Создание математических моделей, разработка расчетных программ и численное исследование процессов сжигания и газификации пылеугольного топлива тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

российская академия наук

институт высоких температ ">

УДК 682.612+662. На правая рукописи

2 4 ОНГ

т

асланян гарегин самвелович

СОЗДАНИЕ ИАТЕЙАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ, РАЗРАБОТКА РАСЧЕТЖ ЛРОГРАИМ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАН« ПР011ЕСС08 ОМГАЛИЯ И ГА31ГО1КА1ШН ГШЛЕУГОЛЬНО» о 10ПЛИВА

Специальность: 0.1.04.14 - теплофизика я молекулярная физика

Автореферат диссертации на соискание уче- степени доктора физико-математических »

Москва 1994

Работа выполнена в Институте высоких температур РАН

Официальные оппоненты: доктор технических наук.

профессор Э. И.Ассиновскив доктор химических наук, профессор Г. Б.Манелис доктор физико-математических наук, профессор А.К.Семенов

Ведущая организация: Энергетические институт им. Г. М.Кржижановского

Защита состоится " /с. " }ЛУР \ 1994 г. в / О час,

па заседании Специализированного совета при Институте высоких температур РАН по адресу: Москва, 127412, Ижорская ул., 13x19, ИВТАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИВТАН. Автореферат разослан "_" _1994 г.

¿иаяиэ коо:'~~-надкГ

Ученый секретарь Сг^еЙлалиэиров^гнного совету кандидат технических нгуцр . —

IV

(О

А.Н.Давыдов

■

о^Г

~ V - \

1 ^

•г с101..->л:'н.-'!11!е "¡ВТАН"

(С) Научно*

:: академии наук, 1994 I

ЫЗЕДЕНИЕ

Процесс горения уже давно используется в технике и является по существу основой теплоэнергетики, базирующейся на сжигании органических топлив, газа, нефти и угля. Однако следует признать, что и до настояцего времени многие фундаментальные аспекты и механизмы этого сложнейшего процесса, обусловленного протеканием химических реакций в условиях динамического и теплового взаимодействия реагентов, турбулентностью потоков, интенсивным массопереносом при фазовых превра-аениях, активной ролью радиационного переноса и многими другими факторами, не до конца исследованы к поняты. Многообразие и сложность указанных факторов создаст большие сложности при разработке полноценной теории горения и надежных инженерных методов расчета. Сказанное в особенности справедливо применительно к наиболее сложной и наименее изученной теории гетерогенного горения, процесса лежащего в основе использования основного энергетического топлива - угля.

Вместе с тем данная проблема находится в процессе активного развития, и в последнее время связанные с ней разработки начинает претендовать не только на качественное но и количественное описание некоторых режимов и характеристик процессов сжигания и газификации при ряде упрощающих факторов. Определенных успехов, в первую очередь за рубежом, достигло описание сжигания пылевидного топлива в спутном потоке с небольшими концентрациями частиц - процесса, получившего наибольшее распространения и реализуемого в большинстве промышленных топочных устройств и агрегатов. Развитые математические модели реализованы в виде компьютерных программ, находящих широкое применение в исследовательских и инженерных целях. Как правило, такие программы является коммерческим продуктом, стоимость которого исчисляется де-сяткаии тысяч долларов, что наряду со все еае существующими трудностями их передачи в бывшие страны социалистического лагеря, кал высокой технологии, попадающей в списки КОКОМ, делают их практически ..j-доступными для российских исследователей и практических потребителей.

Поэтому остро встает задача разработки и создания отечественных программных продуктов; адекватно моделируем* процессы горенил, в первую очередь гетерогенного, на базе анализа достигнутого зарубежного и отечественного опыта, последовательного приложения и развития современных методов механики двух^эных сред, теплофизики и химфизи-ки и применения необходимых численных методов решения управляющих многомерных ди;;:ренциальных уравнении.

Актуальность работы определяется в первую очередь особой важностью разработки высокоэффективных и экологически чистых угольных технологий для широкоматстабного производства тепловой и электрической энергий и в связи с этим необходимостью развития адекватных рас-четно-теоретических моделей исследования фундаментальных основ процессов гетерогенного горения и создания надежных методов расчета в проектирования реальных агрегатов и устройств по высокоэффективному сжиганию и газификации пылеугольного топлива.

В этой связи цель* предлагаемой диссертации является развитие теоретических представлений теории гетерогенного горения я разработка комплекса физико-химических моделей и вычислительных программ, адекватно моделируюжих процессы в угольных энергетических агрегатах.

Для достижения этой цели потребовались разработки следующих основных положений, выносимых иа завдту:

1. Развитие научно-теоретических основ и разработка математических моделей комплексного описания процессов горения и газификации пылевидного полидисперсного твердого топлива в термодинамическом в кинетическом приближениях, учитывающих динамику воспламенения и выгорания одиночных частиц в спутном потоке, турбулентность газового потока и турбулентные пульсации твердой фазы, радиационный перенос энергии, лимитирующую роль скоростей смешения реагирующих компонентов ■ газового потока, выходящего из частиц в результате их термического разложения и гетерогенного реагирования, и др.

2. Разработка и создание пакета вычислительных программных модулей различного уровня детализации и сложности, предназначенных для исследования фундаментальных основ процессов горения и газификации, выявления и предсказания принципиально новых возможных эффектов и явлений, характерных для процессов горения, а также надежного расчета и проектирования различного теплоэнергетического оборудования, в том числе агрегатов и устройств по эффективному сжиганию и газификации органического топлива. Разработанный пакет включает программные модули, представленные яа рис 1.

3. Применение разработанных моделей и вычислительных программ для описания результатов, анализа и интерпретации данных широкого ряда экспериментальных работ по изучению гидродинамических, тепло-, мас-сообменных и кинетических аспектов горения, предсказания характеристик, измерения которых отсутствуют в эксперименте, и для постановки новых экспериментальных работ.

Рис. 1. Основные програнинью нодуля катематмчвского моделирования угольних процессов

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. 0<3о<5дены и проанализированы различные экологически чистые технологии получения тепловой и электрической энергий на базе угля, проведен технико-экономический сопоставительный анализ эффективности и экологической приемлемости различных технологических опций, разработан в создан не имеющий в мире аналогов компы>тёризованный справочник по экологически чистым угольным технологиям, базирующийся на об-сшрноы фактографическом банке данных и позволяющий идентифицировать узлы и агрегаты угольных установок, процессы в которых возможно и целесобразно исследовать и оптимизировать на основе математических моделей и численных методов.

2. Развиты теоретические представления теории гомогенного и гетерогенного горения органического топлива.

3

3. Разработан и создан комплекс физико-химических моделей и вычислительных компьютерных программных модулей различного уровня детализации и сложности, предназначенных для исследования фундаментальных основ процессов горения и газификации угля и решения задач, адекватно описывающих процессы в топливных агрегатах.

4. Разработаны и созданы усовершенствованные метод и компьютерная программа термодинамического описания химически реагирующих систем с конденсированной фазой. Развитый метод основывается на отказе от жесткой привязки к атомарному базису, использовании базовых компонент, которые при данных значениях давления и температуры находятся в преобладающих количествах и применении алгоритма последовательной минимизации в пространстве координат реакций, введении возможностей проведения расчетов при условии достижения термодинамического равновесия лишь в гомогенных реакциях, выделения режимов полного исчезновения химически реагирующей гетерогенной фазы.

5. Разработана новая нестационарная модель, описывающая динамическое поведение одиночных пиролизируемых угольных частиц, помещенных в горячую газообразную среду, близкую по параметрам к атмосфере топочных устройств. Автор впервые отказался от использования традиционного квазистационарного приближения, предполагавшего малость отношения характеристических времен в газовой и твердой фазах. Предложен оригинальный метод численного решения нестационарных дифференциальных уравнений сохранения массы, химических компонентов и энергии газовой среды, со специфическими динамическими граничными условиями, определяемыми характеристиками горящей угольной частицы.

6. Впервые выявлены новые принципиальные эффекты в тепловых режимах воспламенения и горения пылеугольных частиц. Установлено, что повышение температуры окружающего газа, как и содержания в нем кислорода, могут привести к задержке с моментом воспламенения, объясняемой замедлением достижения критической концентрации горючих компонентов по причине их медленного расходования в пограничном слое.

7. Разработана детальная одномерная кинетическая модель выгорания полидисперсного пылеугольного спутного потока, предложена инженерная возможность ее применения для описания потоков с рециркуляцией. Продемонстрировано достижение удовлетворительного согласия с имеющимися экспериментальными данными, предсказаны термические режимы воспламенения и горения различных фракций частиц. Модель является удобным и простым рабочим инструментом для численного исследования процессов

воспламенения и окисления угольного потока, выявления чувствительности процессов к изменении различных управлявших параметров, анализа и интерпретации имеющихся экспериментальных данных.

8. Разработаны и созданы не ииеющие отечественных аналогов математическая модель и программа численного расчета процессов горения и газификации пылевидного угольного топлива в многомерных турбулентных потоках. Система основных дифференциальных уравнений сохранения для газовой фазы, сведенных к стандартному виду, дополнена соответствующими уравнениями для ряда важных характеристик, контролирующих процесс, таких как энергия и скорость диссипации турбулентных пульсаций, функции смешения предварительно неперемешанных потоков и смешения потока газа, вышедшего из угольных частиц, и др. Введение функции плотности вероятности (ФПВ) для функции смешения позволило получить осредненные по времени значения концентраций« температуры и скоростей реакций. Использование смешанной схемы (Лагранхево плюс Эйлерово описания) позволило определить как траектории отдельных частиц так и зависимости турбулентных поправок скоростей от градиента юс численной плотности, для которой выведено дифференциальное уравнение стандартного вида. Продемонстрирована возможность попадания частиц в рециркуляционную зону в установлена определяющая роль учета турбулентных поправок скорости частиц для реализации данной возможности. Г

Предложен ¿^.реализован усовершенствованный модифицированный численный алгоритм решения дискретных уравнений, распространяющий применимость модели к сильно закрученным потокам, н обеспечивающий сокращение времени счета по сравнению с базовым алгоритмом piso в 1,5 раза, достижение быстрой сходимости и большую устойчивость на начальных итерациях.

Проведена AeTanbHáa верификация программы с привлечением весьма обширного опубликованного экспериментального материала. Последовательно протестированы гидродинамическая модель программы, блоки гомогенного и гетерогенного горения и газификации угля. Продемонстрировано качественно верное описание специфических гидродинамических особенностей двухфазных течений: наличие зон рециркуляционного течения газа и возвратного движения частиц. Показано хорошее совпадение расчетных и экспериментальных радиальных профилей распределения газовой функции смешения предварительно неперемешанных потоков, энергии турбулентных пульсаций вдоль оси реактора и др.

