Arkadiusz DYJAKON, Dr inŝ., Politechnika Wrocławska Bartosz ŚWIĄTKOWSKI, Mgr inŝ., Instytut Energetyki w Warszawie MODELOWANIE PLAZMOWEGO ZAPŁONU PYŁU WĘGLOWEGO W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych przeprowadzonych w skali laboratoryjnej oraz modelowania numerycznego zapłonu i stabilizacji płomienia pyłowego za pomocą plazmy. Badania laboratoryjne przeprowadzono z uŝyciem plazmowego palnika pyłowego (PPP) typu strumieniowego. Symulacja numeryczna plazmowego zapłonu pyłu węglowego została wykonana w oparciu o program FLUENT 6.02. W badaniach wykorzystano pył węgla kamiennego. Analizowano wpływ cieplnego oddziaływania plazmy na zakres pracy plazmowego palnika pyłowego i temperaturę płomienia pyłowego. Wyniki obliczeń numerycznych wykazały dobrą korelację z wynikami eksperymentalnymi i potwierdziły znaczenie mocy elektrycznej plazmotronu dla zapłonu pyłu węglowego i stabilizacji płomienia pyłowego plazmą. 1. Wprowadzenie Plazma, ze względu na swoje właściwości, znajduje szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu. Wysoka temperatura plazmy sprawia, Ŝe jest ona bardzo dobrym źródłem zapłonu mieszanin palnych, zwłaszcza w trudnych warunkach pracy (duŝe prędkości przepływu, uboga mieszanka, turbulencja). Przykładem jest zastosowanie zapłonu plazmowego w naddźwiękowych silnikach strumieniowych czy tłokowych silnikach spalinowych [1, 2]. Interesująca jest równieŝ moŝliwość zastosowania plazmy do zapłonu pyłu węglowego i stabilizacji płomieni pyłowych w kotłach parowych. Pomocnym narzędziem w ocenie stabilności płomieni pyłowych, obok badań doświadczalnych, jest modelowanie numeryczne. Modelowanie matematyczne płomieni pyłowych za palnikiem jest szczególnie trudnym i wyzywającym zadaniem, znacznie trudniejszym niŝ modelowanie procesów cieplnoprzepływowych w palenisku pyłowym. Problem ten jest szczególnie istotny w przypadku palników pyłowych, w których krytyczna jest tzw. bliska aerodynamika spalania decydująca o zakresie stabilności palnika, a nawet o emisji NO x [3]. Pomimo sukcesów w modelowaniu spalania w kotłach pyłowych nie moŝna powiedzieć, aby wszystkie problemy zostały rozwiązane. Do najwaŝniejszych problemów naleŝą: międzyfazowa wymiana ciepła, odgazowanie części lotnych oraz kinetyka ich spalania. Problemy te występują szczególnie w warunkach szybkiej pirolizy węgla. Takie właśnie warunki występują w palnikach z zapłonem plazmowym.
