To jest miejsce zarezerwowane na wstawienie nazwy oraz logo konferencji 25mm od marginesu górnego

Transkrypt

1 To jest miejsce zarezerwowane na wstawienie nazwy oraz logo konferencji 25mm od marginesu górnego SYMULACJA NUMERYCZNA PLAZMOWEJ STABILIZACJI PŁOMIENI PYŁOWYCH Arkadiusz Dyjakon*, Bartosz Świątkowski**. *Politechnika Wrocławska, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów, Zakład Spalania i Detonacji, Wyb. Wyspiańskiego 27, Wrocław. **Instytut Energetyki, Zakład Procesów Cieplnych, Augustówka 5, Warszawa. Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych przeprowadzonych w skali laboratoryjnej oraz modelowania numerycznego zapłonu i stabilizacji płomieni pyłowych za pomocą plazmy. Badano wpływ cieplnego oddziaływania plazmy na zakres pracy plazmowego palnika pyłowego i temperaturę płomienia pyłowego. Wykonano symulację numeryczną plazmowego zapłonu pyłu węglowego z wykorzystaniem programu Fluent Wyniki przeprowadzonych badań numerycznych wykazały jakościową zgodność z wynikami eksperymentalnymi i potwierdziły znaczenie mocy elektrycznej plazmotronu dla zapłonu pyłu węglowego i stabilizacji płomienia pyłowego plazmą. 1. Wstęp Zapłon i stabilne spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej naleŝy do waŝnych zagadnień technicznych odpowiedzialnych za prawidłową eksploatację urządzeń energetycznych. Szczególnie waŝną rolę odgrywa zapłon w utrudnionych warunkach pracy (duŝa prędkość przepływu, ubogi skład mieszanki, niska temperatura otoczenia). W przypadku spalania paliwa stałego problem jest bardziej skomplikowany ze względu na złoŝony charakter jego reakcji z powietrzem Jednym ze sposobów zwiększenia pewności inicjacji procesu spalania jest zwiększenie mocy źródła, które ma na celu skompensowanie strat i przyspieszenie propagacji płomienia. Większą energią zapłonu, w porównaniu do wyładowań iskrowych, odznaczają się wyładowania łukowe, podczas których powstaje plazma będąca silnie zjonizowanym gazem. Plazma ma wystarczającą energię, aby doprowadzić mieszankę pyłowo-powietrzną do zapłonu i stabilizować powstały płomień pyłowy [1-3]. Stabilizacja płomienia, zwłaszcza pyłowego, jest trudnym i wyzywającym zadaniem, a badania na obiektach rzeczywistych są trudne i kosztowne w realizacji. Z tych powodów, równolegle z badaniami doświadczalnymi, prowadzone są często badania modelowe, które niejednokrotnie pozwalają na skrócenie badań i lepsze zrozumienie zagadnień stabilności. Modelowanie matematyczne płomienia pyłowego w strefie przypalnikowej jest bardzo skomplikowane ze względu na szereg czynników przebiegających z róŝną intensywnością w jednym czasie (szybkie nagrzewanie, rozkład termiczny, mieszanie z powietrzem, wymiana ciepła, zapłon, spalanie i inne). Wprowadzenie dodatkowego źródła ciepła w postaci plazmy dodatkowo komplikuje model badawczy i utrudnia właściwe zamodelowanie procesu spalania oraz stabilizacji płomienia pyłowego.