Показана обоснованность использования приблихения локального термодинамического гомогенного равновесия применительно к процессам с

Ь

высокими скоростями химических реакций, контролируемых скоростью перемешивания потоков, и необходимость кинетического описания процессов сжигания и газификации органических топлив.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных и отечественных конференциях, симпозиумах и семинарах: Международном семинаре по ядерной войне, 6-сессия СЭриче, 1988); Втором Советско-Австралийском семинаре по передовым энергетический технологиям (Москва, 1987); Объединенном совещании Британского в Французского секций Института горения,(Рбуэн, 1989); Третьем Советско-Австралийском семинаре по передовым энерготехнологиям на органическом топливе (Сидней, 1989); Всесоюзном симпозиуме по проблеме газификации углей (Красноярск, 1991); XI Советско-Японском семинаре по энергетике и эколопщ (Токио, 1989); Международном семинаре по экологически приемлемому использованию низкосортных топлив (Москва-Тал линн-Тампере, 1991); Конференции по чистым угольным технологиям (Коттбус, 1991); Международной Конференции по эффективным экологически чистым технологиям (Милан, 1991): Первом Советско-Израильском семинаре по энергетике (Бершева, 1991); Международных конференциях по экологически приемлемым угольным технологиям (Пекин, 1991 и Мадрас, 1992), Конференции ООН по чистым угольным технологиям (Берлин, 1992), Четвертой генеральной конференции Московского международного энергетического клуба (Москва, 1993).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Основной текст занимает 187 страниц, количество рисунков 63, таблиц 21, ссылок 139 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе отмечены исключительная важность угольного топлива для энергоснабжения мира, неблагоприятные экологические проблемы, возникающие при широкомасштабном его использовании для производства теплоты и электроэнергии, ч необходимость повсеместного повышения эффективности и экологической чистоты угольных агрегатов и установок. Обобщены и проанализированы различные экологически чистые угольные технологии, проведен технико-экономический сопоставительный анализ эффективности и экологической приемлемости различных технологических опций.

Представлен не имеющий в мире аналогов разработанный компьютеризованный справочник по экологически чистым угольным технологиям, базирующийся на обширном фактографическом банке данных.

Идентифицированы узлы и агрегаты угольных установок, процессы в которых возможно и целесобразно исследовать и оптимизировать на основе математических моделей и численных методов. Описан иерархический пакет разработанных компьютерных программных модулей различного уровня детализации в сложности, предназначенных для исследования фундаментальных основ процессов горения и газификации угля и решения задач, моделирующих процессы, протекающие в агрегатах и аппаратах угольных установок. Разработанный пакет включает следующие модули Сем. рис.1):

"ТЕРН" -для расчета термодинамических и переносных свойств химически реагирующих веществ в приближении гетерогенного и гомогенного равновесия;

"Ш1ЕТИК" - для расчета кинетики процессов сушки, термического разложения, гомогенного и гетерогенного реагирования;

"ЧАСТИЦА" - для исследования нестационарных процессов тепло- и массообмена вокруг одиночной горящей частицы;

и1-Ма™ШХи для описания одномерных спутных течений с полидисперсными угольными частицами;

"2-п/ТЕРН/Щ!ЕШ\" - для описания двухмерных, осесиметричных турбулентных многофазных течений с гомогенным и гетерогенным горением.

Во главе хх описаны усовершенствованные метод и компьютерная программа "ТЕРМ" термодинамического описания химически реагирующих систем с конденсированной фазой. Развитый метод основывается на отказе от жесткой привязки к атомарному базису, использовании базовых компонент, которые при данных значениях давления и температуры находятся в преобладающих количествах, и применении алгоритма последовательной минимизации в пространстве координат реакций.

Приведены примеры расчетов равновесных состава и температуры продуктов парокислородной газификации углерода и различных энергетических углей в зависимости от подогрева, состава и количества дутья (рис.2), рассчитаны предельные режимы газификации и выгорания топлива (рис.3). Исследованы зависимости температуры и состава процессов сжигания и воздушной газификации в приближении равновесия лишь газофазных реакций ст количества непрореагнровавшего углерода для различных значений коэффициента избытка окислителя (рис.4) и выделены режимы максимально возможного выгорания связанного углерода, указанные на рис.4 жирной кривой.

Ту •.*/№■

ЗШ

¿ООО гт 2100 /Ш /Ш ¡ооо

о ОЛ О,г 0,3 0,4 и,5 0,6 0,7 ■ о.) а ■

згоо 2800 2400 2000 ¡500

Ш ¡00

Гу т2/ООК

О «7ол 0,3 О,* 0,5 0,6 О,/ о,!

<г

Рис. 2. Зависимость температуры продуктов сгорания кузнецкого и канско-ачинского С (Я углей от количества и состава парокнслоро; го дутья при подогреве пара до 2100 К, р=2 ИПа, при различных /-10; 2-5; 3-2; 4-1; 5г0,5; 6-0,1

ООО 1500 1500 //00 900 100,

Г,К

аЮ

..... л

—— у<

&

/200

/ООО

Рис. 3. Зависимость температуры газификации кузнецкого СаЭ м ка| ско-ачииского С<Я углей от подогрева пара СЮ н состава дутья, Р-"Па, при различи« *»: (-400 К; 2-1000 К; 3-1500 К; 4-2100 К; 5-11 6-5; 7-2; 8-1; 9-0,5; 10-0,1

■2500 2000

(500 т7

Г, к

•

/.г* ч «1

О О/ О,г 0,5^0,* 0,5 0,6 V о'-Щ ог ^ ^ ^ о

Рис. 4. Расчет зависимости СаЭ температуры и Сб) состава Смас. < ли) процессов сжигания' и воздушной газификации кузнецкого угля приближении равновесия гомогенных реакций. Цифрами указаны значе! коэффициента избытка окислителя «

а

На "основе результатов. расчетов выявлены новые интересные закономерности в осуществлении процессов газификации и сжигания основных энергетических углей России и Украины, дается рекомендации, направленные на улучшение организации процессов получения газообразного энергетического топлива, уменьшение расхода кислорода, повышение эффективности выгорания топлива, достижения режимов жидкого млакоуда-пения и др.

Отдельный раздел главы 2 посвящен методике расчета переносных свойств газовой смеси: вязкости, теплопроводности, коэффициента бинарной диффузии. - основанной на кинетической теории Чепмена-Энскога. Приведены результаты расчетов переносных свойств продуктов ггорания.

Глаза их посвящена кинетике, процессов преобразования угля. Опи-:ана физико-химическая модель термической деструкции угольных час-гнц, в которой массовое содержание каждого летучего компонента рассчитано в соответствии с рекомендациями Фильда, полученными на основе обработки экспериментальных данных по различным углям в виде ква-фатичной зависимости от содержания летучих в угле. Даны скорости гспарения влаги и выхода летучих компонентов, как в одноканальной, гак и двухканалыюй схемах пиролиза, специфицированы константы рав-говесий и скоростей доминирующих газофазных гомогенных и гетероген-шх реакций связанного углерода с различными реагентами с учетом ( эеагирования в порах и диффузионного ограничения на подвод окислите-1Я к частице.

Глава XV носит вспомогательный характер и посвящена описанию ра-шационного переноса энергии в потохе с горящими коксозольными час-гицами, имеющего исключительную вааность для обеспечения адекватности модели реальным котельным процессам. Для описания рассеяния излу-гения угольными частицами предположено, что плотность частиц невысо-са, и газовая среда абсолютно прозрачна, вследствие чего интенсив-юсть рассеяния равна интенсивности рассеяния одиночной частицей, юмноженной на их численную плотность в единице объема.

•Для двухмерной задачи использован метод шести потоков, учитываю-1ий возможность анизотропного рассеяния, сведенный к форме четырех ютоков для двухмерной задачи за счет учета аксиальной симметрии и к юрме двух потоков, распространяющихся в положительном и отрицатель-юм направлениях оси х в одномерной задаче, за счет использования 'словия радиальной симметрии.

Учет анизотропности рассеяния одиночными микронными сферическими истицами, размеры которых сопоставимы с характерными длинами излу-

чения, в пределах длин волн х между 0,5 и 10 мм, с максимумом в области л « 2 мм, дающими наибольший вклад в радиационный теплопере-нос, обеспечивался введением фазовой функции рассеяния с комплексным отражательным индексом частицы 1,92(1-0,53*1).

В главе ▼ исследованы нестационарные процессы вокруг одиночных угольных частиц, помеченных в горячую газообразную среду, близкую по параметрам к атмосфере топочных устройств. Разработана модель, позволяющая наиболее полным образом изучить тепло- массообменные процессы, протекающие в граничащем с частицей газовом слое. В отличив от существующих, модель впервые позволила отказаться от использования традиционного квазистационарного приближения, предполагающего малость отношения характеристических времен в газовой и твердой фазах " рг срг хч /рч ср^ лг « 1, приводящего к равенству чисел Нуссельта и Шервуда двойке и соответственно к тепловому конвективному потоку, пропорциональному разности температур частицы и невозму-аенной газовой среды.

Тепло- и массообменные процессы, протекающие вокруг горящей частицы, описаны в сферических координатах нестационарными уравнениями сохранения массы, концентраций кислорода и горючего компонента летучих и энергии для пограничного газового слоя:

-1 (р .уг*) - О; р/*-' + р/Х' .г'. «V

аъ г'аг г гвъ г аг г*аг г аг

Рг-срг.^+ ^.ср/-!- - -Е^я" С1)

г г 0t г г аг г аг г г .к

где v скорость потока, п'и (I1 - соответственно энтальпия и скорость

образования к-ой компоненты.

Граничными условиями для уравнений (1) на правой границе являются параметры невозмущенного потока, на левой границе граничными условиями для заданной системы являются нестационарные уравнения массо- н теплообмена между газовой средой и частицей.

где и ^ скорости образования к-ой компоненты в гетерогенной реакции, и выхода ее из угля в составе летучих, соответственно. Индексом "с" отмечены показатели, относящиеся к связанному углероду, выгорающему при гетерогенной реакции с теплотой сгорания Чрад-

член, ответственный за радиационный теплообмен частицы со стенками

ш

камеры. Удельный массоприток на левой границе равен потоку газа с поверхности частицы и складывается из стефановского потока,

равного в данном случае скорости выгорания связанного углерода, и скорости выхода летучих.

Предложен оригинальный метод численного решения нестационарных дифференциальных уравнений сохранения массы, химических компонентов и энергии газовой среды, со специфическими динамическими граничными условиями четвертого рода, определяемыми характеристиками горящей угольной частицы. Метод основан на введении дискретной параболической сетки в пространственных координатах и сведении исходных нестационарных уравнений второго порядка к системе Зм + 1 ординарных дифференциальных уравнений, решенных с помощью стандартного пакета Р1Г-боз, основанного на алгоритме Гира.

Для начального профиля температуры газа предложено использовать точное решение нестационарной задачи охлаждения полуограниченной газовой среды, приведенной в соприкосновение с телом с постоянной температурой, т.е. классическою'задачу нестационарной теплопроводности с граничными условиями первого рода.

Модель позволила получить представление о структуре пламени вокруг горящей частицы, рассчитать профили температуры и концентраций, выявить интересные закономерности влияния различных факторов на тепловые режимы воспламенения и горения частиц угля. Модель описала такие пограничные явления, как оттеснение диффундирующего кислорода от поверхности частицы потоком летучих, аккумулирование и воспламенение газообразных горючих компонентов, теплообмен между частицей и фронтом пламени и др.

