алехнович Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор, Челябинский филиал ФГАОУ ДПО «Петербургский энергетический институт повышения квалификации», профессор

Саломатов Владимир Васильевич, доктор технических наук, профессор, ФГБУН «Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук», главный научный сотрудник

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Защита состоится 20 декабря 2013 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.285.07 на базе ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» по адресу: 620049, г. Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, 5, ауд. Т-703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 620002 г. Екатеринбург, ул. Мира, 19, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.285.07. факс: 8 (343) 375-94-62; 8 (343) 375-95-70 e-mail: d21228507@gmail.com; skorik_ivan@mail.ru

Автореферат разослан 19 ноября 2013 г.

Ученый секретарь

Аронсон Константин Эрленович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13.11.2009 г. № 1715-р, твердое органическое топливо, сжигаемое в топках котлов в распыленном виде, еще долгое время будет являться одним из основных источников энергии. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования тепломассообменных процессов при горении полидисперсных топливных частиц с целью углубленного понимания физики происходящих процессов и совершенствования топливосжигающего оборудования являются необходимыми. Математическое моделирование является наименее затратным способом оценки эффективности разрабатываемых технических решений.

Существующие математические модели расчета выгорания топлива основаны на кинетике горения одиночной частицы, которая достаточно полно изучена, но полидисперсность топлива в них учитывается по-разному. В одних моделях она не учитывается, и расчет ведется по среднему размеру частиц, в других — весь спектр частиц разбивается на отдельные фракции, и расчеты ведутся для каждой фракции с последующим усреднением полученных результатов, что требует решения большого числа уравнений и времени счета.

Учет полидисперсности на основе решения кинетического уравнения для функции распределения частиц по размерам позволяет свести задачу выгорания всей массы топлива к решению небольшого числа нелинейных уравнений и получить эволюцию всей системы частиц с усредненными характеристиками. Этим методом ранее решены упрощенные задачи выгорания смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в адиабатических условиях.

Вполне актуально развитие этого метода для изучения горения полидисперсного натурального твердого топлива в факеле в условиях, приближенных к реальным. Такой подход имеет большое значение для правильного понимания особенностей сжигания ансамбля частиц, ведет к упрощению математических моделей топочных процессов и представляет интерес для исследователей, занимающихся расчетами горения.

Объектом исследования является процесс горения твердого топлива.

Предметом исследования является моделирование процесса горения полидисперсного пылевидного топлива в энергетических установках.

Целью работы является разработка физико-математической модели про-

цесса горения полидисперсной пыли натурального твердого топлива в энергетических установках на основе кинетического уравнения для функции распределения частиц по размерам.

Задачи исследования:

1. Анализ существующих моделей расчета горения пылевидного топлива и способов учета полидисперсности.

2. Оценка влияния влажности топливных частиц на температуру их поверхности при высокотемпературном нагреве и возможности разделения процессов сушки частиц и выхода из них летучих веществ.

3. Усовершенствование физико-математической модели горения смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в адиабатических условиях.

4. Оценка влияния степени выгорания полидисперсной топливной пыли на радиационные характеристики пламени.

5. Разработка физико-математической модели горения смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в неадиабатических условиях.

6. Разработка физико-математических моделей выгорания полидисперсной коксовой пыли в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между частицами и газами для предельных (диффузионного и кинетического) и промежуточного режимов горения.

7. Разработка физико-математической модели горения полидисперсной пыли натурального топлива в условиях, характерных для реальных энергетических установок.

8. Анализ влияния различных параметров на процесс выгорания полидисперсного натурального топлива на основе полученной модели и формулирование общих рекомендаций по улучшению эффективности и надежности работы топли-восжигающих энергетических установок.

Научная новизна:

1. Расчетами показано, что для пыли мелких частиц (<100 мкм) процессы сушки и выхода летучих можно считать последовательными и время сушки в расчетах не учитывать.

2. Усовершенствована физико-математическая модель выгорания смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в адиабатических условиях. Впервые на основе кинетического уравнения для функции распределения частиц по размерам составлена математическая модель горения полидисперсной коксовой пыли в неадиабатических условиях, позволяющая судить о поведении и изменении харак-

теристик всего ансамбля полидисперсных частиц в процессе их выгорания.

3. Предложены зависимости для расчета влияния степени выгорания полидисперсного твердого топлива на радиационные характеристики пламени: эффективные коэффициенты ослабления, поглощения и рассеяния для оптически крупных частиц.

4. Разработана физико-математическая модель выгорания полидисперсных коксовых частиц в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между частицами и газами для кинетического, диффузионного и промежуточного режимов. Впервые введен режимный критерий для полидисперсных систем, позволяющий проанализировать соотношение между кинетическими и диффузионными факторами в процессах разогрева, воспламенения и активного горения топливной пыли.

5. Впервые на основе решения кинетического уравнения для функции распределения частиц по размерам разработана одномерная физико-математическая модель горения полидисперсной пыли натурального топлива, учитывающая характеристики топлива, особенности организации подачи воздуха, рециркуляцию продуктов сгорания в зону воспламенения, теплообмен со стенками топочной камеры, которая достаточно полно описывает процесс горения в реальных условиях. Численными исследованиями показано влияние различных условий на воспламенение и выгорание полидисперсной топливной пыли. Представлены предложения по дальнейшему совершенствованию модели.

Практическая значимость работы:

1. Разработанная физико-математическая модель, достаточно полно отражающая реальный процесс горения полидисперсного твердого топлива, может быть использована для исследования влияния режимных и конструктивных параметров топочной камеры и грелочных устройств на воспламенение и выгорание топлива и повышения эффективности принимаемых проектных и наладочных решений.

2. Модель горения полидисперсного твердого топлива может быть рекомендована для интеграции в существующие программы трехмерного моделирования топочных процессов для уменьшения количества начальных данных и расчетного времени, а также для получения начальных условий для более сложных моделей.

3. Проведенные исследования расширяют знания в области изучения физики процессов горения полидисперсных твердых топлив и могут быть использованы научными организациями, занимающимися вопросами сжигания твердых топлив (ОАО «ВНИИМТ», УралВТИ, ОАО «УралОРГРЭС» и др.), а также в учебном процессе ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

для подготовки специалистов по специальностям 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника», 140101 «Тепловые электрические станции».

Автор защищает:

1. Результаты расчетного анализа влияния влажности частиц на температуру их поверхности при конвективной сушке в высокотемпературной газовой среде.

