ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2015, № 2, с. 17-23
УДК 536.468
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ЧАСТИЦ УГЛЯ В ПОТОКЕ ВОЗДУХА1 © 2015 г. Д. О. Глушков, Г. В. Кузнецов, П. А. Стрижак
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
E-mail: pavelspa@tpu.ru Поступила в редакцию 12.02.2014 г.
Выполнено численное исследование взаимосвязанных процессов тепломассопереноса с учетом термического реагирования органической части топлива при газофазном зажигании в потоке воздуха частиц угля размерами от 50 до 500 мкм. Установлены минимальные температуры воздуха, при которых в среде окислителя происходит воспламенение летучих веществ. Вычисленные значения ниже уровня предельно допустимых температур на отдельных участках систем пылеприготовления тепловых электростанций, работающих на угольном топливе.
Б01: 10.7868/80023117715020036 Введение
Несмотря на реализуемые во многих развитых странах программы повышения энергоэффективности и энергосбережения, потребность в энергоресурсах постоянно растет [1]. При этом в ряде государств планируется сокращение доли атомной энергетики в общей энергосистеме страны. Альтернативные источники, по объективным причинам, не находят широкого применения в промышленно развитых странах [2, 3]. В таких условиях тепловые электростанции (ТЭС) — основные резервы энергетики будущего.
Перевод ТЭС на природный газ не является в долгосрочном плане эффективным мероприятием в первую очередь по причине ограниченности запасов газа [4, 5]. Его использование в качестве основного топлива тепловых электростанций не всегда эффективно. В связи с этим основным и, возможно, единственным топливом для ТЭС в будущем станет уголь.
На протяжении последних лет в нескольких республиках бывшего СССР приняты программы перевода ТЭС на низкосортное твердое топливо. В связи с этим возникает целый ряд проблем, связанных в основном с аварийными ситуациями (например, возгорание и последующий взрыв на Углегорской ТЭС в Украине в 2013 г.) [6]. Основными причинами таких происшествий специалисты, как правило, называют несоблюдение норм безопасности и износ оборудования [6]. Од-
1 Работа выполнена в рамках проекта некоммерческого международного партнерства "Глобальная энергия" (проект МГ-2014/04/3) и НИР Госзадания "Наука" (шифр федеральной целевой научно-технической программы 2.1321.2014).
нако нередко экспертные комиссии устанавливают очаги возгораний и взрывов на участках производства, где по принятым в настоящее время технологиям это невозможно при соблюдении требуемых мер безопасности. В частности, следует отметить аварии на ТЭС [6—8] в системах пыле-приготовления. Несмотря на увлажнение топлива и относительно невысокие (меньше допустимых) температуры окружающей среды, возможны аварийные происшествия, приводящие к тяжелым последствиям. Целесообразным представляется проведение исследований процессов тепломассо-переноса, фазовых превращений и химического реагирования при подготовке типичного твердого топлива ТЭС (угольной пыли) к сжиганию в топке котла.
Известные эмпирические и аналитические подходы показали ограниченность своего потенциала. Экспериментальные исследования характеризуются повышенной пожаровзрывоопасно-стью, поэтому математическое моделирование может быть эффективным инструментом анализа рассматриваемых физико-химических процессов и определения условий, достаточных для зажигания угольной пыли в среде подогретого до относительно невысоких температур воздуха. Результаты исследований [9—11] показывают, что изучение этих процессов, как правило, сводится к анализу условий инертного прогрева и выхода летучих веществ одиночных частиц угля малых размеров (до 500 мкм). При этом используются или относительно простые модели зажигания частиц твердого топлива [12], или слишком сложные [13, 14], для реализации которых необходимы десятки эмпирических постоянных. Определение же по-
следних представляет самостоятельную достаточно сложную задачу.
Цель настоящей работы — численное исследование газофазного зажигания частиц угля в потоке воздуха при максимально допустимых по нормативам [11] температурах работы типичных систем приготовления топлива пылеугольных ТЭС [9-11, 15].
Постановка задачи
При постановке задачи возможны разные подходы к выбору модели исследуемого процесса. Так, например, частицы угля могут содержать влагу, которая при испарении будет в определенной степени влиять на все физико-химические процессы, протекающие в твердом топливе. При анализе химического взаимодействия выделившихся летучих веществ с окислителем нужно учитывать многокомпонентность последних. Также в ряде случаев структурная неоднородность угля (как исходная, так и на всех стадиях его термической конверсии) может влиять на интегральные характеристики зажигания [14]. Попытка учета всех перечисленных выше факторов не только усложняет задачу в части ее решения и последующего анализа результатов, но и приводит (это, возможно, основная проблема) к необходимости определения большого числа эмпирических постоянных, что в некоторых случаях даже невозможно, поэтому при постановке задачи рассматривался вариант физической и соответственно математической модели, для замыкания которой достаточно известных теплофизических и эффективных кинетических характеристик процессов,
Рис. 1. Схема области решения задачи при 0 < т < : 1 — частица угля, 2 — воздух.