На рис. 3 -6 представлены профили температуры вокруг 100 им частицы, горящей в воздухе при 1250 и 1773 К, в различные моменты времени. Рис. 7 представляет зависимость концентраций кислорода и летучих вокруг частицы, помещенной в среду с 1573 К. Кривые 1 на рисунках соответствуют временам пребывания частицы в камере, когда еще не наступило ее воспламенение и профиль температуры идентичен квазистационарному .профили, устанавливаемому вокруг инертного сферического тела. Кривые 2 соответствуют временам воспламенения частицы, а точнее тонкого слоя летучих вокруг ее поверхности, в результате чего резко возрастает температура частицы и газовой зоны в пределах примерно двух ее диаметров, где сконцентрировались горючие компонента летучих. Следует отметить, что воспламенение наступает раньше в случае тт = 1250 К. так как в этом режиме более низкие температуры близ поверхностной зоны способствуют большему аккумулирование летучих из-

Teiripcreture. К

1029 18 3026 SO Ю 02 16 4 22 0 30 40 Oimensionieas radial distancias, r/rp

Рис.5. Изменение профилей температур вокруг угольной частицы, помеченной в воздуинув среду с температурой 1250 К в зависимости от времени пребывания, не: 11,32; 2-1,34: гЗ-1,5; 4-2,2; 53,0; 6-3,5; 7 -4,8

Trilta мш *

I I.02& .|.в& 3.089 8.« 10.0» 15.4 22.0

Рис. 6. Кзненекие профилей температур »округ угольной частицы, помеченной в воздумнув среду с температурой 1773 К в зависимости от временя пребывания, мс: 1-1,4 2-1,48; 3-2,6; 4-2,5; 5-3,0; 6-

и, * —э, С

02. Нам eoncanlraUao

t. |.ма i км маа . li laaa m ata аа «а DinMOateolaaa radial il «Une», r/rp

ТИЦЫ, ИИЯ

Рис. 7. Зависимость концентраций кислородаи летучих вокругчас-«, помеченной в ммуииуш среду при 1573 К, от времени пребша-7 не: 1-1,32; 2- 1,34; 3-1,5; 4-2¿2; 5-3,0; 6-3,5; 7-4,8

Temper*ture.K

Cl 10 I 94 I.T

Рис. 8. Изменение температуры частицы угля в зависимости от вр< мени пребывания и параметров окр; жаючай среды: 1 - Т„ ■ 1773 К,

= 0,04; 2 » 1773 К, У02 «=0,08; 3

t. » 1773 К, Y02 » 0.23; 4 - Тв=

1250 К, 0,46; 5 - Тю = 1573

ïoî=0,23; в- Т = 1250 кГ х02= 0,

Reaidence time,m«

за их более медленного выгорания. По этой же причине уровень подскока температуры частицы несколько выше для случая *,=• 1250 К, чем при тт*> 1573 и 1773 К. Для кр.З характерны более "наполненные" профили, хотя температура самой частицы несколько падает в силу того, что кислород при вспышке летучих у поверхности весь израсходовался, в результате чего выделение теплоты от реакций горения заметно уменьшается. В то же время фронт пламени заметно отодвинулся от частицы, вследствие чего конвективный теплоприток от газа уменьшился и не в состоянии компенсировать возросшие теплопотери с радиационным излучением.

Последующий за повышением температуры частицы резкий рост скорости потока летучих привел к оттеснению кислорода от поверхности и отодвнжению фронта пламени на расстояние нескольких диаметров от частицы. Сказанное особенно справедливо для высоких температур окружающей среды. При этом, как это видно на рис. 5-7, летучие сгорели не в бесконечно узкой зоне, как полагается во многих моделях, а в достаточно протяженной области, простирающейся до 30 диаметров частицы.

При высоких температурах среды прослежено наличие максимума температуры на расстоянии 10 диаметров, где имело место наиболее интенсивное горение. Несколько завышенные значения максимальной температуры на фронте пламени в случае тв = 1773 К связаны с предположением об окислении углеводородов до С0г и Ь^О и отсутствием в модели механизма диссоциации последних при высоких температурах.

После достижения максимального уровня температур Скр.6 на рис. 5 и 8) при временах, соответствующих наибольшему массовому потоку летучих, профили температур начинали постепенно снижаться и, наконец, переходили в стационарные температурные профили горения углеродно!» частицы неизменного диаметра Скр.7 на рис.5) и кр.8 на рис.6.

Из приведенных кривых на рис. 7 отчетливо прослеживается протяженность зоны горения, быстрое расходование кислорода у поверхноо-и частицы после ее воспламенения и, наконец, изменение кривизны профилей окислителя по мере выгорания летучих. Кривая 8 на рис. 7 справа соответствует стационарному профилю кислорода вокруг горящего угле-зольного остатка неизменного диаметра. Очевидно, что при этом процесс пиролиза закончился и концентрация летучих вокруг частицы равна нулю.

Поведение температуры самой час-ицы в зависимости от времени пребывания в среде и ее параметров приведено, на рис. 8. Обратило на себя внимание, что во всех режимах с *ог * 0,23 имел место резкий пик температуры частицы, за которым следовал заметный провал. Если роэ-

кий температурный пик связан с воспламенением летучих, то последующий температурный провал объяснен расходованием как летучих, так и кислорода в зоне, прилегавшей к частицё, в результате чего происходило потухание пламени. В дальнейшем, когда начинался интенсивный выход летучих и их сгорание в объеме, температура частицы начинала повышаться и достигала максимума во времена наиболее интенсивного выхода летучих. Последующее понижение температуры явилось следствием падения скорости выхода летучих. Наконец, при завершении пиролиза температура углеродного остатка вышла на квазистационарный уровень. Модель также предсказала интересные закономерности при режимах горения в воздухе, обедненным кислородом. Так при *02= 0,04 имело место монотонное повышение профилей температур со временем до достижения стационарного горения. Обратил на себя внимание факт, что в этом режиме, несмотря на гетерогенное горение, стационарная температура частицы ниже температуры окружающей среды, что объяснено тем, что энергия излучения частицы превысила экзотермический тепловой эффект горения углерода, и равновесие обеспечивалось дополнительным теплопри-током от потока к частице. В случае с 0,08 горение происходило более интенсивно, чем в предыдущем режиме, поэтому во времена интенсивного выхода летучих температура фронта горения летучих превысила температуру частицы и в стационарном режиме, несмотря на излучение частицы, ее температура несколько превысила температуру среды.

Впервые выявлены новые принципиальные эффекты в тепловых режима) воспламенения и горения пылеугольных частиц, связанные с задержкой < моментом воспламенения при повышении температуры окружающего

газа, и содержания в нем кислорода Скр.1), что объяснено замедление! достижения критической концентрации летучих компонентов по причин« их медленного расходования (окисления) в пограничном с частицей объеме (сравни: при 1230 К, ь = 1,3 и 3,0 мс при х^-. о,233 1 0,466 соответственно).

В целом отмечено хорошое согласие малых расчетных времен завершения процесса выхода и сгорания летучих с имеющимися экспериментальными измерениями, и в тоже время, несмотря на отмеченную задержку < воспламенением, при росте температуры и содержании кислорода в окружающей среде более интенсивное протекание и раннее завершение пиролиза.

В главе VI рассмотрены возможности расчета выгорания одномерное полидисперсного пылеугольного потока. Приведены детали разработанном

модели и ее отличия от существующих одномерных моделей окисления пылевидного угля в спутном потоке, обоэренных в первом параграфе данной главы. Отмечено, что модель характеризуется более детальным и корректным учетом различных факторов, управляющих процессом горения, таких как сушка топливных частиц, выход летучих компонентов из угольных частиц (включая аналог смолы) и их окисление в реагирующем газовом объеме, кинетика различных гетерогенных и гомогенных реакций, протекающих на поверхности частиц, в ее порах и в газовом объеме, влияние стефановского потока на додвод окислителя к поверхности, распространение радиационного излучения, играющего важную роль в стабилизации горения и др.

Таблица 1

Полная система

ординарных дифференциальных уравнений, опнсшапцих сжигание и газификация полидисперсного угля в одномерном спутнон потоке

¿в1 <ю' а1 ас' ас'

яг—к -¡пг-° тег"" ■ ?в\<1+К>

а

аа

-азг-= - i ( е (1+а) + о^ + е^ > + е;т+ ер

„х -V,-ЕСЕ в( + е^ + в^ ) + в(+ е? *Е(«Х+ Зх "

аи' з I рг I 1 9 в1пв И' аст

—г-10-«'I ( 0-и') - —■---—I-

ах 4 р рч' а^ и и' ах

ао _ -( ргХ * Е р„' х') д ^в - ф ах " %

+ <4-ё-1 ♦ !

«' К<а<» - ^-г*

ср!.^

_Г _ СТ - Г к к ВТ ВТ рвц р«ц ЧЬ к к ч - г Т1 ц1

"35Г " ср Срг

^ - ^^ + 2ЬК^)2 - ( Е^ * 2ЬКР').£,К||£ /3.

Модель позволила также исследовать: влияние полидисперсности топлива. задаваемого функцией Розина-Рамлера и определяющего динамику выгорания и ре'н;мы воспламенения каждой дискретной фракции тог/л"г-а;

скольжение частиц относительно' потока, заметно влияющего на процессы тепло- и массообмена; рециркуляцию горячи» продуктов сгорания в зону прогрева и исходного треугольного потока; подачу вторичного дутья в любом сечении камеры с целью интенсификации процесса окисления и подавления образования оксийов азота и др:

Полная система линейных дифференциальных уравнений', описывающих сжигание полидисперсного .угля! в одномерном1 спутном1 потоке и преобразованных к виду, необходимому для решения методом' Ноши, приведена в сводной табл. 1. Данная система жестких ОДУ решена стандартным пакетом о^вив, основанным на алгоритме Гира. Программа реализована в виде модуля "1-п/КИНЕТИК" на1 языке ТУРБОПАСКАЛБ для' персональные компьютеров.

В разделе основное внимание уделено демонстрации возмохностей модели и программы адекватного моделирования данных ряда имеющихся экспериментов по исследованию высокоинтенсивного горения' угля в спу-тных потоках. Основные характеристики'экспериментов даны в табЛ; 2.