2 2. Stanowisko badawcze i charakterystyka paliw Badania doświadczalne nad stabilizacją płomienia pyłowego zostały przeprowadzone na stanowisku laboratoryjnym (rys.1) z uŝyciem plazmotronu o mocy elektrycznej 3,0 kw i plazmowego palnika pyłowego (PPP) typu strumieniowego o mocy cieplnej 18 kw. 7 A R G O N 4 M 1 Woda Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: 1 plazmotron, 2 palnik strumieniowy z wymurówką, 3 fotodetektor, 4 podajnik pyłu, 5 spręŝarka, 6 termopara, 7 zasilacz plazmotronu, 8 układ zapłonowy plazmotronu Badania realizowano w ten sposób, Ŝe do palnika typu strumieniowego (rys.2a) doprowadzano wytworzoną w plazmotronie (rys.2b) o określonej mocy elektrycznej Nel plazmę argonową, od której następował zapłon mieszanki pyłowo-powietrznej i podtrzymanie jej spalania. Powstający płomień pyłowy (rys.2c) był wydmuchiwany na zewnątrz palnika. a) b) c) Rys. 2. Plazmowy palnik pyłowy (PPP): palnik typu strumieniowego (a), plazmotron (b), płomień z PPP (c) Dla ustalonego strumienia pyłu węglowego zmieniano strumień powietrza tak, aby nastąpiło cofnięcie płomienia pyłowego do wnętrza palnika. W rezultacie otrzymano górną i dolną granicę występowania płomienia na wylocie z PPP. W badaniach uŝyto pyły węgla brunatnego i kamiennego, których wyniki analizy technicznej i elementarnej zamieszczono w tabeli 1.

3 Tabela 1. Analiza techniczna i elementarna uŝytych węgli Rodzaj paliwa Węgiel kamienny Węgiel brunatny Elektrociepłownia Elektrownia Miejsce pobrania pyłu CZECHNICA TURÓW a Wartość opałowa Q i MJ/kg 25,33 19,82 Ciepło spalania Q s a MJ/kg 26,19 21,0 Wilgoć W a % 1,6 11,9 Części lotne V a % 24,95 40,54 Popiół A a % 24,64 19,46 Węgiel C a % mas. 60,79 49,55 Wodór H a % mas. 3,78 4,10 Azot N a % mas. 1,05 0,56 Siarka S a % mas. 0,51 0,54 Tlen O a % mas. 7,63 13,89 3. Wyniki badań laboratoryjnych Zmieniając odpowiednio moc palnika i moc elektryczną plazmotronu N el otrzymano rodzinę krzywych przedstawiających ich wpływ na zakres występowania płomienia na wylocie z palnika. Wyniki otrzymane dla pyłu węgla brunatnego i kamiennego przedstawiono na rysunku 3. a) 15 Moc palnika N t, kw 10 5 Zakres pracy palnika 1,5 kw 2,0 kw N el b) 2,5 kw 3,0 kw Moc palnika N t, kw Zakres pracy palnika N el 1,5 kw 2,0 kw 2,5 kw 3,0 kw Współczynnik nadmiaru powietrza λ Współczynnik nadmiaru powietrza λ Rys. 3. Wpływ mocy elektrycznej plazmotronu N el na zakres pracy PPP typu strumieniowego: węgiel brunatny (a), węgiel kamienny (b) Wyniki pomiarów wskazują, Ŝe ze wzrostem mocy elektrycznej plazmotronu N el zakres pracy palnika zwiększa się. Większa moc plazmotronu powoduje zwiększenie stabilności płomienia pyłowego na skutek wzrostu strumienia ciepła doprowadzanego do strumienia przepływającej mieszanki pyłowo powietrznej. 4. Modelowanie numeryczne Celem symulacji komputerowej jest stwierdzenie termicznego wpływu plazmy na rozszerzenie zakresu stabilności palników pyłowych oraz sprawdzenie wiarygodności

