Микроструктура и радиационные характеристики сажевого золя в пламенах и антропогенных выбросах продуктов сгорания Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 629.125:551.521

МИКРОСТРУКТУРА И РАДИАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ САЖЕВОГО ЗОЛЯ В ПЛАМЁНАХ И АНТРОПОГЕННЫХ ВЫБРОСАХ

ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

Н.И. МОСКАЛЕНКО, Я.С. САФИУЛЛИНА, Р.А. ЗАГИДУЛЛИН Казанский государственный энергетический университет

Рассматриваются результаты определения микроструктуры сажевого золя в пламенах и антропогенных выбросах продуктов сгорания оптическим методом, по данным спектральных оптических изменений. Оптимизация решения обратной задачи определения микроструктуры сажевого золя достигается использованием итерационного метода возмущений из условия минимизации отклонений в спектральных зависимостях измеренного и восстановленного спектров коэффициентов ослабления и поглощения излучения продуктами сгорания. Результаты определения микроструктуры сажевого золя и продуктов сгорания энергетических топлив используются для получения радиационных характеристик сажевого золя, необходимых для решения задач радиационного теплообмена в энергетических и энерготехнологических агрегатах и антропогенно-возмущенных средах.

Ключевые слова: радиационный теплообмен, оптические характеристики, функция спектрального пропускания, микроструктура сажевого золя.

Введение

Расчет радиационного теплообмена в топках энергетических агрегатов в настоящее время является актуальной задачей современной теплофизики в связи с созданием малогабаритных котлов с высокой производительностью, высокой теплонапряженностью топочного пространства, а также повышенного КПД, что требует оптимальных конструкторских решений при разработке или модернизации энергетических установок. Теплообмен излучением в пламенных печах и топках котельных установок играет решающую роль и определяет распределение потоков тепла по тепловоспринимающим поверхностям топки, температуры в пристеночных слоях и по поверхностям экранов. В работах [1,2] рассмотрена математическая модель радиационного теплообмена в топках с учетом неравновесности и острой селекции спектров излучения в пламенных топках с применением замкнутой схемы моделирования, предусматривающей расчет распределения температуры по объему топочной камеры, которая для своей реализации требует знание химического состава продуктов сгорания и радиационных характеристик, входящих в алгоритмы радиационного теплообмена в объеме топки и на ее тепловоспринимающих поверхностях. Основной радиационной характеристикой газовой фазы продуктов сгорания является функция спектрального пропускания (ФСП), а для дисперсной фазы - объемные спектральные коэффициенты поглощения и рассеяния, индикатрисы рассеяния по всему спектру теплового излучения. Важным обстоятельством при восстановлении микроструктуры сажевого золя в пламёнах является неравновесность излучения сажевого золя, обусловленная более низкой температурой частиц сажи по сравнению с термодинамической температурой газовой фазы продуктов сгорания топлива.

© Н.И. Москаленко, Я.С. Сафиуллина, Р.А. Загидуллин Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

Неравновесность излучения сажевого золя была обнаружена экспериментально по результатам измерений спектральной яркости излучения пламени и ФСП сажевого золя при прохождении неселективного излучения через пламя в тождественных условиях на измерительных комплексах [2,4,5]. Наибольшие величины температурной неравновесности в пламёнах, наблюдались при сжигании ацетилена в воздухе. Так при коэффициенте избытка воздуха а = 1,03 для пламени с вертикальным развитием и

2

прямоугольной формой горизонтального сечения 20 х 40см измеренная оптическим методом самообращения спектральных линий термодинамическая температура газовой фазы продуктов сгорания составляла 2370К, в то время как температура золя

дт —1

принимала значение Та = 2130^ . Оптическая плотность — = 0,4м на длине волны

дЬ

Х = 0,55мкм. Коэффициент черноты излучения золя составил значение в(Х = 0,55) = 0,064.

Рассмотрение баланса энергии на частицах золя показало, что температура частиц Та будет равна температуре окружающей частицу газовой среды Т, если среда излучает как черное тело по всем направлениям. Действительно, падающая на частицу и поглощённая ею энергия составляет величину

/Н<Т ^Кх^ , (1)

где ст^ - сечение поглощения излучения частицей золя; / Т и / ^ - спектральные, полусферические потоки излучения по взаимно противоположным направлениям; X -длина волны. Излученная частицей по всем направлениям энергия составит величину

<х>

/ = 10° 2пВх (ТаX =| (/х т + ¿КхЛX. (2)

0

Из соотношения (2) следует, что температура частицы Та = Т только в случае, когда окружающая частицу среда излучает как черное тело. В топочном пространстве это условие никогда не выполняется и температура частицы Та всегда будет отличаться от температуры окружающей частицу газовой фазы и продуктов сгорания. В зоне химических реакций температура Та будет ниже термодинамической температуры Т газовой фазы продуктов сгорания. В периферийной зоне топки может наблюдаться превышение температуры частиц золя над термодинамической температурой. Неравновесность температуры золя может существенно сказаться на процессе радиационного теплообмена, так как сажевый золь обладает поглощающими свойствами на всех длинах волн теплового излучения.