2. Теоретический и расчетный анализ влияния степени выгорания полидисперсного твердого топлива на радиационные характеристики пламени.

3. Теоретические и расчетные исследования выгорания смеси полидисперсных коксовых частиц с воздухом в адиабатических и неадиабатических условиях.

4. Теоретические и расчетные исследования выгорания полидисперсных коксовых частиц в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между частицами и газами.

5. Физико-математическую модель горения полидисперсной пыли натурального топлива в неадиабатических условиях с учетом характеристик топлива и режимных факторов.

Методология и методы исследования: в работе использована совокупность общенаучных и теоретических методов исследования, включающих в себя анализ и обобщение известных теоретических и практических данных по горению полидисперсного твердого топлива, а также математическое моделирование, в основе которого лежат фундаментальные и прикладные науки, такие как теория горения, вычислительная математика, теория тепло- и массообмена и др. Для проверки работоспособности полученных физико-математических моделей проведен вычислительный эксперимент, результаты которого сопоставлены с опытными данными других авторов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в работе современных средств и методов научных исследований. Результаты вычислительного эксперимента, выполненного для составленной модели горения полидисперсной пыли натурального топлива, имеют удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными других исследователей.

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, анализе существующих теоретических и экспериментальных данных по рассматриваемой теме, проведении численных исследований влияния влажности частиц на температуру их поверхности при высокотемпературной конвективной сушке, усовершенствовании математической модели горения пылевоздушной смеси в адиабатических условиях, разработке математической модели горения смеси полидис-

персной коксовой пыли с воздухом в неадиабатических условиях, составлении моделей горения полидисперсной коксовой пыли в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между частицами и газами для предельных (кинетического и диффузионного) и промежуточного режимов горения, составлении модели горения полидисперсной пыли натурального топлива в условиях, приближенных к реальным, проведении численных расчетов по составленным моделям, анализе полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации.

Апробация результатов. Результаты работы были представлены на: Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов «XXXVII неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, Россия, 2008 г.); VII Всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (Новосибирск, Россия, 2009 г.); 12 и 13-й всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов (Магнитогорск, Россия, 2011, 2012 гг.); Международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (Омск, Россия, 2011 г.); Всероссийской научно-практической конференции и выставке работ студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии.» (Екатеринбург, Россия, 2012 г.); XXXIII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий «Наука и технологии» (Миасс, Россия, 2013 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из которых 2 в журналах из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка условных обозначений, списка литературы из 155 наименования и приложений А-Г. Объем диссертации 173 страницы, включая 36 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе выполнен анализ литературных источников, посвященных проблемам моделирования процессов горения распыленного твердого топлива. Огромный вклад в развитие методов расчета горения пылевидного топлива вне-

ели Б. В. Канторович, А. П. Баскаков, Г. Ф. Кнорре, А. Б. Резняков, В. В. Померанцев, С. Л. Шагалова, К. М. Арефьев, В. И. Бабий, Ю. Ф. Куваев, Т. В. Вилен-ский, Д. М. Хзмалян и др., работами которых установлено влияние состава топлива, размера частиц, температурного уровня, коэффициента избытка воздуха на воспламенение и выгорание как одиночных частиц, так и их совокупности. Из обзора следует, что кинетика горения топливной пыли основывается на горении отдельной частицы топлива и законе распределения частиц пыли по размерам. Кинетика горения отдельной частицы основана на диффузионно-кинетической теории, для которой справедливы допущения о том, что частицы имеют сферическую форму, растрескивания мелких частиц при их сушке в высокотемпературной среде не происходит, внутреннее реагирование не учитывают, наличие золы в частице практически не сказывается на выгорании коксового остатка, скольжение фаз между частицей и газом отсутствует. Выявлены некоторые противоречия по учету времени сушки частиц и выделения из них летучих веществ, а также последовательности этих процессов. Отмечен недостаток теоретических и экспериментальных данных по интенсивности ввода вторичного воздуха и газов рециркуляции в основной поток, а также неопределенность при выборе кинетических констант реакций углерода с кислородом для различных марок углей, данные по которым существенно различаются.

На основе обзора делаются выводы о том, что существует два основных подхода к учету полидисперсности при расчетах горения пылевидного топлива. В первом случае расчеты ведут разбиением всего спектра частиц на отдельные фракции и проведением вычислений для каждой фракции с последующим усреднением полученных результатов, во втором - по среднему размеру частиц.

В первом подходе полидисперность частиц учитывается на основании закона Розина-Раммлера, недожог топлива определяется суммированием такового по всем фракциям. Расчеты горения этим методом требуют решения большого числа уравнений, усреднения получаемых промежуточных и конечных результатов и, как следствие, большого времени счета.

При расчете горения полидисперсной топливной пыли по среднему размеру частиц необходимо учитывать изменение числа частиц и их размеров. Статистический метод, позволяющий проследить эволюцию полидисперсной системы частиц в «автомодельных» режимах протекания процессов, удовлетворяет этому требованию и является более простым, т.к. дает возможность анализировать поведение всей системы в целом при решении небольшого числа уравнений. Этим мето-

дом ранее были решены задачи выгорания смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в адиабатических условиях без учета механизма воспламенения. При этом получены важные результаты: текущие и начальные функции распределения частиц по радиусам, автомодельные параметры, моменты средних величин, зависящих от размера частиц, степень выгорания топлива. Было показано, что средние моменты в процессах превращения полидисперсных систем в «автомодельных» режимах сохраняются, но уменьшается число частиц.

Сделаны выводы о возможности применения данного метода для разработки физико-математической модели выгорания полидисперсной пыли натурального топлива в условиях, приближенных к реальным, и сформулированы задачи исследования.

Во второй главе выполнена оценка влияния влажности топливных частиц на температуру их поверхности при высокотемпературном нагреве. Приведена модель выгорания смеси полидисперсных коксовых частиц с воздухом в одномерном стационарном потоке для адиабатических условий.

Для оценки влияния влажности на температуру поверхности частиц рассмотрена задача квазистационарного режима сушки сферической частицы в предположении, что испарение жидкости происходит в узкой зоне (фронте испарения), который по мере сушки распространяется вглубь материала, разделяя его на области, занятые паром (осушенный материал) и жидкостью, при этом теплота к поверхности частицы подводится за счет конвективного теплообмена, а в зону испарения - теплопроводностью через скелет частицы и полностью идет на испарение влаги.