4 numerycznego sposobu przewidywania szybkozmiennego procesu spalania w strefie przypalnikowej [4-6]. W celu symulacji numerycznej działania plazmowego palnika pyłowego typu strumieniowego wykorzystano program CFD kod FLUENT w wersji W modelu załoŝono, Ŝe obszar obliczeniowy obejmuje fragment palnika z częścią napływową, część wypływową plazmotronu oraz fragment przestrzeni za wylotem z dyszy palnika (rys.4). Symulacja została przeprowadzona na siatce numerycznej 3D o liczbie komórek 45 tysięcy. a) Plazma c) Plazma Pyl węglowy + powietrze wtórne Powietrze wtórne b) Rozkład temperatury Rozkład prędkości Rys. 4. Model numeryczny plazmowego palnika pyłowego typu strumieniowego: siatka numeryczna (a), obszar obliczeniowy (b), źródło ciepła (c) Na powierzchniach ograniczających tą przestrzeń przyjęto ciśnieniowy warunek brzegowy, aby odwzorować typowy wypływ do przestrzeni otwartej. Źródło ciepła od plazmy zostało wprowadzone do obszaru obliczeniowego poprzez strumień argonu o wysokiej temperaturze i duŝej prędkości początkowej (rys.4c). Przy wyznaczaniu strumienia energii wprowadzanej wraz z argonem uwzględniono, Ŝe 50% energii elektrycznej plazmotronu jest tracone na skutek jego chłodzenia. ZałoŜono równieŝ, Ŝe ścianki palnika nie wymieniają ciepła z otoczeniem (warunek adiabatyczny). Przyjęto, Ŝe mieszanka pyłowo powietrzna (q mpp = 2 m 3 /h) oraz powietrze wtórne wpływają do palnika osobnymi kanałami o średnicy 8 mm. Temperatura początkowa czynników na wlocie do plazmowego palnika pyłowego wynosiła 300 K. Przeprowadzona dla zimnego przepływu (bez spalania węgla) symulacja numeryczna oraz wyniki badań

5 doświadczalnych zmiany temperatury na wylocie z PPP potwierdziły słuszność załoŝeń cieplnych [7]. 4.1 Strategia modelowania Przepływ gazu i cząstek węgla modelowano osobno, odpowiednio w nieruchomym układzie współrzędnych Eulera dla fazy gazowej i związanym z poruszającą się cząstką w układzie Lagrange a dla fazy stałej. Do wymiany ciepła przez promieniowanie zastosowano sub model DO (Discrete Ordinates), który uwzględnia równieŝ promieniowanie cząstek fazy dyskretnej. Do obliczeń emisyjności ośrodka gazowego uŝyto sub modelu WSGGM cell based, który oblicza emisyjność na podstawie koncentracji CO 2 i H 2 O w objętości kontrolnej [8]. W pełnym modelu przepływu dwufazowego, po wstępnym wyiterowaniu pola przepływu, temperatur i koncentracji składników fazy gazowej obliczano trajektorie i spalanie cząstek pyłu poruszających się w obliczonym polu przepływu gazu. Następnie powtarzano obliczenia dla fazy gazowej z uwzględnieniem źródeł od fazy stałej. PowyŜszy cykl obliczeń powtarzano, aŝ do uzyskania rozwiązania zbieŝnego. 4.2 Obliczenia dla fazy stałej i gazowej Pył węglowy podzielono na szereg frakcji o jednakowych początkowych średnicach cząstek i wprowadzano do przepływu poprzez kaŝdą celkę na powierzchni wlotu z dyszy pyłowo powietrznej palnika. Zachowanie się danej frakcji pyłu wylatującej z danego wlotu wyznaczane było na podstawie śledzenia cząstki reprezentatywnej. W obliczeniach uwzględniono stochastyczną dyspersję cząstek na skutek oddziaływania turbulencji gazu, co wymagało śledzenia trajektorii kilkunastu cząstek z jednej frakcji wprowadzonej do obszaru obliczeniowego. Tory cząstek węglowych wyznaczano w wyniku całkowania równań ruchu. W czasie przelotu cząstek przez kolejne objętości kontrolne siatki róŝnicowej (takiej samej, jak dla obliczeń fazy gazowej) obliczane było ich aktualne połoŝenie, prędkość, masa i entalpia. RóŜnice