В результате торможения частиц золя происходит увеличение температуры частиц. При этом изменение кинетической энергии Е приводит к изменению температуры частиц. Из уравнения баланса следует соотношение ЛЕ = —ЛН

(Н -энтальпия) и "Д" = ~~, где Т — температура, К; ДЭ — изменение скорости частиц.

Например, уменьшение скорости частиц на 20% приводит к увеличению температуры

частиц сажи на 10%.

Изменение потока излучения частиц можно получить, продифференцировав

Л/ 4ЛТ 2ЛЭ Д/ 2ДЭ

тепловое излучение частиц золя, так что -=-=--и-=--.

/ Т Э / Э

Определение микроструктуры дисперсной фазы продуктов сгорания

Определение микроструктуры сажевого золя в пламёнах и антропогенных выбросах продуктов сгорания оптическим методом по данным спектральных оптических измерений представляет собой обратную задачу, требующую для своего решения априорной информации по оптическим (радиационным) характеристикам (ОХ) сажевого золя различных микроструктурных образований, перекрывающих всю область вариаций спектральных зависимостей коэффициента ослабления и поглощения излучения. При этом опорные длины волн (каналы измерений) должны быть выбраны в окнах прозрачности газовой фазы продуктов сгорания с минимальными значениями вклада поглощения излучения в регистрируемые спектры ослабления излучения и включать длины волн в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах спектра [2]. Оптимизация решения задачи восстановления микроструктуры золя из спектров ослабления излучения проводится из условия

vAa"k i (3) - = mm, (3)

i

где Аста^. - отклонения в спектральной зависимости коэффициента ослабления восстановленного спектра &ax. от измеренного; i — номер канала измерений.

Частицы сажи представляют собой пористые структуры и включают в своем составе растворимую фракцию и включения газовой фракции. Измерения плотности р сажевого золя показали, что она варьирует в зависимости от режима горения в диапазоне значений р е {1,9;2,4}. При этом растворимая фракция золя составляет «10% от полной массы частиц для сажевого золя, который генерируется при сжигании газового топлива, и «20%- в дисперсной фазе продуктов сгорания древесины. В соответствии с указанным составом частиц золя были вычислены ОХ модельных микроструктур частиц сажевого золя для модифицированных гамма-распределений, представленных в табл.1

Таблица 1

Параметры моделей микроструктуры сажевого золя модифицированных гамма-распределений f(r) = Ara exp ( — yrв), Гт — модельный радиус распределения

№ а в Y rm

1 1 50 0,5 1,6 -10—3

2 0,2 6 0,5 4,4 -10—3

3 1 9 0,5 4,9 -10—2

4 1 7,5 0,5 9-10—2

5 2 12 7,5 8,9 -10—2

6 1,5 6 1 2,5 -10—1

7 0,1 0,5 2 0,3

8 1 1 2 0,3

9 3 6 0,5 1

10 3 4 0,5 2,25

База данных по ОХ сажевого золя для микроструктур табл.1 является априорной информацией, которая используется для восстановления реальных микроструктур дисперсной фазы продуктов сгорания из спектров коэффициента ослабления излучения

© Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

средой. Кроме этого, для оптимального выбора нулевого приближения дополнительно создается база данных ОХ нулевых приближений для различных микроструктур сажевого золя.

