Численное моделирование процессов горения водоугольного топлива с использованием пакета Star-CCM+

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК: 662.612

И.А. Куксов, С.П. Мочалов, В.Д. Сарычев, А.Е. Шендриков ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАКЕТА 8ТАЯ-ССМ+

Одной из основных причин более широкого применения водоугольного топлива (ВУТ) является решение экологических проблем. Вода, содержащая в топливе в виде высокодисперсных частиц, принципиально изменяет процесс горения. Это приводит к возможности сжигания низкокалорийных топлив - отходов углеобогащения. В этом случае требуется определения закономерностей процессов, выбора оптимальных конструктивных решений и режимов работы топки. Численное моделирование процесса сжигания топлива в камере, дополняющее натурные эксперименты, может использоваться для решения этих проблем.

Целью настоящей работы является создание трехмерной модели сжигания ВУТ в цилиндрической камере. Геометрия камеры, схема подачи ВУТ и отвода продуктов горения выбраны в упрощенном виде, отражающем однако основные особенности горения экспериментальной адиабатической камеры, созданной в СибГИУ в рамках

совместного проекта с ОАО «СибШахтоСтрой». В качестве инструмента для компьютерного численного моделирования использовался пакет STAR-CCM+, который помимо общих моделей газодинамических, физических и химических процессов содержит встроенные модели горения угля.

Трехмерная модель сжигания ВУТ в цилиндрической камере, имеющей один канал подачи дутьевого воздуха и один канал для отвода продуктов горения, представлена на рис. 1,а.

На первом этапе численного моделирования создана трехмерная сетка в расчетной области. В среде STAR-CCM+ была построена многогранная объемная сетка с базовым размером ячейки 5-10-3 м и общим количеством ячеек объемной сетки 1 078 941. Фрагмент расчетной сетки приведен на рис. 1,б.

Полная модель сжигания ВУТ в вихревой камере должна описывать ряд газодинамических, химических и физических процессов: турбулентные потоки газа и взвеси частиц, выход угольных летучих из частиц топлива, реакции горения в газовой фазе, процессы теплопереноса.

Для описания потока частиц большинство моделей используют лагранжев подход [1], который позволяет учитывать траектории отдельных частиц или их групп в камере сжигания и является подходящим для моделирования горения впрыскиваемого ВУТ. Сплошная газовая фаза описана с помощью эйлерова подхода.

Для расчета газодинамических процессов в сплошной фазе использовались осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса (RANS) совместно с k - ю моделью турбулентности (Menter Shear Stress Transport, MSST).

В декартовой системе координат нестационарное течение вязкого сжимаемого газа относительно фильтрованных переменных описывается системой уравнений в дивергентном виде:

3R dPj

+ -

dt dx.

= F

Система (1) дополняется уравнением состояния идеального газа:

р =

Компоненты векторов системы (1) определя-

ются по формулам:

Я =

(

Рі =

Риі

риі + р - тіі рихи2 - ті2 риіиз - ті3 V

с р л

Риі

ри 2 ри3

ре )

С

Р 2 =

Рз =

риз ри^і — Гзі

ри2иі — Тц

2

ри2 + Р -Т22 ри 2 из — ^23

(РЄ + Р) - и^2і ) Л

риз + р — Гзз

Компоненты тензора вязких напряжений и координаты вектора теплового потока находятся из соотношений:

т, = /- з V,) ч £.

5 = !(ди_ + ди,

, 2 дх, дх.

3 г

)

где I - время, с; Ы], и2, из - компоненты вектора скорости в направлениях декартовых координат X], Х2, Хз, м/с; р - плотность, кг/м3; р - давление, Па; Т - температура, К; е - внутренняя энергия на единицу массы,(м/с)2; у- отношение удельных теплоемкостей; л, X- эффективные значения вязкости и теплопроводности, Па-с, Вт/(К-м), ¥ - вектор источников массы, импульса и энергии.

Уравнения (1) формально совпадают с уравнениями Навье-Стокса с эффективными вязкостью и теплопроводностью, вычисляемым как

И = Иш + Ио к = СР

Ґ \ И + И

Рг Рг

і )

где Ср— теплоемкость при постоянном давлении, Дж/кг-К; Иш, И— молекулярная и турбулентная вязкости, Пах; Рг=0,72; Ргг=0,8 - числа Прандт-ля для воздуха.

Рейнольдсовы напряжения выражаются через скорость деформации, выраженные через фильтрованные скорости:

(

\

ди. ди

—.- +— дх, дх

V , ' гз)

2

(

Иг

дик

дх.

\

+ р к

Система уравнений (і- 7) выражает осреднен-

ные по Рейнольдсу уравнения Навье-Стокса (ЯЛМ8). Тензор рейнольдсовых напряжений вычисляется с помощью моделей турбулентности. Использованная в данной задаче модель М88Т к-ю описывается уравнениями:

д

ді

дх,

* д = Р-р рсок + —

дх,

дк

( М + °кМг)—

дх.