ТЬблицго 8'

Параметры экспериментальных установок по исследовании* выгорания углей в одномерном потоке

Зксперимент Гаггап, 1902 ваЫ. 1У88 виги*!, 19В6-

Диаметр камеры,м Длина камеры, м 0,185 4 0,14 2,4 0,85 4 0,85 4

Расход угля, кг/ч 12 3 100 80

Степень избытка кислорода, « 1.11 1,25 2,5 1,6

Температура дутья, К 1950 300 1473 1473

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных Фарзана по выгоранию коксозольных частиц и концентрации кислорода и диоксида углерода вдоль оси канала представлено на рис. 9. Кривая 1 на рисунке слева описывав'- выгорание монофракционного топлива со средним диаметром частиц 73 ця, соответствующим распределению Розин-Рамлера. Кривые 2-4 описывают выгорание отдельных фракций с диаметрами 20, 73 и 100 д». Кривая 5 соответствует суммарному выгоранию трехфракцион-ного топлива с выше указанными средними диаметрами част;:ц и с весовыми фракционными долями 25, 60 и 15%, соответственно. Как следует из рис. 9, лучшее согласие с экспериментом достигалось для полифракционного топлива. Сказанное особенно справедливо для начальной обла-

СОг,Ог (К)

60 Ю0 ISO

Residence time, ms

«0 ЮО 150 200

Axial distance. cm

о

Рис. 9. Сопоставление расчетных н »ксперш«з«таш>ных данакх С7агзап, еъ.а!.., 1282) для степени выгорания углерода (слева) и ноль иой концентрации С02и 0,Ссправа) вдоль оси реактора. Кривая 1 - мо-

но^ракцноиноо приближение, кр. 2-4 - выгорание фракций с диаметрами 20, 73, 100 мм, кр. 5 - сукнарноэ выгорание потока в случае трех-Ср&кциошшго приближения. В правой части толстые кривые описывают концентрации С0г» тонкие — 0г С1 ы 1 * - для мопофракционного, 2 и 2*

- для трохфракциоиного пркблиЕОШя), крестики и звездочки - эксперимент

Temperature. К Temperature. К

Residence time, ms Residence time, ms

Рис.10. Предсказание профилей температур газа (толстые линии) » частиц (тонкие линии) для условий эксперимента ♦арзана в зависимост; от времени прейызания: слева - однофракционное (4 я 73 им) справа • трохфракционно0 приближение Сл » 20, 73, 100 дм)

сти выгорания, где введение легкой фракции, как и следовало ожидать, интенсифицирует процесс. Аналогично учет полифракционности топлива Скр.2 и 2' на рис. справа ) обеспечил лучшее, чем в случае монофракционного приближения (кр.1 и 10, согласие расчета с экспериментальными измерениями концентраций С02 (толстые линии) и Qj (тонкие линии). Рис. 10 представляет предсказание изменений температур газа (толстые линии) и частиц (тонкие линии) в эксперименте Фарэана в зависимости от времени пребывания в реакторе. Рисунок слева соответствует монофракционному приближению, а справа - трехфракционному. В случае ыонофракционного топлива прослеживалось определенное падение температуры газа при теплообмене с холодным топливом. При этом времена завершения пиролиза составляли около 25 мс, что заметно превышало оценки экспериментаторов.

Отмеченное падение температур не столь заметно в случае полидисперсного топлива, так как в этом случае легкая фракция воспламеняется достаточно быстро, выделяя при этом теплоту, идущую на нагрев смеси, что в свою очередь способствует более быстрому воспламенению тяжелых частиц (см. кривые 2,3). В трехфракционом приближении имели мест^ и меньшие времена завершения пиролиза, менее 10 мс для наиболее крупных частиц, что ближе к экспериментальным наблюдениям. Обратил на себя внимание факт, что в зоне выгорания коксозольных частиц их температура меньше, чем температура газа. Объяснено это в первую очередь тем, что исследуемые угли высоколетучие, вследствие чего, значительная часть кислорода израсходовалась на окисление летучих компонентов и горение коксозольных частиц происходило при небольших его концентрациях. Дополнительно к этому в расчетах использована схема окисления углеродного остатка до СО. что предполагало значительно меньшие выделения энергии на частице, чем при схеме окисления до C0Z. Наконец, меньшие температуры частиц связывались также с интенсивным излучением частиц, имеющих температуру на уровне 2000 К.

Результаты моделирования эксперимента Сато и др. (sato, et.ai. 1988) по выгоранию полидисперсного потока топлива, аппроксимированного тремя фракциями частиц различного размера, приведены на рис. 11. Кр.1-3 описывают зависимости выгорания вдоль оси реактора фракций размерами, мм: 40, 80 и 120. Кр. 4 описывает суммарное выгорание всего потока с весовыми долями фракций в 15%, 55% и 30%. Левая часть рисунка соответствует расчетам, проведенным в предположении протекания гетерогенного горения углерода до СО. правая - до СО . Как и

2

во к» wo zoo Ax 1*1 distance, cm

60 100 uo MO Axial distance, cm

Pec. 11. Зависимости ветсракня полнднсперсного потока топлмв» вдоль ссн цилиндрического реактора. Кривые 1-3 фракции размерами, »ж: 40, 80 п 120, соответственно. Кр. 4 - суммарное выгорание всего потока с весоаыкя долями фракций в 15%, 55% н 30%. Крестики - эксперимент (sato, ot.al. 1983). Левая часть рисунка сответстеуэт расчетам в гралполокснии протекания гетерогенного горения углерода до СО. правая до - COj

г 2

1/ А

í

Temperature, КхЮОО

о 1 » J 4

Axial distance, m

\

г

t i

Axial distare», m

Рис. 12. Расчеты вигорання (слева) и томпаратуры частиц трехфрак-шюнного угольного топлива, а такие температуры газового потока {жирная кр. слева) по длине канала. 1, 2, 3 - частицы размьрами 20, 40 н 80 ю*. 4 - суммарное выгорание угольного потока с весовыми долями фракций в 15, 60 н 25%. Крестики - эксперимент (вивиХ!, «ь.а1., 1906)

следовало ожидать в случае использования схемы окисления до СО выгорание частиц происходило заиетно медленнее, что лучше согласовалось с экспериментом.

С целы) исследования чувствительности модели к выбору фракционных долей топлива расчеты проводились также для весовых долей фракций в 25. 45, и 30 %. Результаты показали, что увеличение доли легкой фракции привело к более быстрому нагреву и воспламенению потока, чей достигались более высокие температуры горения на начальном этапе, интенсифицирующие выгорание более тяжелых фракций, а тем самым и всего потока. Таким образом фракционирование топлива заметно влияло на расчетные значения и могло служить подгоночным фактором приближения расчетных и экспериментальных данных. Поэтому с целью более адекватного описания экспериментальных измерений рекомендовано выбирать большее количество топливных фракций.

В отличие от предыдущих в эксперименте Сузуки (см. табл. 2) первичный и вторичный потоки вдувались через фурму, расположенную вдоль оси канала и обеспечивающую быстрое перемешивание потоков и рециркуляцию части горячих продуктов сгорания к корню факела.

Для моделирования рециркуляционного потока, следуя подходу Сузуки, выделена центральная часть канала диаметром 0,3 м, в границах которой протекали первичный, вторичный и рециркуляционный потоки. Рециркуляционный поток описывался путем линейной аппроксимация скорости поступления рециркуляционного газа, полное количество которого в реакторе по данным моделирования гидродинамики потока на основе двухмерной модели составляло 0,38 кг/с. Используя расчетное значение местоположения точки нулевого рециркуляционного потока, находящееся на расстоянии 1.8 м от фурмы, определялась линейная зависимость скорости поступления дополнительного рециркуляционного потека по длине реактора, кг/м/с: у ■ -о,и х ♦ о,31. Интегрирование данной зависимости по длине реактора от начала фурмы до центра рециркуляционной зоны дало величину полного рециркуляционного потока.

Как следует из рис. 12 экспериментальные значения, указанные крестиками, полностью хорошо моделируются расчетными данными (кр.4) по суммарному выгоранию угольного потока, с размерами частиц 20, 40 и 80 мм и весовыми долями фракций в 15, 60 и 25*. Как и следовало ожидать, предсказанные профили температур частиц (тонкие кривые справа) демонстрировали наличие характерных пиков в области воспламенения летучих и последующее монотонное падение в зоне менее интенсивного

выгорания коксозольных остатков. Ввиду того, что данный эксперимент проводился при а » 2.5, на начальном этапе прогрева частиц газ (жирная кр.) был как бы более "инерционен", и его температура почти не падала, как это наблюдалось на рис. 10. По причине больших расходов газового потока его нагрев был достаточно умерен и не превышал 1000 К. При этом температура легких фракций (кр. 1, 2) в отличие от данных на рис. 10 по всей длине реактора превышала температуру газа. Сказанное справедливо и для частиц тяжелой фракции на большей части времени их пребывания в канале.

В заключении главы модель рекомендовалась в качестве удобного и доступного рабочего инструмента для применения в инженерных расчетах при проектировании реальных полномасштабных камер сгорания и газогенераторов и оптимизации их конструкций с целью обеспечения достижения максимальной степени выгорания топлива, минимального выброса в окружающую среду вредных компонентов в видо оксидов серы и азота. Модель позволяет понимать совокупность комплексных процессов, протекающих в агрегатах по сжиганию и газификации органических топлив, осуществлять численное исследование процессов переработки углей, выявлять их чувствительность к изменению различных управляющих параметров, проводить анализ имею&ихся экспериментальных данных.

В глазе VII представлена математическая модель и программа численного расчета процессов турбулентного горения и газификации пылевидного угольного топлива в спутноы потоке. Глава предворена введением и подробным обзором состояния работ по многомерному моделированию гомогенного н гетерогенного горения. Здесь идентифицированы расчетные модули, составляющие оснозу моделирования турбулентного двухфазного химически реагирующего многомерного потока (рис. 13).

В разделе 7.3 представлена математическая модель задачи я приведены основные дифференциальные уравнения сохранения. Применительно к гидродинамике газовой фазы, описываемой в рамках представления Эйлера, для произвольной переменной Ф введен общий вид стационарных уравнений сохранения, имевших в двухмерной осесимметричной системе цилиндрических координат вид:

Их<**»> * * !г<^»> - | г.-й, - 1 §Г(Г Г,4|) - Ва (2)

Первые два члена в уравнении являются конвективными, следующие два, называемые диффузионными, описывают обмен импульсом, обусловленный вязким переносом. Все остальные члены уравнения объединены в правой части в качестве источниковых членов. Выражения для функций_ #, Г, и в, собраны в табл. 3. (

УСЛОВИЯ -*|«ичяския Комячно-рожостшя

ГИДРОДИНАМИКА

Уробнания в6иж*ни» Урвбняни* ммргии

ДЕСТРУКЦИЯ '

Сушка Пироли* ОЬмионаьйоя вммо Мужонолм! еа*ма

ТЕРМИЧЕСКАЯ

РАДИАЦИЯ

УроЬняни* пяряноса цуучяни«

ЩЗ-ХИМ СВОЙСТВА

Т«рмовинамич<ски« Пяряносмм

ТВЕРДАЯ ФАЗА

ЛогронияЬ по8хо9 трееютврии чостиц ЭоляроЬ пойхов плотность частиц

Ч1СЛЕННЫЯ МЕТОД

Сятко Дисфяглиэация Матов решения конечно- розносттх урсбнямив Сховиыость

ТУРБУЛЕНТНОСТЬ

Однофазная ДЬух»о»ио»

ХИМИЧЕСКОЕ РЕАГИРОВАНИЕ

Гетерсгетое . рвогиробонмя Гомогенно* ряогиробоии»

ТярмоОиномичясхое приближения хюбммм 4>м<иш1 Кинетическое приближение )Р0биЯН|« СОфИчет» шиичесш« «ыпенемп

уроЬнвн!« (огоромиа уроЬам» мргт

Рис. 13. Схематическое представление основных расчетных модулей многомерной модели сжигания органических топлив

™ ТУРбуЛеЭТНОСТИ Потбка по аналогии с ламинарной в*з-

гтопоппи* ВВеД6На ЬффбКТИВНая рентная вязкость как коэффици^т пропорциональности между корреляционным турбулентным членом Г^

сре„дней СК°Р°СТИ потока, удовлетворявший обобщенной гипотезе Прандтля-Колмогорова: V •= с -кг/с в р.™ " гипотезе

у , 0 °во«з очередь турбулентная ки-

нетическая энергия 1с = 0.5 Г, есть мера интенсивности турбулентных флуктуация, Скорость изменения которой на основе Тс м^и определялась конвективным переносом усредненного потока, дифф^зион! переносом турбулентного движения, производством т а аГ

диссипацией с. и опиралась, как и с. обобщенным уравнение в стан дартной форме (2) (см. табл. 3). /ранением в стан

Таблица 3

Вьфаяэняя для функций Г.

