Численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля

Рассмотрена проблема стабилизации горения низкореакционных углей без использования природного газа или мазута. Проведена оценка с помощью методов вычислительной аэрогидродинамики эффективности термохимической подготовки высокозольного угля при его нагреве продуктами сгорания природного газа и водоро...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2010
Автори:	Костюк, В.Е., Канило, П.М., Соловей, В.В., Костенко, К.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України 2010
Теми:	Нетрадиционная энергетика
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10931
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля / В.Е. Костюк, П.М. Канило, В.В. Соловей, К.В. Костенко // Проблемы машинострения. — 2010. — Т. 13, № 1. — С. 80-88. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-10931
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-109312025-02-09T11:55:14Z Численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля Костюк, В.Е. Канило, П.М. Соловей, В.В. Костенко, К.В. Нетрадиционная энергетика Рассмотрена проблема стабилизации горения низкореакционных углей без использования природного газа или мазута. Проведена оценка с помощью методов вычислительной аэрогидродинамики эффективности термохимической подготовки высокозольного угля при его нагреве продуктами сгорания природного газа и водорода в обогащенном кислородом воздухе. Приведены результаты расчетов многоступенчатой пылеугольной горелки с закруткой воздуха и с различными вариантами запитки реактора термохимической подготовки реагентами. Показана эффективность замещения природного газа водородом и кислородом при сжигании высокозольных углей в котлах энергоустановок. Розглянуто проблему стабілізації горіння низькореакційного вугілля без використання природного газу або мазуту. Проведено оцінку за допомогою методів обчислювальної аерогідродинаміки ефективності термохімічної підготовки високозольного вугілля при його нагріванні продуктами згоряння природного газу та водню в збагаченому киснем повітрі. Наведено результати розрахунків багатоступінчастого пиловугільного пальника із закрученням повітря та з різними варіантами живлення реактора термохімічної підготовки реагентами. Показано ефективність заміщення природного газу воднем і киснем при спалюванні високозольного вугілля у котлах енергоустановок. 2010 Article Численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля / В.Е. Костюк, П.М. Канило, В.В. Соловей, К.В. Костенко // Проблемы машинострения. — 2010. — Т. 13, № 1. — С. 80-88. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0131-2928 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10931 622.61,537.533 ru application/pdf Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Нетрадиционная энергетика Нетрадиционная энергетика
spellingShingle	Нетрадиционная энергетика Нетрадиционная энергетика Костюк, В.Е. Канило, П.М. Соловей, В.В. Костенко, К.В. Численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля
description	Рассмотрена проблема стабилизации горения низкореакционных углей без использования природного газа или мазута. Проведена оценка с помощью методов вычислительной аэрогидродинамики эффективности термохимической подготовки высокозольного угля при его нагреве продуктами сгорания природного газа и водорода в обогащенном кислородом воздухе. Приведены результаты расчетов многоступенчатой пылеугольной горелки с закруткой воздуха и с различными вариантами запитки реактора термохимической подготовки реагентами. Показана эффективность замещения природного газа водородом и кислородом при сжигании высокозольных углей в котлах энергоустановок.
format	Article
author	Костюк, В.Е. Канило, П.М. Соловей, В.В. Костенко, К.В.
author_facet	Костюк, В.Е. Канило, П.М. Соловей, В.В. Костенко, К.В.
author_sort	Костюк, В.Е.
