Разработка физической модели горения капли водоугольного топлива

УДК 662.612.325

Е. С. ФЛЕК

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск

РАЗРАБОТКА ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГОРЕНИЯ КАПЛИ

ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА_

Рассмотрено одно из направлений повышения эффективности использования угля — сжигание его в виде суспензии водоугольного топлива (ВУТ). Выполнен обзор исследований по получению и сжиганию ВУТ. Разработана физическая модель горения капли ВУТ с разделением данного процесса на последовательность повторяющихся стадий испарения влаги и выгорания твердой фазы. Представленная физическая модель служит основой для математического моделирования горения капли ВУТ.

Ключевые слова: водоугольное топливо, воспламенение, горение, выход летучих веществ, испарение, физическая модель.

В настоящее время в малой энергетике возрос интерес к использованию композитного угольного топлива, в частности, к угольным суспензиям. Связано это не только со снижением уровня добычи природного газа, необходимостью увеличения производства электроэнергии, но и с требованием уменьшения вредных выбросов от работы угольных котельных. В то же время наметилась тенденция к росту объемов производства угля, которая будет нарастать и далее [1].

Одним из направлений повышения эффективности использования угля — сжигание его в виде ВУТ [1]. ВУТ представляет собой дисперсную систему следующего состава: 40 — 70 % угля, 30 — 60 % воды, менее 1 % реагента-пластификатора.

Изучение ВУТ началось еще в 1950-х годах в СССР. Тогда этим вопросом занимался профессор, д.т.н. Г. Н. Делягин. Его разработки были направлены на создание методов получения и сжигания твердых топлив в виде водоугольных суспензий (1959—1979 гг.) и исследование их свойств (1972 — 1979 гг.). Работы Г. Н. Делягина по развитию процесса горения концентрированных водоугольных суспензий завершились созданием в 1991 — 1995 гг. экологически чистого, дешевого, стабильного топлива ЭКОВУТ — топлива нового поколения, производимого со свойствами, задаваемыми потребителем [2].

Также необходимо отметить многочисленные научные работы В. М. Иванова, И. В. Давыдовой, А. Г. Онищенко, В. В. Исаева, Т. Н. Бутылковой, Г. С. Ходакова, В. Н. Делягина, Ю. В. Овчинникова и др.

Из зарубежных исследователей можно отметить О. Шварца, Г. Мертена, И. Тайдзона и С. Су-этиэро.

При исследовании ВУТ большинство научных работ направлено на разработку оптимальной технологии приготовления и транспортировки ВУТ от места его приготовления до места применения, повышения динамической стабильности топлива, обеспечения более эффективного сгорания ВУТ в энергетических котлах различного типа, снижения вредных выбросов при сжигании данного то-

плива, а также снижения уровня затрат на всех этапах производства и использования ВУТ (начиная от использования низкосортных углей и отходов углеобогащения при производстве ВУТ и заканчивая снижением капитальных вложений на реконструкцию существующих энергоустановок для сжигания данного топлива).

Имеются научные труды, направленные на изучение физики горения ВУТ. К ним относятся исследования таких ученых, как С. В. Сыродой, В. А. Бородуля, Л. А. Ермакова. В частности, Ю. А. Сенчурова под руководством профессора В. И. Мурко выполнила компьютерное моделирование процесса горения факела ВУТ в условиях вихревой топки и изучила механизм дробления капель ВУТ при его распылении.

