Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Численное моделирование процессов горения в промышленной теплоэнергетике Информационная система по теплоснабжению РосТепло.ру, http://www.rosteplo.ru

Исаев М.В., аспирант;

Султангузин И.А., д.т.н., профессор

Введение

В настоящее время в мире наблюдается тенденция дефицита ресурсов ископаемого топлива и в связи с этим встает вопрос поиска более экономичного его использования в области промышленной энергетики.

Основное направление использования ископаемого топлива это его сжигание. Масштабы промышленного производства таковы, что экономичность способов сжигания топлива и сокращение выбросов вредных веществ выходят на первый план. Решение вопросов экономии топлива и снижения вредных выбросов невозможно без детального исследования процессов горения в каждом конкретном энергетическом или энерготехнологическом агрегате, так как в каждом случае режимы горения различны. Например, в энергетических котлах требуется концентрация факела, а в коксовых батареях металлургического производства наоборот удлинение факела для увеличения равномерности обогрева.

Все большее распространение в промышленности получают методы вычислительной гидродинамики. Они позволяют ускорить процессы проектирования и доводки изделия, снижая при этом финансовые затраты на проект. При этом частично отпадает необходимость в дорогостоящих экспериментах, поскольку появляется возможность оптимизировать конструкцию изделия на основе его виртуального прототипа.

В рамках данной статьи приводится описание использования методов вычислительной гидродинамики на основе трехмерного численного моделирования в промышленной теплоэнергетике на примере моделирования процессов горения в обогревательном простенке коксовой печи. Разработана трехмерная математическая модель процесса горения в обогревательном простенке коксовой печи на базе программного комплекса Fluent.

Описание объекта исследования

Коксовая батарея объединяет в себе от 65 до 77 коксовых печей. Коксовая печь это технологический агрегат, в котором осуществляется коксование шихты, состоящей из каменного угля, посредством пиролиза.

Нагревание осуществляется через стенку путем факельного сжигания отопительного газа в обогревательном простенке коксовой печи. Обогревательный простенок схематически представлен на рис. 1.

Рис.1. Схема обогревательных простенков коксовой батареи.

Основная цель процесса коксования - это получение качественного кокса для последующего его использования в доменной печи.

Основные показатели качества кокса - это горячая прочность кокса (постреакционная прочность) и реакционная способность кокса (характеристика скорости взаимодействия углерода кокса с углекислым газом в доменном процессе).

Обогревательный простенок коксовой печи состоит из подъемного вертикала, перевального окна, опускного вертикала и разделяющей стенки. В основании подъемного вертикала обогревательного простенка располагаются входы для отопительного газа и воздуха, а в основании опускного вертикала обогревательного простенка располагаются выходы для дымовых газов

В подъемном вертикале осуществляется процесс горения предварительно не перемешанной смеси отопительного газа и воздуха. Через перевальное окно продукты сгорания попадают в опускной вертикал обогревательного простенка, после чего через выходы для дымовых газов по косым ходам попадают в регенератор, отдавая тепло насадке регенераторов.

После регенераторов газы по дымовым боровам выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу.

Основные габаритные размеры обогревательного простенка по осям X, Y, Z следующие: ось X=0.640 м, ось Y=4.4 м, ось Z=0.34 м.

Задача исследования

Повысить равномерность распределения температур в обогревательном простенке для увеличения равномерности прогрева коксового пирога по высоте и ширине камеры коксования.

Актуальность данного исследования показана в работе [1], в которой экспериментально доказана зависимость прочности кокса от распределения температур в обогревательном простенке.

Методика моделирования

Модель обогревательного простенка коксовой печи была реализована посредством программного комплекса Fluent, основой которого является метод контрольного объёма.