title	Численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля
title_short	Численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля
title_full	Численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля
title_fullStr	Численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля
title_full_unstemmed	Численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля
title_sort	численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля
publisher	Інстиут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Нетрадиционная энергетика
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/10931
citation_txt	Численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля / В.Е. Костюк, П.М. Канило, В.В. Соловей, К.В. Костенко // Проблемы машинострения. — 2010. — Т. 13, № 1. — С. 80-88. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT kostûkve čislennoemodelirovanievodorodnokislorodnojtermohimičeskojpodgotovkinizkosortnogouglâ AT kanilopm čislennoemodelirovanievodorodnokislorodnojtermohimičeskojpodgotovkinizkosortnogouglâ AT solovejvv čislennoemodelirovanievodorodnokislorodnojtermohimičeskojpodgotovkinizkosortnogouglâ AT kostenkokv čislennoemodelirovanievodorodnokislorodnojtermohimičeskojpodgotovkinizkosortnogouglâ
first_indexed	2025-11-25T22:42:49Z
last_indexed	2025-11-25T22:42:49Z
_version_	1849804004732698624
fulltext	НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 1 80 УДК 622.61,537.533 В. Е. Костюк, канд. техн. наук П. М. Канило, д-р техн. наук В. В. Соловей, д-р техн. наук К. В. Костенко* * Национальный аэрокосмический университет «ХАИ» (г. Харьков, E-mail: aedlab@ic.kharkov.ua) ** Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины (г. Харьков, E-mail: pmk@ipmach.kharkov.ua) ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНОЙ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ НИЗКОСОРТНОГО УГЛЯ Рассмотрена проблема стабилизации горения низкореакционных углей без использова- ния природного газа или мазута. Проведена оценка с помощью методов вычислительной аэрогидродинамики эффективности термохимической подготовки высокозольного угля при его нагреве продуктами сгорания природного газа и водорода в обогащенном кисло- родом воздухе. Приведены результаты расчетов многоступенчатой пылеугольной го- релки с закруткой воздуха и с различными вариантами запитки реактора термохими- ческой подготовки реагентами. Показана эффективность замещения природного газа водородом и кислородом при сжигании высокозольных углей в котлах энергоустановок. Розглянуто проблему стабілізації горіння низькореакційного вугілля без використання природного газу або мазуту. Проведено оцінку за допомогою методів обчислювальної аерогідродинаміки ефективності термохімічної підготовки високозольного вугілля при його нагріванні продуктами згоряння природного газу та водню в збагаченому киснем повітрі. Наведено результати розрахунків багатоступінчастого пиловугільного пальни- ка із закрученням повітря та з різними варіантами живлення реактора термохімічної підготовки реагентами. Показано ефективність заміщення природного газу воднем і киснем при спалюванні високозольного вугілля у котлах енергоустановок. Введение Сокращение использования природного газа и мазута в качестве вспомогательных топлив на угольных электростанциях – политико-экономический императив Украины. По- этому актуальна задача поиска технических решений, которые позволят решать проблему стабилизации горения пылеугольного топлива высокой зольности. Данная проблема может быть решена применением технологии «кипящего слоя» [1], но это требует значительных инвестиций в реконструкцию оборудования электростанций. Одним из перспективных пу- тей решения проблемы сжигания угольной пыли с низким содержанием летучих является применение плазмотермической подготовки пылевидного топлива перед сжиганием [2]. Целью настоящего исследования является оценка с помощью