CC BY
93
УДК 662.7:536.244
О.Ю. Косова
РАСЧЕТ ТРУБЧАТОГО РЕАКТОРА ТИПА «ГАЗОВЗВЕСЬ»
ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
Предложена методика численного расчета трубчатого реактора для пирогазификации измельченного твердого топлива в потоке газовзвеси с подводом тепла к потоку от внешнего источника через стенку реактора.
O.Yu. Kosova
GAS SUSPENSION TYPE TUBULAR REACTOR CALCULATION FOR FIRM FUEL THERMAL PROCESSING
The technique of numerical calculation of a tubular reactor for thermal processing the crushed firm fuel in a stream of gas with a supply of heat to a stream from an external source through a wall of a reactor is offered in this article.
В настоящее время проблема комплексного энерготехнологического использования твердого топлива, с научно-технической точки зрения - это, главным образом, проблема аппаратурного оформления термохимических процессов переработки топлива. В [1] предложена установка, процессы пирогазификации топлива в которой осуществляются в трубчатых реакторах типа «газовзвесь». Одно из важных преимуществ трубчатых реакторов состоит в возможности организации теплоподвода в реакционную зону от внешнего источника через разделяющую стенку.
В данной работе представлена методика расчета трубчатого реактора, основанная на использовании численного метода расчета теплообмена газовзвеси, который изложен в [2, 3]. Расчетная схема метода предусматривает разбивку потока газовзвеси в трубе на элементарные концентрические кольцевые слои толщиной Ду = (R - 0,5 dm) / (n-0,5), где n - число слоев (следует принимать n не менее 20). В продольном направлении поток представляется состоящим из участков переменной длины Дх, величина которых определяется в процессе итерационного счета.
Укрупненная блок-схема расчета приведена на рисунке.
Рассматривается трубчатый реактор, расположенный в кипящем слое с температурой TKX. Задача теплообмена решается в сопряженной постановке. При этом температура T^,^ внутренней поверхности стенки реактора является определяемой величиной, она находится в итерационном цикле (блоки 13... 19) при известных термических сопротивлениях теплоотдачи со стороны кипящего слоя - 1/акс и теплопроводности стенки реактора - 8ст / Хм.
Коэффициент теплообмена акс в блоке 5 определяется по известным соотношениям, например в [4]. При необходимости учета лучистой составляющей акс, зависящей от Tст, ее вычисление целесообразно осуществлять в итерационном цикле одновременно с нахождением Tст.т (блоки 13.19).
В качестве определяющей температуры, по которой находятся теплофизические параметры газовой среды, транспортирующей топливные частицы, принимается температура на оси потока Тг.п (блок 9). Коэффициент теплообмена ат,ср в блоке 12 вычисляется с использованием рекомендаций [5].
Определение диффузионно-кинетических параметров термохимических превращений натуральных топлив в блоке 26 осложнено ограниченностью и низкой точностью расчетных рекомендаций. Наиболее полно в литературе представлены кинетические параметры реакций взаимодействия лишь чистого углерода с газовыми компонентами. Поэтому в отсутствие сведений по кинетическим параметрам термодеструктивных превращений перерабатываемого топлива, при определении состава потока в конце элементарного участка реактора длиной Дх (блок 27) можно использовать экспериментальные данные по динамике газовыделения в нагреваемой топливной взвеси, имеющиеся в [6] и других литературных источниках.
Блок-схема расчета
По известным составам потока на входе и выходе участка Дх в блоке 28 вычисляется тепловой эффект протекающих реакций, отнесенный к 1 м3 реакторного объема - Qр,Vг Вт/м3. Величина Qpv принята в качестве параметра итерационного цикла (блоки 10.32) расчета характеристик на участке Дх.
В блоке 34 предусматривается вывод на печать текущих значений определяемых величин, а в блоке 35 дается приращение 5Т для температуры газа в центре потока на следующем участке Дх. Таким образом расчет выполняется для каждого последовательно расположенного участка реактора до выполнения условия в блоке 36-1>1зад, где 1зад -наперед заданная или определяемая в процессе расчета величина. Такой величиной, в зависимости от решаемых задач, могут выступать длина Ь реактора, температура стенки реактора Тст, конечная температура нагрева частиц топлива Тт, выход парогазовой смеси Уп,г или целевого продукта (Н2, СН4, С6Н6 и т.д.) и другие параметры. Если пирогазификация осуществляется за счет подвода теплоты, выделяющейся при сжигании коксового остатка, то ограничивающим расчет параметром может быть степень выгазовывания исходного топлива, обеспечивающая баланс потребляемой в процессе теплоты и потенциальной химической теплоты твердой фазы потока газовзвеси на выходе реактора.
