CC BY
13Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 6 (2013 6) 625-636
УДК 662.612: 662.613: 66.088
Расчетное исследование факельного горения мелкодисперсного лигноцеллюлозного сырья
М.Ю. Чернецкийаб, А.А. Дектерева6*, А.П. Бурдуков6
аСибирский федеральный университет, Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 бИнститут теплофизики СО РАН им. С.С. Кутателадзе Россия 630090, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1
Received 04.05.2013, received in revised form 02.09.2013, accepted 11.09.2013
В статье представлена математическая модель и проведено расчетное исследование горения мелкодисперсного лигноцеллюлозного топлива прошедшего измельчение на мельничных устройствах с различной степенью энергонапряжённости. Выполнена верификация математической модели с использованием экспериментальных данных по автотермическому режиму горения продуктов переработки растительного сырья (соломы) на стенде мощностью 5 МВт.
Ключевые слова: горение биотоплива, солома пшеницы, численное моделирование.
Введение
Получение и использование экологически чистого топлива из возобновляемых лигноцел-люлозных источников выступает важной и актуальной задачей для науки и промышленности
[1]. В большинстве регионов мира ведутся исследования подходящего вида топлива, включая биомассу произрастающих в регионе растений, невостребованные отходы сельского хозяйства
[2], городской мусор [3], а также поиск наиболее энергетически и экологически эффективного способа его переработки.
Одним из перспективных топлив на территории России является солома пшеницы - основной отход при выращивании зерна. Этот отход практически не используется в кормлении животных и слабо востребован в других зоотехнических приложениях, например для подстилки для животных в холодных регионах страны. Вследствие слабого вовлечения соломы в сельскохозяйственный цикл она в измельчённом виде запахивается в почву при уборке зерновых или накапливается на полях и сжигается.
Наиболее перспективным способом сжигания соломы является факельное сжигание, которое при правильной организации отвечает предъявляемым требованиям как с точки зрения интенсификации, экологии, так и управления процессами. В ИТ СО РАН ведутся эксперимен-
© Siberian Federal University. All rights reserved
* Corresponding author E-mail address: dekterev@mail.ru
Рис. 1. Огневой стенд ИТ СО РАН теплов ой мощностью 5 МВт
Рис. 2. Схема огневого стенда ИТ СО РАН тепловой мощностью 5 МВт
тальные исследования по факельному сжиганию порошкового биотоплива, получаемого из растительного сырья (соломы пшеницы). Опыты выполняются на стенде с теплсвой мощно -стью дцо 5Мвт (рис. 1). Схема топочной камеры, а также места расположения термопар показаны на рис. 2.
Стенд включает шнековый питатель диспер сной массы и систему подачи топлива в мельницу дезинтеграторного типа. Дтнный тип мельницы, как показали исследования, по зволяет провести механаоктивацию топлива с увеличением реакцтоааых свойств топлива [4], что способствует интенсифяктции процесса горения и уменьшению еа(5аритов горелочного устрой -ства.
Новым элементом предлагаемой технологии сжиганья отходо в раьтитьльного сыртя является комплексное использование принципов микропомола в мельнице дезинтеграторного типа с целью увеличения реакционных свойств топлива и термоподготовки топлива в предтопке при предварительном сжигании с недостатком кислорода воздуха. Если первый принцип повышает энергетические свойства топлива (интенсификацию горения), то термоподготовка топлива направлена на улучшение экологических показателей горения.
В связи со значительными затратами на проведение экспериментальных работ невозможно провести исследования для всех интересующих режимов сжигания с целью выбора наиболее оптимальных параметров горелочного устройства. Поэтому необходимо разработать математические модели, которые позволули бы получить информацию об аэродинамике, локальном и суммарном теплоо бмене в разребатываемых топпчно-горелочных устройствах для сжигания органического сырья.
Значительную трудность при разработке математической модели горения биомассы составляет большой разброс в химических и физических свойствах данного вещества по сравнению с углем. Несмотря на этот факт, основой для математического описания горения частиц биотоплива служат математические модели горения угольных частиц. В большинстве работ основные отличия в модели горения частицы биомассы и угля относятся к описанию движения частицы, а также ее кинетических характеристик. Предлагаемая в данной статье математическая модель горения частиц биотоплива в горелочном устройстве выступает развитием комплексной математической модели горения пылеугольного факела, описанной в работе [5]. Дополнительно в модель движения частиц был введен корректирующий фактор, учитывающий несферичную (форму частицы, а также использованы кунетические характеристики процесса выхода летучих и горения коксового остатка, характерных для биомассы.