2. Stanowisko badawcze i charakterystyka paliw Badania doświadczalne przeprowadzono na stanowisku laboratoryjnym z uŝyciem plazmowego palnika pyłowego (PPP) typu strumieniowego o mocy cieplnej 18 kw i plazmotronu z łukiem wewnętrznym o mocy elektrycznej 3,0 kw (Rys. 1). 4 A R G O N 1 Woda 3 7 8 M 2 5 6 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 (Rys. 2a) doprowadzano wytworzoną w plazmotronie o określonej mocy elektrycznej N el plazmę argonową, która była źródłem zapłonu i podtrzymania płomienia pyłowego. Powstający płomień był wydmuchiwany na zewnątrz plazmowego palnika pyłowego (Rys. 2b). a) b) Rys. 2. Plazmowy palnik pyłowy (PPP) typu strumieniowego: zdjęcie instalacji (a), podczas pracy (b)
Dla stałego strumienia pyłu węglowego zmieniano strumień powietrza tak, aby nastąpiło cofnięcie płomienia pyłowego do wnętrza palnika. W efekcie otrzymano górną i dolną granicę występowania płomienia na wylocie z PPP. W badaniach uŝyto pyłu węgla kamiennego, którego wyniki analizy technicznej i elementarnej przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Analiza techniczna i elementarna węgla kamiennego Wartość opałowa a Q i MJ/kg 25,33 Węgiel C a % mas. 60,79 Ciepło spalania a Q s MJ/kg 26,19 Wodór H a % mas. 3,78 Wilgoć W a % 1,6 Azot N a % mas. 1,05 Części lotne V a % 24,95 Siarka S a % mas. 0,51 Popiół A a % 24,64 Tlen O a % mas. 7,63 3. Wyniki badań laboratoryjnych Zmieniając odpowiednio strumień pyłu i moc elektryczną plazmotronu otrzymano rodzinę krzywych przedstawiających wpływ mocy cieplnej palnika N t, współczynnika nadmiaru powietrza λ oraz mocy elektrycznej plazmotronu N el na zakres występowania płomienia na wylocie z palnika (Rys. 3). Moc palnika N t, kw 20 15 10 5 Zakres pracy palnika 1,5 kw 2,0 kw 2,5 kw 3,0 kw N el 0 0 1 2 3 Współczynnik nadmiaru powietrza λ Rys. 3. Wpływ mocy elektrycznej plazmotronu N el na zakres pracy PPP typu strumieniowego (węgiel kamienny) Wyniki pomiarów wskazują, Ŝe zakres pracy palnika zwiększa się ze wzrostem mocy elektrycznej plazmotronu N el. Większa moc plazmotronu powoduje wzrost strumienia ciepła doprowadzanego do strumienia przepływającej mieszanki pyłowo powietrznej, co sprzyja zwiększeniu stabilności płomienia pyłowego.
4. Modelowanie numeryczne Celem symulacji komputerowej jest stwierdzenie termicznego wpływu plazmy na rozszerzenie zakresu stabilności palników pyłowych oraz sprawdzenie wiarygodności numerycznego sposobu przewidywania szybkozmiennego procesu spalania w strefie przypalnikowej [3-5]. W celu symulacji numerycznej działania plazmowego palnika pyłowego typu strumieniowego wykorzystano program CFD kod FLUENT w wersji 6.02. 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. Plazma N el Q = 0,5 N el Pył węglowy + powietrze pierwotne 5 mm X 1 = 0,1 X 2 = 0,15 X 3 = 0,2 Powietrze wtórne Rys. 4. Model numeryczny PPP do symulacji oddziaływania cieplnego plazmy na strumień pyłu Na powierzchniach ograniczających tą przestrzeń przyjęto ciśnieniowy warunek brzegowy, aby odwzorować typowy wypływ do przestrzeni otwartej. Obszar plazmy zasymulowano jako walec o średnicy 5 mm i długości odpowiadającej średnicy kanału palnika (Rys. 6). W obszarze tym zainicjowano źródło ciepła odpowiadające mocy elektrycznej plazmotronu z uwzględnieniem 50% strat na chłodzenie. Ustalono takŝe maksymalne dopuszczalne temperatury i stałą wartość strumienia argonu. ZałoŜono, 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. W celu weryfikacji załoŝeń cieplnych przeprowadzono numerycznie i doświadczalnie testy dla zimnego przepływu (bez spalania węgla), w efekcie którego powstała charakterystyka zmiany temperatury na wylocie z PPP w funkcji strumienia powietrza (Rys. 5). Uzyskane wyniki potwierdziły słuszność załoŝeń do symulacji numerycznej.
