modelowanie plazmowe.. - Politechnika Wrocławska

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 NOx [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).
7
A
R
G
O
N
4
M
1
Woda
2
8
3
6
5
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 Nel 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
Qia
MJ/kg
25,33 Węgiel
a
Ciepło spalania
Qs
MJ/kg
26,19 Wodór
a
Wilgoć
W
%
1,6
Azot
a
Części lotne
V
%
24,95 Siarka
a
Popiół
A
%
24,64 Tlen
Ca
Ha
Na
Sa
Oa
% mas.
% mas.
% mas.
% mas.
% mas.
60,79
3,78
1,05
0,51
7,63
3. Wyniki badań laboratoryjnych
Zmieniając odpowiednio strumień pyłu i moc elektryczną plazmotronu otrzymano rodzinę
krzywych przedstawiających wpływ mocy cieplnej palnika Nt, współczynnika nadmiaru powietrza
λ oraz mocy elektrycznej plazmotronu Nel na zakres występowania płomienia na wylocie z palnika
(Rys. 3).
Moc palnika N t, kW
20
N el
1,5 kW
2,0 kW
15
2,5 kW
10
Zakres
pracy
palnika
5
3,0 kW
0
0
1
2
Współczynnik nadmiaru powietrza λ
3
Rys. 3. Wpływ mocy elektrycznej plazmotronu Nel na zakres pracy PPP typu strumieniowego
(węgiel kamienny)
Wyniki pomiarów wskazują, Ŝe zakres pracy palnika zwiększa się ze wzrostem mocy
elektrycznej plazmotronu Nel. 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
Nel
Q = 0,5 Nel
5 mm
X1 = 0,1
X2 = 0,15
X3 = 0,2
Pył węglowy +
powietrze pierwotne
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 (qmpp = 2 m3/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
pomiar: Nel = 3 kW
700
pomiar: Nel = 1,5 kW
600
obliczenia: Nel = 3 kW
500
obliczenia: Nel = 1,5 kW
400
300
200
100
0
0
5
10
15
20
3
Wydatek powietrza, m /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 CO2 i H2O 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, O2, CO, CO2, H2O i N2. Przyjęto, Ŝe części lotne wydzielone z
węgla moŜna przedstawić w postaci zastępczego związku gazowego CmHnOl. Proces spalania w
fazie gazowej zachodził dwustopniowo:
- spalanie części lotnych do H2O i CO:
n
C m H n Ol + A ⋅ O2 → m ⋅ CO + ⋅ H 2 O
(1)
2
- spalanie CO do CO2:
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 ko = 312000 s-1 i energia aktywacji E
= 7,4⋅10-7 J/kmol. ZałoŜono, Ŝe koks utlenia się w reakcji heterogenicznej z O2 do CO, które
następnie dopala się w fazie gazowej do CO2. Szybkość reakcji utleniania koksu określono z
modelu kinetyczno – dyfuzyjnego. UŜyto następujących stałych: współczynnik dyfuzji D = 5⋅10-12
m2/s, energia aktywacji E = 7,9⋅10-7 J/kmol, współczynnik przedeksponencjalny był ko = 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 Nel na zakres pracy plazmowego palnika pyłowego oraz
temperaturę płomienia pyłowego dla pyłu węgla kamiennego. Wynika z niego, Ŝe wzrost mocy
elektrycznej Nel powoduje rozszerzenie zakresu pracy PPP oraz podwyŜszenie temperatury
płomienia pyłowego.
a) Nel = 3,0 kW
b) Nel = 1,5 kW
Rys. 6. Wpływ mocy elektrycznej Nel na zakres pracy PPP i rozkład temperatury w płomieniu
pyłowym (węgiel kamienny, qmw = 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 Nel. Okazuje się, Ŝe większa
moc elektryczna plazmotronu Nel poprawia warunki spalania pyłu węglowego i zwiększa jego
stopień wypalenia.
a) Nel = 3,0 kW
b) Nel = 1,5 kW
Rys. 7. Wpływ mocy elektrycznej Nel na szybkość wypalenia koksu w płomieniu pyłowym z PPP
(węgiel kamienny, qmw = 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 Nel, 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 NOx 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.