Рис.1. Функциональная схема определения микроструктуры сажевого золя по данным спектральных

оптических изменений

На рис.1 показана функциональная схема определения микроструктуры сажевого золя по данным спектральных оптических измерений, которая берет начало с восстановления ФСП аэрозоля тах из измеренных спектров ослабления излучения и

определения спектральной зависимости стах. Выбор нулевого приближения <з°х производится в соответствии с соотношением (3). Далее производится определение микроструктуры сажевого золя с использованием итерационной процедуры уточнения решения методом возмущений (метод спуска по Тихонову) с соблюдением нормировки микроструктуры каждой итерации по соотношению

^ 1п так (X = 0,55мкм) = 1п та (X = 0,55мкм),

к

где к - номер фракции, включая фракцию нулевого приближения; та - измеренная ФСП аэрозоля для X = 0,55мкм . © Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

Суть задачи восстановления микроструктуры золя заключается в определении весовых функций числа частиц N1 (г), которые наилучшим образом опишут спектральную зависимость измеренных коэффициентов поглощения и ослабления излучения золем [2,6]. Следует отметить, что пламёна образуют сильно поглощающую газовую среду, так что длины волн для решения обратной задачи следует выбирать таким образом, чтобы эмиссия газов в них была минимальной [2,6]. Включение в обработку длин волн X > 4,2мкм только увеличивает ошибки восстановления микроструктуры золя. Опыт восстановления микроструктуры сажевого золя показал, что в пламёнах присутствует тонкодисперсный сажевый первичный золь, который генерируется из газовой фазы продуктов сгорания в результате ионной нуклеации, микроструктура и оптическая плотность которого сильно зависят от химического состава газового топлива и времени пребывания первичного золя в пламенной зоне. Наиболее вероятный модальный радиус частиц этой фракции золя гт = 0,003мкм получен при сжигании метана в воздухе и кислороде. Увеличение скорости течения продуктов сгорания приводит к росту вклада тонкодисперсной фракции золя на радиационные характеристики. Первичный золь подвержен процессу гетерогенной коагуляции, который приводит к появлению средней фракции частиц золя с модальным радиусом гт е {0,01; 0,03}мкм . Скорость гетерогенной коагуляции зависит от электрических свойств первичного золя и его числовой плотности. Наибольшей полидисперсностью обладает золь при сжигании ацетилена в воздушном потоке (см. рис 2).

f (г)

f (г)

100 1

0,01 0,0001 0,000001 0,00000001

10 000 100 1 0,01 0,0001 0,000001 0,00000001 .................................

^У'Ч .......2

0,001 0,08 1 4 16 г, мкм

0,001 0,08 1 4 16

а) б)

Рис. 2. Функция распределения /(г) числа частиц по размерам: г - радиус частиц. Пламёна: А - метан - воздушное; В - пропан - бутан - воздушное; С - ацетилен - воздушное, 1 - в выбросах продуктов сгорания бензинового двигателя; 2 - в продуктах сгорания соснового бруса

На рис. 2,а показаны функции распределения / (г) числа частиц по размерам для

метан-воздушного, пропан-бутан-воздушного, ацетилен-воздушного пламен; на рис. 2,б - функции распределения /(г) числа частиц по размерам в атмосферных выбросах продуктов сгорания бензинового двигателя и продуктах сгорания соснового бруса. Нормировка / (г) выполнена на значение

| / (г )йг = 1. (4)

Модели радиационных характеристик сажевого золя в топках, работающих на газовом топливе

Основными радиационными характеристиками сажевого золя, определяющими его влияние на процесс радиационного теплообмена в топке, являются коэффициенты

ослабления стах, рассеяния ст5ах, поглощения стах, и индикатриса рассеяния /х (9) (9 -

г, мкм

угол рассеяния). ОХ некоторого эквивалентного ансамбля сферических частиц определяются комплексным показателем преломления п = т -1х , который вычисляется с учетом многокомпонентного химического состава частиц:

Е т/р/ Е х/р/ «ч

т =^-, х= ^-, (5)

ЕР1 ЕР

где Р1 - массовая концентрация соединения 1 в частицах. Суммирование распространяется на все соединения 1, входящие в состав, в том числе и воздуха для рыхлых частиц, а также влаги при учете конденсационных воздействий на ОХ дисперсной фазы в атмосферных выбросах ТЭЦ. По данным настоящих измерений микроструктуры выполнены по теории Ми ОХ для сажевого золя при сжигании метана, пропан-бутана и ацетилена в воздухе, получены при значении коэффициента избытка воздуха а = 1,03 и введены в электронную базу данных. Использовалось многорядное горелочное устройство восходящего потока пламени с высотой 30 см при скорости течения продуктов сгорания &н = 15м/с в топочной камере измерительного комплекса

[2,4,5]. Величины стах, ст^х, ст^^х нормированы на величину стах(х = 0,55мкм) = 1. Индикатриса рассеяния нормирована на вероятность выживания кванта юх :

Аж

|о /х(П№ = юх , (6)

где О - телесный угол.

На рис.3 представлены величины стах, ст^ах, ст^^х для различных значений относительной влажности в атмосферных выбросах ТЭЦ для микроструктуры сажевого золя (фракция №4).