методов вычислитель- ной аэрогидродинамики эффективности водородно-кислородной термохимической подго- товки (ТХП) высокозольного угля в многоступенчатой пылеугольной горелке. Постановка задачи и метод решения Первая ступень многоступенчатой пылеугольной горелки (рис. 1) представляла со- бой реактор ТХП, выполненный в виде круглой трубы с внезапным расширением. Через трубу продувалась полидисперсная пылеугольная аэросмесь донецкого антрацита марки АШ с воздухом, содержащим дополнительное количество кислорода (предполагалось, что кислород предварительно смешан с воздухом на молекулярном уровне). В центре входного отверстия установлен капилляр диаметром 8 мм, через который внутрь реактора вводился НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 1 81 водород или метан. Последующие ступени горелки представляли собой надетые друг на друга коаксиальные трубы нарастающего диаметра, в зазоры между которыми вставлены кольцевые лопаточные завихрители. Через завихрители продувалась полидисперсная пыле- угольная аэросмесь донецкого антрацита марки АШ с воздухом, не содержащим дополни- тельного количества кислорода. При математическом описании физико-химических процессов в многоступенчатой горелке с реактором ТХП принимались следующие основные допущения: течение несущей газовой среды квазистационарное, турбулентное, несжимаемое, многокомпонентное, хими- чески реагирующее; скорость газофазных химических реакций бесконечно велика; газовая смесь состоит из шести химических компонентов (летучие, H2 (или CH4), O2, N2, CO2, H2O); угольные частицы сферические, полидисперсные, их горение включает процессы выхода и воспламенения летучих и выгорания коксового остатка; горение кокса, летучих, водорода и метана и описывается одноступенчатыми необратимыми химическими реакциями полного окисления; плавучестью, объемной вязкостью, вязким нагревом, лучистым теплообменом, объемом, занимаемым частицами; их турбулентным рассеиванием и влиянием на параметры турбулентности пренебрегали. Пылеугольная аэросмесь моделировалась как двухфазная смесь с эйлеровым описа- нием газовой фазы (сплошная среда) и лагранжевым описанием движения угольных частиц (траекторная модель). Взаимодействие фаз учитывалось на основе модели «частица – источ- ник в ячейке» [3], в соответствии с которой присутствие частицы в потоке проявляется через дополнительные источники в уравнениях сохранения сплошной фазы. Взаимодействие га- зофазных химических процессов и турбулентности описывалось с помощью модели разру- шения турбулентных вихрей Магнуссена–Хертагера [4]. При сделанных выше допущениях поведение газовой фазы описывается системой дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП), состоящей из осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье–Стокса, двух уравнений дифференциальной модели турбу- лентности k-ε типа [5], уравнения сохранения энергии и уравнений массовой доли химиче- ских компонентов вида 3,2,1, == ∂ ∂ ρ jS x u n j j , (1) Воздух обогащенный кислородом Пылеугольная аэросмесь Реактор ТХП ∅ 12 5 Водород или метан Пылеугольная аэросмесь 450 ∅ 2 30 ∅ 3 60 ∅ 5 30 500 500 1500 Воздух Рис. 1. Многоступенчатая пылеугольная горелка с реактором ТХП НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 1 82 3,2,1, == ∂ τ∂ − ∂ ∂ − ∂ ∂ ρ jS xx p x uu fi j ij ij ij , (2) 3,2,1, PrPr т т == ∂ ∂ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ μ + μ ∂ ∂ − ∂ ∂ ρ jS x h xx hu q jjj j , (3) 3,2,1,0)(т ==ε−ρ− ∂ ∂ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ σ μ +μ ∂ ∂ − ∂ ∂ ρ jG x k xx ku jkij j , (4) 3,2,1,0)( 21 т == ε ε−ρ− ∂ ε∂ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ σ μ +μ ∂ ∂ − ∂ ε∂ ρ εε ε j k CGC xxx u jij j , (5) 3,2,1, т т =+= ∂ ∂ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ μ + μ ∂ ∂ − ∂ ∂ ρ jSR x Y ScScxx Yu ii j i jj ij (6) где uj – декартовы компоненты вектора осредненной скорости газа; хj – декартовы координа- ты; Sn – источник массы, соответствующий переносу массы в газовую фазу от реагирующих частиц; ρ – плотность газа; p – давление газа; ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ μ+μ=τ i j j i тij x u x u)( – компоненты тензо- ра напряжений; μ – динамическая вязкость; μт – турбулентная вязкость, определяемая по формуле Колмогорова–Прандтля [6]; iiuuk ′′= 2 1 и 2 2 1 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ′∂ + ∂ ′∂ ν=ε j i i j x u x u – соответственно кине- тическая энергия турбулентности и удельная скорость ее диссипации; iu′ – возмущения ско- рости газа относительно осредненного значения; ν – кинематическая вязкость; Sfj – источник количества движения, обусловленный межфазным взаимодействием; ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +Δ= ∫∑ T T pifi i i dTTchYh 0 )(0 – удельная энтальпия; Yi – массовая доля химического компо- нента i; 0 fihΔ – удельная энтальпия образования химического компонента i; T и Т0 – темпера- тура газа и стандартная температура соответственно; cpi – удельная теплоемкость химиче- ского компонента i при постоянном давлении; Pr – число Прандтля; Prт – турбулентное чис- ло Прандтля; Sc – число Шмидта; Scт – турбулентное число Шмидта; Sq – источник теплоты, обусловленный межфазным взаимодействием с частицами; ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ μ= i j j i j i x u x u x uG т – член, ха- рактеризующий генерацию кинетической энергии турбулентности за счет сдвиговых напря- жений; σk, σε, σт, Сε1, Сε2, Cg и Cd – эмпирические коэффициенты; Si – источник массовой доли химического компонента i, обусловленный межфазным взаимодействием с частицами; ∑= k iki RR – массовая скорость образования (расходования) химического компонента i; Rik – массовая скорость образования (расходования) компонента i в реакции k, определявшаяся по модели Магнуссена–Хертагера [4] как меньшая (т. е. лимитирующая) величина, получаемая из двух выражений j N j jk iikik k iikik Mv Y k BMvR Mv Y k AMvR ∑ ∑ ′′ ⋅ ε ρ′=⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ′ ε ρ′= п п рр р ,min , , НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 1 83 где Yp – массовая доля конкретного реагента; kpv .′ – стехиометрический коэффициент кон- кретного реагента в реакции k; Мp – молекулярная масса конкретного реагента; Yп – массовая доля продукта реакции; kiv .′ – стехиометрический коэффициент реагента i в реакции k; Мi – молекулярная масса химического компонента i; kjv .′′ – стехиометрический коэффициент про- дукта j в реакции k; N – количество продуктов в реакции k; Мj – молекулярная масса продук- та j; А, В – эмпирические коэффициенты. Система ДУЧП (1)–(6) является незамкнутой. Необходимая для ее замыкания связь между термодинамическими переменными p, T и ρ устанавливается уравнением состояния смеси идеальных газов ∑= i i i M YTRр ρ , где R – универсальная газовая постоянная; Мi – молекулярная масса химического компонен- та i. Для определения источниковых членов Sn, Sfi, Sq, Si в уравнениях (1)–(3), (6) исполь- зовалась модель межфазного взаимодействия, реализуемая поочередным решением уравне- ний дисперсной и непрерывной фаз до тех пор, пока решения обеих фаз не установятся. Весь диапазон начальных размеров угольных частиц делился на конечное число дис- кретных интервалов; каждый из них представлялся средним диаметром, для которого вы- полнялся расчет траектории и тепломассообмена. При этом каждая моделируемая частица представляла собой «пакет» частиц с одинаковыми траекториями. Распределение частиц по размерам описывалось формулой Розина–Раммлера nd/d d eY ) (−= , где Yd – массовая доля частиц с диаметром, большим d; d – медианный диаметр частиц; n – параметр распределения. Траектории частиц моделировались путем интегрирования уравнения баланса сил, действующих на частицу, которое уравнивает инерцию частицы с силой аэродинамического сопротивления 