Математическое моделирование процессов горения суспензионного водоугольного топлива в вихревой топке

АВТОМАТИЗАЦИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

УДК 662.66:658.567.1. 004.942

2012 г. И.А. Рыбенко, С.П. Мочалов, П.С. Мочалов, С.Н. Калашников

Сибирский государственный индустриальный университет

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ СУСПЕНЗИОННОГО ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В ВИХРЕВОЙ ТОПКЕ*

В настоящее время накопление в отвалах тонкодисперсных нереализуемых отходов углеобогащения привело к развитию технологий водоугольного топлива. Необходимость сжигания обводненной угольной мелочи предполагает разработку водоугольных суспензий и методов их сжигания. Одним из перспективных направлений является технология сжигания суспензионного водоугольного топлива (ВУТ) в вихревой топке [1].

Для решения задач моделирования и оптимизации статических режимов сжигания суспензионного угольного топлива в вихревой топочной камере разработана методика, последовательность и взаимосвязь этапов которой представлены на рис. 1.

Методы термодинамического моделирования применяются для оценки условий протекания процесса, диапазонов изменения и состава фаз выходных потоков. Математическое описание взаимосвязей параметров потоков и процесса получено в результате вывода основных соотношений материального и теплового балансов. Третий этап необходим для решения задачи оптимизации по определению расходов материалов при заданном критерии оптимизации и ограничениях. Предусматривается сопоставление результатов моделирования каждого этапа с данными лабораторных экспериментов.

Термодинамический анализ системы необходим для определения области допустимых значений параметров при исследовании произвольных по химическому составу композиций. Расчеты, реализованные с использованием программного комплекса «ТЕКИЛ», разработанного в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана [2], позволили оценить предельные равновесные концентрации компонентов газовой фазы для

Работа выполнялась в соответствии с реализацией Минобрнаукой России комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства «Разработка технологии и создание пилотного образца автоматизированного энергогенерирующего комплекса, работающего на отходах углеобогащения», шифр 2010-218-02-174.

настройки коэффициентов и параметров процесса при расчете материального и теплового балансов процесса горения водоугольного топлива. Уравнения материального баланса строили на основе закона сохранения масс относительно составляющих гетерогенной системы.

Основные принципы расчета материального баланса сводятся к следующему.

1. Общая масса конденсированного вещества Я, поступающего в агрегат с входным потоком в единицу времени, определяется из соотношения

Свх

/Я/

_ ^ / Ят /

т=1

100

где G ? - расход конденсированного входного потока, кг/ч; N - количество веществ в потоке; /Ят/ - содержание вещества Ят в конденсированном потоке, %.

2. Масса газообразного вещества Я, поступающего в агрегат в единицу времени, также определяется с учетом его содержания в газообразном входном потоке:

с вх _ У С1 {Ят }

с{я}_ у-

т—1

100

где Ог - расход газообразного входного потока, кг/ч; N - количество веществ в потоке; {Ят} - содержание вещества Ят в газообразном входном потоке, %.

В соответствии с приведенными выше формулами рассчитываются массы веществ, поступающих в агрегат с входными потоками в единицу времени.

3. Все компоненты неорганической части топлива не участвуют в процессе горения и составляют оксидную фазу.

4. Выход золы будет определяться массами всех оксидов зольной части, поступающих в печь в единицу времени.

5. Состав отходящих газов рассчитывается исходя из условий протекания реакций окисле-

Рис. 1. Методика моделирования и оптимизации стационарных режимов горения ВУТ

ния органического углерода, выделения и горения летучих и испарения влаги.

При выводе уравнений теплового баланса принято, что основными определяющими процессами для теплового состояния являются: химические реакции горения летучих и органического углерода с соответствующими тепловыми эффектами, затраты на нагрев золы и газа, испарение влаги и теплообмен с окружающей средой. Уравнения теплового баланса строили на основе закона сохранения энергии

бприх брасх •

Расчет балансов реализован в среде EXCEL с использованием встроенного оптимизатора для определения оптимального расхода воздуха на горение и расчета полученной температуры.

С использованием разработанной методики и системы расчета статических режимов горения ВУТ реализована динамическая математическая модель физико-химических процессов в

вихревой топке при сжигании водоугольного топлива.

При построении модели топочная камера и процесс горения рассматривались в следующем приближении. В топку подаются два входных потока: с первым поступает суспензионное угольное топливо, состоящее из органической части, золы, влаги и летучих компонентов; со вторым поступает воздух; гетерогенная смесь в топочном пространстве состоит из двух фаз: конденсированной и газовой.

