Воспламенение и горение пористого продуваемого слоя отходов деревообработки при различных условиях тепломассообмена Текст научной статьи по специальности «Физика»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Жидкие и твердые ракетные топлива. - Сб. перев. с англ. / Под ред. Ю.Х. Шаулова. - М.: Иностранная литература, 1959. - 436 с.

2. Исследования ракетных двигателей на твердом топливе / Пер. с англ. Под ред. И.Н. Козловского. - М.: Иностранная литература, 1963. - 440 с.

3. Липанов А.М. Об одном классе прогрессивно горящих конструктивных форм // Физика горения и взрыва. - 1997. - Т 33.

- № 4. - С. 84-90.

4. Denison M.R., Baum E.A. A simplified model of unstable burning in solid propellants // ARS Journal. - 1961. - V. 31. - P. 1112-1122.

5. Сабденов К.О., Миньков Л.Л. Особенности горения ракетного топлива при не равном единице числе Льюиса в газовой фазе //

Инженерно-физический журнал. - 2001. - Т. 74. - № 6. -С. 61-72.

6. Пигфорд Р., Шервуд Т., Уилки Ч. Массопередача. - М.: Химия, 1982. - 695 с.

7. Новожилов Б.В. Нестационарное горение твердых ракетных топлив. - М.: Наука, 1973. - 176 с.

8. Сабденов К.О. Различные режимы горения твердого ракетного топлива, распадающегося на газ по механизму пиролиза // Известия Томского политехнического университета. - 2006. -Т 309. - № 3. - С. 120-125.

9. Новожилов Б.В. Об акустическом резонансе при горении по-рохов // Физика горения и взрыва. - 2000. - Т. 36. - № 1. -С. 5-11.

УДК 536.46+533.6

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ И ГОРЕНИЕ ПОРИСТОГО ПРОДУВАЕМОГО СЛОЯ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБОТКИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ТЕПЛОМАССООБМЕНА

Г.Н. Исаков, А.Н. Субботин

Томский политехнический университет E-mail: [email protected]

Показано, что в зависимости от создаваемых условий тепломассообмена в пористом слое древесных отходов реализуются низко- и высокотемпературный режимы горения, и режим тления, при котором основная масса газообразных компонентов, образующихся при пиролизе, выбрасывается в атмосферу, не сгорая. С помощью математической модели, рассмотренной в работе, можно прогнозировать режимы сжигания пористых, коксующихся отходов и определять состав образующихся при этом газообразных продуктов.

Самым распространенным способом утилизации строительных отходов является их сжигание в волне горения [1, 2]. Проблема утилизации отходов с оптимальными экологическими последствиями является актуальной и сводится к выбору тепломассообменных режимов воздействия на топливо, чтобы количество вредных газов в продуктах сгорания было минимальным.

В данной работе рассматриваются процессы утилизации отходов деревообработки в вертикальной цилиндрической печи заданных размеров.

Физико-математическая модель. Предположим, что твердое пористое топливо (отходы деревообработки) помещено в расположенную вертикально цилиндрическую печь. Обозначим высоту слоя топлива через Н. После загрузки осуществляется продувка печи высокоэнтальпийным газовым потоком.

Будем считать, что процессы сушки и пиролиза твердого горючего описываются уравнениями вида:

у2М2 ^ у’2 М2 - ,

6

VIм! ^ у; М3 + V,; М4 +Х У^аМ5а + ЦР.

а=2

Здесь у1И1 - масса древесных отходов, у2И2 -воды, у'2Ы'2 - водяного пара; у'3И3 - кокса, у'4М4 -золы, у'5аМ5а - а-компоненты газовой фазы, образующейся при пиролизе древесины.

Кроме данных реакций учитывались гетерогенная реакция горения кокса и гомогенные реакции окисления оксида углерода, водорода и метана:

C + O2 = CO2 + qc, 2CO+O2 = 2CO2 + qco, 2H2+02 = 2H 2O + q^,

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + qCH.

В приведенных выше формулах qL, qP, qC, qCO, qH2, qCH4 - тепловые эффекты реакций испарения воды, пиролиза древесины, окисления кокса, оксида углерода, водорода и метана соответственно.