3,2,1,)()( 4 3 2 =−− ρ ρ −= ∑ juuuu d C dt du j jpjjpj pp Rpj , (7) где upj и uj – соответственно декартовы компоненты вектора скорости частицы и газа; t – время; ρ – плотность газа; СR , Rep, ρp, dp – коэффициент аэродинамического сопротивления, относительное число Рейнольдса, плотность и диаметр частицы соответственно. Для вычис- ления СR использовалась эмпирическая зависимость СR(Rep) для одиночной сферы. Тепломассообмен угольных частиц описывался тремя моделями: теплообмена инерт- ной частицы; выхода летучих и моделью выгорания коксового остатка. Модель теплообмена инертной частицы применялась до тех пор, пока температура частицы Тp не превышала температуру выхода летучих Тv. При этом температура частицы полагалась постоянной по объему и изменялась в соответствии с балансом тепла, опреде- ляемым уравнением ),( pp p pp TTS dt dT cm −α= ∞ (8) где mp, Sp, cp, Тp, – соответственно масса, площадь поверхности, удельная теплоемкость и температура частицы; t – время; α – коэффициент теплоотдачи; T∞ – локальная температура газа. Модель выхода летучих использовалась, когда температура угольной частицы дос- тигала температуры начала выхода летучих Тv и оставалась в силе до тех пор, пока масса частицы mp превышала начальную массу нелетучих компонентов в частице НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 1 84 Тp ≥ Тv и mp > (1 – fv,0)·mp,0, где fv,0 – массовая доля летучих, изначально присутствующих в частице. Тепломассообмен частицы во время выхода летучих описывался системой уравне- ний ,)( v p pp p pp h dt dm TTS dt dT cm +−α= ∞ (9) kmf dt dm pv p 0,0,−= , (10) где hv – удельная теплота образования летучих; mp,0 – начальная масса частицы; )/( 1 pRTEeAk −= – кинетическая скорость, определяемая уравнением Аррениуса (А1 – предэкс- поненциальный множитель; Е – энергия активации). Данная модель предполагает, что ско- рость выхода летучих в первую очередь зависит от их количества, оставшихся в частице [7]. Модель выгорания коксового остатка применялась по окончании выхода летучих и до тех пор, пока не выгорит весь коксовый остаток 0,0,0,0, )1()1( pvppкv mfmmff −<<−− , где fk – массовая доля кокса, изначально присутствующего в частице. Тепломассообмен час- тицы при выгорании коксового остатка описывался системой уравнений u p hpp p pp H dt dm fTTS dt dT cm −−α= ∞ )( ; (11) RD RDpS dt dm Op p + −= 0 0 2 , (12) где Sp – площадь поверхности частицы; Hu – удельная теплота сгорания кокса; 2Op – парци- альное давление кислорода в газе; [ ] p p d TT CD 75,0 10 2/)( ∞+ = и )/( 2 pRTEeCR −= – коэффициен- ты диффузионной и кинетической скоростей поверхностной реакции соответственно; dр – диаметр частицы; fn, С1 и С2 – эмпирические коэффициенты. После того как весь коксовый остаток выгорит, частица состоит из зольного остатка, и для нее справедлива модель теплообмена инертной частицы – уравнение (8). Полнота сгорания угля вычислялась по формуле 100 )100( VV kv −η+η =ηΣ , где ηv и ηk – соответственно полнота сгорания летучих и кокса, %; V – исходное содержание летучих в угле, %. Дискретизация исходных ДУЧП (1)–(6) осуществлялась методом контрольных объе- мов с применением алгоритма SIMPLE [8] и схемы первого порядка точности для аппрокси- мации конвективных членов. Решение получающихся в результате систем линейных алгеб- раических уравнений выполнялось методом Гаусса–Зейделя, интегрирование системы обык- новенных дифференциальных уравнений (7)–(12) – методом Рунге–Кутта. Решение отыскивалось в осесимметричной расчетной области, соответствующей проточной части многоступенчатой горелки с реактором ТХП. Расчетная область покрыва- лась неравномерной прямоугольной сеткой, включавшей 28 тыс. контрольных ячеек. При- менялись следующие граничные условия непрерывной фазы: на входных границах – значе- ния независимых переменных; на стенках – условия прилипания; на выходной границе – «мягкие» граничные условия. Для