Combustion of the coal-methane-air mixture in the heat recovery burner.pdf Проблема сжигания бедных (с низким содержанием горючего) газовых смесей в горелочных устройствах находится в зоне внимания современной физики горения и взрыва и актуальна для задач современной энергетики. В частности, задача эффективного сжигания бедных метановоздушных смесей возникает в процессах дегазации угольных пластов и проветривания шахт. Исследования по проблеме расширения концентрационных пределов воспламеняемости газов, эффективному сжиганию бедных газовых смесей и полезной утилизации шахтного метана привлекают внимание крупных специалистов из научных институтов России и зарубежья. Так, в работе [1] предложено поддерживать горение бедных смесей за счет теплообмена газа с пористым фильтрующим слоем. В [2] проанализирована устойчивость горения газовых смесей в противоточной горелке и показано, что при горении смеси во встречных потоках расширяются концентрационные пределы существования пламени. Авторами [3, 4] проведены исследования особенностей горения газовых смесей в U-образных горелках с рекуперацией тепла. Для случая горения газовой смеси в U-образной трубке определены верхнее и нижнее значения скорости подачи смеси, при которых становится невозможно поддерживать устойчивое горение. В работе [5] представлены результаты исследования горения бедных метановоздушных смесей в щелевой горелке с внутренней вставкой. Показано, что за счет тепловой рекуперации возможно организовать и поддерживать горение метано-воздушной смеси с содержанием метана не ниже 2.3 %, в то время как в обычных условиях для поддержания горения требуется не менее 5.2 % метана в смеси [6]. Метановоздушная смесь, являющаяся продуктом шахтного производства, содержит в себе частицы угольной пыли, которые могут существенно повлиять на характеристики горения смеси. В работе [7] экспериментально и аналитически показано, что горение газовзвеси воздух - уголь при нормальных условиях невозможно без добавления небольшого количества метана либо без предварительного подогрева стенок реакционного сосуда. Добавка метана в смесь воздух - уголь приводит к стабилизации фронта пламени. Авторами [8] проведено моделирование зажигания и распространения пламени в гибридной газовзвеси, являющейся аналогом взвеси частиц угольной пыли в метановоздушной смеси. Получены закономерности распространения фронта горения в зависимости от свойств дисперсной фазы и концентрации газового горючего в газовой смеси. В [7, 8] упор сделан на определение критических условий возникновения опасных ситуаций в угольных шахтах. Однако присутствие реагирующих частиц может оказаться полезным для поддержания горения бедных метановоздушных смесей. В настоящей работе выполнено численное исследование задачи горения мета-новоздушной смеси со взвешенной угольной пылью в щелевой горелке с инертной внутренней вставкой. Постановка задачи основана на физико-математических постановках [5, 8]: учитывается влияние теплового расширения, зависимость коэффициентов диффузии и теплопроводности от температуры, расход кислорода на две параллельные реакции: в газовой фазе и на поверхности частиц. Целью работы является определение условий устойчивого горения угле-метано-воздушной смеси с содержанием метана 2 % по объему. Модель горелки соответствует работе [5] и представляет собой щелевую горелку с внутренней вставкой. Холодная угле-метано-воздушная смесь с массовым содержанием метана aCH4,v, массой частиц угля pk,v и температурой газовой фазы Tg,v подается со скоростью uv в предварительно разогретую щелевую горелку со стороны x = 0. Смесь проходит через верхнюю часть горелки и на границе x = L меняет направление движения, на границе x = 2L газ вытекает. Протекая через устройство, реакционная смесь обменивается теплом с внутренней вставкой по закону Ньютона с коэффициентом теплообмена а. Предполагается, что внешние стенки горелки теплоизолированы. При постановке задачи приняты следующие допущения: расход реакционной смеси через входное сечение щелевой горелки постоянен; учитывается распределение температуры смеси и выгорание только вдоль направления движения смеси; температура в поперечном направлении внутренней вставки считается однородной; давление в горелке постоянно. В уравнении изменения плотности окислителя учитывается расход окислителя на две реакции: гетерогенную на поверхности частиц и гомогенную в газе. Экзотермические химические реакции в газе определяются по закону Аррениуса с кинетикой второго порядка. Гетерогенная реакция на частицах задается реакцией первого порядка. С учетом сделанных допущений математическая постановка задачи имеет следующий вид: Уравнение энергии для газовой фазы: + Cgр+ cgРgu^ = А(Х(т)dIgL 1+Os( -Tg) gFg dt g g cx cxI V g> dx j h У l'S g,k 'gKg dt dx (^ ^ j+as (- ta g (1) Уравнение энергии для внутренней перегородки: CsPs djtT = Xs ddTf - h^(Ts - Tg t))( - Tg (2L - ^t)) . (2) dx' Уравнение баланса массы метана в смеси: дХ ( D TTg )d~CH± I-k01P eaCH4«O2 exp dt дх Уравнение баланса массы окислителя в смеси: H"O2VO2 k01PgaCH4aO2 exp --. (5) дt дх (6) 4 (D (Т. ^ дх дх M"CH4VCH4 Уравнение состояния идеального газа: Р = PgRgTg = const. Уравнение неразрывности для газа: Ф. д(Pgu) - = G. (7) - + дt дх daCH4_ + u P°ch4 (4) V RuTg J ( ^ V RuTg J ^2. + u ^2 G P Уравнение энергии для частиц: (3) дT дТ ckPk -дk + uckPk ~дХГ = akSknk (Tg - Tk) + q2g - GckTk . Уравнение баланса массы частиц: дt дх Уравнение счетной концентрации частиц: дщ дпк u -- +-- = 0. дt дг Уравнение изменения радиуса частиц: = -G. (8) (9) 3Pk ,4nP° nk Начальные условия: Tg (х,0) = Tg ъ (х), Ts (х,0) = Tsb (х), Tk (х,0) = Tk b (х), Pk (х,0) = Pk,b (Х), ach4 (х,0) = aCH4,b (х) ao2 (х,0) = aO2,b (х), u (х,0) = ug,ъ (х), nk (х,0) = nk,ъ (х). Граничные условия: Tg (0, t) = Tg,v, Tk (0, t) = Tk,v, aCH4 (0, t) = aCH4,v, aO2 (0, t) = aO2,v, (10) (11) (12) (13) (14) u (0, t) = uv, Pk (0, t) = Pk,v, nk (0, t) = ^, 9Ts (0, t) = 0. дх = 0 . дх дх ^k P0 дTs (L, t) = 0, дх ^g (2L, t) = дacн4 (2L, t) = ддр2 (2L, t) дх Здесь X = Xst | T J - коэффициент теплопроводности газа, D = Dst f T j - коэффициент диффузии газа, aS =-S- коэффициент теплообмена газа со стенкаh X Nug ми внутренней вставки, а к =-g- коэффициент теплообмена газа с частицагк ^ о ■ ■ Pmk02exp(-E2/RuTk) „ ми, G = nkSkJl P02 , Ji = --:-\ ' ,D ' - скоРость гетерогеннои реакдии Pm + к02 eXP (-E2lRuTk ) Xg (T)NuD на частицах, Pm =- коэффициент массоотдачи частиц [9]. Коэффициcg Р /к ент теплообмена газа с внутренней вставкой вычислялся из значения числа Нус-сельта, NuS, [5]: 0.979 fh^ezrj0-33, h^ezr > 1000, V X J X h Re Vr/ 100 / -100 h Re Pr 3.78 + (Nu* -3.78)-^-, 100

Скачать электронную версию публикации