др) +д( ри-0) = 7 Р — Ррсо~ +

ді дх, Vг

+ -

_д_

дх,

до дх,

рош1 дк до о дх, дх,

где

2 2

Р = т,8, ; =М

Турбулентная вихревая вязкость определяется по формуле

раік шах

В представленных выражениях vі - турбулентная кинематическая вязкость, О - амплитуда напряженности вихря, ^\, ¥2 рассчитываются по специально разработаннному алгоритму.

В модели М88Т к -ю используются следующие величины:

71 =

А

р

ак1 = 0,85; ак2 = 1,0; Ст(в1 = 0,5 ; аш2 = 0,856;

Р, = 0,075; р2 = 0,0828; р* = 0,09 \к = 0,41; а1 = 0,31.

Процесс моделирования процесса сжигания угля в пакете 8ТЛЯ-ССМ+ включает следующие основные шаги: создание необходимых газовых компонент в непрерывной (сплошной) фазе; выбор подходящей модели горения для непрерывной фазы; активация модели лагранжевой многофаз-ности и выбор подходящих фазовых моделей; задание инжекторов угольных частиц; создание условий для воспламенения угля.

Для компонент газовой фазы используются уравнения переноса вида

К.

ді

+ -

д

дх,

(

и?п +Г,

діп

дх.

= -&¥„ + .

л > /

Для фазы, описывающей частицы топлива, использовались подходящие для расчета горения угля модели лагранжевых фаз: модель материальных частиц; модель многокомпонентного угля, модель испарение влаги из угля, модель выхода летучих модель сжигания угля, модель окисления

2

зи2 Тз2

2

з

коксового остатка.

Основное уравнения движения лагранжевых частиц записывается в виде:

йхр й и

—- = ир; тр--------- =

йг йг

= ¥А + ¥g + ¥ит + ¥8а + ¥М + -

где Хр - координата частицы, и- - скорость частицы, ¥А, ¥№ ¥ит, ¥5а, ¥М - силы аэродинамического сопротивления, сила тяжести, виртуальная массовая сила, сила Сэфмена, сила Магнуса, соответственно; кроме того, могут быть добавлены другие силы.

В расчете использовалась двусторонняя связь между сплошной эйлеровой и лагранжевой фазами, необходимая для моделирования горения топлива [2]. Общая интенсивность массопереноса между частицами и сплошной фазой описывается в нестационарной постановке выражением, учитывающим все группы частиц в расчетной области:

5п = 1 ^^Пк™-&р ,

А« к

*

где тр - интенсивность массопереноса между от-

дельной частицей и сплошной фазой.

Энергетический баланс частицы записывается в виде

йТ

тРСР~йМ = + ^гай + ^ ,

где Qt - интенсивность конвективного теплопере-носа, Qrad - интенсивность теплопереноса излучением, Qs - теплоперенос от других источников.

Модель горения угольной частицы подразумевает, что частица состоит из четырех компонентов: влага, уголь с летучими, полукокс и зола.

Реакции горения угольного топлива делятся на две группы: выход летучих из угля в ходе его разогрева и окисление компонентов. В первую очередь выделяется влага, в дальнейшем по мере повышения температуры выделяются газы и тяжелые смолистые компоненты. Вторая стадия состоит в окислении оставшегося после выхода летучих полукокса - гетерогенной реакции, при которой кислород адсорбируется и реагирует на поверхности частицы. Скорость этого процесса, как правило, значительно меньше скорости выхода летучих и зависит от типа угля, температуры, давления, размера угольной частицы и концентрации окислителя. Другие окислители - водяной пар,

а б

положение, М

Рис. 2. Скорость газа в горизонтальных сечениях, м/с (а, б), осевая скорость по вертикальной оси камеры,

м/с

в

углекислый газ и водород также вступают в реакцию с полукоксом, однако скорость этих реакций значительно меньше, чем окисление кислородом

[3].

Уравнение для выделения влаги из частицы угля имеет вид:

dawt

dt

= -к.,

Интенсивность испарения влаги г„- определяется на основе расчета процессов теплопереноса и массопереноса, - массовая доля влаги в части-

це.

Уравнение для выхода летучих из угля в частице имеет вид:

da

ср

dt

= -k у а .

pn pn cp -

где аср - массовая доля сырого угля в частице, у-„ - стехиометрический коэффициент в реакции вы-

хода летучих из угля, kpn определяется по фор

муле Аррениуса.

Уравнение для горения коксового остатка в частице имеет вид:

da

(

hp

dt

= -Apir; exp

E

\

pi

RTp

' p J

где a.hp - массовая доля полукокса в частице, Tp -температура частицы, К; Api - предэкспонента Аррениуса для реакции окисления коксового остатка l; R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль-К.

В качестве основной модели для расчетов химических реакций в процессе горения использовалась подходящая для таких процессов модель распада вихря (Eddy-Break-Up Model) [4].