masy, pędu i entalpii na wlocie i wylocie objętości kontrolnej stanowiły odpowiednie źródła w równaniach zachowania dla fazy gazowej. Fazę gazową traktowano jako ciągły, turbulentny, reagujący ośrodek, który opisują lokalne równania bilansowe. W modelu przyjęto, Ŝe faza gazowa składa się z sześciu składników: części lotnych wydzielonych z węgla, O 2, CO, CO 2, H 2 O i N 2. Przyjęto, Ŝe części lotne wydzielone z węgla moŝna przedstawić w postaci zastępczego związku gazowego C m H n O l. Proces spalania w fazie gazowej zachodził dwustopniowo: - spalanie części lotnych do H 2 O i CO: C - spalanie CO do CO 2 : n H O + A O n l 2 m CO + H O 2 (1) m 2 1 CO + O2 CO2 (2) 2 przy czym obecne w fazie gazowej CO pochodzi zarówno ze spalania części lotnych, jak i ze spalania koksu (A = (m-1)/2 +n/4 jest współczynnikiem stechiometrycznym). Przyjęto, Ŝe wskutek szybkiej pirolizy, ilość wydzielonych części lotnych jest 1,2 razy większa od wartości wynikającej z analizy technicznej węgla. ZałoŜono jedno reakcyjny model odgazowania opisany równaniem Arrheniusa.

6 Stałe kinetyczne modelu odgazowania przyjęto z bazy danych FLUENTA, współczynnik przedeksponencjalny k o = s -1 i energia aktywacji E = 7, J/kmol. ZałoŜono, Ŝe koks utlenia się w reakcji heterogenicznej z O 2 do CO, które następnie dopala się w fazie gazowej do CO 2. Szybkość reakcji utleniania koksu określono z modelu kinetyczno dyfuzyjnego. UŜyto następujących stałych: współczynnik dyfuzji D = m 2 /s, energia aktywacji E = 7, J/kmol, współczynnik przedeksponencjalny był k o = 0,002 s Wyniki modelowania numerycznego wpływu mocy plazmotronu na działanie PPP Wyniki obliczeń numerycznych symulacji plazmowej stabilizacji pyłu węgla brunatnego i kamiennego w PPP typu strumieniowego przedstawiono na rysunkach Wyniki dla węgla brunatnego Na rysunku 5 pokazano wpływ N el na zakres pracy plazmowego palnika pyłowego oraz temperaturę płomienia pyłowego dla pyłu węgla brunatnego. Wynika z niego, Ŝe wzrost mocy elektrycznej N el powoduje rozszerzenie zakresu pracy PPP. a) N el = 3,0 kw b) N el = 1,5 kw Rys. 5. Wpływ mocy elektrycznej N el na zakres pracy PPP i rozkład temperatury w płomieniu pyłowym (węgiel brunatny, N t = 16 kw, λ = 0,3) Z uwagi na fakt występowania silnego źródła ciepła generowanego przez plazmę moŝna przypuszczać, Ŝe rozkład temperatur nie musi być wiarygodną metodą oceny występowania płomienia za palnikiem (w przypadku symulacji numerycznej). W tym celu do oceny stabilności płomienia wykorzystano równieŝ szybkość reakcji rozpadu części lotnych (rys.6). Przy czym podobnie, jak w czasie eksperymentu za kryterium utraty stabilności przyjęto cofnięcie się płomienia do wnętrza dyszy wylotowej palnika strumieniowego. a) N el = 3,0 kw b) N el = 1,5 kw Rys. 6. Wpływ mocy elektrycznej N el na szybkość reakcji rozpadu części lotnych w płomieniu pyłowym z PPP (węgiel brunatny, N t = 16 kw, λ = 0,3)

