УДК 662.613+536.7+541.123.7+546
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СУБМИКРОННЫХ ЧАСТИЦ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В ПРОДУКТАХ СГОРАНИЯ УГЛЕЙ
© 2015 г. Н. М. Корценштейн, Л. Н. Лебедева, Л. В. Петров, Е. В. Самуйлов
ОАО "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского", 119991 Москва, Ленинский проспект, 19 E-mail: naumkor@ yandex.ru Поступила в редакцию 01.10.2014 г.
Проведен термодинамический анализ состава продуктов сгорания 15 видов углей с учетом и без учета алюмосиликатов калия и натрия. На основе полученных результатов предложена замкнутая модель образования субмикронных частиц в продуктах сгорания углей, позволяющая получить оценку сверху на содержание субмикронных частиц в этих продуктах. С использованием компьютерной реализации предложенной модели проведено численное моделирование объемной конденсации паров сульфата калия в потоке продуктов сгорания при их охлаждении в технологическом тракте. Получены данные по счетной концентрации и распределению по размерам образующихся частиц. При разумном значении свободного параметра модели получено согласие с экспериментальными данными по среднему размеру частиц.
DOI: 10.7868/S0023291215020093
ВВЕДЕНИЕ
Присутствие высокодисперсных частиц в воздушной среде является экологически опасным [1], что нашло отражение в ограничениях на концентрацию частиц класса PM25, т.е. размером менее 2.5 мкм, в национальном стандарте США качества окружающего воздуха NAAQS. Одним из источников указанного вида загрязнения атмосферы является эмиссия субмикронных частиц при сжигании углей. В этом случае опасность представляют не только сами частицы, но также и то, что на их поверхности могут конденсироваться различные вредные вещества, например, некоторые токсичные микроэлементы, содержащиеся в углях [2—4]. Вероятным механизмом образования субмикронных частиц считается объемная конденсация паров веществ, образующихся из минеральной части углей в процессе горения ("solid—vapor—particulate pathway" [5—7]). Для эффективного улавливания указанных частиц необходимо знание параметров образующихся при горении конденсационных аэрозолей, таких как счетная концентрация частиц и распределение их по размерам, что может обеспечить численное моделирование процесса объемной конденсации. Применительно к продуктам сжигания углей, представляющих собой многокомпонентную реагирующую систему, целесообразно применение комплексного — термодинамического и кинетического — подхода [8]. В соответствии с этим подходом, на первом этапе (см. рис. 1) методами хи-
мической термодинамики определяются составы газовой и конденсированных фаз, последовательность конденсации различных веществ по мере понижения температуры продуктов сгорания вдоль технологического тракта. С учетом результатов термодинамического анализа на втором этапе из решения кинетического уравнения объемной конденсации определяются искомые параметры конденсационного аэрозоля.
Предметом исследования в данной работе были продукты сжигания 15 видов энергетических углей различных месторождений России и некоторых других стран. Для изучения механизма образования высокодисперсного зольного уноса
(пар???) ^ капли
Необходимо ответить на три вопроса
В многокомпонентной реагирующей системе ответы на эти вопросы могут быть получены на основе термодинамического анализа
1. При какой температуре достигаются условия насыщения?
2. Что конденсируется?
3. По какому пути протекает процесс конденсации?
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая комплексный подход к моделированию объемной конденсации в многокомпонентной реагирующей системе. Этап I.
1Е-7
1Е-9
1Е-11 1Е-13
400 800 1200 1600 2000 2400 2800
т, К
Рис. 2. Числа молей компонентов, содержащих калий, в продуктах сгорания донецкого угля (с учетом алюмосиликатов калия). Обозначения: пунктир - газовая фаза, сплошная линия - конденсированная фаза; 1 - К2804, 2 - КАШгО*, 3 - КАШзО*, 4 -
КАШО*, 5 - К28130*, 6 - К2804, 7- КОН, 8- К, 9 -КО, 10 - К2О. Звездочками обозначены компоненты в конденсированной фазе.
представляют интерес вещества, которые при сжигании угля испаряются при топочных температурах, и далее при охлаждении, вследствие объемной конденсации, из них могут образоваться субмикронные частицы летучей золы. К наиболее летучим из золообразующих элементов угля относятся калий и натрий. Поэтому именно они были выбраны для проведения термодинамического анализа образования и конденсации паров этих элементов и их соединений при сжигании углей.
Для исследования были выбраны угли Березовского, Кузнецкого, Печорского, Подмосковного, Донецкого (Украина), Экибастузского (Казахстан) бассейнов и угли Хабаровского края, Чукотки и Республики Саха (Якутии) [9], а также четыре вида углей Китая (см. [5]). Следует отметить, что состав углей изменяется в широком диапазоне: зольность варьируется от 5.75 до 48.0%, содержание серы - от 0.3 до 6.5%, калия - от 0.4 до 3.5%, натрия - от 0.2 до 1.9%.