При нынешнем уровне изученности ВУТ существует проблема проектирования топочных устройств, работающих на данном топливе. Это связано со следующими причинами:

— процессы теплообмена, протекающие в топках котельных агрегатов при сжигании ВУТ, являются недостаточно изученными. Условия теплообмена в топке котельной установки при сжигании ВУТ отличаются от тех, которым соответствуют законы передачи энергии излучением Планка и Стефана — Больцмана. Действительные условия в топке сводятся в основном к тому, что среда в ней и поверхности топки не являются абсолютно черными телами, а температурное поле топки пространственное и несимметричное [3];

— рекомендации по проектированию топочных устройств основываются на «Тепловом расчете котлов (Нормативном методе)», который направлен на применение стандартных видов топлива: уголь, сланцы, торф, мазут, природный газ, попутный газ и др. Для сжигания ВУТ Нормативный метод не уточнен;

— механизм горения капли ВУТ недостаточно изучен, т. к. имеются сложности в физическом моделировании данной задачи. Более того, определение времени выгорания капли ВУТ является одной из проблем технологии использования ВУТ, потому что данный параметр играет решающую роль

Рис. 1. Водоугольное топливо при увеличении в 320 раз

в конструировании топочных устройств котельных агрегатов, предназначенных для сжигания ВУТ.

Как было сказано выше, ВУТ является дисперсной топливной системой, включающей в себя воду, уголь и поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые вводятся для повышения стабильности топлива. Частицы угля расположены в водном пространстве в случайном порядке (рис. 1). ВУТ получают из угля различных марок и зольности: антрацита, каменного и бурого угля, а также высокозольных отходов обогащения, воды любого качества [4].

Частицы угля в составе ВУТ, как правило, имеют многогранную форму и размер не более 250 мкм. Форма частиц изменяется случайным образом и зависит от марки угля, содержания минеральных составляющих, технологии измельчения твердого топлива (для измельчения угля могут применяться шаровые мельницы, кавитаторы или гидроударные установки мокрого помола (ГУУМП)) [4 — 8].

Таким образом, моделирование действительной формы капли ВУТ затруднено и одним из вариантов является капля в форме сферы. Вероятность такой конфигурации не больше и не меньше всех остальных [8, 9].

При моделировании процесса зажигания капли ВУТ была принята следующая гипотеза: капля ВУТ имеет сферическую форму и многослойную структуру (рис. 2). За счет действия сил поверхностного натяжения на поверхности каждой капли имеется плотный слой воды толщиной в1. Затем идет монослой твердого топлива толщиной б2. Таким образом, п слоев воды чередуются с п слоев твердого топлива. Значения и в2 отличаются друг от друга и зависят от содержания воды в ВУТ:

Ш  d , " 2

2 (л + т) '

Рис. 2. Физическая модель горения капли ВУТ в топочном пространстве в начальный момент времени: 1 — вода; 2 — уголь; 1с — температура внешней среды; 1к — температура капли в начальный момент времени;

— толщина слоя воды, мм;

— толщина слоя угля, мм

Рис. 3. Зависимость времени испарения поверхностной (пунктирная линия) и внутренней (сплошная) влаги капли суспензии от влажности W и температуры среды 1: 1 — 1 = 800 °С; 2 — 1 = 900 °С; 3 — 1 = 1000 °С

где d — диаметр капли, мм; Ш — содержание воды в ВУТ; п — количество слоев воды; т — количество слоев топлива.

Процесс воспламенения и горения капли ВУТ принято условно разделять на несколько периодов: испарения влаги, термического разложения угля, воспламенения, горения коксового остатка. В действительности капля ВУТ, попав в топочное пространство, практически сразу же вступает в реакцию с кислородом, а процессы сушки и термического разложения угля протекают параллельно с процессом горения [10].

Разделим процессы испарения воды и выгорания топлива.

В начальный момент времени ^ = 0) частица попадает в топочное пространство, имея температуру капли t, и нагревается за счет конвекции и излучения до температуры испарения воды t. Происходит испарение влаги и уменьшение диаметра капли до d1 = d — 2в1. В дальнейшем испарившаяся влага существенно влияет на процесс выгорания твердой фазы. Водяной пар вступает в эндотермическое химическое взаимодействие с твердым топливом. Интенсивное парообразование способствует увеличению скорости выгорания углерода.