В статье рассмотренp влияние помола, когторый, в свою очередь, зависит от типа мельницы и количества оборотов мельничного ус тройства, на проце сс горения в горелочном устр ойстве огневого стенда мо щноетью 5 МВт.
Математическая модели.
Для описания движения потока в топочной камере быма принята модтль неизотермического несжимаемого многокомпонентного газа. Модель включает уравнения неразрывности, уравнения баланса количества движения, уравнение переноса концентрации компонент, уравнение перенота энергии. 1В общем виде уравнения сохранения для скзлярно й величины ф записываются
У(руФ) = У(Г-Уф) + еф, ф = {1,и,V,м,,И,£,к,е} ,
где ф - скалярная величина; Г - эффективный коэффициент диффузионного переноса; <а ф - ис-точниковый член; р - плотность, кг/м3; V - вектор зкорости, мос; и, V, ю - компоненты скорости, м/с; к - удельнтя энтальпия, Дж/кг; к - кинетическая энергия турбулентных пу льсаций, м2/с2; е - диссипация турбулентной энергии, м2/с3; ^ - массовая концентрация, кг/кг.
В данной статье использована модифицированная высокорейнольдсовая к-е-модель турбулентности. Для определения пульсационных характеристик течения вблизи стенок был применен метод пристеночных функций.
Высокий температурный уровень топочной среды и поверхностей обусловливает преобладание радиационного теплообмена. Решение уравнения переноса лучистой энергии базируется на Р1 приближения метода сферических гармоник. Скорость горения ьреагента, в том числе и летучих, определяется с учетом реакционной способности и концентрации горючего и окислителя, а также скорости турбулентного перемешивания топлива и окислителя. Данная модель
представляет комбинацию кинетической модели горения газовых компонент с моделью «обрыва вихря» (eddy break up model).
Для описания процессов движения угольных частиц использовали метод Лагранжа . 1В отличие от угольных частиц, форма которых принимается сфирической, для большинства частиц биомассы (такие как древесина, солома) форма может быть несферяческой, а сопротивление значительно отличаться от сопротивления чферической частицы. В этом случае необходимо учитывать отклонение формы частицы от сферичестой с помощью введения фактора формы (/). Данный фактор позволяет скорректировать аэродинамическое сопротивление частицы. Фактор (/) определен как отношение площади поверхности эквивалентной сферической частицы к реальной площади поверхности частицы. Сопротивление, которое действует на несферическую частицу, в данной модели выражено через число Рейнольдса для частицы и фактора формы f [6]:
CD = (24 / Re)(1 + ) Reb2) + [b3 Re/ (b4 + Re)] b = exp(2.3288 - 6.4581f + 2.4486f2) b2 = 0.0964 + 0.5565f
b3 = exp(4.9050-13.8944f +18.4222f2 -10.2599f3) b4 = exp(1.4681 +12.258f - 20.7322f2 +15.8855f3) ,
где b1, b2, b3 и b4 - фун1сции фактора формы.
Учет турбулентности потока на движение частицы производится введением случайных флуктуаций скороати газа в уравнение движания частиц. Это так называемая stochastic separate d flow (Si Sil7) модель.
Для расчета температурычаттацы с учетом ко нвективного и радиационного теплообмена частицы в ллружающим газом использовали математическлю модель л рядом эмпиричбеких выражений, ко торые дали возможность скорректировлть теплолбмен с учетом массообменных процессов, происходящих при прогреве и горении угольной частицы [7].
Процесс горения частицы биомассы рассматривается подобно горению частицы угля и предста ляется в виде следующих последовательных этапов: испарение остаточной влаги из тоалива, выход и гарение летучие сомпонент а еорение коксовога остлтка.
Испаренил остаточной влаги из топлива рассчитывастся аз разницы концентрации водяного пура на поверхности частицы и в объеме.
