Wykorzystanie modelowania numerycznego do optymalizacji fluidalnej suszarki węgla brunatnego

Transkrypt

1 Stanisław Anweiler, Grzegorz Nowosielski, Zbigniew Plutecki Politechnika Opolska Wykorzystanie modelowania numerycznego do optymalizacji fluidalnej suszarki węgla brunatnego Application of numerical modeling for optimization of a lignite fluidized-bed dryer Przepływami płynów dwufazowych zajmuje się wiele ośrodków naukowych oraz badawczo-rozwojowych. Pomimo coraz lepszego poznania zjawisk rządzących wzajemną interakcją faz, podczas ich wspólnego przepływu, badania tego typu procesów nadal są intensywnie rozwijane. Po części wynika to z rozwoju technik pomiarowych, ale również z zapotrzebowania na nowe, bardziej wydajne, energooszczędne oraz bezpieczne dla środowiska technologie. Jednym z przykładów intensywnego rozwoju w tym obszarze są opracowywane eksperymentalne badania i numeryczne modelowanie procesu suszenia węgla brunatnego w suszarkach fluidalnych [15]. Przepływy dwufazowe Proces fluidyzacji cząstek ciała stałego polega na utrzymywaniu ich w stanie tzw. płynu jednorodnego, dwu- lub wielofazowego, poprzez nadanie mu właściwości czynnika, który przepływa przez złoże. Warunkiem koniecznym do wytworzenia stanu fluidyzacji jest wytworzenie siły oporu podczas opływu cząstek przez płyn, która równoważy siłę ciężkości cząstki, pomniejszoną o siłę wyporu. Jest to możliwe przy zapewnieniu dostatecznie dużej prędkości płynu, większej od tak zwanej minimalnej pręd-kości fluidyzacji [8, 10]. W literaturze można znaleźć podział fluidyzacji na sześć charakterystycznych obszarów w zależności od natężenia przepływu fazy gazowej. Podział ten wprowadza: złoże jednorodne, fluidalne z pęcherzykami gazu, warstwowe, burzliwe, szybkie oraz transport pneumatyczny (rys.1) [10]. Obserwowany obecnie rozwój techniki fluidyzacji w zastosowaniach suszenia jest związany ze stosowaniem dużych pręd-kości przepływu fazy gazowej [8, 10]. Przy dużych prędkościach zanika charakter dwufazowej fluidyzacji i polepsza się kontakt faz [10]. Złoże turbulentne ma mniej ostrą granicę u szczytu, z powodu znacznego wywiewania cząstek. Wyróżnia się wów-czas dwie strefy: u góry rozrzedzoną, u dołu gęstą. Ponadto w dolnej części można zaobserwować cechy złoża fontannowe-go, charakterystycznego dla stanu cyrkulacji, w którym cząstki są unoszone przez strumień gazu do góry rozcieńczonym kana-łem centralnym, w obrębie którego ustalają się warunki transpor-tu pneumatycznego u,u u u,u u u mf mb ms c k tr t u,ε Rys.1. Rodzaje złóż fluidalnych gaz ciało stałe: 1 złoże nieruchome lub jednorodne, 2 złoże z pęcherzykami gazu, 3 złoże warstwowe, 4 złoże burzliwe, 5 złoże szybkie, 6 transport pneumatyczny [10] W czasie procesu suszenia w złożu fluidalnym cząstki stałe są poddane działaniu powietrza o stałej temperaturze, wilgotność zawarta w nim jest odprowadzana do ogrzewającego powietrza. Ten proces trwa tak długo, jak wilgotność materiału będzie w równowadze z temperaturą i wilgotnością otaczającego powietrza. Utrata wilgotności materiału jest związana z siłą oddziaływania, występującą przy transporcie masy, która jest proporcjonalna do temperatury osuszającego powietrza i zewnętrznego oporu występującego przy transporcie masy [6]. Charakterystyka hydrodynamiczna układu fluidalnego gaz ciało stałe w zasadniczy sposób jest zależna od właściwości cząstek ciała stałego [10]. Do najważniejszych należy zaliczyć: średni rozmiar i kształt cząstek, gęstość, różnicę gęstości między cząstkami ciała stałego i gazu, elektrostatyczność oraz jednorodność cząstek w wyżej wymienionym zakresie. W literaturze można znaleźć podział materiałów ziarnistych na klasy, z podaniem wynikających z tego faktu konsekwencji. Jedną z takich klasyfikacji wprowadził Gerdart, dzieląc materiały na cztery klasy: A, B, C i D. Podział na grupy A i B dokonał on w zależności od tego czy pęcherzykowanie warstwy zachodzi październik strona 535