В силу цилиндрической симметрии физической задачи математическая модель, описывающая данный процесс, была записана в цилиндрической системе координат. Теплообмен на боковой поверхности на входном и выходном сечении рассчитывались с использованием граничных условий третьего рода. Предполагая, что изменение искомых функций по радиусу значительно меньше, чем вдоль оси печи уравнения осреднялись по радиусу, в результате была получена следующая система уравнений:

• сохранения массы исходного конденсированного вещества

р ln =~Rp’ Rp = kpРП exP (-RT) ’ t

сохранения массы воды в связанном состоянии

дф2 ( Е

Р2

дТ = ~КЬ • Я =kLp2(p2eXP \-RtS

(2)

сохранения массы кокса

Рз д /

М

д^3 = а,,Яр - ¿Яс

Я М,

Р&СКФъ ехР I -

О, Vх

Ес

сохранения массы золы Р4 —= ахЯР, ас =

д/

у; мз а V; м4

с ^М!

(3)

(4)

' \±УЛ- 1

неразрывности газовой фазы

д/ (Р5Ф5) + —7 (Р5Ф5 V) = асЯр + Я + ^

а,

а = 2 V1M1

сохранения массы а-компоненты газовой фазы дТ7 +——т (РзФз^) =

= д(Р#>'д—а 1 + ^ Я

(5)

а= Ъ6, X ^а = 1

(6)

сохранения энергии газовой и конденсированной фазы

*«>> —+V Ц ]=— ((V,+А)

+ЧсоЯсо + ?и. Ян2 + Чсн4 Дсн4 — Ах (Т — Тх ) —

дТ Л

д г ] +

- ГГ а1(р5(Т - Тх )’ А = XX5аCа• К =

(7)

дТ„

X Р<^ —Т = 7д7I А т I + Чряр + ЧС^С -

д / д г

д Т

д г

-ЧьЯь + А (Т - Тх ) + у- а1 Ф,(Т - Тх ) ---ТЕ) + цК],

А =Хк&< • СР5 = 2

СРаСа

(8)

к

д Р I Р, ЯТ дТ + Р, 8 I• Р = 5

а=1 М5а

(9)

Система уравнений (1-9) решалась при следующих краевых условиях:

, °. к = ?«• г =1,4 • Са = сая. а=1,6 •

1 = ° |Т Т Т (10)

Т = Тх = Тн• Р = Рн •

дТ

г = ° : Т = ТЕ• Р = Ре , ^ д^ = а1(Тх - Т )• Са = СаЕ •

г = А: Т7=Т1=°-Р = Рн •А ^Г =а(Т'- Т )(11)

В уравнениях (6-8) введены краткие обозначения скоростей реакций

Ясо = М соТ-^к,

2,25 к ( С1М5 | (С2М.

со' мо2 I | мсоГг\ ят

ехр

М о

"5ЯС, Я52С = °,

Я„ = Мн к, .

Н2 Н2 -н2 Мо2 I Мп2

1,5

р,С1 I р,С; | I ЕН

5 11 5 41 ехр. -ят

Я,

М о

о2 Н.

2Мо М,

МН “н2

°,5

Я________я____________я

51 _ 2МСо Ясо МСН Ясн4 м Ян

Я = М к Р5Я I С1М5 | | С5М5 I ехР ''""СН

Ясн4 =М сн4 ксн^,т I и I I -к/г I ехр

М I Мо2 I I Мсн;

Я52 асоЯп ЯСо • Я54С 0,

^со2

Е

-^гч

ЯТ

Я53 =асо2Яп + М 2 ЯСо + М 2 ЯСН4 ./К/ со СН

движения газа в порах (в форме квадратичного закона фильтрации) и уравнение состояния

5Я53С = "МС7 5ЯС^ Я54 =аН2 Я> - ЯH2•

Я55 = асН4ЯР - ЯСН4, Я55С = °,

2М Н о М Н о

Я56 = , Нго ЯСН ^-Г-Нг°ЯН • 5Яз6С = Яг

56 М СН; ^Н; МН2 Н^ Ч6С L

Здесь V - скорость фильтрации; а^ аС, а5 - доля газообразных продуктов, кокса и золы при пиролизе; М5 - молекулярная масса газовой фазы; индекс 5 приписывается величинам, характеризующим газовую, а с - конденсированную фазу; к — коэффициент проницаемости пористого слоя; Т8, Т — температура конденсированной фазы и газа в

