сгорания выделившегося углеводорода в турбулентном потоке используется модель [3], в которой предполагается, что скорость газофазной реакции лимитируется временем турбулентного смешения газов до молекулярного уровня.XVI Международная школа-семинар по численным методам механики вязкой жидкости
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВУХФАЗНОГО ТЕЧЕНИЯ С ГОРЕНИЕМ РАСПЫЛЕННОГО УГЛЯ В КОТЛЕ С ВИХРЕВОЙ ТОПКОЙ
Д.В. Красинский
Институт Теплофизики СО РАН, г.Новосибирск, Россия
E-mail: mark@itp.nsc.ru
Одним из перспективных направлений повышения эффективности и экологической безопасности котельных агрегатов тепловых электростанций на угольном топливе является использование топочных устройств с факельным сжиганием вихревого типа. В качестве такого устройства исследуется вихревая топка ЦКТИ (Рис. 1). В ней, благодаря наличию устойчивой структуры вихрей и высокому уровню турбулентности, возможно эффективное сжигание широкой гаммы топлив при пониженном образовании вредных выбросов.
Численное моделирование трехмерного турбулентного двухфазного течения с горением распыленного угля в вихревой топке позволяет исследовать влияние аэродинамической структуры течения и процессов тепло- и массопереноса на характеристики топочного процесса, степень конверсии угля, коэффициенты тепловой эффективности экранов, на динамику образования
NOx, и является основой для оптимизации параметров конструкции топки и рабочих режимов.Для математического описания двухфазного течения в постановке монодисперсной газовзвеси используется Эйлеров двухскоростной и двухтемпературный подход. Ввиду циркуляционного характера течения в вихревой камере сжигания эффект скольжения фаз учитывается даже в случае мелких частиц [1]. Осредненные по Фавру нестационарные уравнения Навье-Стокса движения, энергии и переноса концентраций компонентов для обеих фаз замыкаются
k-e моделью турбулентности, модифицированной для учета влияния дисперсной фазы [2].При описании процессов воспламенения и горения твердого топлива уголь представляется состоящим из летучих, золы и связанного углерода. Принимается, что в процессе термической деструкции угля летучие выходят в газовую фазу в виде паров
CH4, H2O и CO2, при этом массовые доли этих компонентов определяются через заданные содержания кислорода, водорода и углерода летучих в свежем топливе.Для описания скорости реакции сгорания выделившегося углеводорода в турбулентном потоке используется модель [3], в которой предполагается, что скорость газофазной реакции лимитируется временем турбулентного смешения газов до молекулярного уровня.
Гетерогенные реакции пиролиза летучих и горения углерода, происходящего по брутто-реакции 
на поверхности внутренних пор коксовой частицы, описываются по диффузионно-кинетическим зависимостям [2], когда вместе с аррениусовскими соотношениями для скорости реакций учитывается процесс диффузионного проникновения газовых компонент через пористый слой внутрь угольной частицы. В процессе химических превращений угольные частицы считаются сферами постоянного диаметра в соответствии с моделью "жесткого золового каркаса" [2], при этом плотность частицы уменьшается при уменьшении ее массы в процессах выхода летучих и конверсии углерода.
Уравнения математической модели решаются по конечно-разностному алгоритму SIMPLEC [4] с постоянным шагом по времени, модифицированному для учета переменной плотности и источникового члена межфазного массообмена в уравнении неразрывности. Уравнение Пуассона для поправок к давлению эффективно решается
с использованием метода сопряжённых минимальных невязок, предобусловленного по методу неполной факторизации Н.И. Булеева [5], что существенно сокращает время счёта в целом [6].
Теплообмен горячих газов с экранными поверхностями (стенками) в камере охлаждения происходит главным образом, как показали расчеты, путем радиационного теплопереноса, который моделируется с помощью моментного метода [2] в приближении серой среды и сводится к решению системы трех дифференциальных уравнений второго порядка на той же конечно-разностной сетке. Рассчитанная аэродинамическая структура течения с горением пылеугольного топлива качественно сходна с изотермическим случаем течения в вихревой топке [1, 6], но значения скорости оказываются больше для течения с горением ввиду теплового расширения потока. В расчетах для частиц диаметром 40 мкм и 100 мкм найдено, что для выхода процесса сжигания на стационарный режим температура пылеугольной аэросмеси на входе в топку должна быть не ниже 600 K, что согласуется с опытными данными. При этом выгорание углерода кокса происходит при температурах 2000–2100 K в вихревой камере сжигания и в диффузоре камеры охлаждения (Рис. 2).
Литература