Данная математическая модель является трехмерной и решается с использованием системы уравнений параболического вида, состоящей из следующих основных уравнений[2]:

1. Уравнение сохранения массы и момента

2. Уравнение сохранения энергии

3. Уравнение турбулентности (модель k-e)

4. Уравнение транспорта излучения

5. Уравнение неразрывности химической компоненты

Скорость образования массовой доли i-ой компоненты в единице объема, обусловленного химической реакцией, для уравнения неразрывности химической компоненты, рассчитывается с помощью обобщенной модели диссипации вихря (Eddy Dissipation Concept Model), которая является расширением модели диссипации вихря (Eddy-Dissipation) на химию с конечной скоростью протекания реакций

Механизм окисления углеводородов используется на основе двустадийного описания процесса окисления углеводородов [3] и записывается в следующем виде:

C_nH_mO_l + [0.5(n-l) + 0.25m]O₂ nCO + 0.5mH₂O (1)

CO + CO + O₂ CO₂ + CO₂ (2)

H₂ + H₂ + O₂ H₂O + H₂O (3)

Константы скоростей химических реакций рассчитываются в модели путем решения уравнения Аррениуса для каждой химической реакции в виде полинома от температуры:

Где, E - энергия активации, A - предэкспоненциальный множитель, R - газовая постоянная и Т - температура газа.

Данный механизм горения газового топлива был апробирован на одномерной модели обогревательного простенка коксовой печи, в которой рассчитывались усредненные параметры по сечению канала течения газов [4].

Результаты расчета

Разработанная математическая модель позволила получить данные о физических и химических параметрах процесса горения в обогревательном простенке коксовой печи.

Данные были должным образом проанализированы и прошли экспериментальную проверку по основным параметрам, таким как давление, температура и концентрации компонентов смеси.

Сравнение численных результатов расчета с экспериментальными данными

Оценка корректности расчета математической модели производилась путем сравнения результатов численных расчетов с экспериментальными данными. горение температура печь коксовый

Сравнение производилось по следующим параметрам: давление, температура и концентрации оксида углерода, кислорода и метана.

В первую очередь для оценки корректности математической модели было произведено сравнение распределения давления, как основного показателя гидравлического режима, с фактическими данными, полученными на коксовой батарее ОАО “ЗСМК”, обогреваемой коксовым газом.

Движение дымовых газов осуществляется посредством тяги дымовой трубы. Распределение давления в обогревательном простенке представлено на рис. 2.

Рис. 2. Распределение давления в обогревательном простенке, Па.

Давление на входе задавалось равное фактическому значению -48 Па.

Основным требованием к модели при сравнении являлось значение давления в верхней части обогревательного простенка, которое должно лежать в диапазоне от -0 до -5 Па.

Как видно из рисунка 2 требование удовлетворяется.

Основной вклад в распределение давления вносит гравитационная составляющая и минимальное гидравлическое сопротивление.

Произвести эксперимент по замеру температур в обогревательном простенке на коксовой батарее (КБ) №1 ОАО “ЗСМК” не представилось возможности и в связи с этим сравнение распределения температур в обогревательном простенке с практическими данными производилось на основе данных представленных в работах J.P. Gaillet и И.В. Вирозуба [5, 6] (см. рис. 3, 4 и 5).

На рис. 3 представлено рассчитанное на модели распределение температур в обогревательном простенке коксовой печи, которое показывает существенную неравномерность по его сечению.

Рис.3. Распределение температур в обогревательном простенке, К.

Сравнение путем наложения расчетных температур на практические данные из работ [5, 6] представлено на рис.4.

Распределение усредненных по сечению температур, представленное на графике (рис.4) и рассчитанное на модели, показало удовлетворительную сходимость с практическими данными, представленными в работах [5,6], что подтверждает принципиальную картину распределения температур по высоте, глубине и ширине обогревательного простенка коксовой печи.

Рис. 4. График распределения температур по высоте обогревательного простенка

Рис.5. Распределение массовых долей концентраций СО в реагирующей смеси.

Процесс выгорания оксида углерода практически завершен в конце подъемного вертикала, что свидетельствует о правильно выбранном соотношении расхода газа и воздуха.

Данные по распределению массовых долей концентрации кислорода в обогревательном простенке представлены на рис 6.