Температура поверхности , °С, определяется по известному уравнению

где ЕМ - число Био; (ср, / - температуры среды и кипения жидкости (фронта испарения), °С; IV - относительная масса влаги в частице.

Полное время сушки тс, с, рассчитывалось по уравнению

(1)

_ ЕП + 2 Тс ~ 2Вф' '

(2)

ПК

, 1/с; лс - коэффициент теплопроводности скелета частицы,

Вт/(м-К); Л - радиус частицы, м; Ь - теплота парообразования, Дж/кг; П'Г1 - начальная масса влаги в частице, кг.

Проведены расчеты температуры поверхности частицы для значений температуры среды Гс11 = 400°С (рисунок 1), характерной для случая транспортировки пыли до горелок горячим воздухом, и = 1000°С, соответствующей подаче

влажных частиц в топку. Выполнена оценка полного времени сушки для разных значений температуры среды, размеров и начальной влажности частиц.

400

300

200

100

Рисунок 1 - Зависимость температуры поверхности частицы от доли испарившейся влаги. / = 400°С .

1 - В1 = 10 ; 2 — В1 = 5; 3 - Ш = 1; 4 — В1 = 0,5

1-ГГ

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Получено, что при /ср = 400°С температура поверхности мелких частиц

(В! < 0,5) достигает температуры начала выхода летучих (200°С для бурых углей и 400°С для антрацита) после испарения более 85% влаги, а значит, процессы сушки и выхода летучих можно считать последовательными. При начальной влажности на рабочую массу IV' = 0,5 кг/кг полное время сушки частицы диаметром 50 мкм составило -0,05 с, а 200 мкм —0,65 с, т.е. во время транспортировки топливная пыль промышленного помола успевает высохнуть и в топку попадает практически сухой. При /ср = 1000°С процессы сушки и выхода летучих являются последовательно-параллельными, причем степень наложения этих процессов увеличивается с ростом числа В1 (размера частиц). При /ср = 1000°С и IV =0,5 кг/кг

полное расчетное время сушки частицы диаметром 50 мкм составило -0,013 с, а 200 мкм-0,14 с.

Выполнены расчеты скорости сушки частиц радиусом 100 мкм и 1 мм для разных значений температуры среды, которые показали, что режим постоянной скорости сушки наблюдается только при невысоких температурах среды, а с ростом ее температуры скорость сушки увеличивается и переходит в падающий ре-

жим. С увеличением размера частиц скорость сушки существенно уменьшается.

Из анализа сушки частиц сделан вывод, что в реальных условиях влага топлива не влияет на процесс воспламенения мелких частиц при их прогреве, а всю испарившуюся влагу следует учитывать при нагреве газовой фазы.

Усовершенствована методика расчета горения полидисперсной коксовой пыли в адиабатических условиях, полученная ранее другими авторами с использованием решения кинетического уравнения для функции распределения частиц по размерам. Принято, что частицы имеют сферическую форму, горение идет по первичной реакции с образованием С02, скорость реакции имеет первый порядок по кислороду, горение считается квазистационарным и автомодельным. Приводятся выражения для определения текущей и начальной функции распределения частиц по размерам, начальных и текущих моментов различных порядков, автомодельных параметров, уравнения для расчета степени (и скорости) выгорания коксовой пыли в диффузионном и кинетическом режимах, а также уравнение теплового баланса для смеси, из которого получена связь скорости изменения температуры смеси со скоростью выгорания топлива по длине канала.

Скорость выгорания частиц в диффузионном и кинетическом режимах:

'фЛ _ 2Г2(3/2)РСд Р„ ( тг УЧ-1 + .У

^27з; - ~у' (3)

/7 п

У, (4)

Г 273^ ехр / Е Ї а

<Г>0 Р„Г 1 1 ) ч Щ)

<*т

где у - степень выгорания частиц; х - координата, м; р - стехиометрический коэффициент, кг С/кг 02; С"0У - концентрация кислорода в воздухе при нормальных условиях; кг/м3; О,, - коэффициент диффузии кислорода при нормальных условиях, м2/с; Тч, Тт — температуры частиц и газов, К; < г >(! — радиус частиц, усредненный по начальной функции распределения, м; рч - плотность частицы, кг/м3; V - скорость потока, м/с; Е — энергия активации, Дж/моль; к0 — предэкспоненци-альный множитель, м/с; ат - коэффициент избытка воздуха в топке; Л - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); показатель степени т = 1,5-5-2. Уравнение теплового баланса приведено к виду

агц ,__О_Ф:^ (5)

і* ус^ + Кв°р>(аі -1 + у)съ + ^„Ді ~ >-кг ^' где Гсм — температура смеси пыли с газами, К; Qx - теплота сгорания кокса,

Дж/кг; сч, св, спг - массовые теплоемкости частиц, воздуха и продуктов сгорания, Дж/(кг-К); рв, р^ — плотности воздуха и продуктов сгорания, приведенные к нормальным условиям, кг/м3; К", V" - теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания, м3/кг.

По уравнениям (3}-(5) выполнены расчеты температуры смеси и степени (и скорости) выгорания топлива в диффузионном и кинетическом режимах горения для различных начальных значений температуры смеси и среднего радиуса частиц. При отсутствии теплообмена температура смеси непрерывно растет, достигая адиабатической температуры горения. Отмечено сильное влияние среднего начального размера частиц на интенсивность выгорания топлива для обоих режимов горения. Увеличение среднего начального размера частиц существенно уменьшает скорость выгорания. Изменение начальной температуры смеси сильно влияет на процесс выгорания пыли в кинетическом режиме и практически не сказывается на скорости выгорания топлива в диффузионном режиме.

В связи с тем, что полученный для диффузионного режима профиль изменения степени выгорания качественно удовлетворительно описывает экспериментальные данные, сделан вывод о работоспособности модели и возможности ее дополнения учетом теплообмена со стенками топочной камеры.

В третьей главе содержаться результаты теоретического и численного исследования влияния степени выгорания топлива на радиационные характеристики пламени. Установлено, что эффективные спектральные коэффициенты поглощения а15 рассеяния Рг и ослабления кк для оптически крупных частиц зависят от режима горения и могут быть определены как

- для диффузионного режима

р (6)

2р, < г >0 2р„ < г >а 2р, < г >0

- для кинетического режима

4р, < г >0 4рч < г >0 4р„ < г >„

где т - время, с; К", А"*, А', - спектральные факторы поглощения, рассеяния, ослабления; ц0 — начальная концентрация частиц, кг/м3.