Для расчета выклес летуаих из частицы биомассы выбрана одностадийная, адчояомпо-нентная модель:
^ = (уТ - у)
dt у УГел' — И*л.диф+ 1/а
а л, гес ае.л. =
^л.кин.
= const а = К е~Ев-л /RT
ал.диф. = d 2 ' л.кин е.л
ар
где У - количество вышедших летучих, кг/кг; V - количество летучих в исходной угольной частице кг/кг; ав.л. - скорость выхода летучих, 1/с; ал.диф. - скорость выхода в диффузионном
режиме, 1/с; осл кин, - т.оровть вылхода летучих в ки нетическом режиме, 1/с; Квл - предэкспонен-циальныш множитель, О/с; Евл - энергия активации, Дж/моль.
Горение локсевогс остаткв явлается нгиболев длительной стадией. В связи со сложной и не до конца изученной структдрой угля и биомЕссы в моделях горения коксового остатка используют эмпирические данные. В условиях недостатка кислорода для полного сгорания биотоплива в объеме мм у фе ля горелочного устройства модель горения частицы включает в себя ре] к2 к3 акцию окисления углерода: С + а2 ^СС2 и реакции газификации: с + н20—со+н2, С + С02 —СО.
При горении коксового остатка в модели принимр/тся изменение диаметра ча-ттицыи, повтоянство плотнрсто. Для описания торения ирисового остатка применяют иЕнетическиищф фузионную модель. Исменеите диаметра чассртеиоо:!:.. за счет горения опи-омаоь/о уравне1/ием
¿(С _ 2 <И рк
КС _ С.к.
о г г
к:- 1 ,
1 к.+ в
' ё
, К - ЕК'1КТ
где /=02, С02, Н20, рк - плотность коксового остатка, кг/м3; К/С - скорость горения углерода, кг/(м2*с); -диффузионное читло Нуссельта; Г) - коэффициент диффузии в газе, м2/с; к - ккнстанта скорости реакции, м/с; к - коэффициент реакционного газообмена, м/с; в - коэффициент массообмена между частицей и газом), м/с ; Кк - предэкспоненциальный множитель, 1/с; Ек - энергия активации, Дж/моль .
Для решения уравнЕний сохранения для газовой фазы используют широкоизвестный метод кошрольного объема, су ть которогк заключается в разбиении расчетной области на контрольные об ъемы и интегрировании исходных уравнений сохранения/ по каждому контрольному!}' об ъем) °°ля получения конечно-разностныксоотношений. Для высчисле ния диффузионных по токов на гранях контрольного объема применяют центрально -разностную схему, имеющую второй по рядок точности. При аппроксимации конвективных члянсв используют схему второго порядка точности. Для реше ния получанной системы ураанений - метод неполной факторизации, в котором факторизованы1 только диагональныге члены/. Для связи полей давления и скоросаи используют SIMPLE-подо бную процедуру на с овмещенных сетках. При движении частиц через контро льнысй объем формири ется источниковый член, через который учитывают обмен имщ^льесм и энергией между газом и дисперсной фазой.
Обеор изрчения кинетики процеэсов пиролиза и горения коксового остатка показывает большой розброс данны/х по значениям предэкспоненциэльного множителя и энергии активации данным?} процессов . Как показали ранее проведенные исследования кинетики механоакти-
вированного угля, значения энергии активации значительно отличаются от угля, не прошедшего активацию механическим способом. Можно предположить, что значения энергии активации частиц биотоплива также будут значительно отличаться от имеющихся в литературе данных, поэтому для проведения численного моделирования необходимо предварительное проведение экспериментальных исследований по кинетическим свойствам механоактивированных частиц биотоплива. В связи с отсутствием подобных данных в качестве кинетических констант были взяты значения соломы пшеницы из работы [8], представленные в табл. 1.
В таблице 2 представлен элементный и технический состав соломы пшеницы. В таблице 3 - расходы топлива и воздуха.
Измельчение производилось на центробежно-роликовой мельнице при 2800, 3125 и 3800 об/мин и дезинтеграторе. Данные гранулометрического анализа, проведённого при помощи стандартного набора сит, представлены на рис. 3. Видно, что с увеличением энергонапряжённости уменьшается размер частиц в продукте, что делает его более пригодным для использования в качестве мелкодисперсного топлива.