Физико-химические процессы, протекающие при горении суспензионного водоугольного топлива, можно представить в виде следующих реакций:

выделения летучих

CO={CO};

CO2={CO2};

CH4={CH4};

Н2={Н2};

N={N2};

испарения влаги

Н2О ^ {Н2О};

горения летучих

{СО} + 1/2{О2} = {СО2};

{Н2} + 1/2{О2} = {Н2О};

{СН4}+2{О2}={СО2}+2{Н2О};

йп

{Н2}

йт

йп

{СН4}

йт

= Ж -Ж;

йп,

= Ъ2 + Ъ7 + Ъ9;

йт

йп.

-{Н20}

йп.

йт

{N2

= + ^8 + т9 -Ъп;

йт

=; 0^ = -ц,, -

йт

йп.

'{О2} _

йт

-0,5Ъ7 - 0,5Ж - 2Ъ9 - 0,5Ж0;

горения органического углерода

С + 1/2{02} = {СО};

взаимодействия углерода с водяным паром

С + {Н2О} = {СО} + {Н2}.

При формировании дифференциальных уравнений динамики изменения состава газовой фазы в топочной камере принято, что изменение объемной концентрации г-го вещества внутри топочного пространства определяется скоростью поступления данного вещества в агрегат, изменением концентрации внутри объема в результате протекания химических реакций и скоростью отвода вещества из топки с отходящими газами:

<М

об

йт

= пх / V - ЕЪ

и газа • ^&об / V ,

і=1

где п° - объемная концентрация г-го вещества внутри топочной камеры, моль/м3; пгвх -приход г-го вещества с входным потоком, моль/с; V - объем топочной камеры, м3;

К

- суммарная скорость всех химических

і =1

превращений г-го вещества в единице объема, моль/(м3-с); К - количество химических реакций с участием г-го вещества; игаза - объемная скорость выходного газового потока, м3/с.

Изменение концентраций веществ в объеме топки в единицу времени в результате химических превращений определяется разностью скоростей образования и расходования этих веществ в результате протекания всех химических реакций (1) - (11):

йп

Н20

йт

= -ъ6;

йп.

{СО}

йт

= Ж + Ъ10 -Ъ + ъп;

здесь W1 — W11 — скорости химических реакций (1) — (11).

Для произвольной реакции уаА + увВ — _ усС + увВ скорость равна [3]:

где уА,уВ - стехиометрические коэффициенты; пА, пв — объемные концентрации реагирующих веществ, моль/м3; к — константа скорости химической реакции, с-1, определяемая как

здесь к0 - коэффициент, зависящий только от природы реагирующих веществ, с-1; Е0 - энергия активации для реакции, кДж/моль; Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К); Т - температура, К.

Обозначив константы скоростей реакций (1) —(11) через к1, ..., к11 соответственно, получаем систему дифференциальных уравнений изменения состава газовой фазы во времени внутри топочной камеры в результате сжигания суспензионного водоугольного топлива:

Н90 . вх /Т7 I I «об

йт

2О = пвх /V - к к по

= пН2О ' У кго(к6п{Н20} ;

----= /&{с:О } / V - «газа • п{СО} / V + кШ (к1/п{СбО}л1

йт

Г йоб -0,5об , г -об • 0,5об , г -об - об ч •

- к7п[СО}п |о2| + к10пС п |о2| + к11пС ?&{НгО1) ^

об

йп.

об

-О01 - п{СО2} / V - «газа • п{сО2} / V +

7 /1 • об і • об *0,5об - і • об *2об \ •

+ кгоі (к2^&{С02Ілет - к7 п{С02}п {02} + к9^&{СН4 {02} ) ;

об

йп 1

й т

об {СО

{Н2} = п вх , / V - » „ п °б, / V +

ЧН2}

'газа ' 1{Н 2}

+ кгоґ(к4п{Н2}лет к8п{Н2}п ’ І102І + к11п1С п{Н20}) ;

йп° {Н20} йт

= -игазап{Н20} / V + Ко, (-к5пН20 +

К

+ адбн }п 2{°о2І + к8 п{оН2Іп ^ - кП/&сб п*^);

йт _ "{СН4}^ + кго, (к3/п{СН4}лет - к9 /п°СбН4}/п 2°0 2:

йп °сн4 } . вх

йп С ^вх/т/ . / / 1 *об • °,5о6 1 * об • об Ч *

йт _ пС + (-к1°пС п {02 } - к11^&С ?п{Н20}) ;

і об

Ш1 {02} «вх !\7 „ч *об /т/ і

<т = ^&° О 2}/ игазап{02} +

, , /пс г -об •°,5°б пс, -об •°,5°б + кгог (-0,5к6п{СО}п {О2} - 0,5к7п{Н2}п {О2}

йп

об

йт

2к9п{СН4}п {О2} °,5к1°пС п , {02}) ;

2 = п№2}/V + кгог(к5п^2}лет ) - °газа2} / V ;

йО.