Из (6) и (7) следует, что в процессе горения радиационные свойства полидисперсных систем оптически крупных частиц можно моделировать при заданной

начальной концентрации частиц монодисперсными системами со средним линейным размером частиц </">„. Степень выгорания может быть рассчитана теоретически или получена экспериментальным путем.

Механизм образования золы до сих пор недостаточно изучен, поэтому невозможно получить функцию распределения частиц золы по размерам, связанную со степенью выгорания кокса у. Оценку эффективного коэффициента поглощения частицами золы и газами предложено вести по рекомендациям нормативного метода расчета котельных агрегатов с введением в соответствующие формулы степени выгорания топлива и доли золы, отделяющейся при размоле топлива. По эффективным коэффициентам поглощения выполнен расчет эффективных степеней черноты факела еф и топки ет для условий сжигания пыли АШ в топке котла ТП-70 в предположении, что изначально зола полностью содержится в частицах и образуется по мере их выгорания (рисунок 2).

Рисунок 2 — Изменение эффективных а) коэффициентов поглощения и б) степеней черноты в процессе выгорания. 1 - кокс; 2 - зола; 3 - газы; 4 - факел; 5 - топка. Точки - экспериментальные данные А. Г. Блоха по ет при сжигании экибастузского угля в котле БКЗ-420-140-5

При выгорании топлива происходит перераспределение вклада излучения различными составляющими факела. Излучение коксовых частиц непрерывно уменьшается, а золы и газов увеличивается по мере роста их концентрации. Таким образом, основные изменения степени черноты факела и топки связаны с выгоранием топлива и происходят за короткий промежуток времени. После выгорания основной массы топлива степени черноты факела и топки слабо изменяются.

Составлена математическая модель выгорания смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в неадиабатических условиях. Из составленного уравне-

ния энергии для смеси получено уравнение для расчета температуры смеси:

Р V

-и — — а 1 -1 1-е \1/ о.

с!т

„ ¿у Р„\ ат

О,,,

где аг с| — коэффициент теплоотдачи от смеси к стенкам топки, Вт/(м~-К); Рс1 - периметр стен в поперечном сечении, м; у - среднее значение коэффициента тепловой эффективности экранов; а0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2,К4); С.п - начальный расход топлива, кг/с; 'Г, - температура стен, К.

Скорости выгорания полидисперсной системы частиц топлива для предельных режимов горения (3) и (4) легко преобразуются для расчетов выгорания по времени.

Проведен вычислительный эксперимент по оценке влияния начальных значений температуры смеси и размера частиц на температуру смеси, степень и скорость выгорания полидисперсной коксовой пыли в неадиабатических условиях. Для диффузионного (рисунок 3) и кинетического режимов горения средний начальный размер частиц оказывает существенное влияние. Угрубление помола пыли способствует снижению скорости горения, максимума температуры смеси и увеличению механического недожога. Изменение начальной температуры смеси слабо влияет на выгорание топлива в диффузионном режиме и сильно сказывается на развитии горения в кинетическом режиме, в котором при низких начальных температурах смеси возможно невоспламенение пыли. Результаты всех расчетов

приводятся в диссертации.

Гги.К а)

3000 г

2500

сО

2000

1500

0.6

0.4

1 \ 3

т. с

О 1 2 3 0 1 2 3

Рисунок 3 - Диффузионный режим. Зависимость от времени а) температуры смеси; б) степени выгорания для разных значений среднего начального радиуса частиц <г >„ \ 1 - 25 мкм; 2-50 мкм; 3-100 мкм

Разработаны модели выгорания полидисперсной коксовой пыли в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между частицами и газами для предельных и промежуточного режимов горения. Приводятся уравнения энергии для частиц и газа, которые преобразованы к следующему виду

а/;, _ О. Ф /,

с1т сцу с1т сч ЛТ,

< г >„ 1

(Т - ~ т:)+е^а0{т;-т:)

У°Р„ (а, -1 + у)съ + К; р|1г (1 - у)сш

хТ

<г>Л273>1

(Г,-7;)+

(9)

(10)

+е„о0(г; -т„)+Ег^сро0(т; -т:)]-с„(т, -ГЛ

где /ч - удельная поверхность частиц, м2/кг; ~КГ1 - коэффициент теплопроводности газов при нормальных условиях, Вт/(м-К); еч г, еч_ст, ег.„ — приведенные степени черноты систем «частицы - газ», «частицы - стенки» и «газ - стенки».

Совместное решение системы уравнений (3), (4), (9), (10) позволило определить температуры частиц и газов и степень выгорания топлива в диффузионном и кинетическом режимах для неадиабатических условий. Расчетами показано, что различное поведение системы в диффузионном и кинетическом режимах горения не позволяет ограничиться предельными случаями при рассмотрении всего процесса горения в реальных условиях.

Для оценки соотношения между диффузионными и кинетическими факторами в процессе выгорания топлива в промежуточном режиме введен режимный критерий для полидисперсной системы частиц (0<ЛК<1) 1 1

Л =-

1 +

йу

1 +

2Г(3/2)Р„ ( тг

(П)

^ётЛ ' ' <г>о *0ехр[-£/(/{7;)](,273) Несмотря на то, что относительные скорости горения получены для предельных режимов горения, для промежуточного режима они объединены в одно выражение, подобное для скорости горения отдельной частицы

ф> =_1_

с!т

+ 1

с!т

к.

(12)

Это позволило перейти от рассмотрения предельных режимов горения к промежуточному, как единственно возможному в реальных условиях. Решая сис-

тему уравнений (9), (10) и (12) можно определить температуры частиц и газов, а также степень и скорость выгорания топлива в любой момент времени с учетом совместного влияния диффузионных и кинетических факторов.

На основании вычислительного эксперимента для промежуточного режима горения полидисперсной коксовой пыли установлено влияние начальных значений температуры газов (рисунок 4) и среднего размера частиц на процесс выгорания.

