Термодинамическое моделирование процесса горения топлива Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014

УДК 669.046:519.876.5

И.А. Рыбенко

Сибирский государственный индустриальный университет

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА

С целью выявления возможности реализации различных процессов в технологическом агрегате разработана методика расчета, исследования и оптимизации [1] процессов в элементарных системах с использованием программного комплекса «Терра» [2], с применением которой были проведены термодинамические исследования для ряда систем [3 — 5].

Поскольку углерод является основной составляющей любого вида твердого или жидкого топлива, а водород - газообразного топлива и летучих компонентов, исследование условий горения топлива осуществлялось на модельных системах С-ОиС-О-Н.

Предполагается, что в модельной системе С - О протекают следующие реакции:

С+1/2{02} = {СО}; (1)

С+{02} = {С02}; (2)

С+{С02} = {СО}; (3)

{С0}+1/2{02} = {С02}. (4)

В модельной системе С - О - Н, кроме реакций (1) — (4), в зависимости от количества кислорода могут протекать реакции полного и неполного горения метана (СНД, горения монооксида углерода (СО) и водорода (Н2) и взаимодействия углерода с водяным паром:

{СН4} + 1/2{02} = {СО} + 2{Н2}; (5)

{СН4} + {02} = {С02} + 2{Н2}; (6)

{СН4} + 3/2{02} = {СО} + 2{Н20}; (7) {СН4} + 2{02} = {С02} + 2{Н20}; (8) {Н2} + 1/2{02} = {Н20}; (9)

С+{Н20} = {С0} + {Н2}. (10)

При моделировании были рассмотрены задачи определения возможных составов и температур, которые могут получаться в результате протекания процессов горения при различных соотношениях содержания углерода, водорода и кислорода. Для этого модельные системы с поэлементным составом С - О или С -О - Н формировались путем задания исходного состава смеси в числах молей. Количество молей углерода, метана и кислорода варьировалось соответственно параметрами п, к и т.

Для задания окислительно-восстановительного состава системы по входным параметрам использовались следующие показатели:

а = т/к - степень конверсии природного газа, определяемая как отношение количества молей т газообразного кислорода к количеству молей к углерода метана;

а = т/(п + к) - окислительный потенциал системы, определяемый как отношение количества молей газообразного кислорода к общему количеству молей углерода (п + к), подаваемого в систему;

v {СО} + {Н2}

Z = -------------------------- - восста-

{С0} + {Н2} + {С02} + {Н20}

новительный потенциал газовой фазы, равный отношению суммы концентраций СО и Н2 к суммарному содержанию всех компонентов газовой фазы.

Перечень веществ, которые могут образовываться при взаимодействии указанных элементов, был определен с использованием программного комплекса «Тера» в результате термодинамического анализа протекающих процессов в теоретически возможном интервале температур горения.

При исследовании термодинамических условий горения углерода в системе пС+т02 значение параметра п было задано равным единице, а количество молей кислорода варьировали параметром т в диапазоне 0 -ь 1, что при т= 1 соответствует по стехиометрии полному горению углерода до С02. При этом использовался показатель а, численное значение которого при п = 1 совпадает со значением параметра т. На рис. 1 приведены зависимости составов и температур t продуктов сгорания углерода, а также мольной доли монооксида углерода (25{со}) от показателя а, из которых следует, что при значениях а < 0,4 происходит горение углерода до СО по реакции (1). При а > 0,4 в связи с развитием реакции (2) в системе появляется С02. Температура при увеличении количества кислорода возрастает до значений порядка 3000 °С и при а > 0,4 стабилизируется. При а >0,6 в газовой фазе начинает появляться свободный кислород. Величина показа-

-48 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014

X

t, °с

3000

2400

1800

1200

600

0

Рис. 1. Зависимости состава (а) и температуры (б) продуктов сгорания углерода в системе пС + т02 от показателя а

теля Z при низких значениях а составляет 100 %, а при появлении в системе С02 уменьшается до 65 %.