СТха

а

а

Ох а

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

/

--- 0

30%

60%

80%

---- 90%

---- 99%

X, мкм

0,2 0,3 0,4 0,99 1,8 2 2,3 4 6 8 10 12 16 18 20 25 30 40 60

в

Рис. 3. Спектральная зависимость нормированных коэффициентов: а) - ослабления; б) -

поглощения гааа и в) - рассеяния ст£а для сажевого аэрозоля (фракция №4) при разных

относительных влажностях /

Радиационный теплообмен в многокамерной топке с учетом неравновесности излучения сажевого золя

Из самых общих соображений электронно-колебательных спектров можно сделать вывод, что наибольшее влияние на процесс радиационного теплообмена в топках неравновесность оказывает при сжигании газообразного углеводородного топлива и мазута, которые имеют в своем составе серосодержащие и азотосодержащие компоненты. Математическая модель переноса теплового излучения и замкнутого моделирования радиационного теплообмена в неравновесно излучающих средах с расчетом поля температуры по объему топочного пространства и потоков излучения, падающих на тепловоспринимающие поверхности топки, рассмотрены в работах [1,2]. © Проблемы энергетики, 2013, № 5-6

Ниже рассмотрим результаты расчетов теплообмена в многокамерной топке с вертикальным развитием пламени подовых многорядных горелок, формирующих единое для всех камер многокамерной топки горелочное устройство матричного типа [2,4] с общим газовым коллектором для подачи газообразного топлива и коллектором для подачи окислителя (воздуха или кислорода). Горелочное устройство выполняется с радиатором для его охлаждения водой. Многокамерная топка обеспечивает максимальную скорость радиационного выхолаживания, а применение подовых горелочных устройств обеспечивает максимальное время пребывание продуктов сгорания в топке. Реализация более высоких скоростей течения продуктов сгорания в многокамерной топке приводит к снижению концентрации оксидов азота и в связи с сокращением времени пребывания продуктов сгорания в пламенной зоне.

В настоящей работе используется двухпараметрический метод эквивалентной массы при расчетах ФСП оптически активных газовых компонентов продуктов сгорания. При моделировании дисперсной фазы продуктов сгорания предполагается, что горение каждого ингредиента происходит независимо, что позволяет использовать оптическую плотность сажевого золя по результатам измерений на пламенных измерительных комплексах. ОХ сажевого золя получены для измеренных микроструктур сажевого золя. Выше пламенной зоны наблюдается экспоненциальный спад числовой плотности тонкодисперсной фракции золя в связи с выгоранием и процессом гетерогенной коагуляции частиц. Грубодисперсная фракция золя не выгорает, ее распределение принято независящим от высоты (z). Вклад каждой

фракции нормируется в соответствии с объемными концентрациями CH4, пропан-бутана, C2H2. Высота пламенной зоны принята равной 0,7м и получена путем применения теории подобия к экспериментальным данным [4]. При этом принят диаметр газовых капилляров равным 0,8 см, а расстояние между капиллярами - 5 см.

Замкнутое моделирование радиационного теплообмена с учетом температурной неравновесности золя в продуктах сгорания выполняется по следующей схеме. Сначала выполняется расчет вертикального профиля температуры в ячейке многокамерной топки для стационарного режима ее функционирования с учетом только неравновесности газовых ингредиентов и равновесного излучения дисперсной фазы. Далее полученный профиль температуры принимается как нулевое приближение и применением итерационной процедуры радиационного теплообмена по соотношению (2) вычисляется вертикальный профиль температуры дисперсной фазы продуктов сгорания. На рис.4 показаны результаты расчетов температуры газовой и дисперсной фаз продуктов сгорания. Учет неравновесности излучения сажевого золя в радиационном теплообмене приводит к уменьшению радиационного выхолаживания в высокотемпературных зонах горения газового топлива и повышению температуры газовой фазы продуктов сгорания.

Полный поток излучения, воспринятый тепловоспринимающими поверхностями, определяется соотношением

h

F = { F^)с® = X V ! ^ ^(. (7)

5 0

0 5 10 15

а) б)

Рис. 4. а) Зависимость температурных профилей Т(х) от высоты 7 над капиллярами подового горелочного устройства многорядной горелки многокамерной топки: 1 - газовая фаза;

2 - дисперсная фаза. б) Изменение интегрального потока излучения по высоте топочной камеры для ячейки многокамерной топки с горизонтальным сечением 1,4х1,4 м2: 1- без учета температурной неравновесности золя; 2 - с учетом температурной неравновесности золя.