2 zaraz, czy w pobliżu prędkości minimalnej fluidyzacji, dla ziaren grupy D przyjął za kryterium nierówność prędkości przepływu pęcherzyków i minimalną prędkość przepływu gazu w fazie emulsyjnej. Prawidłowe projektowanie urządzeń ze złożem fluidal-nym wymaga znajomości parametrów pracy, przy których złoże ze stanu statycznego przechodzi w stan dynamiczny. Ponadto w przypadku układu fontannowego ważna jest charakterystyka hydrodynamiczna, która zależy od właściwości płynu i ciała stałego, ale również od konstrukcji urządzenia, wysokości i szerokości złoża [5, 8, 10]. Wyróżnia się cztery zasadnicze typy fontannowych złóż fluidalnych: cylindryczne, stożkowo-cylindryczne, stożkowe oraz rozrzedzone złoże typu jet [10]. Konwencjonalne złoża fontannowe, ze względu na niską aerację w obszarze pierścieniowym oraz wolne zawracanie cząstek stałych, nie są powszechnie stosowane przy suszeniu materiałów. W celu wyeliminowania wymienionych ograniczeń projektuje się układy zmodyfikowane, np. typu: złoże fontannowe z wirującym strumieniem, pierścieniowe złoże fontannowe z wirującym strumieniem czy pulsacyjne złoże z wirującym strumieniem [10]. Dwa pierwsze rozwiązania polegają na przerywanym dostarczaniu powietrza do złoża. Zabieg taki pozwala na obniżenie zużycia energii do ogrzewania powietrza i napędu wentylatorów [10]. Wady tych rozwiązań to: złożona konstrukcja, wysokie koszty konserwacji i ograniczona pojemność, związana z maksymalną wysokością złoża. Wady te eliminuje rozwiązanie z pulsacyjnym złożem fontannowym, które przy określonej częstotliwości impulsów pracuje z większymi wydajnościami, wykorzystując tylko okresowe dostarczanie powietrza do złoża [8]. Szczegółowe badanie przepływu płynów dwufazowych w technice suszenia węgla, metodami fluidyzacyjnymi, ma istotne znaczenie praktyczne poznanie hydrodynamiki, waż-nych z punktu widzenia technologii, parametrów pracy aparatu, z których najważniejsze to rozkład temperatury, wymiana ciepła i transport masy oraz wymiana pędu pomiędzy ziarnami węgla a gazem suszącym. Uzupełnieniem badań wizyjnych jest numeryczna analiza zjawisk cieplno-przepływowych, w obrębie płynów dwufazowych, z wykorzystaniem najnowszych modeli matematycz-nych. Prowadzenie takich eksperymentów w zamkniętych obszarach trójwymiarowych, często o złożonej geometrii, jest możliwe dzięki użyciu wieloprocesorowych maszyn oblicze-niowych [13, 14]. W rezultacie prowadzenia takich badań uzyskać można wizualizację procesu fluidyzacji wraz z wielkościami charakteryzującymi ten proces w sposób zbliżony do wyników dynamicznej analizy obrazu. Celowym wydaje się zatem wykorzystanie obu tych technik w procesie adaptowania modeli numerycznych, w celu uzyskania zbliżonych jakościowo i ilościowo wyników. Po osiągnięciu przyjętego kryterium weryfikacji, uprawnione będzie prowadzenie w przyszłości badań już jedynie przy użyciu narzędzi informatycznych. Instalacja badawcza Badanie właściwości hydrodynamicznych mieszaniny dwufazowej węgiel brunatny powietrze w złożu suszarki fluidalnej przeprowadzono z wykorzystaniem metod wizualizacji oraz cyfrowej analizy obrazu. Głównym elementem stanowiska pomiarowego jest dwuwymiarowy model aparatu fluidalnego (rys. 2), wykonanego z transparentnego tworzywa. Kanał przepływowy aparatu skła-da się z dwóch części: komory stożkowej i komory prostej. Po odpowiednim zamontowaniu rusztu, proces fluidyzacji można prowadzić zarówno w części stożkowej, jak i w części prostej. W dolnej części komory stożkowej znajduje się doprowadzenie powietrza za pomocą dwóch wentylatorów tłoczących, o wydajności po 350 m 3 /h każdy. Natomiast w górnej części komo-ry prostej znajduje się odprowadzenie gazu, które realizowane jest za pomocą wentylatora wyciągowego z filtrem cząstek sta-łych. Całość kanału przepływowego oświetlona jest systemem reflektorów i ekranów, w celu realizacji akwizycji obrazu, metodą jasnego pola. Metodologia badań W początkowej fazie rozwoju technologii złoża fluidalnego, badania procesu sprowadzały się do pomiarów temperatury oraz spadku ciśnienia w wybranych przekrojach aparatu. Obecnie tego typu informacje są zbyt powierzchowne. Dzięki nowym technikom wizualizacji możliwa jest szczegółowa analiza zjawisk przepływowych. Wielkości, które teraz