протекающих при нагревании углей до относительно умеренных (T < 500 К) температур.
На рис. 1 представлена схема области решения рассматриваемой задачи. В газовой смеси выделялась область, существенно (в 5 раз) превышающая размеры частицы угля. Решалась осесиммет-ричная задача тепломассопереноса в сферической системе координат, начало которой совпадало с осью симметрии частицы угля. Предполагалась следующая модель физико-химических процессов, предшествующих непосредственному горению (появлению видимого пламени). Частица угля сферической формы с характерным размером Rp (Rp = R1 на рис. 1) и начальной температурой ©0 вводится в газовую среду (воздух) с температурой ©g (0g> ©0). За счет радиационного и кондуктив-ного теплообмена на границе воздух—частица происходит прогрев угля. Теплоперенос в частице реализуется за счет теплопроводности. При повышении температуры выделяются летучие вещества органической части топлива и вдуваются в окружающий воздух (окислитель). Прогрев газовой смеси ускоряет процессы окисления. Зажигание происходит при критических температурах и концентрациях горючих газов.
Наиболее широко при анализе твердофазных, газофазных и гетерогенных механизмов зажигания используются три критерия инициирования горения конденсированных веществ [16, 17]:
1) критерий Я.Б. Зельдовича — по времени установления нулевого градиента температуры на границе вещество — источник нагрева;
2) критерий Д.А. Франк-Каменецкого — по резкому росту температуры в зоне химической реакции и скорости выгорания вещества;
3) критерий А.А. Ковальского — по установлению равенства теплоприхода в результате протекания химической реакции в веществе и теплоот-вода из зоны химической реакции.
Анализ условий протекания рассматриваемого процесса (рис. 1) показал, что применение одного из перечисленных выше критериев [16, 17] не в полной мере учитывает специфические особенности химического реагирования в частице и окружающей газовой среде. Возможна реализация условий протекания исследуемого процесса, при которых на границе частица — внешняя газовая среда установится нулевой градиент температур или скорость теплоприхода в результате протекания химической реакции и скорость теплоот-вода из зоны экзотермической реакции будут равны. Однако уровень разогрева формирующейся газовой смеси будет недостаточен для ускорения реакции окисления и последующего зажигания, поэтому при численном моделировании использовались два критерия зажигания, совместное применение которых хорошо апробировано при решении группы задач инициирования
горения жидких и твердых топлив при локальном нагреве [18—20]:
1) тепло, выделяемое в результате химической реакции окисления продуктов газификации органической части топлива в воздухе, больше тепла, поступающего в частицу из газовой среды;
2) температура газовой смеси превышает начальную температуру воздуха
Для однозначности интерпретации результатов исследования введены следующие понятия. Время с момента ввода частицы в разогретую (Т < 500 К) газовую среду до реализации условий зажигания считалось временем задержки зажигания ха. Минимальная температура окружающей
газовой среды (Уж ), достаточная для зажигания смеси воздуха и летучих веществ органической части угля, принималась в качестве предельной.
Математическая модель и методы решения
Система нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений тепломассопереноса в частных производных, записанная в безразмерных переменных с учетом процессов газификации угля и окисления летучих веществ, в соответствии с основными положениями современной теории [16, 17, 21] диффузии и теплопередачи в химической кинетике при 0 < т < имеет следующий вид (рис. 1).
Уравнение энергии для частицы (0 < Я < Я^:
д&1 = ± _д_ Бо1 дт Я2 дЯ
Я
2 д®1
дЯ ]
ЪГ,-
(1)
Уравнение энергии для смеси воздуха и горючих газов (Я1 < Я < Я2):
1 д&2 = X _д_
Бо2 дт Я2 дЯ
Я
2 д©2 дЯ
+ БГ2
(2)
дУж
дт
3 Я 2 дЯ
Я
■дь.
дЯ
- Бг4.
(3)
Уравнение баланса газовой смеси (Я1 < Я < Я2):
У ж + У 0 = 1. Безразмерные комплексы:
§г = 0^ . §г = 02^2Г,2
1 А^ДТ ' 2 X 2Д Т
(4)
Бг3 =
А?
2 2 .
2
Бг4 =
Р2
ти решения, м; X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К); АТ — разность температур (ДТ = = Тт — Т0), К; Тт — масштаб температуры, К; Т0 — начальная температура частицы, К; 02, Ж2 — тепловой эффект и массовая скорость реакции окисления летучих веществ, соответственно Дж/кг, кг/(м3 • с); Б2 — коэффициент диффузии, м2/с; ,т — масштаб времени, с; р — плотность, кг/м3; т — безразмерное время (т = ,/,т); Я — безразмерный аналог координаты г (Я = г/гт); Fo — число Фурье; © — безразмерная температура (0 = Т/Тт); у0, уе — безразмерные концентрации окислителя (воздуха) и продук
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.