5. Энергетика

к.т.н. Ермоленко М.В., Кимолаев Ж.Б.,

к.т.н. Степанова О.А., Жилгильдинов Ж.С., к.т.н. Золотов А.Д.

Семипалатинский государственный университет имени Шакарима

Методы математического моделирования процессов,

сопровождающих сжигание твердого топлива

Горение топлива - это быстрое соединение кислорода с горючими элементами топлива (углеродом, водородом и серой), сопровождающееся выделением тепла и света. Кислород подается в топку с воздухом. Сухой воздух состоит из двух элементов: 21% кислорода и 79% азота. В горении топлива участвует только кислород. Для того чтобы горение топлива началось, надо довести температуру до температуры воспламенения, при которой горение происходит самостоятельно, без подвода тепла. Температура воспламенения зависит от вида топлива и условий, в которых совершается процесс горения. Температура воспламенения каменного угля 500°С. Углерод является основным составным элементом любого топлива, он сгорает или в углекислый газ (СО₂), или в окись углерода (СО). Когда в топку подводится достаточное количество воздуха, реакция горения углерода протекает полностью. При недостатке воздуха реакция горения углерода будет протекает неполностью и выделяется значительно меньше тепла. Вследствие неполного сгорания углерода получается не углекислый газ, а окись углерода.

Требуется стремиться к полному сжиганию топлива при минимальном коэффициенте избытка воздуха. Излишний воздух, введенный в топку, не используется для горения, а нагревается до температуры горения топлива, и уносит с уходящими газами дополнительное количество тепла. При этом увеличивается расход топлива и усиливается окисление металла.

При проектировании и исследовании котельного оборудования широко используется методы моделирования, которые основаны на физических законах, описывающих процессы аэродинамики и теплообмена. Совместное использование математического моделирования, физического эксперимента и натурных испытаний дает возможность получить наиболее полную и достоверную информацию об объекте исследования. Моделирование позволяет «сжигать» угли различной степени метаморфизма, зольности и влажности. Сжигание можно задавать в широком диапазоне режимных параметров, в т.ч. тепловых нагрузок, скоростей движения газа, уровня температур, избытков воздуха и других.

Для решения задачи оптимизации тепломассообменных процессов, протекающих в энергетических котлах, исследуемую систему надо представить в виде соответствующей модели, для того чтобы установить целевую функцию переменных и некоторые ограничения параметров системы. После чего проводят минимизацию или максимизацию этой функции. Но для этого, прежде всего, необходимо поставить цель оптимизации.

В общем случае, для математического моделирования процессов аэродинамики, тепломассообмена, движения, воспламенения и горения частиц при сжигании твердого топлива в различных его композициях (имеется в виду – твердое, пылеобразное, мелко-, крупнодисперсное) в топках паровых котлов определяются компоненты модели и численные подходы для ее реализации.

Математическая модель включает:

- для газовой фазы: уравнения неразрывности, баланса массы газовых компонентов, движения, энергии, состояния;

- для дисперсной фазы (возможно использование метода Лагранжа) уравнения движения частицы-маркера i-ой группы, уравнения тепломассообмена и горения частиц или уравнения Аррениуса для расчета выхода летучих соединений;

- дополнительно используются уравнения, описывающие влияние дисперсной фазы на газовую.

Как правило, для численного решения уравнений рекомендуется использовать метод контрольного объема, согласно которому область исследования разбивается на конечное число непересекающихся объемов.

Целью работы является оптимизация режимов процессов горения угля разреза «Кара-Жира» (Восточно-Казахстанская область) в современных энергетических котлах, при совершенствовании системы теплоснабжения города.

На данном этапе исследования был проведен обзор расчетных кодов, позволяющих моделировать процессы в энергопроизводстве. В результате чего было установлено, что использование современных вычислительных средств позволяет моделировать различные задачи теплообмена и динамики многокомпонентных сред.

Список использованных источников

1. Теплотехника /А.М. Архаров, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др.; Под общ. ред. В.И. Крутова. – Машиностроение, 1986.

2. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. Пер. с англ. М., Энергоатомиздат, 1984.

3. Пасконов В.М., Полежаев В.И., Чудов Л.А. Численное моделирование процессов тепло- и массообмена. М., Наука, 1984.

4. Красильников С.В. Численное исследование пространственных двухфазных течений и горения в пылеугольной топке с учетом шлакоулавливания. Автореферат, Томск, 2003.

5. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/119.pdf