stały się mierzalne, w sposób w zasadzie bezpośredni, to m.in. lokalna koncentracja ciała stałego i gazu, prędkość i strumień cząstek ciała stałego, pionowy i poziomy rozkład udziału faz, poprzeczna dystrybucja gazu itp. [7]. Wymienione parametry struktur dwufazowych oraz wiele innych można wyznaczyć za pomocą technik metrologii wizyjnej, na podstawie dynamicznej analizy obrazu [1-3]. Cyfrowa wizualizacja przepływu dwufazowego gaz cia-ło stałe oraz cyfrowa analiza zarejestrowanego obrazu oferuje wyjątkową możliwość odkrywania złożoności struktur dwufazowych, bez potrzeby inwazji w obiekt badań [12]. Wylot mieszanki Część zasadnicza Część leja Przegroda perforowana Wlot sprężonego powietrza Rys. 2. Instalacja badawcza: a) model, b) widok strona październik 2014

3 Badania eksperymentalne Pierwszym etapem eksperymentu była wizualizacja procesu fluidyzacji węgla brunatnego, czyli zgromadzenie danych w postaci obrazów reprezentujących proces. Akwizycję obrazu realizowano za pomocą szybkiej kamery cyfrowej z prędkością 462 oraz 924 klatek na sekundę (rys. 3). Wynikiem tej części procesu pomiarowego są sekwencje obrazów, przedstawiających ewolucję struktury przepływu dwufazowego gaz ciało stałe, dla różnych prędkości przepływu powietrza oraz różnej granulacji miału węgla brunatnego. Prędkość powietrza wykorzystywanego do fluidyzacji mieściła się w zakresie od 2 do 14 m/s w przekroju warstwy perforowanej. Średnice cząstek węgla mieściły się w trzech zakresach: do 1,0 mm, od 1,0 do 2,0 mm oraz od 2,0 do 4,0 mm. Wykonano szereg serii pomiarowych, zawierających wizualizację przepływu, którą poprowadzono osobno dla fluidyzacji w części stożkowej aparatu oraz w części prostej aparatu. Drugim etapem eksperymentu była analiza zgromadzonych danych obrazowych pod kątem hydrodynamiki mieszaniny dwufazowej. W celu zbadania właściwości kinetycznych węgla brunatnego podczas procesu fluidalnego suszenia zastosowano analizę obrazu metodą Cyfrowej Anemometrii Obrazowej (Digital Particle Image Velocimetry). analiza akwizycja do dwuwymiarowa ekran rozpraszający oświetlenie obrazu 1800 obrazów/sek. komora fluidalna światło kolumny wizualizacja światło zaburzone światło światło procesu przez fazę stałą rozproszone punktowe Rys. 3. Schemat instalacji do wizualizacji procesu Sekwencje obrazów struktur dwufazowych gaz ciało stałe, będących wynikiem wcześniejszego etapu wizualizacji procesu fluidyzacji, eksportowano do komputerowego programu DPIV [4]. Program DPIV pozwala wyznaczać pola prędkości, dla wprowadzonych w postaci map bitowych, obrazów struktu-ry przepływu. Uwzględniając odstęp czasowy pomiędzy dwoma obrazami, program analizuje przesunięcie obiektów na obrazie i po dokonaniu obliczeń przedstawia wynik analizy w postaci mapy wektorów prędkości na badanym obszarze. Modelowanie matematyczne Podstawowe równania, założenia i uproszczenia modelu Proces fluidyzacji z suszeniem ma charakter przepływu wielofazowego typu gaz - ciało stałe. Podstawowe równania modelu stanowią: równanie zachowania masy, momentów dla fazy gazowej i stałej oraz równanie energii fluktuacji dla fazy stałej (tab. 1) [14]. Rys. 4. Schemat analizy obrazu za pomocą Cyfrowej Anemometrii Obrazowej (DPIV): zdjęcie zjawiska -> analiza obrazu -> obliczone pole wektorów prędkości Ponieważ w rozpatrywanym złożu fluidalnym koncentracja fazy rozproszonej miejscami może osiągać poziom maksymalne-go upakowania, nie ma zastosowania model Lagrange a, który pozwala na śledzenie jedynie pojedynczych cząstek, przy kon-centracji do kilkunastu procent [11, 14]. Dla potrzeb badań symulacyjnych rozpatrzono zastosowanie modelu: Euler Euler oraz The Mixture Model, przeznaczonego do badania przepływów dwu- i wielofazowych opartego na teorii poślizgu międzyfazowego [3, 13, 15]. Model Euler Euler jest modelem, w którym przepływ poszczególnych faz jest modelowany niezależnie, z uwzględnieniem interakcji między tymi fazami, z możliwością zdefiniowania jednej z faz jako fazy granularnej lub upakowanego złoża cząstek. Licz-ba faz, jaka może być określona, jest ograniczona jedynie wymaganiami sprzętowymi