Испарение влаги протекает при постоянной температуре капли t и понижении температуры среды t , обусловленном затратами тепла на испарение. При этом чем выше температура среды, тем слабее

=

Рис. 4. Зависимость времени испарения влаги от начального диаметра капли

Рис. 5. Физическая модель горения капли вуТ при достижении капли

температуры испарения воды: 3 — фронт горения; I — диффузия

паров топлива; II — диффузия воздуха в зону горения; III — поток тепла к поверхности капли; IV — отток продуктов сгорания

становится зависимость времени испарения влаги с поверхности капли от влажности (рис. 3) [10].

Продолжительность процесса испарения существенно возрастает с увеличением начального размера капель; при горении это влияние сказывается еще более резко (рис. 4). Время испарения также несколько увеличивается при повышении плотности твердой фазы [10].

Воспламенение слоя твердой фазы наступает после завершения испарения слоя влаги и повышения температуры на поверхности капли до температуры воспламенения.

После воспламенения паров топлива около поверхности капли начинается горение углерода. При этом происходит выделение летучих веществ и дальнейший прогрев следующего слоя капли (влаги).

Стадия догорания коксового остатка почти не отличается от горения кокса сухой угольной частицы и протекает при практически постоянной температуре.

Таким образом, фронт горения продвигается во внутрь капли. Происходит уменьшение диаметра капли до й2 = ^ — 2я2 и теплообмен между каплей ВУТ и топочным пространством: поток тепла от топочных газов поступает к поверхности капли, в свою очередь от капли происходит отток продуктов сгорания.

Далее процесс повторяется: испаряется второй слой воды и выгорает второй слой топлива и т. д. пока не выгорит вся капле ВУТ.

Следовательно, вретя вя1горания капли ВУТ вго. бапе включать в себя время испарения всех слоев воды и время выг ор ания всех слоев топлива:

С =7X +Ут ,

г .к. / , ив / , г.т. '

j=1

где 1 = 1 ... п — ном ер слоя воды; ви.в. — время испарения слоя воды; 7=1 ... т — номер слоя топлива; вгш. — время выгорания слоя топлива.

Таким образом, капля ВУТ представляется в виде следующей упрощенной структуры:

1) слои воды и твердого топлива в целом являются шарами с совпадающими центрами;

2) твердое топливо и вода в составе ВУТ, а также топочные газы являются однородными средами с одинаковыми физико-механическими характери-

стиками по всему объему. Эти характеристики известны и не зависят от температуры;

3) частица нагревается одновременно за счет конвекции и излучения;

4) выделение смол органической части топлива под влиянием температуры не учитывается;

5) процессы испарения влаги и выгорания топлива каждого из слоев последовательны (при горении слоя твердой фазы, испарения следующего слоя жидкости не происходит).

В связи с сильно развитой реакционной поверхностью коксового остатка при малом содержании углерода топлива, время горения капли по сравнению с эквивалентной частицей твердого топлива сокращается.

Так, капля ВУТ диаметром 2,7 мм (весом 11,6 мг) и влажностью 60 % сгорает при температуре 800 °С за 50 с. Частица же сухого угля весом 10,9 мг сгорает при той же температуре за 100 с [10].

К числу важных факторов, влияющих на процесс горения ВУТ, относится зольность топлива. Минеральные примеси, содержащиеся в угле, отделены от частиц горючей массы. Однако при горении, находясь в одном агломерате, они контактируют друг с другом, оказывая влияние на характер протекания и продолжительность отдельных стадий процесса, величину поверхности реагирования, интенсивность процесса испарения влаги и мас-соперенос газообразных продуктов реагирования и окислителя [10].

Бывод. Горение капли ВУТ является сложным, многостадийным физико-химическим процессом, включающим в себя испарение влаги, термическое разложение угля, воспламенение и горение коксового остатка.

Представленная физическая модель служит основой для математического моделирования горения капли ВУТ, предполагающей разделение процессов выгорания твердой фазы и испарения влаги, входящих в состав ВУТ. Данный подход предполагает для всех выделенных стадий получение приближенного решения, учитывающего предшествующие стадии.

