CC BY
107
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};
(1)
(2) (3)
Н2={Н2}; (4)
N={N2}; (5)
испарения влаги
Н2О ^ {Н2О}; (6)
горения летучих
{СО} + 1/2{О2} = {СО2}; (7)
{Н2} + 1/2{О2} = {Н2О}; (8)
{СН4}+2{О2}={СО2}+2{Н2О}; (9)
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}; (10)
взаимодействия углерода с водяным паром
С + {Н2О} = {СО} + {Н2}. (11)
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
= п®х / 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(г ,0)
®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.
