Создание математических моделей, разработка расчетных программ и численное исследование процессов сжигания и газификации пылеугольного топлива Асланян, Гарегин Самвелович

Введение к работе

Актуальность работы определяется в первую очередь особой важностью разработки высокоэффективных и экологически чистых угольных технологий для широкомашстабного производства тепловой и электрической энергий и в связи с этим необходимостью развития адекватных рас-четно-теоретических моделей исследования фундаментальных основ процессов гетерогенного горения и создания надежных методов расчета в проектирования реальных агрегатов в устройств по высокоэффективному сжиганию и газификации пылеугольного топлива.

В этой связи цель* предлагаемой диссертации является развитие теоретических представлений теории гетерогенного горения и разработка комплекса физико-химических моделей и вычислительных программ, адекватно моделируюжих процессы в угольных энергетических агрегатах.

Для достижения этой цели потребовались разработки следующих основных положений, выносимых иа запиту:

1. Развитие научно-теоретических основ и разработка математических моделей комплексного описания процессов горения и газификации пылевидного полидисперсного твердого топлива в термодинамическом и кинетическом приближениях, учитывающих динамику воспламенения и выгорания одиночных частиц в спутном потоке, турбулентность газового потока и турбулентные пульсации твердой фазы, радиационный перенос энергии, лимитирующую роль скоростей смешения реагирующих компонентов газового потока, выходящего из частиц в результате их термического разложения и гетерогенного реагирования, и др.

2. Разработка и создание пакета вычислительных программных модулей различного уровня детализации и сложности, предназначенных для исследования фундаментальных основ процессов горения и газификации, выявления и предсказания принципиально новых возможных эффектов и явлений, характерных для процессов горения, а также надежного расчета и проектирования различного теплоэнергетического оборудования, в том числе агрегатов и устройств по эффективному сжиганию и газификации органического топлива. Разработанный пакет включает программные модули, представленные на рис 1.

3. Применение разработанных моделей и вычислительных программ для описания результатов, анализа и интерпретации данных широкого ряда экспериментальных работ по изучению гидродинамических, тепло-, мас-сообменных и кинетических аспектов горения, предсказания характеристик, измерения которых отсутствуют в эксперименте, и для постановки новых экспериментальных работ.

Модели н программные модула расчета

процессов в хнмнческв реагирующих

гетерогенных системах

Термодашашчвсии стоасг*»"

Права

arnpa

Перевосвые esotisettta: вязкость,- тевл«вуо*ч>дйость, диффузия

Кныетнка гомогенного в гетерогенного реагирования

Нестацшжарвые процессы текло- и массо¹-обмеоа вокруг одиаочяой горящей частной

Одномерные спутные течеииа¹ |_

с полвдцсперсными угольныма частицам»

Двухмерные, осеснмметрвчные турбулентные мвогофазаие течевва

Рнс. 1. Основні» программные нодуля математического моделирования

УГ0КЬ!!1К ПрОЦеССОЗ

Научная новизна работы состоит в следуюцем:

1. Обобдены и проанализированы различные экологически чистые технологии получения тепловой и электрической энергия на базе угля, проведен технико-экономический сопоставительный анализ эффективности и экологической приемлемости различных технологических опций, разработан в создан не имеющий в мире аналогов компьютеризованный справочник по экологически чистым угольным технологиям, базирующийся на об-пирноы фактографическом банке данных и позволяющий идентифицировать узлы и агрегаты угольных установок, процессы в которых возможно и целесооразно исследовать и оптимизировать на основе математических моделей и численных методов.

2. Развиты теоретические представления теории гомогенного и гетерогенного горения органического топлива.

3. Разработан и создан комплекс физико-химических моделей и вычислительных компьютерных программных модулей различного уровня детализации и сложности, предназначенных для исследования фундаментальных основ процессов горения и газификации угля и решения задач, адекватно описывающих процессы в топливных агрегатах.

4. Разработаны и созданы усовершенствованные метод и компьютерная программа термодинамического описания химически реагирующих систем с конденсированной фазой. Развитый метод основывается на отказе от жесткой привязки к атомарному базису, использовании базовых компонент, которые при данных значениях давления и температуры находятся в преобладающих количествах и применении алгоритма последовательной минимизации в пространстве координат реакций, введении возможностей проведения расчетов при условии достижения термодинамического равновесия лишь в гомогенных реакциях, выделения режимов полного исчезновения химически реагирующей гетерогенной фазы.

5. Разработана новая нестационарная модель, описывающая динамическое поведение одиночных пиролизируемых угольных частиц, помещенных в горячую газообразную среду, близкую по параметрам к атмосфере топочных устройств. Автор впервые отказался от использования традиционного квазистационарного приближения, предполагавшего малость отношения характеристических времен в газовой и твердой фазах. Предложен оригинальный метод численного решения нестационарных дифференциальных уравнений сохранения массы, химических компонентов и энергии газовой среды, со специфическими динамическими граничными условиями, определяемыми характеристиками горящей угольной частицы.