порах; ЕЛ ^ ^Ссь ^Си^ kP, kL, кс kco, kн2, ксн4

- энергии активации и предэкспоненциальные множители реакций пиролиза древесины, испарения воды гетерогенной и гомогенных реакций окисления С, СО, Н2 и СН4 соответственно; Я - универсальная газовая постоянная; Ба, А^, са, М5а — коэффициент молекулярной диффузии, теплопроводности, массовая концентрация и молекулярная масса а-компоненты, параметр с индексом а=1 соответствует О2, а=2 - СО, а=3 - СО2, а=4 - Н2, а=5 - СН4, а=6 - Н2О, а=7 - ^; р — давление газообразных продуктов в порах; Р=р/рн - безразмерное давление; рн — характерное давление; А$=а^ — объемный коэффициент теплоотдачи; 5 - удельная поверхность пор; дЕ=8,рТ4 - радиационный поток от внешней стенки печи в окружающую среду;

-степень черноты; /- время; у=г/1*- безразмерная пространственная переменная, г - размерная

а=1

¡=°

0

пространственная переменная, направленная по оси печи; а1, а2 - коэффициенты теплоотдачи, характеризующие конвективный теплообмен во входном (выходном) сечении и на внешней стенке печи;

I* =у](АЯТ.2ехр(Есо/ЛТ,)/(ррСоЧсоЕсо)) - масштаб длины; Т, - характерная температура; ф0=(г12-г02)/г02, г1 - наружный, г0 - внутренний радиус печи; р0, ср0, А, - плотность, теплоемкость и теплопроводность стенки печи; р, ср, А, ф1 - плотность, теплоемкость, коэффициент теплопроводности и объемная доля древесины (/=1), воды (/=2), кокса (/=3), золы (/=4) и газовой фазы (/=5); А, АЯ, - ко-

эффициенты молекулярной и лучистой теплопроводности газовой фазы и коэффициент теплопроводности конденсированной фазы; а — постоянная Стефана-Больцмана; л - коэффициент динамической вязкости; в — константа в квадратичном законе фильтрации; g - ускорение свободного падения; ы=у/у* - безразмерная скорость, масштаб скорости v*=0,797.10-3 м/с; масштаб длины /*=0,95.10-3 м.

Краевая задача (1-11) решалась численно. Технология решения задачи вида (1-11) с использованием итерационно-интерполяционного метода [3]

приведена в работах [4, 5]. Кинетические параметры процессов сушки, пиролиза и горения, а также теплофизические коэффициенты газообразных компонентов и конденсированных фракций были взяты из работ [6-13].

Результаты расчетов и их анализ. При численном решении задачи были найдены низко- и высокотемпературный режимы горения, и режим тления. Эти режимы зависят от условий тепломассообмена пористого слоя с продуваемым через него окислителем. Низкотемпературный режим реализуется при слабом вдуве не очень горячего окислителя. Профили температуры и объемной доли влаги при низкотемпературном горении для шести моментов времени, представлены на рис. 1. Данный режим горения был получен при ТЕ=800 К и АР=РЕ—Рн=0,005 (Др=500 Па). Здесь кривые 1-3 рис. 1, а, соответствуют процессу сушки, а кривые 4-6 процессу образования и распространения волны горения. Из данного рисунка следует, что при рассматриваемых условиях зажигание происходит на тыльной стороне слоя, а затем волна горения распространяется против потока. На рис. 1, б, приведены профили объемных долей воды для тех же моментов времени.

Рис. 1. Профили температуры: а) газовой фазы и б) объемной доли влаги в моменты времени ?, с: 1) 4,8; 2) 56,9; 3) 145,1; 4)311,7; 5) 390,3; 6) 482,1

Анализируя данный рисунок, видим, что к моменту времени соответствующему кривой 4 рис. 1, а, объемная доля влаги равна нулю во всем объеме, после чего происходит зажигание.