Для сплошной фазы были приняты следующие компоненты: O2, H2O, CO2, CO, H2, C, HCN, N2, CH4. В соответствии с определенным элемент-

к 0.014

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

положение, м

— сечение 0,2 м -—сечение 0.4 м

0.2 О о к § 0.1 к со ш о о о со

* у * * s / /

'/

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 положение, м сечение 0,2 м сечение 0,4 м |

Рис.4. Массовые доли СО (а), С02 (б), 02 (в) в горизонтальных сечениях на расстоянии 0,2 м и 0,4 м от основания, массовые доли СО, С02 и 02 в вертикальном сечении

б

а

О

б

а

ным составом летучих были вычислены стехиометрические коэффициенты газов для реакции распада летучих.

Для данной конструкции камеры была задана одна входная и одна выходная границы. На входной границе задано избыточное давление 0,3 атм. На выходной границе было задано атмосферное давление. Подача ВУТ осуществлялась двумя точечными инжекторами с общим массовым расходом 0,017 кг/с. Состав угольных частиц (в том числе содержание в них влаги), а также закон распределения размеров частиц задавался в параметрах инжектора. Характеристики движения частиц определялись потоком газа в сплошной фазе.

Схема расчета неявная нестационарная, количество внутренних итераций - 20. Шаг по времени для данного расчета принят равным 0,01 с. В расчете использовалось сопряженное решение уравнения энергии.

Во избежание расхождения математической модели на начальном этапе расчета впрыск угольных частиц осуществлялся после истечения одной секунды. Чтобы обеспечить выход летучих, формирующих газообразное горючее, и инициировать воспламенение на начальном этапе расчета температура подаваемого газа была принята равной 800К. Впоследствии вместе с началом процесса горения температура газа была уменьшена до 300К.

С целью получения более точного решения в областях входной и выходной границ было реализовано ортогональное экструдирование расчетной сетки на этих границах, фрагмент которого изображен на рис. 1б.

Помимо основных многогранных ячеек созданы 3 пристеночных призматических слоя с коэффициентом сжатия - 1,5.

Для повышения скорости вычислений моделей лагранжевой фазы, являющихся одними из

наиболее ресурсоемких, в расчете не учитывались частицы, масса которых после процессов горения не превышала заданного минимального порогового значения.

Результаты моделирования представлены на рис. 2-4. Максимальная расчетная температура в камере составила 1368оС.

Результаты расчетов поля скоростей в сечениях перпендикулярных оси камеры представлены на рис. 2, где видно, что течение генерируется струей (рис. 2,а) и приводит к течению с прямолинейной вихревой линией, совпадающей с осью камеры (рис. 2,б). На рис. 2,в представлено распределение осевой скорости. Из этой зависимости следует, что осевая скорость монотонно возрастает вдоль оси. Это приводит к возникновению разрежения в зоне выходного канала (рис. 2,г).

Изотермы температур по вертикальному сечению, проходящему через ось камеры и перпендикулярно оси входного сечения, приведены на рис.

3,а. Вблизи среза входного канала температура держится в районе 700°С, что указывает на то, что частицы ВУТ только нагреваются, но загореться не успевают. График изменения усредненной по объёму температуры показан на рис. 3,б; установившееся решение достигнуто при температуре около 1100°С.

Зависимости концентраций кислорода, моноксида и диоксида углерода от координат представлены на рис. 4,г.

Работа выполнена в рамках проекта № 2010218-02-174 по Постановлению Правительства РФ от 09.04.2010 г. № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Guoa, Y.C. A multi-fluid model for simulating turbulent gas-particle flow and pulverized coal combustion / Y.C. Guoa, C.K. Chanb // Fuel, 2000, Volume 79, Issue 12. - P. 1467-1476.

2. Kuniyoshi Ishii / Advanced pulverized coal injection technology and blast furnace operation. - Elsevier, 2000. - 307 p.

3. Smoot, D.J. Combustion and Gasification / D.J. Smoot, P.J. Smith // The Plenum Chemical Engineering series, 1985. - New York.

4. Warnatz, J. Combustion: physical and chemical fundamentals, modeling and simulation, experiments, pollutant formation / J. Warnatz, U. Maas, R. W. Dibble. - Springer, 2006. - 378 p.

Авторы статьи:

Куксов Игорь Анатольевич , мл. научн. сотрудник Управления научных исследований СибГИУ, e-mail: saget@inbox.ru

Мочалов Сергей Павлович, докт.техн.наук, профессор, ректор СибГИУ, e-mail: rector@sibsiu.ru

Сарычев Владимир Дмитриевич, канд.техн.наук, доцент каф.

физики СибГИУ, e-mail:

sarychev vd@physics.sibsiu.ru

Шендриков Александр Евгеньевич, начальник отдела корпоративных технологий СибГИУ, e-mail: shenale@sibsiu.ru