7 5.2 Wyniki dla węgla kamiennego Na rysunku 7 pokazano wpływ N el na zakres pracy plazmowego palnika pyłowego oraz temperaturę płomienia pyłowego dla pyłu węgla kamiennego. a) N el = 3,0 kw b) N el = 1,5 kw Rys. 7. Wpływ mocy elektrycznej N el na zakres pracy PPP i rozkład temperatury w płomieniu pyłowym (węgiel kamienny, N t = 16 kw, λ = 0,3) Na rysunku 8 pokazano wpływ N el na zakres pracy palnika pyłowego na podstawie oceny szybkości reakcji rozpadu części lotnych. a) N el = 3,0 kw b) N el = 1,5 kw Rys. 8. Wpływ mocy elektrycznej N el na szybkość wypalenia koksu w płomieniu pyłowym z PPP (węgiel kamienny, N t = 16 kw, λ = 0,3) 6. Weryfikacja modelu matematycznego Z porównania wyników modelowania matematycznego i badań eksperymentalnych wynika, Ŝe model poprawnie reagował na zmianę parametrów (mocy elektrycznej plazmotronu N el, mocy palnika, współczynnika nadmiaru powietrza) potwierdzając tym samym stabilizujący wpływ strumienia plazmy na zapłon i spalanie pyłu węglowego. Porównując jednak odpowiednie wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ dla zaniku płomienia pyłowego na wylocie z palnika moŝna stwierdzić znacznie zawęŝony zakres jego stabilnej pracy uzyskany w obliczeniach numerycznych w stosunku do obserwowanego w warunkach eksperymentu (rys.9-10). Tendencja ta pogłębia się przy wzroście strumienia masy węgla (wzrost mocy palnika), co moŝe świadczyć, Ŝe w warunkach bardzo szybkiej pirolizy model nagrzewu i zapłonu cząstek jest zbyt wolny. W rezultacie w miarę pogarszania się warunków spalania wyniki obliczeń numerycznych coraz bardziej odbiegają od wyników pomiarów uzyskanych na stanowisku badawczym.

8 Moc palnika N t, kw OBSZAR STABILNEJ PRACY granica stabilnej pracy palnika dla mocy plazmotronu 1,5 kw - wg obliczeń numerycznych granica stabilnej pracy palnika dla mocy plazmotronu 3,0 kw - wg obliczeń numerycznych granica stabilnej pracy palnika dla mocy plazmotronu 1,5 kw - wg eksperymentu granica stabilnej pracy palnika dla mocy plazmotronu 3,0 kw - wg eksperymentu 0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 Współczynnik nadmiaru powietrza λ Rys.9. Zakres stabilnej pracy PPP uzyskany z pomiarów oraz obliczeń numerycznych dla węgla brunatnego Moc palnika N t, kw OBSZAR STABILNEJ PRACY granica stabilnej pracy palnika dla mocy plazmotronu 1,5 kw - wg obliczeń numerycznych granica stabilnej pracy palnika dla mocy plazmotronu 3,0 kw - wg obliczeń numerycznych granica stabilnej pracy palnika dla mocy plazmotronu 1,5 kw - wg eksperymentu granica stabilnej pracy palnika dla mocy plazmotronu 3,0 kw - wg eksperymentu 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Współczynnik nadmiaru powietrza λ Rys.10. Zakres stabilnej pracy PPP uzyskany z pomiarów oraz obliczeń numerycznych dla węgla kamiennego Istotną kwestią jest równieŝ zbyt małe zróŝnicowanie wyników w zaleŝności od typu badanego węgla. Pomimo znacznych róŝnic w zawartości części lotnych, krzywe utraty stabilności dla wyników obliczeń numerycznych mają podobny, co do wartości charakter. W przypadku większych mocy palnika wartości te są bardzo zbliŝone. RóŜnice pojawiają się dla niskich mocy palnika (4 kw) i większej mocy plazmotronu (λ krytyczne dla węgla brunatnego 1,9 a dla węgla kamiennego 1,5). Wyniki badań doświadczalnych wskazują na wyraźnie szerszy zakres stabilnej pracy palnika zasilanego węglem brunatnym w całym zakresie obciąŝenia