6. Впервые выявлены новые принципиальные эффекты в тепловых режимах воспламенения и горения пылеугольных частиц. Установлено, что повышение температуры окружающего газа, как и содержания в нем кислорода, могут привести к задержке с моментом воспламенения, объясняемой замедлением достижения критической концентрации горючих компонентов по причине их медленного расходования в пограничном слое.

7. Разработана детальная одномерная кинетическая модель выгорания полидисперсного пылеугольногэ спутного потока, предложена инженерная возможность ее применения для описания потоков с рециркуляцией. Продемонстрировано достижение удовлетворительного согласия с имеющимися экспериментальными данными, предсказаны термические режимы воспламенения и горения различных фракций частиц. Модель является удобным и простым рабочим инструментом для чисг.енного исслочования процессов

воспламенения и окисления угольного потока, выявления чувствительности процессов к изменению различных управлявших параметров, анализа и интерпретации имеющихся экспериментальных данных.

8. Разработаны и созданы не ииеювше отечественных аналогов математическая модель и программа численного расчета процессов горения и газификации пылевидного угольного топлива в многомерных турбулентных потоках. Система основных дифференциальных уравнений сохранения для газовой фазы, сведенных к стандартному виду, дополнена соответствующими уравнениями для ряда ванных характеристик, контролирующих процесс, таких как энергия и скорость диссипации турбулентных пульсации, функции смешения предварительно неперемешанных потоков и смешения потока газа, вышедшего из угольных частиц, и др. Введение функции плотности вероятности (ФПЮ для функции смешения позволило получить осредненные по времени значения концентраций, температуры и скоростей реакции. Использование смешанной схемы (Лагранжево плюс Эйлерово описания) позволило определить как траектории отдельных частиц так и зависимости турбулентных поправок скоростей от градиента юс численной плотности, для которой выведено дифференциальное уравнение стандартного вида. Продемонстрирована возможность попадания частиц в рециркуляционную зону и установлена определяющая роль учета турбулентных поправок скорости частиц для реализации данной возможности. Г

Предложен иЧ-реализован усовершенствованный модифицированный численный алгоритм решения дискретных уравнений, распространяющий при-иенимость модели к сильно закрученным потокам, it обеспечивающий сок-рааение времени счета по сравнению с базовым алгоритмом piso в 1,5 раза, достижение быстрой сходимости и большую устойчивость на начальных итерациях.

Проведена детальная верификация программы с привлечением весьма обширного опубликованного экспериментального материала. Последовательно протестированы гидродинамическая модель программы, блоки гомогенного и гетерогенного горения и газификации угля. Продемонстрировано качественно верное описание специфических гидродинамических особенностей двухфазных течений: наличие зон рециркуляционного течения газа и возвратного движения частиц. Показано хорошее совпадение расчетных и экспериментальных радиальных профилей распределения газовой функции смешения предварительно неперемешанных потоков, энергии турбулентных пульсаций вдоль оси реактора и др.

Показана обоснованность использования приблихения локального термодинамического гомогенного равновесия применительно к процессам с

высокими скоростями химических реакций, контролируемых скоростью перемешивания потоков, и необходимость кинетического описания процессов сжигания и газификации органических топлив.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международных и отечественных конференциях, симпозиумах и семинарах: Международном семинаре по ядерной войне, 6-сессия (Эриче, 1988); Втором Советско-Австралийском семинаре по передовым энергетический технологиям (Москва, 1987); Объединенном совещании Британского и Французского секций Института горения, (Роуэн., 1989); Третьем Советско-Австралийском семинаре по передовым энерготехнологиям на органическом топливе (Сидней, 1989); Всесоюзном симпозиуме по проблеме газификации углей (Красноярск, 1991); XI Советско-Японском семинаре по энергетике и экологии (Токио, 1989); Международном семинаре по экологически приемлемому использованию низкосортных топлив (Москва-Тал линн-Тампере, 1991); Конференции по чистым угольным технологиям (Коттбус, 1991); Международной Конференции по эффективным экологически чистым технологиям (Милан, 1991): Первом Советско-Израильском семинаре по энергетике (Бершева, 1991); Международных конференциях по экологически приемлемым угольным технологиям (Пекин, 1991 и Мадрас, 1992), Конференции ООН по чистым угольным технологиям (Берлин, 1992), Четвертой генеральной конференции Московского международного энергетического клуба (Москва, 1993).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Основной текст занимает 187 страниц, количество рисунков 63, таблиц 21, ссылок 139 наименований.