komputera. Ponadto przyjęto, że: wartość ciśnienia jest dzielona na wszystkie fazy, równania zachowania masy i momentu są rozwiązywane dla każdej fazy oddzielnie i zastosowanie ma model przepływu turbulentnego typu k - ε [14]. Model Eulera Euler wymusza pewne ograniczenia. Do najważniejszych należy zaliczyć to, że: nie może być zastosowany model przepływu Reynoldsa; śledzenie cząstek jest możliwe tylko dla tych cząstek, które współdziałają z główną fazą; nie mogą być modelowane procesy przemian fazowych (topienia i krzepnięcia ciała) oraz że nie może być zadawany strumień przepływu określony przez prędkość przepływu masy; opis zagadnienia określany jest poprzez zadanie spadku ciśnienia. W porównaniu z modelowaniem przepływu jednofazowego, dla przepływu wielofazowego równania zasady zachowania masy i momentu są zmodyfikowane poprzez wprowadzenie mię-dzy innymi frakcji objętościowych α 1 + α α n = 1 oraz do-datkowe mechanizmy uwzględniające wymianę momentu, ciepła i masy między fazami. Model przepływu wielofazowego w zakresie interakcji między fazami uzupełnia model Gidaspowa ze względu na to, że jest zalecany do gęstego złoża fluidalnego, a takie występuje w oma-wianym zagadnieniu. październik strona 537

4 Faza gazowa Podstawowe równania modelu Tabela 1 Przykładowe wyniki badań wraz z dyskusją Wizualizacja Równanie ciągłości (1) Równanie momentów (2) Faza stała Równanie ciągłości (3) Równanie momentów (4) Równanie energii (5) fluktuacji gdzie: αg, ρg, ug oraz αs, ρs, us są odpowiednio: udziałem, gęstością i prędkością fazy gazowej i stałej; p, g, τ i K ciśnienie, przyspieszenie ziemskie, tensor naprężeń oraz współczynnik oporu mieszaniny gaz ciało stałe; kθs, γθs, ϕg, Θs są odpowiednio: współczynnikiem rozszerzalności temperaturowej, rozpraszaniem energii zderzeń, przekazywaniem energii kinetycznej między fazą gazową i stałą, temperatura Wynikiem przeprowadzonej wizualizacji procesu fluidal-nego suszenia węgla brunatnego jest seria sekwencji obrazów, przedstawiających szereg struktur przepływu płynu dwufazo-wego. Na przedstawionych w dalszej części artykułu rysunkach zaobserwować można rozwój różnego rodzaju struktur w bada-nych układach. Wyróżnić można typowe struktury przepływu dla tego typu układów fluidalnych (struktury pęcherzykowe, korko-we, burzliwe). W szczególności, zaobserwować można momenty przejścia pomiędzy typowymi strukturami tzw. struktury przejściowe, które powodują najwięcej kłopotów dla konstruktorów aparatów i kontrolerów ruchu rzeczywistych obiektów, gdyż w takich przypadkach mogą powstawać niepożądane efekty (np. zawały, kanały), obniżające sprawność i wydajność urządzeń oraz procesów. Wyróżnić należy również możliwość wykrywania specyficznych struktur przepływu, charakterystycznych wyłącz-nie dla szczególnych układów prędkości gazu, granulacji węgla i kształtu komory fluidalnej (struktury kanałowe, pierścieniowe, fontannowe). Na specjalną uwagę zasługuje możliwość diagnozowania tzw. stref martwych w aparatach, które odpowiedzialne są za znaczną redukcję wydajności procesu suszenia, ze wzglę-du na możliwość zalegania wilgotnego materiału, które z czasem prowadzi do zarastania komór suszarniczych, radykalnie obniża-jąc sprawność aparatów. Na rysunku 5 przedstawiona jest przykładowa sekwencja obrazów, prezentujących ewolucję struktury dwufazowej w komorze prostej aparatu, dla granulacji węgla o średnicy do 1,0 mm i rosnącej prędkości powietrza. Obliczenia numeryczne a b c d e f g Celem badań było uzyskanie wyników zbliżonych jakościowo i ilościowo do badań eksperymentalnych, a następnie wykorzystanie zweryfikowanego modelu do przebadania między innymi: optymalnej koncepcji kształtu komory fluidyzującej oraz wyznaczenia charakterystycznych parametrów złoża w skali półtechnicznej. Badania numeryczne przeprowadzono przy pomocy programu Ansys Fluent z zastosowaniem modelu przepływów wielofazowych metodą Euler Euler. W badaniach numerycznych zastosowano siatki z elementami wielkości 0,005 m i 0,003 m oraz stały krok czasowy wynoszący od 0,0005 do 0,00005 sekundy. Dobór kroku związany był z