Начальная скорость продуктов сгорания ин =20м/с .

Радиационный баланс в соотношении (7) соблюдается с погрешностью 0,4%. На рис.4 показано распределение интегрального потока излучения, падающего на тепловоспринимающие поверхности топки в зависимости от высоты 7 над уровнем плоскости капилляров подового матричного горелочного устройства многокамерной топки.

Выводы

1. Выполнен анализ спектров излучения и ФСП по результатам изменений на пламенных комплексах и обнаружена температурная неравновесность излучения сажевого золя при горении газового топлива. Рассмотрен радиационный теплообмен на частицах сажевого золя и дано теоретическое обоснование данного процесса.

2. Влияние температурной неравновесности сажевого золя в большей степени проявляется в оптически тонких пламёнах и структурно неоднородных средах(пламенных топках, многокамерных топках).

3. Определена микроструктура сажевого золя при горении различных ингредиентов газового топлива, в выбросах двигателей внутреннего сгорания и при сжигании древесины в воздухе. Полученные сведения по микроструктуре сажевого золя использованы для расчетов его радиационных характеристик, которые внесены в базу данных по ОХ различных типов аэрозольных образований и используются в расчетах радиационного теплообмена в антропогенно-возмущённой атмосфере и в топках с камерным сжиганием газового топлива.

4. Выполнен расчет радиационного теплообмена в ячейке многокамерной топки с учетом температурной неравновесности сажевого золя и получены сведения по высотной зависимости температуры газовой и дисперсной фаз продуктов сгорания газового топлива.

8ишшагу

The results of determination of the microstructure of sooty ashes particulates in flames and anthropogenic combustion products by optical method, according to the optical spectral measurements is considered . Optimization of the inverse problem of determining the microstructure of sooty ashes achieved using the iterative method of disturbances by minimizing variations in the spectral dependence of the measured spectra and reduced attenuation coefficients and absorption of radiation by combustion products. Results of the determination of the microstructure of the sooty ashes products of combustion of energy fuels are used for radiation characteristics of sooty ashes to address the problems of radiation heat transfer in the energy and power technology units and anthropogenically disturbed environments.

Keywords: radiating heat exchange, optical properties, spectral transmission function, the microstructure of sooty ashes.

Литература

1. Москаленко Н.И., Загидуллин Р.А., Зарипов А.В., Локтев Н.Ф. Моделирование радиационного теплообмена с учетом неравновесности и селективности излучения в топках энергетических котлов тепловых электрических станций. I. Математическая модель //Известия вузов. Проблемы энергетики. 2012. №1-2. С. 23-33.

2. Moskalenko N.I., Zaripov A.V., Ilyin Yu.A. Investigation of nonequilibrium hydroxyl emission spectra // Russian Phys. Journ. - New York: Springerlink. 2010.V. 53. №2. P. 107-113.

3. Moskalenko N.I., Zaripov A.V., Loktev N.F., Ilyin Yu.A. Emission characteristics of hydrogen-oxygen flames // Journ. Appl. Spectrosc. - New York: Springerlink. 2010. V.77. №3. P. 378-385.

4. Москаленко Н.И., Ильин Ю.А., Каюмова Г.В. Измерительный комплекс высокого спектрального разрешения для исследования пламени // ЖПС. 1992. Т. 56. №1. С. 122-127.

5. Москаленко Н.И., Семенцов С.А., Садыков Р.С., Мирумянц С.О., Семенов А.С. Спектральная установка для исследований характеристик молекулярного поглощения и излучения газов в высокотемпературных пламенах // ЖПС. 1980.Т.32. №2. С. 377-382.

6. Москаленко Н.И., Локтев Н.Ф., Сафиуллина Я.С., Садыкова М.С. Идентификация ингредиентов и определение ингредиентного состава атмосферных выбросов и продуктов сгорания методом тонкоструктурной спектрометрии // Междунар. научн. журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2010. №2. С.43-54.

Поступила в редакцию 5 марта 2013 г.

Москаленко Николай Иванович - д-р физ - матем. наук, профессор кафедры «Котельные установки и парогенераторы» Казанского государственного энергетического университета. Тел: 8 (843) 2346406.

Загидуллин Рустем Абдулхакович - аспирант, ассистент кафедры «Котельные установки и парогенераторы» Казанского государственного энергетического университета. Тел: 8-917-919-51-71. E-mail: rz.13_.-@mail. ru

Сафиуллина Яна Салаватовна - Казанский государственный энергетический университет, кафедра «Котельные установки и парогенераторы».