Библиографический список

1. Мурко В. И., Дурнин М. К. Водоугольное топливо — одно из перспективных направлений по утилизации шламов обогатительных фабрик // Эко-Бюллетень ИнЭкА. 2001. № 9 (68).

i=1

URL: http://ineca. ru/ ? dr = bulletin/arhiv/0068/&pg = 006&lg = ru (дата обращения: 10.06.2016).

2. Антикаин П. А., Воронин Л. М., Воронов В. Н., Гаври-лов Е. И. [и др.]. Геннадий Николаевич Делягин (к 75-летию со дня рождения) // Теплоэнергетика. 2001. № 8. С. 81.

3. Флек Е. С. Особенности расчета теплообмена в топке котельной установки при сжигании водоугольного топлива // Омский научный вестник. 2017. № 1 (151). С. 70 — 77.

4. Халатов А. А., Костенко Н. В., Хлебников О. Е. [и др.]. Исследования реологических свойств водоугольного топлива, полученного кавитационно-вихревым методом // Современная наука. 2010. № 3 (5). С. 30-33.

5. Морозов А. Г., Коренюгина Н. В. Гидроударные технологии в производстве водоугольного топлива // Уголь. 2009. № 11. С. 54-56.

6. Морозов А. Г., Коренюгина Н. В. Гидроударные технологии для получения водоугольного топлива // Новости теплоснабжения. 2010. № 7. С. 18-21.

7. Серант Ф. А., Цепенюк А. И., Овчинников Ю. В. [и др.]. Приготовления водоугольного топлива и техноло-

гии его сжигания // Современная наука. 2011. № 1 (6). С. 95-101.

8. Сенчурова Ю. А., Мурко В. И., Федяев В. И. Результаты исследований распыления водоугольного топлива пневмомеханическими форсунками // Известия Томского политехнического университета. 2008. Т. 312, № 4. С. 37-40.

9. Сыродой С. В. Термическая подготовка и зажигание частиц водоугольного топлива применительно к топкам котельных агрегатов: дис. ... канд. техн. наук. Томск, 2014. 130 с.

10. Винтовкин А. А., Ладыгичев М. Г., Голдобин Ю. М., Ясников Г. П. Технологическое сжигание и использование топлива. М.: Металлургия, 1998. 286 с.

ФАЕк Екатерина Сергеевна, аспирантка кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: voropaeva90@list.ru

Статья поступила в редакцию 07.11.2017 г. © Е. С. Флек

УДК 622.276.054.23:621.3.062.88 Д. С. МАРТЬЯНОВ

В. В. СУШКОВ

Тюменский проектный и научно-исследовательский институт нефтяной и газовой промышленности им. В. И. Муравленко, г. Тюмень

Нижневартовский государственный университет, г. Нижневартовск

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ УСТАНОВОК ДОБЫЧИ НЕФТИ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ НАСОСАМИ

Актуальной задачей является оценка применимости современных технических решений для повышения динамической устойчивости установок добычи нефти с электрическими центробежными насосами (УЭцН), в том числе с частотно-регулируемым приводом (ЧРП). В работе рассмотрены основные технические решения для повышения динамической устойчивости по напряжению, дана техническая оценка их применимости. Предложено рациональное решение включения использования емкостного накопителя для повышения запаса устойчивости на кустах нефтяных скважин с частотно-регулируемыми УЭцН. Ключевые слова: установки добычи нефти с электрическими центробежными насосами, накопители энергии, повышение устойчивости по напряжению.

Самым уязвимым звеном технологического про- время прерывания напряжения которых находится

цесса добычи нефти, с точки зрения устойчивости в пределах 0,01-0,5 с [4].

к динамическим снижениям напряжения (провалам Провалы и прерывания напряжения характери-и прерываниям напряжения [1]), являются погруж- зуются двумя параметрами: глубиной Ди и длительные электродвигатели (ПЭД) установок механи- ностью т (рис. 1) [5].

зированной добычи нефти с электрическими цен- Ранее в [6] была предложена методика для оцен-

тробежными насосами (УЭЦН) [2, 3], допустимое ки эффективности технических решений для повы-