Профили объемной доли исходного конденсированного вещества приведены на рис. 2, а, который подтверждает описанный выше механизм зажигания и горения отходов деревообработки. Здесь кривые 1-5 соответствуют кривым 1, 3-6, рис. 1, а. Видим, что топливо зажигается с тыльной стороны (г=Н), и горение распространяется в направлении, противоположном направлению вдува горячего окислителя. На рис. 2, б, изображены профили скорости фильтрации для моментов времени, соответствующих кривым 1-3 и 6, рис. 1, а. В зоне испарения скорость фильтрации имеет локальный максимум (кривые 1-3), а затем после высушивания слоя профиль скорости становится монотонно возрастающим (кривая 4, рис. 2, б).

Из анализа кривых 1-4, рис. 3, а, которые соответствуют кривым 1-4, рис. 1, а, можно заключить, что к моменту зажигания в порах топлива пары воды отсутствуют.

На рис. 3, б представлены профили массовой концентрации в моменты времени, соответствующие кривым 1, 3 и 6, рис. 1, а, т. е. кривые 1 и 2 соответствуют процессу сушки, а кривая 3 - моменту распространения волны низкотемпературного горения. При перепаде давления ЛР=0,005 и температуре ТЕ=1000 К реализуется также низкотемпературный режим горения. Но в отличие от предыдущего низкотемпературного режима волна горения распространяется в направлении движения потока окислителя.

Высокотемпературный режим горения реализовывается при более высокой скорости продувки, например, взяв ЛР=0,05, а температуру вдуваемого окислителя ТЕ - 1000 К. На рис. 4, а, приведено пространственное распределение температуры при данном режиме горения для четырех моментов времени: прогрева (кривая 1), образования (кривая 2) и распространения (кривые 3, 4) волны горения. Пространственные распределения перепада давления для данного режима горения изображены на рис. 4, б. Здесь кривая 1 соответствует стадии прогрева, 2 - моменту образования, 3 - началу распространения волны горения.

Рис. 3. Пространственные распределения: а) массовых концентраций паров воды и б) диоксида углерода в моменты времени, соответствующие рис. 1, а

Т, К

а)

АР

3

Профили массовой концентраций СО для высокотемпературного режима приведены на рис. 5, а. Здесь кривые 1, 2 соответствуют стадиям прогрева и образования, а кривые 3, 4 моментам распространения волны горения. В силу того, что профили массовых концентраций остальных компонентов имеют качественно такой же вид, то они не приведены. Изменения объемной доли кокса, образующегося при прогреве, воспламенении и горении, представлены на рис. 5, б.

Представляет интерес режим тления, при котором происходит сушка и пиролиз твердого топлива, а затем окисление коксового остатка вплоть до золы, при этом температура в сжигаемом слое не превышает температуры вдуваемого окислителя. Данный режим реализуется, например, если РЕ-Рн=0,1 (Лр=104 Па) и Те=800 К, т. е. при интенсивном вдуве не очень горячего окислителя. На рис. 6, а, приведены профили температуры в разные моменты времени. Здесь кривые 1-3 соответствуют стадии сушки и пиролиза, а кривая 5 соответствует моменту времени, начиная с которого твердое топливо полностью высушено. На рис. 6, б,

показано, что при тлеющем режиме сжигания не только идет процесс сушки и пиролиза древесных отходов с образованием кокса, но происходит и окисление кокса. Здесь кривые 1-3 соответствуют стадии прогрева и начала пиролиза. Затем (см. кривые 4 и 5, рис. 6, б) в окрестности входного сечения печи начинается реакция низкотемпературного окисления древесного угля, и объемная доля кокса начинает уменьшаться.