гч.г,.к

3500 Г

о)

3000 2500 2000 1500 1000 500

1 'V 1 [ - / /

1 1 1 / 1 1

и ^2

0.6

0.4

0.5

1.5

|"\ > 1 3

\ \ о

1^=

в)

0І

0.6

0.4

0.2

1 / •>

Рисунок 4 - Промежуточный режим. Зависимости от времени а) температуры частиц (сплошная) и газов (пунктирная);

б) степени выгорания частиц топлива; в) режимного критерия для разных значений начальной температуры газов Тл: 1- 1800 К; 2- 1500 К; 3- 1200 К. < г >„=25 мкм

0.5

т. с 1.5

Изменение режимного критерия в процессе выгорания (рисунок 4в) позволило установить степень близости промежуточного режима горения к какому-либо из предельных. Показано, что после воспламенения топлива рост температуры частиц и скорости горения ограничивается диффузионным сопротивлением (рисунок 4, кривые 1 и 2). При низких температурах частиц процесс определяется кинетическим сопротивлением. В результате недостаточного нагрева частиц при низких начальных температурах газов воспламенения может и не наступить (рисунок 4, кривая 3), тем самым показана значимость механизма разогрева газов в

топке и необходимость его рассмотрения.

В четвертой главе рассматривается математическая модель выгорания полидисперсной пыли натурального топлива определенного состава. Рециркуляция горячих продуктов сгорания в зону воспламенения и характер подмеса вторичного воздуха учитываются функциями времени, удовлетворительно описывающими экспериментальные данные. Предполагается, что зола полностью отделяется от коксовых (углеродных) частиц и имеет температуру несущих газов, что позволяет учесть ее в уравнении энергии для газов. Влияние температуры газов и начального размера частиц на интенсивность выгорания летучих веществ учитывается эмпирической зависимостью времени выхода летучих Бабия-Куваева для относительно крупных частиц (>150 мкм). Для степени выгорания летучих веществ уп получено дифференциальное уравнение вида

с1т т„/л кг л ■ 5,3 ■ 10"'Л~4(2 < г >„)"'" ' С '

где тВ1 - время выхода летучих веществ, с; Ап - коэффициент; ¿вл - опытный коэффициент характерный для каждой марки угля.

Уравнение энергии для частиц совпадает с уравнением (9). Уравнение энергии для газов после преобразования записывается в виде

= 0 (1 -А' У<■* ^ +(1 - IV -А'\1 - V )у/ч х ат [ ат

1 ( т V8

-Г) -

_</->,Д273;

"Т^кдт; -П)]-у;Р.сш(тг(и)

Ч,, с1т

+ [(1-6 )ршс +Ь р сУаГ(т-т)й^{Х))-с (Г-Г)^и

1Л р в /г ш пг р.вг в в / т в V р г/ ^^ ПГ V Ч Г ' ^^ I

ЧСр»свкР + а„1и„ (т) - (1 ■- у{1 - V")- У"'у,)+Ь?мгаттр(т)]+

+ Р,„^[К"(1 -у{ 1 - Vм)+ (1 ■-Ье.>«/>,,(!)]+ А'с, + Ур,с,}. где - теплота сгорания летучих, Дж/кг; У1'"' - выход летучих на горючую массу, кг/кг; А', II" - зольность и влажность на рабочую массу, кг/кг; Тп, Г - температуры вторичного воздуха и газов рециркуляции, К; а , ат - коэффициент избытка первичного и вторичного воздуха; тт(т), тр(т) - текущие доли вторичного воздуха (без выгорания) и газов рециркуляции, подмешанных к основному

потоку; 6рв - объемная доля воздуха в газах рециркуляции, м3/м3; г - степень рециркуляции, м3/м3; с%, сп — массовые теплоемкости золы и водяного пара, Дж/(кг-К); К - объем водяных паров, образующихся при сгорании 1 кг топлива, м3/кг; рп - плотность водяного пара при нормальных условиях, кг/м3.

Дифференциальное уравнение для скорости выгорания коксовых частиц получено в виде

зс„у «,„, + «Л М"[1 -у{] -V*)- V** у,}+Ьг,т,т,(т) ф> _ а„ер+а„т„(-с) + тттр(х) + Уа/У: 273

с!т 1 <г>0 ^273 Т Т

<Г>0 Р, *0ехр[-£/(Л7;)] 1 2Г2(3/2)АЛ ;

у. (15)

Модель позволяет определить температуры частиц и газов, степени и скорости выгорания коксовых частиц и летучих веществ, скорости нагрева частиц и газов, концентрацию кислорода, режимный критерий и другие величины в любой момент времени. Решение получается итерационным путем, то есть оно должно обеспечивать принятые начальные условия, связанные с рециркуляцией газов.

Для проверки модели выполнен вычислительный эксперимент для условий сжигания пыли АШ со средним начальным размером частиц < г >0= 25 мкм в топке котла ТП-70. Результаты расчета приведены на рисунке 5.

2500 2000 1500 1000 500

Гч,Гг. К

а)

г ^

х, с

> х, м

Рисунок 5 - Изменение в процессе горения а) температур частиц (сплошная) и газов (пунктирная); б) степени выгорания коксовых частиц (сплошная) и летучих (пунктирная). Точки - экспериментальные данные С. Л. Шагаловой

Выполнены численные исследования влияния различных параметров на выгорание топливной пыли. Увеличение доли первичного воздуха при прочих рав-

ных условиях снижает температурный уровень в области смешения основного потока с газами рециркуляции, в результате чего воспламенение пыли затягивается либо вообще не происходит (рисунок 6, без пересчета начальных условий).

Рисунок 6 - Зависимость от времени а) температур частиц (сплошная) и газов (пунктирная); б) степени выгорания коксовых частиц (сплошная) и летучих (пунктирная) для разных значений доли первичного воздуха а1|ер: 1 - 0,25; 2 -0,3; 3-0,35

Рассмотрено влияние на процесс горения среднего начального размера частиц, кинетических констант реакции, степени рециркуляции газов, интенсивности подмеса вторичного воздуха, температуры стен в зоне воспламенения. Результаты приведены в диссертации. Отмечено, что наибольший интерес при сжигании пылевидного твердого топлива представляет зона воспламенения, которая сильно влияет на весь процесс горения.

В заключении представлены основные результаты работы:

1. Численными расчетами показано, что при транспортировке пыли горячим воздухом (400°С) температура поверхности мелких частиц (<100 мкм) достигает температуры начала выхода летучих веществ после испарения более 85% начальной влаги, поэтому процессы сушки и выхода летучих можно считать последовательными. При этом за время транспортировки пыли частицы успевают высохнуть, и в горелки подается сухая пыль. При подаче влажной пыли в топку (1000°С) процессы сушки и выхода летучих являются последовательно-параллельными, но полное время сушки мало. Для мелких частиц влиянием влаги на воспламенение и выгорание топлива можно пренебречь, а всю испарившуюся влагу учитывать при расчете нагрева газовой фазы.