Концентрации оксида углерода и кислорода дают удовлетворительное схождение с практическими данными.

Рис.6. Распределение концентраций кислорода

Коэффициент избытка воздуха на выходе из нисходящего вертикала, при наличие химической неполноты сгорания, по данным математической модели равен 1,35.

По фактическим данным для КБ №1 коэффициент избытка воздуха б лежит в диапазоне от 1,3-1,35.

Длина факела и равномерность нагрева может регулироваться изменением коэффициента б.

Необходимо подчеркнуть особенность двустадийного процесса горения углеводородов: на стадии (1) все углеводороды CmHn окисляются до оксида углерода СО, а на стадии (2) СО окисляется до СО2.

Двустадийность вносит весомый вклад в распределение температур в обогревательном простенке.

Распределение массовых долей концентраций оксида углерода и метана представлено на рис. 7.

Рис.7. Распределение массовых долей концентраций СО (слева) и СН4 (справа)

Основные выводы:

1. Корректность расчетов математической модели процесса горения подтвердилась при сравнении с экспериментальными данными

2. Результаты численного моделирования коксовой печи показали явную неоднородность по ширине и высоте обогревательного простенка, что ярко демонстрирует актуальность решаемой трехмерной задачи.

3. Математическая модель позволяет решать задачи повышения равномерности обогрева коксовой батареи

4. Математическая модель позволяет изменять геометрические характеристики печи и апробировать их для определения оптимальной конструкции обогревательного простенка.

Аналитическое решение данной задачи с рядом допущений представлено в работе [7], которое позволило получить качественную картину распределения параметров в отопительных вертикалах.

Заключение

Проведенное численное исследование процессов горения в обогревательном простенке коксовой печи позволило получить широкий спектр результатов, позволяющих анализировать тепловые режимы обогрева и производить корректирующие действия для оптимизации процесса.

Основные подходы, реализованные при моделировании процессов горения в обогревательном простенке коксовой печи, могут быть использованы и для моделирования процессов горения в других энерготехнологических агрегатах, таких как энергетические котлы, газотурбинные и парогазовые установки и др.

Реализация виртуальных моделей на основе трехмерного моделирования, благодаря своей детальности и наглядности, позволит заменить реальные объекты при проектировании новых и при оптимизации режимов работы действующих энерготехнологических агрегатов, при создании новых технологий, а также они будут незаменимы в учебном процессе.

Список литературы

1. Коновалова Ю.В., Габов А.И., Беляничев А.Н., Султангузин И.А., Яшин А.П., Гюльмалиев А.М., Гагарин С.Г. Определение равномерности горячей прочности и реакционной способности кокса на основе эксперимента и математического моделирования процесса коксования // Кокс и химия. 2006. - № 2.

2. Патанкар С.В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1989.

3. Frolov S.M., Basevich V.Ya., Neuhaus M.G., Tatschl R. A Joint velocity-scalar PDF Method for Modeling Premixed and Nonpremixed Combustion // Advanced Computation & Analysis of Combustion / Ed. G.D.Roy et al. - Moscow, 1997. - P. 537-561

4. Султангузин И.А., Коновалова Ю.В., Габов А.И., Беляничев А.Н., Шкитко С.К., Яшин А.П., Гюльмалиев А.М. Разработка единой кинетической и диффузионной модели горения газов в коксовой батарее // Кокс и химия - 2007. - №4. - С. 12-16.

5. J.P. Gaillet, G. Griffay, J. L. Roth. Theoretical and experimental srudy of heat transfer in coke oven. Ironmaking conference proceedings, 1988. - P. 537-561.

6. Вирозуб И.В., Кустов Б.И. Тепловой режим коксовых печей. - Харьков: Металлургиздат, 1960. - 240 с.

7. Султангузин И.А., Яшин А.П., Исаев М.В. Анализ влияния геометрических размеров отопительного канала коксовой печи на длину пламени // Кокс и химия. - 2007. - №9. - С. 19-22.

Размещено на Allbest.ru