описания турбулентного пограничного слоя использова- лись функции стенки. Для каждого «пакета» частиц задавались начальные условия: положе- ние частицы (координаты xj), ее скорость (компоненты upj), диаметр, температура и массо- НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 1 85 вый расход частиц, следующих вдоль траектории. Полагалось, что при столкновении со стенкой частица упруго отражается от нее. Результаты расчетов Были выполнены расчеты четырех вариантов питания горелок, отличавшихся реа- гентами, подаваемыми в первую ступень (реактор ТХП), и соотношением расходов воздуха через три последние ступени горелки. Лопатки завихрителей полагались установленными под углом 45°. Для всех вариантов коэффициент избытка воздуха в первой ступени горелки (реакторе ТХП) α1 = 0,2, расход кислорода 488,01,O2 =G г/с; в остальных ступенях горелки αi = 0,7, 0,O2 =iG . Начальная температура всех реагентов полагалась равной 500 К. Началь- ная скорость частиц угля принималась равной местной скорости воздуха на входе в реактор. Задавались следующие теплотехнические характеристики и дисперсный состав исходной угольной пыли: плотность 1550 кг/м3; теплоемкость 1680 Дж/кг·К; теплопроводность 0,0454 Вт/м·К; низшая теплота сгорания (рабочая) 18000 кДж/кг; низшая теплота сгорания (горючая) 32386 кДж/кг; доля горючих компонентов 50,66%; доля летучих компонентов 7,8%; температура начала выхода летучих 700 К; скрытая теплота образования летучих 11000 кДж/кг; стехиометрический коэффициент продуктов газификации кокса 2,67; минимальный начальный диаметр частиц угля 10 мкм; максимальный начальный диаметр частиц угля 250 мкм; медианный начальный диаметр частиц угля 57 мкм; показатель степени в формуле Розина-Раммлера 1,1. Ниже приведены исходные данные численного моделирования горелки с реактором ТХП: элементарный состав угля (табл. 1) и расходы реагентов по ступеням горелки (табл. 2). Результаты численных расчетов представлены в табл. 3 и на рис. 2 – 5. В табл. 3 приведены осредненные параметры в выходном сечении горелки для четырех вариантов ее топливопитания. На рис. 2 показано изменение средней по сечениям температуры газа по длине горелки для варианта № 1, на рис. 3–5 – структура течения в ней. Характер течения для других вариантов топливопитания аналогичен. 400 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 L, м 800 1200 1600 Т, К Рис. 2. Изменение средней по сечениям температуры газа по длине горелки НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 1 86 Таблица 1. Элементарный состав угля Элементы Заданная масса угля С Н S O N W (влага) A (зола) V (летучие) рабочая, % 49,06 1,55 1,5 2,88 0,55 3,09 41,3 7,8 сухая, % 50,66 – – – – – – – горючая, % 88,33 2,79 2,7 5,19 0,99 – – – Таблица 2. Расходы реагентов по ступеням горелки Вариант топливопитания Параметры 1 2 3 4 Реагенты, подаваемые в ступень № 1 AШ+H2+О2 AШ+H2+О2 AШ+СH4 AШ+СH4 Соотношение расходов воздуха через ступени № 2, № 3, № 4 1:2:3 1:2:4 1:2:3 1:2:4 Расход реагентов по ступеням, кг/с: ступень № 1 GВ.1 8,000 8,000 8,000 8,000 GАШ.1 6,635 6,635 6,215 6,215 1,H2 G 0,061 0,061 – – 1,O2 G 0,488 0,488 – – 1,CH4 G – – 0,142 0,142 ступень № 2 GВ,2 22,923 19,648 22,923 19,648 GАШ,2 4,461 3,824 4,531 3,883 ступень № 3 GВ,3 45,845 39,296 45,845 39,296 GАШ,3 8,922 7,647 9,062 7,767 ступень № 4 GВ,4 68,768 78,591 68,768 78,591 GАШ,4 13,383 15,294 13,593 15,535 Таблица 3. Результаты расчета процессов в многоступенчатой горелке Вариант топливопитания Параметры на выходе горелки 1 2 3 4 скорость газа, м/с 4,71 4,56 4,63 4,48 среднее время пребывания угольных частиц, с 0,952 0,937 0,957 0,943 влажность угля, % 0,687 0,683 0,644 0,642 полнота сгорания летучих, % 100 100 100 100 полнота сгорания кокса, % 35,13 35,00 34,96 34,92 полнота сгорания угля, % 40,19 40,07 40,03 40,00 температура газа, К 2130 2123 2114 2109 массовая доля О2 0,009 0,010 0,008 0,009 массовая