Temperatura powietrza na wylocie z palnika, o C 800 700 600 500 400 300 200 100 0 pomiar: Nel = 3 kw pomiar: Nel = 1,5 kw obliczenia: Nel = 3 kw obliczenia: Nel = 1,5 kw 0 5 10 15 20 Wydatek powietrza, m 3 /h Rys. 5. Temperatura powietrza na wylocie z PPP w funkcji jego wydatku i mocy plazmotronu 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 [6]. 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. 4.1.1. Obliczenia dla fazy stałej 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 jest 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 (tej samej co 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. 4.1.2. Obliczenia 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: n C H O + A O m n l m 2 CO + H 2O 2 (1) - spalanie CO do CO 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. Stałe kinetyczne modelu odgazowania przyjęto z bazy danych FLUENTA, współczynnik przedeksponencjalny k o = 312000 s -1 i energia aktywacji E = 7,4 10-7 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 = 5 10-12 m 2 /s, energia aktywacji E = 7,9 10-7 J/kmol, współczynnik przedeksponencjalny był k o = 0,002 s -1.
5. Wyniki modelowania numerycznego 5.1. Wpływ mocy plazmotronu na działanie PPP Wyniki obliczeń numerycznych symulacji plazmowego zapłonu pyłu węgla kamiennego w plazmowym palniku pyłowym typu strumieniowego przedstawiono na rysunkach 6 i 7. Na rysunku 6 pokazano wpływ N el na zakres pracy plazmowego palnika pyłowego oraz temperaturę płomienia pyłowego dla pyłu węgla kamiennego. Wynika z niego, Ŝe wzrost mocy elektrycznej N el powoduje rozszerzenie zakresu pracy PPP oraz podwyŝszenie temperatury płomienia pyłowego. a) N el = 3,0 kw b) N el = 1,5 kw Rys. 6. Wpływ mocy elektrycznej N el na zakres pracy PPP i rozkład temperatury w płomieniu pyłowym (węgiel kamienny, q mw = 2,25 kg/h, λ = 0,38) Przeprowadzono równieŝ symulację numeryczną stopnia wypalenia koksu pyłu węgla kamiennego (Rys. 7) w zaleŝności od mocy elektrycznej plazmotronu N el. Okazuje się, Ŝe większa moc elektryczna plazmotronu N el poprawia warunki spalania pyłu węglowego i zwiększa jego stopień wypalenia. a) N el = 3,0 kw b) N el = 1,5 kw Rys. 7. Wpływ mocy elektrycznej N el na szybkość wypalenia koksu w płomieniu pyłowym z PPP (węgiel kamienny, q mw = 2,25 kg/h, λ = 0,38)
5.2. 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 (Rys. 8). Rys.8. Zakres stabilnej pracy PPP uzyskany z pomiarów oraz obliczeń numerycznych 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. 8). Analizując jednak dokładniej wyniki symulacji numerycznej moŝna stwierdzić, Ŝe w warunkach bardzo szybkiej pirolizy model odgazowania i zapłonu jest zbyt wolny. W rezultacie w miarę pogarszania się warunków spalania wyniki obliczeń numerycznych coraz bardziej odbiegają od wyników pomiarów uzyskanych na stanowisku badawczym. 5. Wnioski Przeprowadzona symulacja komputerowa procesów zapłonu i 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 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 drodze eksperymentu. 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 800042, 14 pp., SAE Transactions, Vol. 89, Section 1, s. 246-259, 1980, [2] Merkisz J.: Silniki tłokowe. red. P. Wolański, Problemy spalania w silnikach spalinowych, Ekspertyza PAN, Warszawa, 2000 [3] 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, March 1991, 64, pp. 41-54 [4] 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 1989 [5] Chakravarty A., Lockwood F.C., Sinicropi G.: The prediction of burner stability limits, Combust. Sci. Tech., Vol. 42, 1984, pp. 67-86 [6] Fluent Europe LTD: Fluent 6 User s Guide Vol. 1-5, Centerra Resource Park, 10 Cavendish Court, Lebanon, NH 03766, 2001 THE NUMERICAL MODELING OF PLASMA IGNITION OF PULVERIZED COAL The results of laboratory investigations and numerical modeling of ignition and stabilisation of pulverized flame by plasma assists are presented in the paper. The laboratory studies was carried out with the use of plasma assisted pulverized coal burner of the jet type. The mathematical simulation of plasma ignition of pulverized coal was performed adopting program FLUENT 6.02. Bituminous coal was used in the experiment. 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 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.