Результаты расчетов
Для расчетов построения расчетной сетки и анализа результатов используется пакет программ «SigmaFlow» [9]. Расчетная сетка составляет 780 000 ячеек (рис. 4).
На рисунках 5а-г представлены поля температур в центральном сечении огневого стенда. Одним из основных элементов конструкции стенда, обеспечивающим стабильное воспламенение топлива, является футерованная улитка. Как показали исследования, она дает возможность воспламенить солому пшеницы в рассматриваемых вариантах, но дальнейшее развитие процесса горения в цилиндрической камере определяется свойствами топлива. Наиболее длительное воспламенение и горение наблюдаются для варианта с центробежно-роликовой мельницей при 2800
Таблица 1. Кинетические константы процесса горения соломы пшеницы [8]
Процесс выхода летучих веществ Горение коксового остатка
А [1/с] Е [Дж/моль] А [1/с] Е [Дж/моль]
Солома пшеницы 22 400 88 200 19 800 000 154 000
Таблица 2. Технический, элементный состав соломы пшеницы
Лг у" Сг Нг Бг ог № Qг, МДж/кг
7,3 8,92 68,28 38.2 5,56 0,31 39,0 0,71 14,28
Таблица 3. Расход биотоплива и воздуха огневого стенда
Расход биотоплива, кг/ч Расход первичного воздуха для биотоплива, м3/ч Расход вторичного воздуха, м3/ч
95 125 600
100
20 32 40 50 80 100 160 200 300 400 500 >500
Рис. 3. Гранулометрический анализ продуктов механической активации: а-с - продукт активации на центробежно-роликовой мельнице при 2800, 3150 и 3500 об/мин соответственно; d - продукт активации на дезинтеграторе
Гшвигу $гсиш!я1л
си] 11 и 1 [
Рис. 4. Расчетная сетка камеры сгорания огневого стенда
об/мин (рис. 5а). Это в первую очередь объясняется бо лете нрупным помолом частиц аоломн1. Похожая картина распределения температур представлена и для варианта с 3150 об/мин (рис. 5б). Значительное увеличение скорости горения биотоплива происходит при энергонапряженности мельничного устройств- 3500 об/мин на центробежно -роликовой мельнчце. Температуры в го-релочном устройстве значитеоьно возрастают, достигая 1300 °С в цилинчрическом к/н-ле. Максимальные температуры в горе лке наблюдаются после помола, биотоплива на дезинтеграторе. Посне помола на центробежно-роликовой мельнице при 3500 вбТмин температуры немного ниже и область высоких температур смещена ближе к выходу из горелки, что свидетельствует о задержке воспламенения и горения биотоплива по сравнению с предыдущим вариантом.
7 50«-К
■швм
Рис. 5. Распределение температур в центральном сечении огневого стенда при измельчении соломы: а - в центробежно-роликовой мельнице при 2800 об/мин; б - 3150 об/мин; в - 3500 об/мин; г - в мельнице-дезинтеграторе
а
б
в
г
На рисунке 6 представлен график значений температур вдоль линии расположения термопар на экспериментальном стенде (рис. 2). Данные значения были получены при сжигании соломы после ее измельчения в мельнице-дезинтеграторе и расходов, представленных в табл. 3. Из данного графика можно сделать выводы о том, что полученные расчетные данные достаточно хорошо согласуются с экспериментом. Наибольшее отличие наблюдается на начальном участке факела, что может быть объяснено неучетом в модели повышения реакционной способности соломы после ее измельчения на дезинтеграторе.
На рисунке 7 показаны интегральные значения температур вдоль горелочного устройства. Самый высокий уровень температур для варианта с мельницей-+дезинтегратором. Из данного графика видно, что, несмотря на то что на начальном участке мы можем наблюдать похожие значения температур, дальнейшее развитие воспламенения топлива происходит по-разному,
Д.111Е1Д [м>||
Рис. 6. Распределение температур вдол1> линии расположения термопар Т2-Т4, °С
Длина
Рис. 7. Распределение интегральных температур по длине горелочного устройства, °С
что объясняется отличительными характеристиками топлива после помола. Температура на выходе из горелки для варианта с помолом на центробежно-роликовой мельнице с 2800 об/мин составляет 930 °С, 3150 об/мин - 990 °С, 3500 об/мин - 1150 °С и при помоле на дезинтеграторе 1300 °С.