(2

<г Ц

7 ц

~а Ц

« <т

_2

"7Гг" 5х(н.-гг> * г 5г(г ".^Зт1

х

рц -1г ° (Г и )

г г* аг1Г о - рс

с - <ур-|-

0

«..«.«й>'' <£>'> - с.."-!1

где м(+ м{:

г^.., / ч//а°»г ж ^ ^ /во . зу.! , ,0 .я, .2 .ал. i.

Для описания гомогенного химического реагирования предложено как использование приближения локального термодинамического равновесия (подпрограмма "ТЕРМ"), контролируемого функцией смешения газовых потоков, так и приближение конечных скоростей газофазных реакций на основе подпрограммы "КИНЕТИК". Для описания функции смешения выведено транспортное уравнение в форме (2) с соответствующими коэффициентами из табл. 3

Для учета случайного характера турбулентных $луктуаций основных параметров газового потока введена функция плотности вероятности (ФПЮ Р(г) прямоугольного вида для фунхции смешения, что псосолило получить осредненные значения любой произвольной величины. Для дисперсии функции смешения д » |( г)<1Г решено модельное уравнение

в

ц

и

ч

ц

с

а

з

8

вида (2) с источников«* членом, описывающим производство и диссипацию д, обусловленные влиянием турбулентности на величину с Сем. табл. 3).

В случае конечной кинетики для концентраций каждого газового компонента решены уравнения вида С2) со своими конвективными, диффузионными и источниковыми членами, учитывающими появление или исчезновение компонента в результате выхода летучих, протекания гомогенных и гетерогенных реакций. Вклад флуктуаций в среднюю скорость реакций учтен посредством ФПВ. Система газофазных уравнений замкнута уравнением состояния.

В отличие от газовой фазы для описания поведения дискретных угольных частиц использован Лангранхев подход, определяющий положение движущейся частицы в соответствии со вторым законом Ньютона, а ее свойства, такие как скорость, масса, температура и т.д., - интегрированием соответствующих уравнений вдоль траектории движения.

Для определения зависимости турбулентной поправки скорости твердых частиц от градиента их численной плотности использована смешанная схема СЛагранжево плюс Эйлерово описания), позволяющая применять к уравнению сохранения частиц п, включенного в табл. 3, алгоритм решения уравнений для газовой фазы.

В приближении локального равновесия для расчета концентраций компонентов и энтальпии газа введена функция смешения потока газа ч. выходящего из угольных частиц в процессе сушки, пиролиза и гетерогенного реагирования, для которой выведено дифференциальное уравнение в стандартной форме, приведенное в таблице 3. с источниковым членом, равным сумме масс вышедших влаги, летучих и сгоревшего углерода. По функциям £ и ч расчитаны элементный состав и энтальпия газовой фазы в каждой ячейке реактора.

Раздел 7.4 посвящен численным методам решения системы дифференциальных уравнений сохранения табл.3 и приведению их двойным интегрированием по контрольным объемам к дискретным аналогам, связывающим значение функции в каждой точке со значениями в соседних. В работе использована сдвинутая шахматная сетка, в которой узлы для скоростей лежат на границе области интегрирования, а для давления - между гранями контрольного объема. Выведены выражения для коэффициентов дискретных аналогов системы уравнений из- табл. 3.

С целью улучшения сходимости предложен метод решения уравнений не для самих физических переменных, а для их приращений, основанный на

2к

расцеплении процесса решения на каждой временном интервале на ряд вагов, на каждом из которых уравнение для давления выделено из уравнений движения, на модификации источникового члена, отказе от вычисления параметра невязки ургвнений на каждой итерации решения и применении метода минимальных невязок с параметром равным - 1. Предложен гибридный метод релаксации, сочетающий применение методов нижней и верхней релаксаций.

Применительно к закрученным потокам, характеризующимся сильной зависимостью источниковых членов от тангенциальной составляющей скорости, предложен новый модифицированный алгоритм, заключающийся во введении дополнительных шагов "Предиктор-Корректор" для учета изменений источникового члена при переходе от одной итерации к другой в стационарном случае или от одного временного слоя к другому в нестационарных задачах.

Введение всех предложенных модификаций в алгоритм piso позволило улучшить сходимость, обеспечить устойчивость решения на начальных итерациях и сократить время машинного счета, по крайней мере примерно в 1,3 раза.

Исследована чувствительность численного описания процессов горения к приближениям модели турбулентности, а также влияние турбулентных пульсаций на поля температур и концентраций компонентов. Предложено применение квадратичной зависимости энергии турбулентных пульсаций в ламинарном подслое. За счет этого исключена необходимость решения уравнения для энергии турбулентных пульсаций в приграничной области, что позволило уменьшить размерность массива неизвестных для к и тем самым сократить необходимый объем памяти п ьремя счета.

В разделе 7.S проведена детальная верификация программы с привлечением весьма обширных опубликованных экспериментальных работ, основные характеристики которых сведены в табл 4. Последовательно протестированы гидродинамическая модель программы, блоки гомогенк*. ~о горения и гетерогенного горения и газификации угля.

С целью апробирования модели к расчетам гидродинамики различных потоков исследовано течение турбулентной ограниченной газовой струи. Ib анализа рис. 14. на котором представлено распределение расчетной функции тока в поле течения, видно наличие характерной рециркуляционной зоны на входном участке камеры. Место присоединения возвратного течения по результатам расчетов находится в точке x/r--2,6, что хорошо согласуется с результатами эксперимента СнаЫЬ. «hitelaw, 1979). Жирной кривой представлено распределение аксиальной скорое.-« вдоль оси реактора.

Таблица 4

Характеристики экспериментальных установок по исследовании горения органического топлива в осесимютрично* цилиндрической камере.

Эксперимент Habib 1979 Bakar 1974 Cunthar 1972 Lewis 1981 Takagi 1981 Thurgood 1980 Brown 1988

Длина камеры, м 1 0,9 2.5 1,524 2.5 1,524 1.98

Диаметр камеры,м 0,21 0,3 0,45 0,203 0,208 0,2 0.2

Диаметр ввода, м

первичный поток 0,068 0,012 0,01 0,016 0,005 0,016 0,0286

вторичный поток 0,075 0,055 0,081 0.057 0,104 0,036 0,0048

Расход, кг/с

первичный поток 0,0002 0,004 0,0031 0,0014 0.0056 0,0018

вторичный поток 0,0076 0,03 0^0362 0,0423 0,0361 0,0368

угольный поток 0,0038 0,0038

Состав, мас.%

первичный поток возд. воздух СН4-82 CHt-74 Hj-4,5 воздух Oj-85

н4 -18 н t -26 Hj95,5 Hj-15

вторичный поток возду воздух воздух воздух воздух воздух вода

Температура, К

первичный поток 293 293 576 288 297 372 387

вторичный поток 293 293 297 589 589 585 450

Число йе

первичный поток 38900 2100 32000 24600 3S000 46800 48000

вторичный поток 35200 17500 47200 64500 53000 65000 41000

Скорость, м/с

первичный поток 1.0 1,75 86,1 15,4 70,0 29,3 100,1

вторичный поток 1,0 3.18 5.82 14,8 5,1 36.1 14,4

Средний диаметр частиц, <ш 49,9 36.2

Для анализа влияния степени'закрутки (отношения тангенциальной и аксиальной скоростей s/o) и применимости модели к описании закрученных потоков привлечены экспериментальные данные (Baker, Hutchinson, Khalil, whitalav, 1974). На рис. 15 представлены радиальные распределения осевой и тангенциальной скоростей и энергии турбулентных пульсаций потока на различна* расстояниях от входа в камеру с закруткой вторичного потока. Удовлетворительное совпадение результатов расчета и эксперимента показывает применимость гидродинамической модели и к-с модели турбулентности и к закрученным потокам при не

2Î

Г/П, V/Vo

Рис.14. Расчет линий тока и аксиальной скорости потока вдоль ося цилиндрической камеры сгорания. Точкн-эксперккент (ЯаМь, тшъа-197»)

О и 04 О* 0«

Рнс.15. Сопоставление расчетных резуль-татоз радиальных. распределений осевой (1) н тангенциальной С 2) скоростей и энергии турбулентных пульсаций СЗ) га-зозого потока на различных расстояниях от входов цнлнидрнческуп камеру с эк, стрмкенгальнша данными Сваквг, тл-еЫпвоп, В01»111, <с?Ы1:«1№г, 197«)

очень больших числах закрутки, когда эффекты анизотропии потока невелики .

Исследовано влияние на результаты расчетов скоростей граничных условий на входе в реактор. Из сопостаьчения результатов расчетов при постоянной и параболической начальных профилях скоростей сделан, вывод, что исследуемая зависимость проявляешься лишь в узкой началь-

ной области и достаточно слабая на основной длине реактора, что, по-видимому, объясняется доминирующей ролью возвратного течения в профиле тскорости.

Так как необходимые экспериментальные данные для к во входном потоке отсутствуют, то в результате численного исследования чувствительности модели рекомендовано значение константы в уравнении к - . Со2 принимать равным 0,001.

Результаты моделирования турбулентного гомогенного горения метана представлены на рис. 16 и 17. На рис. 16 представлены изолинии тем-

ператур: Са) -экспериментальные данные (сипимцг, ьевга, 1972), СОУ,

Рис. 16. Сопоставление расчетных результатов распределения температуры горения метана в воздухе с экспериментальна« данншш (Сиа-«»•г, х.*в!«, 1972)« аЭ - эксперимент, расчет в приближении термодинамического равновесия с учетом б) и без учета в) турбулентных пульсаций. Изолинии, К: 1-700, 2-1100, 3-1300, 4-1500, 5Ч 700, 6-19О0

Рис. 17. Моделирование горения нетака в ко-аксиальнон потоке воз-' духа: 1,1'- функция смешения, 2,2' - концентрация паров воды, 3,3' к 4,4' - мольные доли углекислого газа и нетана. Точки-экспериментальные данные (Ье«1а, вяооъ, 1«вх)

1,СН ,н о * 2

со

оэ ов о .• м

в И \£

более близкая к эксперименту картина наблюдается в случае (б), т.е. когда учитываются турбулентные флуктуации. В сюм приближении модель обеспечивает существование областей, в которых вследстии флуктуации концентраций присутствуют одновременно топливо и окислитель, в результате чего температурные уровни в них ниже, чем в термодинамическом приближении, предполагающем наличие в каждой ячейке либо реагентов, либо продуктов реакции.

