Актуальность темы. Согласно «Энергетической стратегии России на период до 2030 года», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13.11.2009 г. № 1715-р, твердое органическое топливо, сжигаемое в топках котлов в распыленном виде, еще долгое время будет являться одним из основных источников энергии. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования тепломассообменных процессов при горении полидисперсных топливных частиц с целью углубленного понимания физики происходящих процессов и совершенствования топливосжигающего оборудования являются необходимыми. Математическое моделирование является наименее затратным способом оценки эффективности разрабатываемых технических решений.
Существующие математические модели расчета выгорания топлива основаны на кинетике горения одиночной частицы, которая достаточно полно изучена, но полидисперсность топлива в них учитывается по-разному. В одних моделях она не учитывается, и расчет ведется по среднему размеру частиц, в других - весь спектр частиц разбивается на отдельные фракции, и расчеты ведутся для каждой фракции с последующим усреднением полученных результатов, что требует решения большого числа уравнений и времени счета.
Учет полидисперсности на основе решения кинетического уравнения для функции распределения частиц по размерам позволяет свести задачу выгорания всей массы топлива к решению небольшого числа нелинейных уравнений и получить эволюцию всей системы частиц с усредненными характеристиками. Этим методом ранее решены упрощенные задачи выгорания смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в адиабатических условиях.
Вполне актуально развитие этого метода для изучения горения полидисперсного натурального твердого топлива в факеле в условиях, приближенных к реальным. Такой подход имеет большое значение для правильного понимания особенностей сжигания ансамбля частиц, ведет к упрощению математических моделей топочных процессов и представляет интерес для исследователей, занимающихся расчетами горения.
Объектом исследования является процесс горения твердого топлива.
Предметом исследования является моделирование процесса горения полидисперсного пылевидного топлива в энергетических установках.
Целью работы является разработка физико-математической модели процесса горения полидисперсной пыли натурального твердого топлива в энергетических установках на основе кинетического уравнения для функции распределения частиц по размерам.
Задачи исследования:
1. Анализ существующих моделей расчета горения пылевидного топлива и способов учета полидисперсности.
2. Оценка влияния влажности топливных частиц на температуру их поверхности при высокотемпературном нагреве и возможности разделения процессов сушки частиц и выхода из них летучих веществ.
3. Усовершенствование физико-математической модели горения смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в адиабатических условиях.
4. Оценка влияния степени выгорания полидисперсной топливной пыли на радиационные характеристики пламени.
5. Разработка физико-математической модели горения смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в неадиабатических условиях.
6. Разработка физико-математических моделей выгорания полидисперсной коксовой пыли в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между частицами и газами для предельных (диффузионного и кинетического) и промежуточного режимов горения.
7. Разработка физико-математической модели горения полидисперсной пыли натурального топлива в условиях, характерных для реальных энергетических установок.
8. Анализ влияния различных параметров на процесс выгорания полидисперсного натурального топлива на основе полученной модели и формулирование общих рекомендаций по улучшению эффективности и надежности работы топливосжигающих энергетических установок.
Научная новизна:
1. Расчетами показано, что для пыли мелких частиц (<100 мкм) процессы сушки и выхода летучих можно считать последовательными и время сушки в расчетах не учитывать.
2. Усовершенствована физико-математическая модель выгорания смеси поли-дисперсной коксовой пыли с воздухом в адиабатических условиях. Впервые на основе кинетического уравнения для функции распределения частиц по размерам составлена математическая модель горения полидисперсной коксовой пыли в не-адиабатических условиях, позволяющая судить о поведении и изменении характеристик всего ансамбля полидисперсных частиц в процессе их выгорания.
3. Предложены зависимости для расчета влияния степени выгорания полидисперсного твердого топлива на радиационные характеристики пламени: эффективные коэффициенты ослабления, поглощения и рассеяния для оптически крупных частиц.
4. Разработана физико-математическая модель выгорания полидисперсных коксовых частиц в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между частицами и газами для кинетического, диффузионного и промежуточного режимов. Впервые введен режимный критерий для полидисперсных систем, позволяющий проанализировать соотношение между кинетическими и диффузионными факто-рами в процессах разогрева, воспламенения и активного горения топливной пыли.