wielkością siatki numerycznej i prędkościami przepływu powietrza. Jednocześnie wraz z obliczeniami tworzone były wizualizacje wyników obliczeń w postaci animacji, składających się z obrazów koncentracji ciała stałego w mieszaninie pyło-wopowietrznej, generowanych co 10. krok czasowy. Uzyskane animacje, odtwarzane z szybkością 10 klatek na sekundę, dają możliwość obserwacji procesu fluidyzacji w 20-krotnym spowolnieniu, przy kroku 0,0005 s. Poniżej zostaną przedstawione wybrane klatki, pokazujące zachodzące procesy w złożu fluidalnym. Zastosowanie metod komputerowych pozwoliło na opracowanie scenariuszy zdarzeń, jakie mogą wystąpić w użytkowaniu suszarki fluidalnej. Rys. 5. Fluidyzacja: a, b, c, d pęcherzykowa; e, f pęcherzowo-korkowa; g burzliwa Struktura a b c d e f g Prędkość 7,3 7,9 8,7 9,5 11,7 12,6 13,2 gazu, m/s a b c d e Rys. 6. Fluidyzacja: a, b, c pęcherzykowa, d przejściowa korkowa -burzliwa, e szybka Struktura a b c d e Prędkość 5,3 10,5 10,8 12,6 13,2 gazu, m/s strona październik 2014

5 Na rysunku 6 przedstawiona została przykładowa sekwencja obrazów prezentujących ewolucję struktury dwufazowej w komorze stożkowej aparatu, dla granulacji węgla o średnicy do 1,0 mm i rosnącej prędkości powietrza. Analiza obrazu Na kolejnych rysunkach przedstawiono przykładowe wyniki analizy obrazu za pomocą Cyfrowej Anemometrii Obrazowej (DPIV), w postaci danego obrazu i odpowiadającego mu wektorowego pola prędkości cząstek w aparacie, dla wybranych rozmiarów cząstek oraz prędkości gazu. Najszersze spektrum obserwowanych struktur przepływu płynu dwufazowego (największe zróżnicowanie) zaobserwowano dla komory prostokątnej wypełnionej węglem brunatnym o granulacji do 1mm oraz dla komory stożkowej wypełnionej węglem brunatnym o granulacji 1-2 mm oraz 2-4 mm. Analizując zgromadzone dane pod kątem prędkości fazy stałej stwierdza się, że maksymalna, zarejestrowana na podstawie analizy obrazu, prędkość cząstek węgla wewnątrz aparatu wyno-si 3,2 m/s z błędem w granicy 12,5% (rys. 7 i 8). Obserwacje te są słuszne dla cząstek o granulacji powyżej 1 mm. Natomiast dla cząstek o średnicy poniżej 1 mm obserwowana prędkość fazy stałej wydaje się być wyższa niż wynikałoby to z analizy obrazu. Fakt ten spowodowany jest niewystarczającą czułością układu optycznego, który nie jest w stanie wychwycić cząstki o średnicy poniżej 0,5 mm. Chociaż obserwacje prędkości fazy stałej pokazują, że różnice te nie są znaczące, to rozwiązaniem problemu niedokładności mogłoby być zastosowanie układu optycznego makro o większej czułości (rozdzielczości optycznej), jednak odbyłoby się to kosztem zmniejszenia obszaru pomiarowego. Analiza wyników dla przypadku fluidyzacji cząstek węgla brunatnego o średnicy z zakresu 2-4 mm nie pozwala na jednoznaczne określenie profilu prędkości i trajektorii cząstek węgla wewnątrz komory prostokątnej aparatu ze względu na zbyt małą osiąganą prędkość powietrza. Wprawdzie minimalna prędkość fluidyzacji dla tego układu wynosi 4,8 m/s w przekroju warstwy perforowanej, jednak dla procesu suszenia węgla jest to parametr potrzebny do zapoczątkowania procesu, natomiast właściwe suszenie powinno przebiegać dla prędkości gazu na granicy unoszenia świeżego materiału (tzw. prędkość unoszenia), która w tym układzie nie została osiągnięta. Maksymalna prędkość powietrza zarejestrowana za pomocą cyfrowego anemometru na wlocie do wentylatora to 8 m/s. Szacunkowy błąd tego pomiaru to 20%. Wewnątrz aparatu, którego pole przekroju poprzecznego jest większe i dodatkowo zmienia się, prędkość fazy gazowej może być większa lub mniejsza. Badania symulacyjne Przykładowe wyniki obliczeń numerycznych trójwymiarowych odpowiadające przeprowadzonej wizualizacji przedstawiono na rysunku 9. Przedstawia on rozkład fazy gazowej i stałej podczas tworzenia się złoża fontannowego. Kolor zielony oznacza powietrze z małą zawartością ciała stałego. Kolor czerwony to złoże bliskie maksymalnemu upakowaniu. Wynika z niego, że zarówno rozkłady udziału faz jak i prędkości fazy gazowej i stałej w rozpatrywanym kształcie obszaru są zbliżone do warunków rzeczywistych. 