2. Предложены физико-математические модели выгорания смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в адиабатических и неадиабатических услови-

ях для предельных режимов горения, позволившие определить среднюю температуру смеси, степень и скорость выгорания топлива. Расчеты подтверждают сильную зависимость интенсивности процесса горения от среднего начального размера частиц. С ростом размера частиц максимум температуры смеси (для неадиабатических условий) и относительной скорости горения смещается в область больших времен, значения максимальных температур и скоростей горения уменьшаются. Начальная температура смеси наибольшее влияние на процесс горения оказывает в кинетическом режиме, в котором при низких значениях начальной температуры смеси топливо может не воспламениться. В диффузионном режиме снижение начальной температуры смеси приводит к незначительному уменьшению скорости горения, поэтому топливо активно выгорает.

3. Получены выражения для расчета радиационных характеристик пламени при сжигании полидисперсного твердого топлива (эффективные коэффициенты поглощения, рассеяния, ослабления), учитывающие степень выгорания топлива. Определены степени черноты составляющих факела, самого факела и топки при диффузионном выгорании полидисперсной антрацитовой пыли. Установлено, что влияние степени выгорания топлива на радиационные характеристики факела существенно лишь в зоне активного горения. После выгорания основной массы топлива степени черноты факела и топки практически не меняются.

4. Разработаны физико-математические модели выгорания полидисперсной коксовой пыли в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между частицами и газами для всех режимов горения (диффузионного, кинетического и промежуточного). Проведены численные исследования влияния среднего начального размера частиц и начальной температуры газов на изменение температур частиц и газов в процессе горения, степень и скорость выгорания топлива. Для характеристики горения пыли в промежуточном режиме использован адаптированный под полидисперсное топливо режимный критерий, который показывает соотношение между диффузионными и кинетическими факторами. Установлено, что в процессе горения полидисперсной пыли режимный критерий может меняться в широких пределах. Воспламенение топлива начинается в чисто кинетическом режиме, а выгорание основной массы топлива происходит в режиме, близком к диффузионному. Это не позволяет вести расчеты всего процесса горения по зависимостям для одного предельного режима. Показано, что невоспламенение топлива обусловлено влиянием кинетических факторов, и для частиц со средним начальным радиусом 25 мкм воспламенения не происходит даже при температурах частиц и

газов около 1200 К.

5. Разработана одномерная физико-математическая модель выгорания полидисперсной пыли натурального топлива в условиях, приближенных к реальным. Она учитывает характеристики топлива, особенности организации подачи воздуха, рециркуляцию горячих продуктов сгорания к корню факела, теплообмен между частицами, газами и стенками топочной камеры. Проведены численные исследования выгорания топлива для условий работы энергетического котла ТП-70, сжигающего антрацитовую пыль, удовлетворительно совпадающие с экспериментальными данными. Определены изменения в процессе горения температур частиц и газов, разницы между ними, степени выгорания частиц топлива и летучих, относительной скорости горения, режимного критерия, концентрации кислорода и скорости изменения температур частиц и газов.

6. Проведены численные исследования влияния на процесс горения натурального топлива среднего начального размера частиц, кинетических констант горения, интенсивности ввода вторичного воздуха, степени рециркуляции горячих газов, доли первичного воздуха и температуры стен в области горелок. Показана значимость участка воспламенения топлива. Установлено, что кинетические константы оказывают огромное влияние на воспламенение и горение топлива и требуют дополнительных исследований. Расчетами показано, что увеличение доли рециркуляции горячих газов, уменьшение коэффициента избытка первичного воздуха и организованный ввод вторичного воздуха, восполняющий убыль кислорода, существенно улучшают условия воспламенения. Получено, что для антрацитовой пыли диапазоны варьирования этих величин достаточно узкие и относительно небольшие изменения режимных параметров способны значительно повлиять на устойчивость воспламенения и даже привести к срыву факела. Показано, что из-за неустойчивого воспламенения топлива с малым содержанием летучих веществ (антрацита) большое значение имеет температура стен камеры горения в зоне горелок. Устойчивое воспламенение происходит при температуре стен порядка 1500 К, а при температурах 1000 К воспламенения не происходит. Для сжигания таких углей необходимо создавать зажигательные пояса, что и делают в реальных условиях в топках мощных паровых котлов. Полученные результаты согласуются с практикой сжигания пылевидного топлива и исследованиями других авторов.

7. Показана возможность применения статистического метода, основанного на решении кинетического уравнения для функции распределения частиц по разме-

рам, при разработке модели выгорания полидисперсной пыли натурального топлива. Выяснено, что для уточнения модели выгорания полидисперсного натурального твердого топлива и адаптации ее к расчету котлов различных конструкций необходимы дополнительные экспериментальные и теоретические исследования приведенных степеней черноты систем «частицы-газ (с золой)», «частицы-стенки», «газ (с золой)-стенки», степени рециркуляции газов, интенсивности подачи вторичного воздуха, вклада излучения от горячих продуктов сгорания (ядра факела) в общий теплообмен при воспламенении струй топливно-воздушной смеси, влияния начального вида функции распределения на границы применимости «автомодельного» режима. Модель горения полидисперсного натурального топлива может быть интегрирована в пакеты прикладных программ для решения пространственных задач, кроме горения рассматривающих аэродинамику факела, кинетику образования различных веществ и другие процессы.

В приложениях приводятся начальные данные, используемые для расчетов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Скорик, И. А. Влияние автомодельного режима выгорания полидисперсного твердого топлива на радиационные характеристики пламени / И. А. Скорик, Ю. М. Голдобин, Е. М. Толмачев // Вестник ЧелГУ. Физика. Вып. 15. 2012. № 31. С. 10-15. (из перечня ВАК).

2. Скорик, И. А. Моделирование выгорания полидисперсного твердого топлива в условиях внешнего теплообмена / И. А. Скорик, Ю. М. Голдобин, Е. М. Толмачев и др. // Теплоэнергетика. 2013. № U.C. 32-37. (из перечня ВАК).