доля СО2 0,091 0,144 0,147 0,147 массовая доля H2O 0,126 0,126 0,121 0,121 массовая доля H2 3,3·10-15 1,9·10-15 – – массовая доля CH4 – – 9,0·10-12 2,1·10-12 НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 1 87 а) б) в) г) Рис. 3. Траектории угольных частиц, окрашенные согласно их температуре от белого (мак- симальная – 2165 К) до черного цвета (минимальная – 500 К) и введенные соответственно в: а) – 1-ю; б) – 2-ю; в) – 3-ю; г) – 4-ю ступени Рис. 4. Линии тока газа Рис. 5. Температура газа: минимальная – 500 К (черный), максимальная – 2165 К (белый) НЕТРАДИЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИКА ISSN 0131–2928. Пробл. машиностроения, 2010, Т. 13, № 1 88 Выводы 1. Расчеты подтвердили возможность водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля. 2. Структура течения в многоступенчатой горелке характеризуется наличием торои- дальной зоны обратных токов за внезапным расширением поперечного сечения 1-й ступени, которая отклоняет траектории угольных частиц к периферии. В слое смешения струи Н2, поступающей из капилляра, происходит его сжигание с образованием продуктов сгорания, часть которых вовлекается в зону обратных токов и обеспечивает стабилизацию пламени. 3. Угольные частицы, отклоняясь к периферии вследствие закрутки и рикошетируя от стенок, пролетают через высокотемпературные области, где подсушиваются и нагревают- ся до температуры начала выхода летучих. По окончании выхода летучих газифицируется и выгорает кокс, после чего частицы выносятся газовым потоком из горелки. 4. Средняя температура газа на выходе из горелки с подачей в ступень № 1 водорода и кислорода составляет 2130 и 2123 К при соотношении расходов воздуха по трем послед- ним ступеням горелки 1:2:3 и 1:2:4 соответственно, с подачей в ступень № 1 метана – 2114 и 2109 К при соотношении расходов воздуха по трем последним ступеням горелки 1:2:3 и 1:2:4 соответственно. 5. Высокая температура продуктов сгорания наряду со значительным недожогом кокса на выходе из горелки обеспечивает высокую реакционную способность смеси. 6. Направления дальнейших исследований авторы видят в верификации математиче- ской модели по экспериментальным данным и оптимизации конструкции горелки с реакто- ром ТХП. Литература 1. Мацевитый Ю. М. Инновационные технологии модернизации энергоблоков ТЭС – эффективный путь обеспечения устойчивого функционирования энергетического комплекса Украины / Ю. М. Мацевитый, Н. Г. Шульженко, В. Н. Голощапов [и др.] // Пробл. машиностроения. – 2007. 10, № 4. – С. 9–15. 2. Мацевитый Ю. М. Применение водородных технологий для повышения энергоэффективности энергоблоков ТЭС в условиях дефицита природного газа / Ю. М. Мацевитый, В. В. Соловей, П. М. Канило // Вестн. Инж. академии Украины. – 2007. – № 2. – С. 148–152. 3. Кроу Д. Численные модели течений газа с небольшим содержанием частиц // Теорет. основы инж. расчетов. – 1982. – № 32. – С. 114–122. 4. Magnussen B. F. On mathematical models of turbulent combustion with special emphasis on soot forma- tion and combustion / B. F. Magnussen, B. H. Hjertager // Рroc. 16th Int. Symp. on Combustion. – 1976. – P. 747–775. 5. Launder B. E. Lectures in Mathematical Models of Turbulence / B. E. Launder, D. B. Spalding. – Lon- don: Academic Press, 1972. – 310 p. 6. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. – М.: Наука, 1978. – 736 с. 7. Badzioch S. Kinetics of Thermal Decomposition of Pulverized Coal Particles / S. Badzioch, P. G. W. Hawksley // Ind. Eng. Chem. Process Design and Development. – 1970. – № 9. – P. 521–530. 8. Vandoormaal J. P. Enhancements of the SIMPLE Method for Predicting Incompressible Fluid Flows / J. P. Vandoormaal, G. D. Raithby // Numer. Heat Transfer. – 1984. – № 7. – Р. 147–163. Поступила в редакцию 13.12.09

Численное моделирование водородно-кислородной термохимической подготовки низкосортного угля

Репозитарії

Схожі ресурси