6.00e e e e-01 Rys. 7. Wynik zastosowania algorytmu DPIV do przejściowej struktury dwufazowej (średnica cząstek: do 1,0 mm; prędkość gazu: 11,5 m/s) Rys. 9. Koncentracja pyłu węglowego w % przykładowe wyniki obliczeń numerycznych dla modelu trójwymiarowego w kolejnych chwilach czasowych Rys. 8. Wynik zastosowania algorytmu DPIV do szybkiej fluidyzacji fontannowej (średnica cząstek: do 1,0 mm; prędkość gazu: ponad 13,2 m/s) Badania numeryczne na modelach dwuwymiarowych stanowią porównanie z uzyskanymi wynikami pomiarów metodą DPIV. Na rysunku 10 przedstawiono przykładowe pola prędkości cząstek węgla i powietrza w wybranym kroku czasowym. Zaobserwować można przesunięcia prędkości faz. Pola prędkości oraz ich zakres dla obu rozpatrywanych faz są zbliżone do wyników uzyskanych algorytmem DPIV. Można zatem uznać, że model wraz z przyjętymi parametrami obliczeniowymi zachowuje się poprawnie i może zostać wykorzystany do dalszych badań symulacyjnych. październik strona 539

6 a) 5.97e-01 b) 1.70e+01 c) 3.69e+00 d) 1.71e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e-03 Rys. 10. Przykładowe wyniki obliczeń numerycznych, model dwuwymiarowy, pole prędkości w m/s: a) węgla, b) powietrza oraz wektory prędkości w m/s, c) węgla, d) powietrza Na rysunkach 11 i 12 przedstawiono przykład badań mających na celu określenie wpływu kształtu komory fluidyzacyjnej na koncentrację cząstek ciała stałego (węgla). Najprostszą zaproponowaną konstrukcją kolumny fluidalnej do suszenia był kanał prostokątny z centralnie umieszczonym progiem wznoszącym (rys. 11a). W suszarce z progiem wznoszącym, lewym dopływem doprowadzane jest powietrze z pyłem (koncentracja pyłu 30%). Celem symulacji nierównomiernego podawania pyłu było zbada-nie czy próg wznoszący zapewni równomierne rozłożenie materia-łu w złożu. W lewym kanale widoczne jest opadanie cząstek przy niskiej prędkości powietrza. W prawym, widoczna jest warstwa zalegającego pyłu. Osadzanie pyłu następuje w kanałach wlotowych, o zbyt dużych przekrojach. W złożu tworzą się pęcherze powietrza między gęstymi warstwami złoża. Zauważyć można dużą koncentrację pyłu przy obu ściankach, który opada aż do miejsca dopływu powietrza, gdzie ulega przesiewaniu w strudze powietrza. W przypadku większego strumienia dopływającego powietrza sposób pracy złoża fluidalnego ulega zmianie. Próg wznoszący koncentruje mieszaninę w centralnej części suszarki i ułatwia jego wznoszenie, jednak przy ściankach pojawiają się kominy powietrzne, co jest niepożądanym zjawiskiem (rys. 11b). Przy niższych prędkościach dopływu powietrza nie występował wpływ nierównomierności doprowadzania pyłu. Kanały powietrzne tworzą się również przy zbyt niskiej prędkości dopływu powietrza (rys. 12a). W konstrukcji rzeczywistej należy liczyć się z wystąpieniem zasypania i koniecznością uruchomienia fluidyzacji przy dużej ilości pyłu w komorze fluidalnej. Jak widać, doprowadzenie złoża do stanu pracy jak na rysunku 11 wymagać będzie dostarczenia dużej ilości energii i powietrza na oczyszczenie kanałów doprowadzających powietrze. W kolejnych wariantach zaproponowano kanały doprowadzające pod kątem 45 stopni (jest to przeniesienie idei progu wznoszącego), zwężenie ścianek w dolnej części komory oraz wprowadzenie pionowych płyt, które mogą pełnić funkcję stabilizatora przepływu fontannowego i funkcję źródła ciepła. Na rysunku 12b przedstawiono przykładowe efekty przepływowe występujące w tym układzie. Na pochyłych ściankach występuje koncentracja pyłu i jego przesiewanie nad kanałami dopływu powietrza. Pył wznoszony jest centralnie za sprawą pionowych płyt, jednak ich zastosowanie wywołuje tworzenie się pionowych kanałów powietrznych omywających płyty. Energia dostarczanego powietrza nie jest w pełni wykorzystana na mieszanie złoża i suszenie. Z tego względu w kolejnych konstrukcjach przebadano możliwość zastosowania szerszego kanału centralnego i rozważono zastosowanie przewodów zawracających pył z górnej strefy i kierowanie go, w postaci skoncentrowanej, do miejsca dopływu powietrza, w którym następowałoby przesiewanie pyłu i suszenie. Koncepcję tę przedstawia rysunek 13. Przechwytywana z górnej i dolnej części mieszanina powietrzno-pyłowa ulega w bocznych kanałach zagęszczeniu i wymieszaniu frakcji drobnych z grubszymi. W komorze rzeczy-wistego obiektu będą występować zjawiska segregacji cząstek na poszczególne frakcje i ten układ kanałów może dać możli-wość ponownego tworzenia mieszaniny niejednorodnej, kiero-wanej do suszenia, jak również może ułatwić odbiór cięższych i grubszych frakcji, które nie będą w stanie opuścić komory flu-idalnej górnym kanałem wylotowym. 