С целью проверки адекватности предложенного алгоритма осуществлялся расчет длины реактора для условий опытов [6] по высокоскоростному пиролизу ирша-бородинского и южноуральского (Ермолаевский разрез) бурых углей в средах водяного пара и воздуха, а также по окислительному пиролизу горючих сланцев. Использовались экспериментальные данные по динамике выхода парогазовых компонентов на длине реакторной трубы. В процессе расчета решалась внутренняя задача теплообмена при задаваемой (измерялась в опытах) температуре стенки. Всего просчитывалось двенадцать опытов. Расхождение расчетного значения Ь с действительным составило в среднем 12%.
Таким образом, расчетная методика и принятое описание теплогидравлических процессов при пирогазификации топлива в потоке газовзвеси позволяют получать результат с приемлемой для инженерной практики точностью.
Список обозначений
Я - радиус реактора, м; О - расход газовой фазы потока, кг/с; К - расходная массовая концентрация частиц в потоке; Т, ^ - температура, К, °С; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); 8ст - толщина стенки реактора, м; ёт - диаметр частиц топлива, м; Ф - геометрический фактор формы частиц; ср и ст - теплоемкость сплошной и дисперсной фаз, Дж/(кг-К); J - полная энтальпия потока, Дж/кг; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К); Q - мощность теплового потока, Вт; V - кинематический коэффициент вязкости, м2/с; р - плотность газовой фазы, кг/м3; £, - коэффициент гидродинамического сопротивления; фу - фактор скоростного скольжения частиц; А -расчетный параметр; q - плотность теплового потока на стенке, Вт/м2; т - время, с; н -среднерасходная скорость газовой фазы, м/с; ДР - перепад давления потока, Па; № -число Нуссельта; Яе - число Рейнольдса; Рг - число Прандтля.
Индексы: о - вход потока; к. с. - кипящий слой; ст - стенка реактора; т - твердая фаза; п - поток; г - газ; ср - параметр при средней температуре потока; Тб - турбулентный; ' и '' - вход и выход участка Дх; г - порядковый номер кольцевого слоя; ] - порядковый номер участка Дх.
ЛИТЕРАТУРА
1. Косова О.Ю. Установка для термической переработки пылевидного сланца / О.Ю. Косова // Горючие сланцы - альтернативный источник топлива и сырья. Фундаментальные исследования. Опыт и перспективы: материалы Междунар. науч. конф. 21-23 мая 2007 г. Саратов: СГТУ, 2007. С. 108-112.
2. Печенегов Ю.Я. Математическое моделирование теплообмена потока газовзвеси в трубе / Ю.Я. Печенегов, О.Ю. Косова // Физические основы экспериментального и математического моделирования процессов газодинамики и теплообмена в энергетических установках: труды ХШ Школы-семинара молодых ученых и специалистов
под руководством акад. А.И. Леонтьева: в 2 т. С.-Петербург, 20-25 мая 2001 г. Т. 2. М.:
Изд-во МЭИ, 2001. С. 39-41.
3. Печенегов Ю. Я. Метод расчета теплообмена при течении в трубе газовзвеси с термохимически разлагающейся твердой фазой / Ю.Я. Печенегов, О.Ю. Косова // Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: труды XIV Школы-семинара молодых ученых и специалистов под руководством акад. А.И. Леонтьева: в 2 т. Рыбинск, 26-30 мая 2003 г. Т. 1. М.: Изд-во МЭИ, 2003. С. 306-308.
4. Процессы тепло- и массопереноса в кипящем слое / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, А.Ф. Рыжков, М.Ф. Филипповский. М.: Металлургия, 1978. 248 с.
5. Горбис З.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков /
З.Р. Горбис. М.: Энергия, 1970. 424 с.
6. Каширский В. Г. Экспериментальные основы комплексного
энерготехнологического использования топлив / В.Г. Каширский. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1981. 144 с.
Косова Ольга Юрьевна -
инженер ОАО «ВНИПИгаздобыча», г. Саратов
Статья поступила в редакцию 23.05.07, принята к опубликованию 03.07.07