3. Скорик, И. А. О скорости выгорания полидисперсной антрацитовой пыли в кинетическом режиме / И. А. Скорик, Ю. М. Голдобин // XXXVII Неделя науки СПбГПУ: материалы Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. Ч. III. - СПб. : Изд-во Политехи, ун-та, 2008. С. 142-143.

4. Скорик, И. А. Диффузионный и кинетический режимы горения полидисперсной коксовой пыли в одномерном стационарном потоке / И. А. Скорик, Л. И. Кирнос, Ю. М. Голдобин и др. // VII Всероссийская конференция «Горение твердого топлива» : докл. - Новосибирск. 2009. С. 200-206.

5. Скорик, И. А. О квазистационарном режиме сушки пористых частиц / И. А. Скорик, Ю. М. Голдобин, А. Б. Шадрина и др. // Теплофизика и теплоэнергетика : сб. науч. ст. - Магнитогорск : МаГУ, 2010. С. 50-53.

6. Скорик, И. А. О расчете средних температур частиц и газа при диффузионном горении полидисперсной коксовой пыли в камере с учетом тепловых потерь /

И. А. Скорик, Ю. М. Голдобин, Е. М. Толмачев и др. // Теплофизика и теплоэнергетика : сб. науч. ст. - Магнитогорск : МаГУ, 2010. С. 47^19.

7. Голдобин, Ю. М. О радиационных характеристиках факела при выгорании полидисперсной коксовой пыли в одномерном стационарном потоке / Ю. М. Голдобин, Л. Г. Гальперин, И. А. Скорик, В. А. Новоселов // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса: матер. Междунар. науч.-практ. конф. 10 июня 2011 г. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. С. 148-152.

8. Новоселов В. А. Влияние выгорания полидисперсной коксовой пыли на радиационные характеристики пламени / В. А. Новоселов, И. А. Скорик, Ю. М. Голдобин // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: материалы 12-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов. - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2011. С. 56-59.

9. Скорик, И. А. О расчете температуры факела при диффузионном горении полидисперсной коксовой пыли с учетом теплообмена / И. А. Скорик, Ю. М. Голдобин, Е. М. Толмачев // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: материалы 13-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов - Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова,

2012. С. 12-15.

10. Скорик, И. А. Определение оптимального среднего размера частиц полидисперсного топлива для минимизации механического недожога / И. А. Скорик, Ю. М. Голдобин // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции с международным участием и выставки работ студентов, аспирантов и молодых ученых 18-21 декабря 2012 г. - Екатеринбург : УрФУ, 2012. С. 167-168.

11. Скорик, И. А. Моделирование горения полидисперсного твердого топлива / И. А. Скорик, Ю. М. Голдобин // Наука и технологии. Краткие сообщения XXXIII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий. - Миасс : МСНТ,

2013. Т. 1.С. 124-126.

Подписано в печать Бумага писчая Уч.-изд. л. 1

16.11.2013 Печать офсетная Тираж 100 экз.

Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1 Заказ 253

ООО Типография «А-Принт» 620049, Россия, г. Екатеринбург, ул. Лобачевского,

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Скорик, Иван Александрович, Екатеринбург

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента

России Б.Н.Ельцина»

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ПОЛИДИСПЕРСНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОГО

ТЕПЛООБМЕНА

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Голдобин Ю.М.

Екатеринбург - 2013

1 \

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление.......................................................................................................................2

Введение...........................................................................................................................5

Глава 1. Анализ литературных источников и постановка задач исследования.....12

1.1. Горение топливных частиц в условиях пылеугольного факела..................12

1.2. Механизм выгорания отдельной частицы топлива......................................14

1.2.1. Горение коксового остатка...........................................................................15

1.2.2. Связь выхода и горения летучих с горением коксового остатка..............17

1.2.3. Влияние зольности и внутреннего реагирования на горение коксового остатка......................................................................................................20

1.2.4. Влияние формы и размера частиц...............................................................22

1.2.5. Влияние относительной скорости омывания частицы газовой средой

на ее горение..............................................................................................................23

1.2.6. Влияние температуры коксовой частицы на режим горения...................24

1.3. Традиционные методы учета полидисперсности топлива при расчетах горения.......................................................................................................................26

1.4. Статистический метод учета полидисперсности при горении распыленного твердого топлива..............................................................................37

1.5. Выводы..............................................................................................................41

1.6. Задачи исследования........................................................................................42

Глава 2. Теоретический анализ автомодельного режима выгорания полидисперсной коксовой пыли в адиабатических условиях..................................44

2.1. Оценка влияния влажности топливных частиц на температуру их поверхности при высокотемпературном нагреве..................................................44

2.2. Моделирование выгорания смеси полидисперсных коксовых частиц с воздухом в адиабатических условиях.....................................................................51

2.2.1. Кинетика горения полидисперсной системы коксовых частиц в замкнутом объеме с адиабатическими стенками...................................................51

2.2.2. Кинетика выгорания полидисперсной коксовой пыли в одномерном

стационарном потоке с адиабатическими стенками.............................................52

2.3. Выводы..............................................................................................................61

Глава 3. Моделирование автомодельных режимов горения полидисперсного твердого топлива с учетом теплообмена....................................................................64

3.1. Радиационные характеристики пламени при сжигании полидисперсного твердого топлива........................................................................64

3.2. Выгорание топливно-воздушной смеси с учетом теплообмена со стенками топки..........................................................................................................72

3.3. Диффузионное и кинетическое горение топлива в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между частицами и газами...............................80

3.4. Моделирование горения полидисперсной коксовой пыли в промежуточной области...........................................................................................90

3.5. Выводы..............................................................................................................95

Глава 4. Моделирование горения натурального топлива.........................................97

4.1. Особенности моделирования горения натурального топлива.....................97

4.2. Рециркуляция и распределение воздуха на участке воспламенения..........98

4.3. Учет золы........................................................................................................105

4.4. Учет летучих веществ....................................................................................106

4.5. Учет водяных паров.......................................................................................109

4.6. Уравнения для расчета процесса горения пылевидного натурального топлива.....................................................................................................................111

4.7. Влияние различных параметров на процесс выгорания натурального топлива.....................................................................................................................120

4.7.1. Влияние среднего начального размера частиц.........................................121

4.7.2. Влияние кинетических констант................................................................123

4.7.3. Влияние степени рециркуляции газов.......................................................127

4.7.4. Влияние организации подачи воздуха.......................................................129

4.7.5. Влияние температуры стен.........................................................................133

4.8. Выводы............................................................................................................134