6.00e-01 a) b) 5.70e e e e e e e e e e e e e e e e e e e-02 Rys. 11. Koncentracja pyłu węglowego, % suszarka z progiem wznoszącym: a) praca z wysoko zagęszczoną mieszaniną, b) praca z mieszaniną rozrzedzoną 6.00e-01 a) b) 5.70e e e e e e e e e e e e e e e e e e e-02 Rys. 12. Koncentracja pyłu węglowego, % optymalizacja kształtu suszarki ze złożem fontannowym: a) z płytami, b) z koncentrowaniem strumieni pyłu strona październik 2014

7 1.00e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e-01 Rys. 13. Profile prędkości powietrza w wybranych przekrojach poziomych i pionowym, m/s Rys. 14. Profile prędkości węgla w wybranych przekrojach poziomych i pionowym, m/s 3.63e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e+02 Rys. 15. Pola temperatury powietrza w wybranych przekrojach poziomych i pionowym, K Badania wizualizacyjne i numeryczne służą obecnie do zaprojektowania instalacji w skali pilotowej, która ma osiągać wydajność 100 kg/h węgla oraz skuteczność suszenia poni-żej 10%. Na rysunkach przedstawiono wstępne wyniki symulacji procesu fluidyzacji w numerycznym modelu tej instalacji. Podsumowanie i wnioski Suszenie węgla brunatnego w badanym układzie jest typowym przykładem procesu niestacjonarnego. Ze względu na dynamiczne zmiany wielu parametrów, takich jak np. zawartość wilgoci, porowatości i gęstości węgla oraz wielkości cząstek, któ-ra ulega ciągłej zmianie, tego typu proces niezwykle trudno jest opisać i zamodelować. Przeprowadzone przez autorów badania przepływu mieszaniny dwufazowej obejmowały między innymi: obliczenia wstępne dla potrzeb określenia dwuwymiarowej geometrii suszarki badania przeprowadzono w kilku wariantach geometrii i wymiarów; wykonanie doświadczalnego, laboratoryjnego modelu kolumny fluidalnej, z uwzględnieniem wyników obliczeń wstępnych; wizualizację procesu fluidyzacji miału węgla brunatnego w zaprojektowanym i wykonanym dwuwymiarowym apara-cie fluidalnym; analizę uzyskanego na podstawie wizualizacji obrazu za po-mocą Cyfrowej Anemometrii Obrazowej; równoległą symulację numeryczną procesu oraz analizę po-równawczą wyników uzyskanych za pomocą powyższych metod badawczych. Celem prezentowanych badań było uzyskanie wyników, pozwalających zapoznać się ze zjawiskami występującymi podczas pracy fluidalnej suszarki węgla brunatnego. Doświadczalny model aparatu został wykorzystany do eksperymentalnego określenia warunków pracy, mogących wystąpić w rzeczywistych aparatach. W szczególności, prezentowane wyniki pozwalają na: wytypowanie miejsc odpowiednich do odbioru cięższych frakcji miału węgla; charakterystykę funkcjonowania złoża w warunkach niekorzystnego zasilania aparatu (niewystarczająca ilość doprowadzonego powietrza, zbyt wysoka koncentracja miału węglowego, czy nadmierna ilość pyłu w komorze fluidalnej) oraz diagnostykę stref o obniżonej efektywności tzw. stref martwych. październik strona 541

8 Prezentowane wyniki badań eksperymentalnych mają charakter eksperymentu poznawczego. Pozwalają one na ocenę możliwości zastosowania cyfrowej wizualizacji oraz anemometrii obrazowej w badaniu tak złożonego i niestacjonarnego procesu, jakim jest proces fluidalnego suszenia węgla. Szczególną trudność w modelowaniu tego procesu nastręcza polidyspersyjny charakter surowca. Dzięki zastosowanej metodzie wizualizacji oraz analizie ob-razu osiągnięto znaczny postęp w poznaniu hydrodynamiki wę-gla brunatnego. W szczególności: wyróżniono charakterystyczne struktury dla badanego układu dwufazowego; określono prędkości fazy stałej wewnątrz aparatu fluidalnego; wyznaczono