На рис. 7, а, изображены профили скорости фильтрации, из которых следует, что профиль скорости, пока не испарилась влага, является нелинейным. Здесь кривые 1-4 соответствуют процессу сушки (кривым 1-4, рис. 6, а), а кривая 5 соответствует кривой 6, рис. 6, а. И, наконец, на рис. 7, б, приведены профили давления вдоль оси реактора. Кривые 1 и 2 данного рисунка соответствуют начальной стадии процесса, т. е. кривым 1 и 2, рис. 6, а, кривая же 3 соответствует кривой 5, рис. 6, а. Следует отметить, что пока идет процесс сушки и интенсивное выделение водяного пара, профиль давления также нелинейный и становится линейным только после просушивания пористого слоя топлива.

а)

б)

Рис. 5. Профили: а) массовой концентрации оксида углерода и б) объемной доли кокса в моменты времени ¡, с: 1) 13,9; 2) 54,4; 3) 81,7; 4) 139,2

<Рз

б)

2

Рис. 7. Пространственное распределение: а) скорости фильтрации и б) давления в порах топлива для режима тления в моменты времени, соответствующие рис. 6, а

Следует отметить, что достоверность численного алгоритма используемого в данной работе исследовалась ранее в [5], где в качестве пористого коксующегося топлива брался торф. Численные расчеты работы [5] хорошо согласовывались по температуре и скорости горения торфа с экспериментальными данными работы [14]. Остальные характеристики в экспериментальной работе не определялись.

Выводы

• Показана возможность реализации различных режимов воспламенения и горения отходов де-

ревообработки в зависимости от перепада давления (скорости продувки) и температуры продуваемого окислителя.

Установлено, что при определенных условиях реализуется режим тления, при котором газообразные продукты пиролиза выбрасываются в атмосферу, не сгорая.

Рассмотренную в данной работе математическую модель можно использовать при оценке состава газообразных продуктов горения пористых коксующихся топлив.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Исаков ГН., Субботин А.Н. Моделирование и оптимизация процессов высокотемпературной утилизации промышленных отходов // Третий Сибирский конгресс по промышленной и индустриальной математике: Тез. докл. - Новосибирск: Изд-во Института механики СО РАН, 1998. - Ч. 5. - С. 123-124.

2. Исаков Г.Н., Субботин А.Н. Тепломассообмен при высокотемпературной утилизации отходов деревообработки в вертикальном цилиндрическом реакторе Тепломассообмен ММФ-2000 // Тепломассообмен в энергетических устройствах. IV Минский Международный форум. - Минск: ИТМО НАНБ, 2000. -Т 10. - С. 418-427.

3. Гришин А.М., Зинченко В.И. и др. Итерационно-интерполяционный метод и его приложения. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. - 318 с.

4. Звягильская А.И., Субботин А.Н. Влияние влагосодержания и тепло- и массообмена с окружающей средой на критические условия возникновения очага низового пожара // Физика горения и взрыва. - 1996. - Т. 32. - № 5. - С. 99-106.

5. Субботин А.Н. Влияние тепломассообмена на критические условия зажигания и горения торфяника // Сибирский физико-технический журнал. - 1992. - № 6. - С. 133-137.

6. Исаков ГН. Тепломассоперенос и воспламенение в гетерогенных системах. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. - 142 с.

7. Исаков Г.Н., Касьянов Г.С. Влияние процессов испарения на зажигание влажной древесины в потоке газообразного окислителя // Физика горения и взрыва. - 1986. - Т. 22. - № 2. -С. 17-24.

8. Щетинков Е.С. Физика горения газов. - М.: Наука, 1965. - 739 с.

9. Теплотехнический справочник / Под ред. В.Н. Юренева, Н.Д. Лебедева. - М.: Энергия, 197б. - Т. 2. - 896 с.

10. Перелыгин Л.М. Древесиноведение. - М.: Советская наука, 1957. - 252 с.

11. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972. - 720 с.

12. Краткий справочник физико химических величин / Под ред. К.П. Мищенко и А.А. Равделя. - Л.: Химия, 1967. - 182 с.

13. Померанцев В.В. и др. Основы практической теории горения.

- Л.: Энергия, 1986. - 309 с.

14. Борисов А.А., Борисов Ал.А., Горелик Р.С. Экспериментальные исследования и математическое моделирование торфяных пожаров // Теплофизика лесных пожаров / Под ред. В.Е. Нако-рякова. - Новосибирск: Наука, 1984. - С. 5-12.