5. Впервые на основе решения кинетического уравнения для функции распре-деления частиц по размерам разработана одномерная физико-математическая модель горения полидисперсной пыли натурального топлива, учитывающая характеристики топлива, особенности организации подачи воздуха, рециркуляцию продуктов сгорания в зону воспламенения, теплообмен со стенками топочной ка-меры, которая достаточно полно описывает процесс горения в реальных условиях. Численными исследованиями показано влияние различных условий на воспламенение и выгорание полидисперсной топливной пыли. Представлены предложения по дальнейшему совершенствованию модели.
Практическая значимость работы:
1. Разработанная физико-математическая модель, достаточно полно отражающая реальный процесс горения полидисперсного твердого топлива, может быть использована для исследования влияния режимных и конструктивных параметров топочной камеры и грелочных устройств на воспламенение и выгорание топлива и повышения эффективности принимаемых проектных и наладочных решений.
2. Модель горения полидисперсного твердого топлива может быть рекомендована для интеграции в существующие программы трехмерного моделирования топочных процессов для уменьшения количества начальных данных и расчетного времени, а также для получения начальных условий для более сложных моделей.
3. Проведенные исследования расширяют знания в области изучения физики процессов горения полидисперсных твердых топлив и могут быть использованы научными организациями, занимающимися вопросами сжигания твердых топлив (ОАО «ВНИИМТ», УралВТИ, ОАО «УралОРГРЭС» и др.), а также в учебном процессе ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» для подготовки специалистов по специальностям 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника», 140101 «Тепловые электрические станции».
Автор защищает:
1. Результаты расчетного анализа влияния влажности частиц на температуру их поверхности при конвективной сушке в высокотемпературной газовой среде.
2. Теоретический и расчетный анализ влияния степени выгорания полидисперсного твердого топлива на радиационные характеристики пламени.
3. Теоретические и расчетные исследования выгорания смеси полидисперсных коксовых частиц с воздухом в адиабатических и неадиабатических условиях.
4. Теоретические и расчетные исследования выгорания полидисперсных коксовых частиц в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между частицами и газами.
5. Физико-математическую модель горения полидисперсной пыли натурального топлива в неадиабатических условиях с учетом характеристик топлива и режимных факторов.
Методология и методы исследования: в работе использована совокупность общенаучных и теоретических методов исследования, включающих в себя анализ и обобщение известных теоретических и практических данных по горению полидисперсного твердого топлива, а также математическое моделирование, в основе которого лежат фундаментальные и прикладные науки, такие как теория го-рения, вычислительная математика, теория тепло- и массообмена и др. Для про-верки работоспособности полученных физико-математических моделей проведен вычислительный эксперимент, результаты которого сопоставлены с опытными данными других авторов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в работе современных средств и методов научных исследований. Результаты вычислительного эксперимента, выполненного для составленной модели горения полидисперсной пыли натурального топлива, имеют удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными других исследователей.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, анализе существующих теоретических и экспериментальных данных по рассматриваемой теме, проведении численных исследований влияния влажности частиц на температуру их поверхности при высокотемпературной конвективной сушке, усовершенствовании математической модели горения пылевоздушной смеси в адиабатических условиях, разработке математической модели горения смеси полидисперсной коксовой пыли с воздухом в неадиабатических условиях, составлении моделей горения полидисперсной коксовой пыли в неадиабатических условиях с учетом теплообмена между частицами и газами для предельных (кинетического и диффузионного) и промежуточного режимов горения, составлении модели горения полидисперсной пыли натурального топлива в условиях, приближенных к реальным, проведении численных расчетов по составленным моделям, анализе полученных результатов, формулировке выводов и заключения по диссертации.
Апробация результатов. Результаты работы были представлены на: Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов «XXXVII неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, Россия, 2008 г.); VII Всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (Новосибирск, Россия, 2009 г.); 12 и 13-й всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов (Магнитогорск, Россия, 2011, 2012 гг.); Международной научно-практической конференции «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (Омск, Россия, 2011 г.); Всероссийской научно-практической конференции и выставке работ студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии.» (Екатеринбург, Россия, 2012 г.); XXXIII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий «Наука и технологии» (Миасс, Россия, 2013 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, из которых 2 в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка условных обозначений, списка литературы из 155 на-именования и приложений А-Г. Объем диссертации 173 страницы, включая 36 рисунков.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