Распределение концентраций газовых компонент (рис. 8-10) показывает, что для варианта с дезинтегратором происходит практически полное потребление кислорода, а на выходе из горелки формируется высокореакционная смесь, которая позволяет создать условия для воспламенения и стабилизации горения в топочной камере
Выводы
С использованием разработанной математической модели выполнены расчетные исследования горения мелкодисперсного растительного сырья (соломы) на 5 МВт. Ис следование влия-
а 250 »0 750 1040 1250 1500
ДниыЗ | м лз]
Рис. 8. Распределение концентрации кислорода по длине горелочного устройства, м3/ м3
0.02 -| СИ, ]м'/мЧ
0.01! ч
0.01 -
в.вм -
т— - ■ -— I—I = I
О 250 500 750 1000 1210 1501:
Д, ши а |>1м|
Рис. 9. Распределение концентрации летучих компонент по длине горелочного устройства, м3/ м3
0.1в -1 СО; [М^/М3] 0.16 -
0.14 -0.120.1 -о.ое
0.0&-5 о
И I I I I Г
250 500 750 1000 1250 1500
Ьеи^Ы [мм]
Рис. 10. Распределение концентрации С02 по длине горелочного устройства, м3/ м3
ния степени помола на процессы воспламенения и горения в горелочном устройстве огневого стенда показало, что при размоле на центробежно-роликовой мельнице с 3500 об/мин, а также на мельнице-дезинтеграторе можно создать благоприятные условия для стабилизации факела в объеме топочной камеры. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными по сжиганию соломы на 5 МВт стенде ИТ СО РАН продемонстрировало удовлетворительное согласование, а также необходимость в дополнительном исследовании по определению кинетических констант горения соломы пшеницы с целью их дальнейшего использования в математической модели для оптимизации процессов сжигания биотоплива.
Работа выполнена при финансовой поддержке Государственного контракта от 29.03.2013г. № 14.516.11.0048 и СП-6672.2013.1
Список литературы
[1] Биотопливо и энергия для развития страны // Наука в России. 2012. № 4. С. 28-32.
[2] Sims R.E.H., Mabee W., Saddler J.N., Taylor M. // Bioresource Technology. 2010. V. 101. P. 1570-1580.
[3] Barz M., DelivandM.K. // Journal of Sustainable Energy & Environment. 2011. Special Issue. P. 21-27.
[4] Burdukov A.P., Popov V.I., Faleev, V.A. // Thermal Science, 2009. 13(1). P. 127-138.
[5] Бурдуков А.П., Чернецкий М.Ю., Дектерев А.А., Чернецкая Н.С. // Ползуновский вестник. 2012. № 3/1. C. 55-61.
[6] Haider A, Levenspiel O. // Powder Technol. 1989. 58(1). P. 63-70.
[7] Чернецкий М.Ю, Дектерев А.А. // Физика горения и взрыва. 2011. № 3. C. 37-46.
[8] Cuiping Wang, FengyinWang, QirongYang, RuiguangLiang // BIOMASS AND BIOENERGY 33(2009) 50-56.
[9] Дектерев А.А., Тэпфер Е.С., Чернецкий М.Ю. // Наука из первых рук. 2012. № 12. C. 63-71.
Numerical Research of Pulverized Combustion of Micro-Grinded Lignocellulose Raw Materials
Mikhail Yu. Chernetskiyab, Alexander A. Dekterevab and Anatoliy Burdukovb
aInstitute of ThermASophysics SB R 1 ak. Lavrentiev. Novosibirsk, 630090 Russia bSiberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia
In work the mathematical model is presented and numerical research of burning of micro-grinded lignocellulose raw materials is executed. This fuel was crushed by means of mill devices with various degree of power intensity. Verification of mathematical model with use of experimental data on an autothermal mode of burning ofproducts ofprocessing of vegetable raw materials (straw) on 5 MWt the stand is executed.
Ключевые слова: biofuel combustion, wheat straw, numerical modeling.