Для проверки адекватности расчетов реагирования двух предварительно неперемешанных ко-аксиалъных турбулентных потоков привлекались экспериментальные данные работы по измерению концентраций компонентов горения метана (Lewie, snoot, 1981). Сопоставление расчетных и экспериментальных данных функции смешения, а также мольных концентраций НД СН4 и С0г. представленных на рис. 17 демонстрирует удовлетворительное согласие. Наблюдаемое на начальном участке канала некоторое расхождение расчетных и экспериментальных данных концентраций рассматриваемых компонентов объясняются использованием термодинамического приближения, не учитывавшего конечности скорости горения метана в реальном эксперименте.

Кинетические возможности модели с учетом конечных скоростей газофазных реакций проверялись применительно к сгигаиию водорода в воздухе (Takegi, shin, iohio, 1931). На рис. 18 представлены результаты расчетов на равномерной сетке 22*22 зависимостей температуры (кривые

1 слева) и массовых концентраций Н20 Скр.2 слева), 02. (кр. 1 справа) и На. (кр.2. справа ) в термодинамическом (кр. а) и. кинетическом (кр. б) приближениях. Оба приближения показали достаточно близкие результаты, что явилось следствием высокой скорости протекания исследуемых реакций и контролирования процесса скоростью перемешивания топлива и окислителя. Сказанное позволило утверждать, что модель хорошо отражает диффузионный характер пламени горения Н^ •- факта известного то экспериментальных измерений.

Как п следовало ожидать, в начальной аксиальной части реактора состав газа в основном формировался первичным потоком, подаваемым пр центру камеры. В аксиальной. часта кислород примерно до 0.1L м по длине от входа реактора практически отсутствует. Рост концентрации

02 происходит постепенно по пере перемешивания потоков и далее, после воспламенения смеси, когда весь водород практически сгорает (х > 0,20 м), кислород становится доминирующим компонентом потока, причем его мольная доля становится равной концентрации. кислорода во вторичном потоке за вычетом прореагировавшей части. Именно сильным разбавлением потока избыточным окислителем объяснено и уменьшение концен-

трации продукта сгорания (водяного пара) после завершения горения. Установлено удовлетворительное согласие расчетных зависимостей температуры пламени с экпериментальными данными, имеющими ярко выраженный максимум в зоне воспламенения. Хорошее согласие обнаружено также и в сопоставлении аксиальной скорости потока, которая по длине реактора падает от скорости первичного потока до среднемассовой скорости суммарного.

Рис. 18. Моделирование горения водорода в воздухе в цмЛиндричес ком реакторе: а) Зависимость температуры продуктов сгорания по длине реактора; ш, 6), г) - зависимость концентраций 02» Н2> f^O Cotí, fc)

по длине реактора. 1) - расчет в приближении термодинамического равновесия; 2) - расчет в кинетическом приближении; кружочками представлены экспериментальные измерения (Tmkagi, ebia, lehio, isei)

Особенное внимание уделено исследованиям поведения пылеугольных частиц в турбулентном потоке окислителя и влияния турбулентной добавки скорости на траектории движения частиц. На верхней и нижней частях рис. 19 представлены траектории движения в камере частиц различного диаметра с учетом и без учета турбулентной добавки скорости. Сплошными линиями представлены траектории движения в реакторе частиц' различного диаметра, имеющих одинаковое входное расположение относительно оси канала, пунктирами - траектории 10 мм частиц, запущенных в камеру с различными входными координатами. Рис. 19 наглядно демонстрирует возможность попадания частиц в зону возвратного течения, что качественно совпадает с результатами расчетов, приведенными в

(Celio, 1988). Как следует из нижней частя рйсунка, без учета турбулентности частицы строго следуют линиям тока движущегося газа.

1

/Г

Х.М

Рис. 19. Расчётные траектории частиц с учетом (слева) и без учета (справа) турбулентной добавки скорости. Пунктнрнмэ линии - частицы с одинаковым аходным расположением различного диаметра, им: 1-10, 2-20, 3- 50, 4-80. Сплоыииэ линяй - частицы 10 см с различно« входными коордииатанн по радиусу, ж 5-0,023, б - 0,019, 7 - 0,014, 8 -0,009

%

О - < а - i » - •

Д - 4 Л / П i 1»

2*

Г/Я

а?5 os are

Рис. 20. Сравнение экспери- Рис. 21. Предсказание изменений

ментальных и расчетных данных температур газа Стонкне линии), для радиальных распределений частиц н их скоростей (пунктир) степени выгорания угля вдоль оси вдоль траекторий частиц в реагн-реактора, х См): 1, 1 • - 0,178; руадем потоке с одинаковым вход-2. 2'- 0,330; 3, 30,483, кш расположением на входе реак-4,4'- 1,397. Точки - эксперимент тора в эксперименте Ctbuxgood, CThur<jood, Snoot, H»d**n, 1980), saoot, Hedman, 1980): 1 - d =50 сплоыныв линии - расчет в термо- им, 2 - d я 80 дм. динамическом приближении

ям

Наконец, смоделировало горение твердого топлива с привлечением результатов эксперимента (Thurgood, smoot, н«}вап, 19во). На рис. 20 изображены расчетные радиальные профили степени выгорания органической массы угля на различных расстояниях от входа в реактор. На- -блвдаемое согласие здесь, в основном, лишь качественное, ожидать количественного согласия не приходится, так как к сожалению в работе . не приведены кинетические данные выхода летучих и реагирования частиц. Аналогично были расчитаны радиальное распределение функции смешения £ и мольной доли 0, на различных расстояниях по длине камеры сжигания угля и было продемонстрировано удовлетворительное согласие данных расчета и эксперимента. На кривых прослеживались повышенные концентрации кислорода в аксиальной зоне его подачи и ее падение в пристеночной области начальной части генератора, что объясняется наличием рециркуляционной зоны топливных частиц и их выгоранием.

На рис.21 представлено предсказание в эксперименте Тургуда и др. траекторий движений частиц различного радиуса, имеющих одинаковое входное расположение, а также профили температур газа и частиц на траекториях частиц с d = 50 ни Скр. 1) и 80 мм Скр. 2). Отмечено, что более легкая частица в большей степени следует линиям тока и прослежено превышение температуры частиц по сравнению с температурой газа в зоне воспламенил, а также более резкий пик температуры для меньшей частицы.

Для подтверждения приемлемости модели к описанию процессов газификации пылевидного угля в спутном потоке привлечены экспериментальные данные (Brown, et.al., 1988). Расчеты проведены как в термодинамическом так и кинетическом приближениях на неравномерной сетке 24x28 со сгущением к входу. Выбраны пять фракций частиц, радиусами, юл: з, 20, 28, 50 и 80, - запускаемых по пяти различным входным координатам (т.е. 25 различных траекторий всех частиц).

Рис.22 представляет кинетические расчеты радиальных профилей концентраций Н2. СО, Н20 и С02 в продуктах газификации битуминозного угля шт. Юга, исследованного в эксперименте. Из анализа кривых вид» 1 но, что процесс генерации Н2 и СО. как и следовало ожидать, начинается после вдува водяного пара и протекает в зоне вторичного потока, где диффундирующие угольные частицы реагируют с паром. Наблюдаемая на границе взаимодействия двух потоков падение концентрации СО и рост С02, объяснено прстекани.м шифт реакции, сдвигающей состав газа в сторону образования диоксида углерода.

'•Г ХЮ.18К I • < - г • •

\ 1 - 4

У к

1 1 1 —;

X

2 \ <-0.20М ) .< > -» < - •

\ 1 ■ Л к -4

1 1 N

1

м

О 002 О04 0.09 ООв О!

ад*

О 002 004 ООв ООв 01 «Л»

Х-0.28» I

0.02 00»

I -I

I -«

<

• 4

<-0,34Ы ' .1 • -> с

к - 4

1

-4 5

3 к

002 0 04 ООв ООв

__ „ ям ям

Рис. 22. Сравнение расчетных и экспериментальных С»*««, вянь, Невада, 1988) данных для радиальных профилей концентраций гьзиобаз-ных компонентов в продуктах газификации суббитуминозного угля: » - С02, 2 - Н20, 3) - Н2, 4) - СО

С целью исследования чувстительности модели к закладываемому при ближению химического реагирования газов расчет процесса газификации проведен как в кинетическом так и термодинамическом приближениях и показаны заметное отличие результатов двух приближений и лучшее согласие с экспериментом кинетических расчетов профилей состава продуктов газификации битуминозного угля. В зоне вторичного потока, где происходят в основном восстановительные процессы, термодинамическое равновесие, предполагающее бесконечную скорость реакции сдвига, изменяет состав газа в сторону меньших концентраций СО и Н20 и больших С02 и Н2.

Сделано утверждение, что, несмотря на дополнительные сложности, для правильного предсказания процессов сжигания и газификации органических топлив, в которых, как правило, контролирующим является крайне медленная реакция окисления оксида углерода, необходимо учитывать реальную кинетику химических реакций. Исключения могут составлять очень быстрые реакции, как например реакции горения водорода, для которых термодинамическое приближение в состоянии обеспечить приемлемые результаты. С целью улучшения сходимости и сокращения времени счета рекомендуется начинать расчеты с термодинамического-описания и далее использовать полученные данные в качестве начального приближения в кинетическом расчете.

В заключении обобщены основные результаты и выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЬВОДЫ

Основные результаты, полученные в диссертации, заключаются в следующем:

1. Обобщены и проанализированы различные экологически чистые технологии получения тепловой и электрической энергии на базе угля. Проведен технико-экономический сопоставительный анализ эффективности и экологической приемлемости различных технологических опций, идентифицированы узлы и агрегаты угольных установок, процессы в которых можно и целесообразно исследовать и оптимизировать на основе математических моделей и численных методов.

Разработан не имеющий в мире аналогов компьютеризованный справочник по экологически чистым угольным технологиям, базирующийся на обширном фактографическом банке данных.

2. Разработан и создан иерархический пакет компьютерных программных модулей различного уровня детализации и сложности, предназначенных для исследования фундаментальных основ процессов горения и

газификации угля и решения задач, моделирующих процессы, протекающие в агрегатах и аппаратах угольных установок. Разработанный пакет включает программные модули:

"ТЕРН" -для расчета термодинамических и переносных свойств химически реагирующих веществ в приближении гетерогенного и гомогенного равновесия;

"Ш1БТИК" - для расчета кинетики процессов сушки, термического разложения, гомогенного и гетерогенного реагирования;

"ЧАСТЭДА" - для исследования нестационарных процессов тепло- и массообмена вокруг одиночной горящей частицы и ее термических режимов;

"1-в/КИНЕТИК" для описания одномерных спутных течений с полидисперсными угольными частицами;

"2-вТЕРН/КИНЕТЙК" - для описания двухмерных, осесимметричных турбулентных многофазных течений с гомогенным, и гетерогенным горением.

3. В части, касающейся программы расчета равновесных термодинамических и переносных свойств химически реагирующих веществ разработаны усовершенствованные метод и компьютерная программа "ТЕРМ" термодинамического описания химически реагирующих систем с конденсированной фазой. Развитый метод основйваётся на отказе от жесткой привязки к атомарному базису, использовании базовых компонент, которые при данных значениях давления и температуры находятся в преобладающих количествах и применении алгоритма последовательной минимизации в пространстве координат реакций.