Исследование термодинамических условий горения газообразного топлива осуществлялось на модельной системе /:СН4 + т02. Значение параметра к было задано равным единице, а количество кислорода варьировали параметром т в диапазоне 0 -г 2: т = 2 соответствует полному горению метана. Численное значение степени конверсии а совпадает с параметром т. На рис. 2 приведены зависимости составов и температуры продуктов сгорания метана от показателя а. Из рисунка видно, что в диапазоне а = 0 -г 0,5 при недостатке кислорода происходит неполная кислородная конверсия метана по реакции (5). Компонентами газовой фазы являются метан, монооксид углерода и водород. При а > 0,5 получают развитие реакции (6) — (8), в газовой фазе появляются С02 и Н20. При а > 1 в системе появляется свободный кислород. Температуры в диапазоне а = 0 -г 0,5 не превышают 800 °С, что объясняется низким тепловым эффектом реакции (5); при а = 0,5-г 1,0 наблюдается рост температуры до значений порядка 2800 °С и при а >1 — ее стабилизация. Значение показателя Z = 95 % максимально при а = 0,5, а при изменении параметра а в пределах от 0,5 до 2,0 значение Z падает до 37 % из-за увеличения концентраций С02 и Н20 в газовой фазе.

Рис. 2. Зависимости состава (а) и температуры (б) продуктов сгорания метана в системе пС + АСН4+ т02 от показателя а

Исследование термодинамических условий совместного горения твердого и газообразного топлива осуществлялось на модельной системе пС + &СН4 + т02. Параметры пик приняли равными 0,5, а количество кислорода варьировали соответственно параметром т в диапазоне 0 -г 2. На рис. 3 приведены зависимости составов и температуры продуктов сгорания метана и углерода от параметра а*. Из рисунка видно, что для процесса горения смешанного топлива характерно смещение влево области неполного горения, которая характеризуется более высоким содержанием СО в продуктах сгорания, что связано с уменьшением количества метана в исходной смеси и, следовательно, уменьшением абсолютного количества водорода в системе. Этим также объясняется снижение содержания Н20 и увеличение содержания С02 в зоне полного горения топлива, а также более плавный рост температурной кривой. Значение показателя Z также максимально при а = 0,5 и составляет 99,8 %.

Выводы. За счет изменения степени конверсии природного газа (а) и показателя а можно в широких диапазонах управлять как температурным режимом, так и составом газовой фазы. Максимальная восстановительная способность соответствует диапазону а = 0,45 -г 0,55, однако при этом имеют место относительно низкие (1200 -г 1600 °С) температуры продуктов сгорания.

-49 -

Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (8), 2014

Рис. 3. Зависимости состава (а) и температуры (б) продуктов сгорания углерода и метана в системе пС + АСН4+ т02 от показателя а

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Рыбенко И. А. Разработка методики и системы расчета вариантов технологий непрерывного получения металла в агрегатах струйно-эмульсионного типа. Автореф.

дис. канд. техн. наук. - Новокузнецк, 2000. -23 с.

2. Тр усов Б.Г. / Программная система моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах // Инженерный журнал: наука и инновации. 2012. № 1 (1). С. 21.

3. Голодова М.А., Дмитриенко В.И., Рожихина И.Д., Рыбенко И.А. / Исследование условий и режимов процесса восстановления ванадия в элементарных системах // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 4. С. 7 - 11.

4. Рыбенко И.А., Кожемяченко

B. И., Красноперов С.Ю. / Моделирование условий и режимов восстановления железа в элементарной системе Fe - С - О // Междисциплинарные исследования в области математического моделирования и информатики. Материалы 3-ей науч,-практ. конф. - Ульяновск: SIMJET, 2014.

C. 339-343.

5. Дмитриенко В.И., Нохрина О.И., Рожихина И.Д., Рыбенко И.А. / Термодинамическая оценка возможности легирования стали при обработке ее ванадийсодержащим шлаком // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 10. С. 17 - 20.

© 2014 г. И.А. Рыбенко Поступила 16 июня 2014 г.

-50-