= О&звохлы / V - ОгазаШОзолы ,

йт

где кгог - коэффициент, учитывающий вихревую составляющую в процессе горения топлива; Озоль1 - масса золы.

Уравнение теплового баланса процесса горения суспензионного водоугольного топлива имеет вид

Ой

йт

— = -ЛЯ6кбпн2О - ЛЯ7к7п{СбО} -

-ЛЯ8к8п{Ні2 } - ЛЯ 9к9 п{сн 4}  ЛН10к10пС -ЛЯ11к11пС - биот - б]

П'ЧГ ^пот газа ’

где АЯ6 — ЛЯП — тепловые эффекты химических реакций (6) — (11), кДж/моль; £&пот, — потери тепла в окружающую среду, кДж/с; 0&газа — теплосодержание выходного потока, кДж/с.

Левая часть уравнения теплового баланса представляет собой скорость ассимиляции тепла в вихревой топке, правая часть включает суммарное поглощение (выделение) тепла при протекании всех химических реакций, связанных с превращением веществ, потерь тепла в окружающую среду, скорость и потери тепла с отходящими газами.

Теплосодержание выходного потока определили следующим образом:

ёгаза _ игазаР газа С“ (* — О-

Тогда уравнение теплового баланса имеет

вид

— = -кгг + (-АЯ6к6«Нб2О - ЛЯ7к7п{СбО} -

ЛЯ8к8Сб }- ЛЯ9к9поСн4}- ЛЯ1°к1°пСб

ЛЯ11к11пС й пот игазаРгазаС^газа

газа Ргаза Сргаза (г г° ) )/ рвх^Срвх ,

где ргаза и рвх - плотности отходящего газа и

,3.

входного потока, кг/м ; Сргаза и Срвх — теплоемкости отходящего газа и входного потока, кДж/(моль-К); к( — коэффициент, учитывающий инерционность теплообмена внутри вих-

—1

ревой топки, с .

Представленная математическая модель может быть использована при разработке режимов сжигания и создания систем управления автоматизированными энергогенерирующими комплексами.

С применением методики и системы расчета с целью исследования и оптимизации режимов горения ВУТ для стационарного режима были рассчитаны параметры процесса горения суспензионного угольного топлива при различном расходе воздуха для базового расхода ВУТ 90 кг/ч (75 л/ч) при зольности 32,3 % и влажности 39,2 %. Расход воздуха меняли в пределах от 283 до 617 м3/ч. Результаты расчетов представлены на рис. 2, из которого следу-

Рис. 2. Зависимости параметров процесса горения ВУТ от расхода воздуха

ет, что при увеличении расхода воздуха с 283 до 437 м3/ч в газовой фазе остается СО, температура увеличивается с 676 до 1205 °С, дальнейшее увеличение расхода воздуха приводит к полному дожиганию СО, в газовой фазе начинает появляться кислород, температура отходящих газов падает до 947 °С.

Выводы. С использованием разработанной методики и системы расчета статических режимов горения суспензионного водоугольного топлива реализована динамическая математическая модель физико-химических процессов в вихревой топке при сжигании такого топлива. Модель может использоваться при разработке режимов сжигания и создания систем управления автоматизированными энергогенерирующими комплексами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. З а б р о д и н А.Г. Перспективы применения водотопливных эмульсий и устройство для обеспечения их сжигания // Современные технологии в машиностроении: Сб. статей XIII междунар. науч.-практ. конф. -Пенза: изд. ПДЗ, 2009. С. 202.

2. Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов / Г.В. Синярев, Н.А. Ватолин, Б.Г. Трусов, Г.К. Моисеев. - М.: Наука, 1982. - 263 с.

3. Основы практической теории горения / Под ред. В.В. Померанцева. - Л: Энергия, 1973. - 264 с.

© 2012 г. И.А. Рыбенко, С.П. Мочалов, П.С. Мочалов, С.Н. Калашников Поступила 11 мая 2012 г.