dominujące kierunki przepływu fazy stałej wewnątrz aparatu fluidalnego; określono wpływ granulacji węgla na jego możliwości fluidyzacyjne oraz poznano wpływ kształtu komory aparatu na hydrodynamikę układu fluidalnego. Kolejnym etapem badań eksperymentalnych będzie: wykonanie dokładniejszych pomiarów prędkości, zarówno fazy gazowej, jak i stałej; zastosowanie metody Laserowej Anemometrii Dopplerowskiej w celu zbadania hydrodynamiki układów zawierających cząstki o wymiarach poniżej 1 mm oraz własności hydrody-namicznych układu w większej skali; zastosowanie nowej metody analizy obrazu wideogrametrii umożliwiającej analizę procesów od strony stochastycznej [2, 3]. Zaproponowany model matematyczny oraz przyjęte parametry obliczeniowe pozwoliły uzyskać zadowalającą zbieżność obliczeń. Uzyskano również, co najważniejsze, wyniki jakościowo i ilościowo zbliżone do rzeczywistych. Badania numeryczne umożliwiły ponadto przeprowadzenie analiz wpływu kształtu komory fluidyzacyjnej na zjawiska występujące w dwufazowym złożu fluidalnym. Zastosowanie modelowania symulacyjnego pozwoliło na testowanie rozwiązań konstrukcyjnych, typowanie miejsc odpowiednich do wprowadzenia i odbioru materiału podsuszonego oraz rozwiązywania problemów pojawiających się podczas eksploatacji instalacji pilotowej. Dodatkowym atutem opracowywanego modelu będzie w przyszłości uwzględnienie między innymi: wpływu zmiany gęstości fazy stałej w funkcji ubytku wilgoci oraz traktowania powietrza jako mieszaniny gazu i pary wodnej. Piśmiennictwo [1] Anweiler S., Ulbrich R., Videogrametric estimation of fluidized beds, 6th World Conference on Experimental Heat Transfer, Flu-id Mechanics, and Thermodynamics, pp. 8-a-11, Matsushima, Miyagi, Japan, [3] Anweiler S., Szmolke N., Gas-Particles Flow Pattern Visualization Inside Heat Exchangers, Proc. 4th Int. Conf. on Transport Phenomena in Multiphase Flow HEAT 2008, vol. 1, pp , Białystok, Poland, [4] Bieńkowski G., Zastosowanie cyfrowej anemometrii obrazowej do wyznaczania pól prędkości, Praca dyplomowa magisterska, Warszawa [5] Bullinger C., Ness M., Sarunac N., Coal Creek Prototype Fluid-ized Bed Coal Dryer: Performance Improvement, Emissions Reduction, and Operating Experience, 31 st International Technical Conference on Coal Utilization and Fuel Systems, Clearwater FL, May 21-25, [6] Buschsieweke F., Dampfwirbelschichttrocknung von Braunkohle, Institut fur Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen der Universitat Stuttgart, 2005, rozprawa doktorska. [7] Dyakowski T., Jaworski A. J., Application of Tomographic Tech-niques for Imaging Fluidized Beds, 3rd Israeli Conference for Conveying and Handling of Particulate Solids, Dead Sea, Israel, [8] Dziubiński M., Prywer J., Mechanika Płynów dwufazowych, WNT, Warszawa [9] Karcz H., Fizykochemiczne i kinetyczne własności polskich węgli energetycznych, IX Konferencja Kotłowa 2002, prace IMiUE Politechniki Śląskiej. [10] Kmieć A., Englart S., Ludwińska A., Teoria i technika fluidyzacji, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław [11] Kumar A., Studies on Fluidization Behavior Of Spouted Bed And Methematical Modeling, Department of Chemical Engineering National Institute of Technology Rourkela, Orissa [12] Pląskowski A., Beck M. S., Thorn R., Dyakowski T., Imaging Industrial Flows, Bristol [13] Plutecki Z., Zator S. Nowosielski G. i inni, Raport roczny z realizacji zadań projektu POIG /8, Opole, styczeń 2010, praca niepublikowana. [14] Plutecki Z., Nowosielski G., Badania symulacyjne przepływów dwufazowych w instalacji suszącej węgiel brunatny metodą fluidalną, Zarządzanie Energią i Teleinformatyką ZET 2011, Materiały i Studia, KAPRINT 2011, s [15] Zhang K., You C.F., Experimental and Modeling Investigation of Lignite Drying in a Fluidized Bed Dryer, 20th International Con-ference on Fluidized Bed Combustion, pp , May 18-20, 2009, Xi an, China. [2] Anweiler S., Ulbrich R., Videogrametric analysis of two-phase flow in fluidized beds, Proceedings of the 4th Int. Conf. on Transport Phenomena in Multiphase Flow, pp , Gdańsk, Poland, strona październik 2014