Введены усовершенствования, позволяющие проводить термодинамический расчет в адиабатической постановке, рассчитывать предельные режимы газификации и выгорания топлива и выделять режимы полного исчезновения химически реагирующей гетерогенной фазы. Введена дополнительная возможность ограничиваться условиями достижения термодинамического равновесия лишь в гомогенных реакциях, распространяющая применимость программы на гетерогенные системы с малым временем пребывания топлива в реакторе.

выявлены новые интересные закономерности в осуществлении процессов газификации и сжигания основных энергетических угль* России и Украины, даны рекомендации, направленные на улучшение организация процессов получения газообразного энергетического топлива, уменьшение расхода кислорода, повышение эффективности выгорания топлиьа, уменьшение содержание пара и метана в продуктах газификации, достижение режимов жидкого шлакоудаления и др.

4. В части исследования нестационарных процессов тепло- и массо-

обмена вокруг одиночной горячей частицы разработана новая Нестационарная модель, описывающая динамическое поведение одиночных пироли-зируемых угольных частиц, помещенных в горячую газообразную среду, близкую по параметрам к атмосфере топочных устройств. Модель основана на детальном описании нестационарных процессов тепло- и массооб-мена, протекающих в пограничном с горящей.частицей газовом объеме, и реализуется посредством решения соответствующих уравнений сохранения.

Автор впервые отказался от использования традиционного хваэиста-ционарного приближения, предполагающего малость отношения характеристических времен в газовой и твердой фазах " РгсРгА*'р*Срчхг « 1.

Предложен оригинальный метод численного решения нестационарных дифференциальных уравнений сохранения массы, химических компонентов и энергии газовой среды со специфическими динамическими граничными условиями четвертого рода, определяемыми характеристиками горящей угольной частицы. Метод основан на введении дискретной параболической сетки в пространственных координатах и сведении исходных нестационарных уравнений второго порядка к системе ординарных дифференциальных уравнений, решаемых с помощью алгоритма Гира.

5. Впервые выявлены новые принципиальные эффекты в тепловых режимах воспламенения и горения пылеугольных частиц. Модель позволила исследовать структуру пламени вокруг горящей частицы, проследить протяженность зоны Горения, установить факты аккумулирования и взры-вообраэного расходования кислорода у поверхности частицы после ее воспламенения и ряд других качественных закономерностей в рассматриваемых тепло- массообменных процессах.

Установлено, что повышение температуры окружающего газа, как и содержания в нем кислорода, могут привести к задержке с моментом воспламенения, объясняемое замедлением достижения критической концентрации летучих компонентов по причине их медленного расходования (окисления) в пограничном слое.

Продемонстрировано достижение удовлетворительного согласия с имеющимися экспериментальными дачами по временам завершения процесса выхода и сгорания летучих различных типов угольных частиц, помещенных в горячую окислительную атмосферу.

6. В части, кэ-гвщейся описания, одномерных спутных течений, разработана деталь'"Я одномерная кинетическая модель выгорания полидис-

персного пнлеугольного спутного потока. Предложена инженерная воз-иожность применения программы для описания агрегатов, в которых имеет место рециркуляция газового потока.

Продемонстрировано достижение удовлетворительного согласия с име-взимися экспериментальными данными по выгорание различных фракций полидисперсного топлива, а также концентраций газообразных компонентов вдоль оси цилиндрического канала. Предсказаны изменения температуры различных фракций частиц и потока газа в зависимости от времени пребывания в реакторе. Исследованы чувствительность расчетных результатов к фракционировании потока топлива, роль диффузионного ограничения к подводу окислителя к частице, влияние константы скорости газофазного окисления оксида углерода.

Модель рекомендована в качестве удобного и простого рабочего инструмента для качественного исследования процессов окисления углей, выявления чувствительности процессов к изменение различных управлявших параметров, анализа и интерпретации имевшихся экспериментальных данных.

7. В части, касающейся описания многомерных турбулентных двухфазных течений разработаны и созданы не. имеющие отечественных аналогов математическая модель и программа численного расчета процессов многомерного турбулентного горения и газификации пылевидного угольного топлива. Эйлерово описание гидродинамики течения дополнено к-с -моделью турбулентности газовой фазы. Распространение радиационного излучение рассмотрено в рамках модели четырех потоков. Рассмотрены процессы сушки и пиролиза угольных частиц, гетерогенного (с учетом реагирования в порах и диффузионного ограничения) и гомогенного реагирования как в приближении локального термодинамического равновесия так и с учетом конечной кинетики химических реакций. Для расчета в приближении локального термодинамического приближения использована подпрограмма "ТЕРМ", а в кинетическом приближении подпрограмма "КИ-НЕТИК".

8. Для описания процессов смешения предварительно неперемешанных газовых потоков введены функции смешения презрительно неперемешанных газовых потоков и потока газа, вышедшего к» угольных частиц в процессе их сушки, пиролиза и гетерогенного реагирования,

ряющие дифференциальному уравнению в стандартной форме. Для учета турбулентных флуктуаций основных параметров газового потока и получения осредненных по времени, превышающей характерные времена турбулентных пульсаций, значений концентраций, температуры и скоростей у^экций введена функция плотности вероятности прямоугольного - -"г.

9. Для определения траекторий каждой частицы н зависимости турбулентной поправки их скоростей от градиента численной плотности предложено использование смешанной схемы (Лагранжево плюс Эйлерово описания} , цозводившее применить к уравнение .сохранения частиц алгоритм решения уравнений для газовой фазы. Продемокстирована возможность попадания частиц в рециркуляционную зону и установлена определяющая роль учета турбулентных поправок скорости частиц для реализации данной возможности.

10. Для численного решения дифференциальных уравнений предложен я реализован модифицирований алгорити типа piso, основанный на расцеплении процесса решения на каждом временном интервале на ряд шагов, на каждом из которых уравнение для давления выделяется из уравнений движения, и обеспечивающий существенное сокращение времени счета в достижение быстрой сходимости. Применительно к закрученным потокам, характеризующимся сильной зависимостью источниковых членов от тангенциальной составляющей скорости, предложено введение дополнительных шагов "Предиктор-Корректор" для учета изменений источникового члена при переходе от одной итерации к другой в стационарном случае или от одного временного к другому в нестационарных задачах.

При численном решении системы дискретизированых уравнений предложена модификация источникого члена, включающая в себя невязку уравнения неразрывности, позволяющая обеспечить устойчивость решения на начальных итерациях. Предложена схема решения дискретных уравнений не для самих физических переменных, а для их приращений. Схема основана на отказе от вычисления параметра невязки уравнений на каждой итерации решения и применении метода минимальных невязок с параметром равнкм - 1. Применен гибридный метод релаксации, сочетающий применение методов нижней и верхней релаксаций. Введение всех предложенных модификаций в. алгоритм piso позволило улучшить сходимость и сократить время счета по крайне'й мере в 1,5 раза.

11. Исследованы чувствительность численного описания процессов горения к приближениям модели турбулентности,- а также влияние турбулентных пульсаций на поля температур и концентраций компонентов. ' Предложено применение квадратичной зависимости энергии турбулентных пульсаций в ламинарном подслое. За счет этого исключается необходимость решения уравнения для энергии турбулентных пульсаций в приграничной области что'позволяет уменьшить размерность массива неизвестных для к и тем самым сократить необходимый объем памяти и время

счета.

12. Продемонстирована слабая зависимость результатов численного моделирования от использованных входных граничных условий: профиля скорости потока (прямоугольное и параболнчесхое), и энергии турбулентных пульсаций. Показана доминирующая роль рециркуляционного потока на формирование профиля течения на расстояниях х/Я >0,25.

13. Проведена детальная верификация програмш с привлечением об-аирного опубликованного экспериментального материала. Последовательно протестированы гидродинамическая модель программы, блоки гомогенного и гетерогенного горения. Продеконстировано качественно верное описание специфических гидродинамических особенностей двухфазных течений: наличие зон рециркуляционного течения газа и возвратного дви-Еения частиц. Показано хорошее совпадение расчетных и экспериментальных радиальных профилей распределения газовой функции смешения предварительно неперемеианных потоков, энергии турбулентных пульсаций вдоль оси реактора, выгорания угольного потока, состава продуктов газификации и др.

14. Проведено сравнение результатов модели, полученных в предположении термодинамического равновесия п конечной кинетики. Исследовано влияние конечности скоростей гоногенных реакций и проведено сопоставление с результатами приближения локального термодинамического равновесия. Показано, что для описания процессов с высокими скоростями химических реакций, контролируемых скоростью перемешивания потоков, например горение водорода, использование приближения локального термодинамического равновесия вполне оправдано и позволяет достичь существенного сокращения расчетного времени. Однако для правильного предсказания процессов сжигания и газификации органических топлив, в которых, как правило, контролирующим фактором является медленная реакция окисления оксида углерода, рекомендовано учитывать реальную кинетику химических реакций. С целью достижения лучшей сходимости и экономии компьютерного времени рекомендовано использование приближения локального термодинамического равновесия в качестве первого приближения в кинетических расчетах.

15. Представленные модель и численный метод- решения многомерных уравнений гидродинамики и турбулентного гомогенного и гетерогенного горения с учето!.. конечной кинетики химических реакций рекомендованы для решения аналогичного класса задач, в^иолнения широкого класса фундаментальных исследований в области гидродкиг:-.;:«.;: :< горения двухфазных потоков, предсказания динамики топливных частиц в камерах сгорания, толочуых устройствах н газогенераторах, описания поведения

минеральных компонентов, процессов в устройствах очистки газообразных продуктов от летучей золы и вредных примесей, а также получения необходимой информации при усовершенствовании существующего и проектировании принципиально нового теплоэнергетического оборудования.

Основное содержание диссертации опубликовано в следуацих работах:

1. Асланян. Г. С., Сипоноб В. Н., Тюрин Ю. А. Новые источники в методы преобразования энергии. М.: СЭВ. ) 18 с. 1981.

2. Асланян Г. С., Гшебскал И.Ю., Штшльраш Э.Э., Влияние парокис-лородного дутья на газификацию углерода. НТ N с. 90-98. 1984.

3. Асланян. Г. С., Волошиноб В. В. Модельная оптимизация времени гидрогенизации угля //Изв. АН: Энергетика и транспорт. N *■ о. 111-119. 1986.

4. Асланян Г. С. Развитие экологически чистых угольных технологий в США. /ЛЬв. АН СССР: Энергетика и транспорт. N 4. с. 111-119. 1988.

Ь. Асланян Г. С., Шпиль райн Э.З., Кузькиной В. А. Твердое солнце Земли. М.: Наука, 176 с. 1990.

6. Асланян Г.С., Ибаноб П., Нунбеэ С.С. Влияние свойств угля в параметров дутья на равновесную температуру газификации. //Проблемы газификации углей: Сб. докладов всесоюзного симпозиума. Красноярск, с.60-63. 1991.

7. Асланян Г.С., Директор А.Б. Исследование процесса воспламенения одиночной угольной частицы. //Проблемы газификации углей: Сб. докладов всесоюзного симпозиума. Красноярск, с. 66-73. 1991.

8. Асланян Г. С., Директор А. Б.. Численное исследование процессов тепло и массообмена вокруг горящей угольной частицы. Теплофизика высоких температур. Т.21 с. 570-576, 1991.