ЭТАП I. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
Состав продуктов сгорания угля в зависимости от температуры был рассчитан с помощью модернизированной компьютерной программы ТЕТРАН, реализующей метод расчета состава и свойств многофазных реагирующих систем [10], разработанной под руководством одного из авторов работы (Е.В. Самуйлова). Необходимая информация о
1Е-7 1Е-8 1Е-9 1Е-10 1Е-11 1Е-12
400 800 1200 1600 2000 2400 2800
т, К
Рис. 3. Числа молей компонентов, содержащих калий в продуктах сгорания донецкого угля (без учета алюмосиликатов и силикатов калия). Обозначения: пунктир - газовая фаза, сплошная линия - конденсированная фаза; 1 - К2804, 2 - КОН, 3 - К2804, 4 -К, 5 - КО, 6 - К202Н2, 7 - К20.
термодинамических свойствах индивидуальных веществ взята из [11-13]. Всего в расчетах учитывали 194 вещества, образованные атомами 14 элементов. С учетом представленной в [14] информации расчеты выполнены для четырехфазной системы - газовая фаза и три конденсированные -для различных вариантов: с учетом только алюмосиликатов калия и натрия, только сульфатов щелочных металлов или только хлоридов, а также для смешанных систем, включающих и те, и другие соединения. При таком подходе рассмотрен весь возможный температурный диапазон перехода соединений калия и натрия в газовую фазу. Коэффициент избытка окислителя (воздуха) был принят равным 1.2. Результаты термодинамического анализа применительно к рассмотренным углям частично приведены в работе авторов [15].
Согласно результатам расчетов (рис. 2, 3 и табл. 1), для большинства углей, содержащих калий и натрий в виде алюмосиликатов, присутствие этих элементов в газовой фазе возможно при температурах выше топочных. Как было установлено в [16], главным фактором, влияющим на температуру перехода в конденсированную фазу соединений калия и натрия, является соотношение Са/81. Угли с соотношением Са/81 < 1 имеют значительно более высокие температуры существования газообразных форм этих элементов по сравнению с углями с соотношением Са/81 > 1. Из всех рассмотренных углей только угли разреза Березовский и Yanzhou (КНР) имеют соотношение Са/81 > 1, и состав минеральной части угля практически не влияет на переход соединений калия и
Таблица 1. Температуры перехода в конденсированную фазу соединений калия и натрия в продуктах сгорания рассмотренных углей с учетом (с/у) и без учета (б/у) алюмосиликатов калия и натрия
№ Уголь Са/Я1 Калий с/у Калий б/у Натрий с/у Натрий б/у
1 Красноярскуголь, разрез Березовский, РФ 1.5 1250 1250 1300 1050
2 Кузнецкий бассейн, СС2ССРОК1, РФ 0.1 2650 1400 1850 1150
3 Кузнецкий бассейн, разрез Моховский, РФ 0.72 1850 1350 1600 1100
4 Кузнецкий бассейн, разрез Моховский, РФ 0.77 1600 1250 1650 1100
5 Печорский бассейн, шахта Воркутинская, РФ 0.06 2800 1400 1950 1150
6 Подмосковный бассейн, шахта Новомосковская, РФ 0.11 2600 1350 1700 1050
7 Хабаровский край, Ургальское месторождение, РФ 0.04 2700 1300 2000 1100
8 Чукотка, месторождение Бухта Угольная, РФ 0.128 2550 1350 1850 1150
9 Республика Саха, Нерюнгринское месторождение, РФ 0.10 2550 1300 1800 1100
10 Донецкий бассейн, А, штыб, СШ, Украина 0.06 2800 1500 1950 1350
11 Экибастузский бассейн, Казахстан 0.028 2800 1400 1850 1100
12 Yanzhou, КНР 1.4 1300 1300 1300 1050
13 YZLS, КНР 0.22 2050 1350 1600 1050
14 ВаоЮи, КНР 0.447 1800 1300 1550 1050
15 Wangfg, КНР 0.15 2400 1300 1700 1050
натрия в газовую фазу. В этом случае они могут образовывать газообразные соединения при температуре -1250-1500 К (калий) и -1050-1350 К (натрий), пары которых при охлаждении конденсируются, главным образом, в виде сульфатов. Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными работы [5], согласно которым сульфаты щелочных металлов - главная составляющая фракции зольного уноса с размером частиц 0.06 мкм. Следует отметить, что температура конденсации соединений калия выше, чем соединений натрия (см. табл. 1). По этой причине на следующем этапе рассматривалась конденсация сульфата калия. Предполагалось, что образующиеся частицы сульфата калия будут центрами конденсации для других испаренных веществ при понижении температуры продуктов сгорания в технологическом тракте.
ЭТАП II. КИНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
На втором (кинетическом) этапе исследования рассматривалось стационарное одномерное течение продуктов сгорания в канале постоянного сечения с постоянной скоростью и заданным осевым градиентом температуры, моделирующим охлаждение продуктов сгорания в технологическом тракте. Принятая модель процесса образования субмикронных частиц в продуктах сгорания углей включала:
1) образование конденсирующегося компонента (сульфата калия) в газовой фазе в приближении термодинамического равновесия без учета алюмосиликатов;
2) образование конденсационного аэрозоля сульфата калия с учетом кинетики процесса.
Данная модель без учета образования алюмосиликатов позволяет получить оценку сверху для содержания субмикронных частиц в продуктах сгорания углей.
Движущей силой процесса конденсации является превышение парциального давления конденсирующегося компонента относительно равновесного значения при заданной температуре, характеризуемое степенью пересыщения. Применительно к рассма
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.