Заключение..................................................................................................................136

)

Список условных обозначений..................................................................................140

Литература...................................................................................................................147

Приложение А.............................................................................................................164

Приложение Б..............................................................................................................166

Приложение В..............................................................................................................168

Приложение Г..............................................................................................................170

I ш

ВВЕДЕНИЕ

Большое количество ТЭС работает на твердом топливе. Снижение качества энергетических углей и необходимость форсирования топочных процессов стали причиной перехода в середине XX в. от слоевого к факельному способу сжигания угольной пыли в камерных топках. Среди достоинств факельного сжигания можно выделить высокую единичную мощность котлоагрегата, повышенную эксплуатационную надежность топки, высокий КПД, возможность автоматизации и регулирования в широких пределах. Несмотря на существование других, имеющих определенные преимущества, но пока не получивших широкого распространения в России, технологий сжигания твердого топлива, таких как сжигание в циркуляционном кипящем слое и в шлаковом расплаве, факельный способ является и, пожалуй, в ближайшее время будет оставаться основным.

Истощение угольных бассейнов и связанное с ним ухудшение качества твердого топлива, а также повышение экологических и экономических требований к теплоэнергетическим установкам способствуют тому, что задача управления процессами горения и теплообмена становится весьма актуальной. Принимаемые технические решения при внедрении новых или модернизации старых мощностей должны опираться как на экспериментальные, так и теоретические исследования. Появление новых разработок в сфере сжигания твердого топлива, усложнение организации горения (например, искусственное затягивание горения для снижения выбросов) привело к тому, что использование только эмпирических методов расчета топочных процессов становится менее надежным.

За последнее время появилось большое число различных программ для расчета топочных процессов, включающих теплообмен, выгорание и аэродинамику. Многие из них достаточно сложны, а использование эмпирических зависимостей делает их полностью понятными только самим разработчикам. При этом процессу горения топлива не всегда уделяется должное внимание.

Особую роль при моделировании процессов горения играет полидисперсность. При факельном сжигании топлива размеры частиц могут отличаться на два

порядка, в результате чего они выгорают с различной интенсивностью. В связи с этим возникают дополнительные задачи, связанные с распределением частиц по размерам.

На данный момент не существует общепринятой методики расчета выгорания полидисперсного факела, поэтому в моделях топочных процессов встречаются различные подходы к учету выгорания пылевидного топлива. В самом простом случае, когда акцент делается на другие процессы (теплообмен), степенью выгорания топлива в определенной локации попросту задаются, ориентируясь на какие-либо существующие рекомендации. Такой подход вряд ли можно назвать универсальным, и его минусы вполне очевидны, а с точки зрения самого процесса горения он не представляет никакого интереса.

В других моделях выгорание полидисперсного твердого топлива определяется расчетным путем. Все расчеты ведут на основании диффузионно-кинетической модели для отдельной частицы (монодисперсной системы частиц), которая достаточно хорошо изучена как теоретически, так и экспериментально, по двум основным принципам. Первый заключается в замене полидисперсной системы частиц условной монодисперсной, усредненной по закону Розина-Раммлера. Для вводимой монодисперсной системы расчеты выгорания ведутся по средней эффективной температуре факела, которая не меняется в процессе горения. При заданной неполноте сгорания можно рассчитать время выгорания полидисперсного факела или, наоборот, неполноту сгорания при заданном времени сгорания, что позволяет также рассчитать динамику выгорания топлива. Данный способ требует определения режима горения топлива и сопряжен с использованием специальных номограмм и большого количества ручного счета, что делает его достаточно трудоемким и малопригодным для использования.

Второй принцип, ставший с развитием компьютерной техники и численного моделирования наиболее распространенным, заключается в разбиении полидисперсной системы частиц на несколько фракций с нахождением среднего размера в пределах каждой из них. Для каждой фракции составляются дифференциальные уравнения для определения температуры, размера частиц и других величин, ре-

шение которых позволяет путем суммирования определить параметры полифракционного факела, такие как степень выгорания, концентрация кислорода, тепловыделение и другие. При этом определение некоторых характеристик факела (например, средняя температура частиц) вызывает определенные трудности. Количество уравнений зависит от числа рассматриваемых фракций и значительно увеличивается при переходе к двух- и трехмерным моделям. Несмотря на применение численных методов счета, для компьютерных моделей, описывающих ряд различных сложных процессов, увеличение числа уравнений приводит к увеличению расчетного времени.

Однако известен и другой метод, который способен существенно упростить расчеты выгорания полидисперсного топлива. Он заключается в решении кинетического уравнения для функции распределения частиц по различным свойствам (в том числе и размерам). Данный метод является достаточно универсальным, поскольку может быть применен к ряду тепломассообменных процессов (горение, растворение, экстрагирование, кристаллизация), для которых определена скорость превращения отдельной частицы. В большинстве задач, решенных данным способом, достаточно было ограничиться рассмотрением автомодельных функций распределения. При этом отмечена удовлетворительная сходимость полученных результатов с экспериментальными данными, что дает основание использовать этот метод при решении более сложных задач.

Ранее с использованием последнего метода решалась упрощенная задача выгорания полидисперсной коксовой пыли в адиабатических условиях. Выгорание натурального топлива с учетом теплообмена не рассматривалось. Поэтому изучение процесса горения полидисперсной пыли натурального твердого топлива, включающего разогрев, воспламенение и выгорание в условиях, приближенных к реальным, является актуальным.

Объектом исследования является процесс горения твердого топлива.

Цель работы заключается в разработке физико-математической модели го-

рения полидисперсной пыли натурального твердого топлива в энергетических установках на основе кинетического уравнения для функции распределения частиц по размерам.

Для достижения цели ставились следующие задачи:

1. Анализ существующих моделей расчета горения пылевидного топлива и способов учета полидисперсности.

4. Оценка влияния степени выгорания полидисперсной топливной пыли на радиационные характеристики пламени.

Научная новизна заключается в следующем:

Практическая значимость

1. Разработанная физико-математическая модель, достаточно полно отражающая реальный процесс горения полидисперсного твердого топлива, может быть использована для исследования влияния режимных и конструктивных параметров топочной камеры и горелочных устройств на воспламенение и выгорание топлива

и повышения эффективности принимаемых проектных и наладочных решений.

Положения, выносимые на защиту:

3. Теоретические и расчетные исследования выгорания смеси полидисперсных коксовых частиц с