9 palnika. Porównując wyniki badań numerycznych i doświadczalnych moŝna wnioskować, Ŝe załoŝenie w obliczeniach tej samej uproszczonej kinetyki spalania części lotnych dla obu węgli oraz zastosowanie uproszczonego produktu pirolizy w formie zastępczego węglowodoru CHNO powoduję osłabienie czułości modelu na wpływ paliwa. Przy tak zdefiniowanych załoŝeniach model reaguje tylko na ilość części lotnych i nie rozpatruje ich składu (jakości części lotnych). 7. Wnioski Przeprowadzona symulacja komputerowa procesów zapłonu i stabilizacji spalania mieszanki pyłowo powietrznej z zastosowaniem plazmy termicznej w palniku pyłowym typu strumieniowego potwierdziła pod względem jakościowym wyniki badań doświadczalnych zrealizowanych w skali laboratoryjnej. W przypadku wykorzystania modelowania numerycznego jako narzędzia wspomagającego prace projektowe plazmowych palników pyłowych jakościowa zgodność jest jednak niewystarczająca. Wymaga to zatem zmiany załoŝeń do modelu matematycznego, zwłaszcza w procesie spalania pyłu węglowego. Wynika to z faktu, Ŝe w warunkach szybkiej pirolizy węgla wartości krytycznych wielkości lambda, dla których płomień zanikał, uzyskane numerycznie były znacznie niŝsze od obserwowanych na stanowisku doświadczalnym. MoŜna zatem wnioskować, Ŝe model w zakresie nagrzewu cząstek, odgazowania i zapłonu części lotnych, w przypadku obecności plazmy, działa niedostatecznie dobrze i musi zostać zweryfikowany. Literatura [1] Cetegen B., Teichman K.Y., Weinberg F.J., Oppenheim A.K.: Performance of a plasma jet igniter. SAE Paper , 14 pp., SAE Transactions, vol. 89, Section 1, 1980, s [2] Kanilo P.M., Kazantsev V.I., Rasyuk N.I., Schuenemann K., Vavriv D.M.: Microwave plasma combustion of coal. Fuel, vol. 82, 2003, s [3] Sugimoto M., Maruta K., Takeda K., Solonenko O.P., Sakashita M., Nakamura M.: Stabilization of pulverized coal combustion by plasma assist. Thin Solid Films, vol. 407, 2002, s [4] Wessel R.A., Fiveland W.A.: A model for predicting formation and reduction of NO x in three dimensional furnaces burning pulverized fuel. Journal of the Institute of Energy, No. 64, March 1991, s [5] Weber R., Visser B.M.: Computations of near burner zone properties of swirling pulverized coal flames. Raport on the MMF 2, IFRF Doc. No. F 336/a/13, Ijmuiden, June [6] Chakravarty A., Lockwood F.C., Sinicropi G.: The prediction of burner stability limits. Combust. Sci. Tech., vol. 42, 1984, s [7] Dyjakon A., Świątkowski B.: Modelowanie plazmowego zapłonu pyłu węglowego. VI Konferencja Problemy Badawcze Energetyki Cieplnej, Warszawa , z. 202, s [8] Fluent Europe LTD: Fluent 6 User s Guide vol. 1-5, Centerra Resource Park, 10 Cavendish Court, Lebanon, NH 03766, THE NUMERICAL MODELING OF PLASMA IGNITION OF PULVERIZED COAL The results of laboratory investigations and numerical modelling of ignition and stabilisation of pulverized flame by plasma assists are presented in the paper. The influence of thermal plasma interaction on the operation range of plasma assisted pulverized coal burner and the temperature of pulverized flame was investigated. The mathematical simulation of plasma ignition of pulverized coal was performed adopting program FLUENT The mathematical simulations indicated good correlation with the experimental results and confirmed the importance of plasmatron load on ignition and stabilisation of pulverized coal flame by plasma.