9. Асланян Г. С. , Ибаноб П. П., Нукбез С. С. Термодинамический анализ процессов горения и газификации угля в приближении равновесия гомогзнных реакций //ХТТ, N 4, ,1993.

10. ¿слонян Г. С., Найкоб И. А. Моделирование процессов турбулентного горения осесимметричного потока газообразного топлива в приближении локального термодинамического равновесия. Препринт ИВТАН, № -364. М.: с. 18. 1993.

11. Лсланян Г.С., Ибаноб П.П. , «укбеэ С.С. Программы расчета состава, термодинамических и перекосных свойств многокомпонентных химически реагирующих гетерогенных систем Препринт ИВТАН, N3 -374. с. 54. М.: .1994.

la. Асланян Г. С.. Найкоб И. А., ФилипоноЬа И.З. Моделирование горения угольных частиц в турбулентном потоке. Физика Горения и Взрыва. Ж 1994 (а).

1з. Аслан ян Г. С., Майк об И. А., Филилоно6а И.З. Моделирование процессов горения в осесимметричных камерах. Теплоэнергетика N11, 1994 (б).

14. Аслан.* м Г. С., МаОхоб И. А. Моделирование процессов турбулентного горения пылевидного топлива в термодинамическом я кинетическом приближениях. Препринт: ИВТАН N-2-375. с. 61. П.: 1994(a).

15. Асланян Г. С.. На to об И. А. Численное исследование влияния турбулентности на процессы горения. Теплофизика высоких темпратур, N3, 1994 (б).

16. Асланян Г. С., /IашоЬ И. А.. Модель процессов горения в двухфазных турбулентных потоках, tía тематическое моделирование. 1994 (в).

17. Асланян Г. С., ИЬаноб П. П., Нвдш С. А. Анализ эффективности схем парогазовых установок с двухступенчатым сжиганием угля в двух составлявших бинарного цикла. Теплоэнергетика N12, 1994

18. Асланян. Г.С. Фильтоноба И.З. Разработка одномерной математической модели и расчет сжигания полидисперсного спутного потока пылеу-голького топлива. Препринт: ИЗТАН М-4. -Н.: с. 1994 (а).

19. Асланян Г.С, ФчлшюноЬа И.З. Расчет сжигания спутного потока пылеугольного топлива в одномерной камере, Теплофизика высоких температур. N3, 1994 (б).

20. ¿alanien O.S, Coal procasoing technology In the USSR// Intern. Seainar on Nuclear Mar, 6-th Seeoion, 2ri.ee, August 17-22, 1906.

21. Aaianian Q.S.. Sbeindlln A.E., Shpllrain E.E. Coal liquefaction technology in the USSR// Fuel, V.66, H. 2, 198?.

22. Aslanlan O.S.. Smith X.if. An investigation of coal'particle ignition //Advanced energy technology. /Second USSR-Australian Workshop. Ed.by G.S.Aslanian. Moscow! Institute for High Tenperatures of the USSR Acadeay of Sciences, p. 364. 1937.

23. Aslaniari (7.5., Director L.D. A generalized modal for temperatura history of a devolatilizing .coal particle. //Joint taeet. of the Brit, and French section of the Coabust. Inst. Rouen (Franca), 1989.

24. Aslaniari I.S.. Director L.B., Salth X.V. A new sodel for the prediction of tha tenperature history of a devolatilizing coal particle// Proc. of the U4SR-Australia Workshop on Advanced Fossil Fuel Based Energy Technologies. 20-21 June, 1989, Sydney.

25. Jslanian G.S., Demirchiai. r s. Electrophysical methods of

treataent of flu« gaa'aa in enargy, metallurgy and other sectors// Proc. of tha 3rd USSR-Australia Workshop on Advanced Fossil Fuel Baaed Energy Technologies, Sydney. June 20-21, 1989.

20. Apian I an a. s., Slmonor V.H.. Shpilrain E.E. Environmental

impact and pollution control of synfuels production// XI Sovetsko-

»

Yaponakiy seainar po snjjrgetike i ekologii, Tokyo. Noveaber 18-21, 1989.

27. iUlanian o.s., Demtrchlan K.S., Rlzakhanor R.N. RtD activities on flue gases clean-up electrophysical technology// XI Soviet-Japan Seainar on energy and ecology, Tokyo. Noveaber 18-21, 1989.

28. Aslanian a.S. Status-Report on Clean Coal Technologies. //Conference on Clean Coal Technologies, Cottbus, Germany, 1-5 April, p. 140-204. 1991.

29. As1 anion O.S, and Kouzalnov V.J. Clean Coal Technologies: Options and State-of-the Art. //International Conference on Environmentally Sound Coal Technologies: Policy Issues and Options, Beijing, 2-6 December 1991.

30. Xsianian O.S, and Kouzmlnor r..A. Clean coal in the world energy scene: proaises and constrains. Perspectives in Energy, V. 1, p. 319-328. 1991.

31. Aalanlan O.S. Clean Coal Technologies /Conference on Clean Coal Technologies, Cottbus (FRG), April 3-5, Venice, Italy, p.140-204. 1991.

32. AmJanian O.S. Clean Coal Technologies: Options and Research Activities /Proceedings of First Energy Conference Israel-foraer USSR, Beer-Sheva, Israil, May 13-15, p.28-39. 1991.

33. Aslanian O.S. Clean coal technology options. Proceedings of International Symposium on Environaentally Sound Energy Technologies and Their Transfer to Developing Countries and European Econoaies in Transition (ESETT'91), Milan, Italy, October 21-25, 1991.

34. Aalanlan O.S. A Computerized Guideline on Environmentally Clean Coal Technologies. /Proceedings of Fourth 'MIEC Conference "Energy at the End of Century", June 14-18, M: Hauka, p.293-306. 1993.

Литература

Baker Я. J., Hutchinson P., Khali 1 JT. C., Vhiteiav J.H. . Measurement of three orthogonal velocities coaponanta In confined co-axial jet flow« with and without svirl and combustion. 15th Symposium (Int.) on Combuatlon, Combuatlon Inatitute, Pittsburgh, PA, p.533-560. 1974.

Brotrn B. v.. Smith P. J.. Smoot L.D. Redman P.O. Heasureaent and Prediction of Entrained-Flow Gasification Processes. AIChe Journal V.34, N.3. p. 435-446. 1988

Cell с 1. , Isothermal prediction of particle end gaa flow In a co-al-flrad reactor. Particulate Science and Technology. V. 6. 1988.

Farzan R.. Kaaenhlgh ff.lt. High intensity combustion of coal, nineteenth Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh, PA. p.1105-1111. 1982.

Field И.Л., Fill D.U.. Morgan 8.B. and Havkaley P.O.*. Combustion of Pulverized Coal. BCURA, Leaherhead, England, 1967.

Gunther R. , Lenze В . Exchange coefficients and mathematical aodel of jet diffusion fluaea. Fourteenth Syapoalus (International) on Combustion, Combustion Institute, Pittsburgh, PA, p.675-687. 1973.

Ял bib If. Л., Vhltelav I.B. Velocity characteristics of a confined coaxial jet. J. of Fluids Engineering. Deceaber.V.101, p.521. 1979.

Patanfear S. V. numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere. Washington. 1980. ,

Sato П., Fukal, Itlura 7., Ohtanl S., One Aspect of Coal Combustion Simulation, Coal Cobustlon Conference, China, 1987.

Smoot L.D.. Pratt D.T. Pulverised coal coabustion and gasification. Flenua Presa. Hew York. 1979.

Smoot L.D., Smith P.J. Coal combustion and gasification. Plenum Press. New York and London. 1984.

Spalding D.B. GEKMIX: A General Cooputer Program for Two-'dimensional Parabolic Phenomena. Pergaaon Press, London, 1977.

Suzuki T..Saoot L.D.. Fletcher Т.Н., Smith P.J. Prediction of High-Intensity Pulverized Coal Combustion. Coabust. Sci. and Tech., V.45, p.167-183, 1986.

Takagl T., Shim И., Ishlo Л. Properties of Turbulence in Turbulent Diffusion Flames, Combustion and Flame, V.40, p.121. 1981. V.45. p.167-183. 1986

Thurgood J.R. , Smoot L.D. , Hedman P.O. Rate measurements in a laboratory-scale pulverized coal combustion. Combust. Sci. and Tech., 1980, V.21, p.213.

Условные обозначения

а - частотный фактор в зависимости Аррениуса, содержание золы в - параметр массового и теплового переноса с поверхности частицы 1» - массовая энтальпия компонента (кДж/кг) ан - тепловой эффект реакции (кДж/кг) ■ - масса частицы Скг) п • плотность частиц (1/м )

* - температура СК) » - давление (МПа)

Р - плотность (кг/м )

v - массовые доли летучих, концентрации газообразных компонентов т. V -векторы скоростей газа и частиц (м/с)

V, с, и - радиальная, осевая и тангенциальная составляющая скорости газа (м/с)

V, и, » - радиальная, осевая и тангенциальная составляющая скорости

частиц (м/с) о - коэффициент диффузии (м /сек) в - массовые потоки 1кг/с) в - источниковые члены С - функция смешения, коэффицент трения с - константы Ср - теплоемкость (кДж/кг) к - энергия турбулентных пульсаций (и*/су | - плотность радиационного потока (кДж/м /с)

9 - среднеквадратичная флуктуация функции смешения, ускорение

свободного падения (кг/с) х, г - продольная и радиальная координаты (ы) г, а - радиус и диаметр частицы (м) Г - эффективный коэффициент переноса

Ч - скорость, выхода влаги и летучих, выгорания углерода (кг/с) О - тепловой поток на стенке (кДж/м) _

Я - удельная скорость гетерогенной (кг/слг) и гомогенной реакций

(кмоль/м/с), скорости образования компонентов, кг/(мсек) ве -числа Рейнольд</а Д, ь- диаметр и длина камеры (м)

д - диаметр отверстия ввода в камеру/реактор потока, м; К - константа скорости реакции (1/с)

К - коэффициенты поглощения, рассеяния и ослабления излучения в - избыток окислителя, коэффициенты теплообмена £ - эффективности поглощения и рассеяния излучения частицей с - скорость диссипации турбулентных пульсаций (м^/с )

V - кинетическая вязкость (»г/с), стехиометрический коэффициент и - дпамическая вязкость (кг/м/с), молекулярный вес компоненты х - коэффициент теплопроводности (Вт/м/Ю

V - постоянная Стефана-Больцмана (Вт/м /к*), эмпирические константы

• - основная переменная

ч - функция смешения газового потока с поверхности частицы С - коэффициент распределения тепловыделения гетерогенных реакций в - скорости рециркуляции, поступления вторичного потока, образования компонента в единице обьема (кг/м /с)

№дексы

г - газ, а - зола, у - влага, л -диффузионные процессы, » - летучие, с - углерод, к - кокс, конвекционный теплообмен, г»т - гетерогенный, т- теплообмен, ч -частица, ст - стенка, г - уголь, » - турбулентный, » - ламинарный, I - номер газоьой компоненты, к - номер реакции, ^ -частица, фракция топлива, с* -стехиометрия, « - стенка, тр - трение, рад - излучение, п - поглощение, р - рассеяние, рв - рециркуляция

♦ положительное и отрицательное направления осей координат