wymagania stawiane technice obliczeniowej w zakresie

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE
41, s. 453-461, Gliwice 2011
ISSN 1896-771X
WYMAGANIA STAWIANE TECHNICE OBLICZENIOWEJ
W ZAKRESIE NUMERYCZNEGO MODELOWANIA
SKŁADU CHEMICZNEGO PRODUKTÓW SPALANIA
MONIKA ZAJEMSKA
Katedra Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska
Wydział Inżynierii Procesowej, Materiałowej i Fizyki Stosowanej
Politechnika Częstochowska
e-mail: [email protected]
Streszczenie. W Katedrze Pieców Przemysłowych i Ochrony Środowiska
Politechniki Częstochowskiej już od kilku lat obok badań eksperymentalnych
prowadzone są badania modelowe z zakresu spalania paliw tradycyjnych
i odnawialnych (biomasa) oraz ograniczania produktów tego procesu.
W chwili obecnej symulacje komputerowe przeprowadza się
przy użyciu
najnowszej wersji programu CHEMKIN-PRO. W artykule przedstawiono
możliwości modelowania składu chemicznego produktów spalania na podstawie
eksperymentu laboratoryjnego.
1. WSTĘP
W dobie komputerów i zaawansowanych technik obliczeniowych analizowany proces
można badać nie tylko eksperymentalnie na modelu materialnym w laboratorium lub
w procesie eksploatacji, ale również analitycznie na modelu matematycznym. Współczesna
nauka, aby odpowiedzieć na wiele pytań, potrzebuje nie tylko wyspecjalizowanego zaplecza
doświadczalnego, ale również zaplecza informatycznego. Symulacje numeryczne stanowią
bowiem połączenie teorii i doświadczeń, pomagają w planowaniu eksperymentu, umożliwiają
lub wspomagają analizę zjawisk trudnych do obserwacji lub niemożliwych do realizacji,
skracając jednocześnie czas ich interpretacji i oszczędzając fundusze ośrodków naukowych.
Zastosowanie analizy numerycznej równolegle z badaniami doświadczalnymi powiększa
ponadto bazę danych w zakresie ilości informacji opisujących analizowane zagadnienie
[1,2,3,4].
Jedną z wielu dziedzin, w której wykorzystuje się zaawansowane symulacje numeryczne
do analizy zjawisk przepływowych, jest technika lotnicza oraz przemysł motoryzacyjny
[2,3,4]. W ostatnich latach numeryczne modelowanie jest również z powodzeniem
wykorzystywane do modelowania procesów spalania i przewidywania oraz ograniczania jego
produktów [2,5,6,7,8].
Szczególne znaczenie numeryczne modelowanie odgrywa
tam, gdzie wdrożenie
nowoczesnych metod zmierzających do optymalizacji pracy urządzeń grzewczych oraz
procesów produkcyjnych, jak również minimalizacji zanieczyszczeń wiąże się z wysokimi
454
M. ZAJEMSKA
nakładami finansowymi (częściowe wyeliminowanie kosztów poniesionych na badania
eksperymentalne). Złożoność zagadnień procesów spalania (chemia procesu) i gazodynamiki
przepływu spalin stawia numeryczne modelowanie na poziomie, któremu często nie
dorównują badania eksperymentalne [2,7,8,9].
Do najbardziej rozpowszechnionych programów służących do modelowania przebiegu
zjawisk gazodynamicznych i chemicznych należą: KIVA, CHEMKIN, COMSOL, FLUENT,
FLUE GAS czy CHEMCAD. Programy te umożliwiają wykonanie doświadczeń bez
konieczności przeprowadzania kosztownych eksperymentów. Mogą szybko wskazać
odpowiedni kierunek poszukiwań [10].
W porównaniu do innych metod analizy procesu symulacja komputerowa posiada wiele
zalet, a mianowicie [1]:
• łatwość (elastyczność) wprowadzania zmian w modelu symulowanego procesu,
• możliwość uzupełniania modelu o nowe zjawiska i parametry,
• możliwość wprowadzania różnego rodzaju zakłóceń, np. zaburzeń pulsacyjnych czy
różnego rodzaju przeszkód w rozpatrywanym procesie,
• niewielki koszt,
• krótszy niż w przypadku badań laboratoryjnych czas prowadzenia symulacji,
• wiarygodność wyników symulacji w przypadku, gdy istnieje możliwość porównania
otrzymanych wyników symulacji z wynikami otrzymanymi z pomiarów na
rzeczywistym obiekcie.
Podczas korzystania z metod symulacji komputerowej istotne jest precyzyjne określenie
celu symulacji, skutkujące prawidłowo przeprowadzoną symulacją, a tym samym uzyskaniem
poprawnych i zarazem użytecznych wyników. Warunkiem koniecznym symulacji
komputerowych jest zweryfikowanie przyjętego do obliczeń modelu na drodze badań
eksperymentalnych, w przeciwnym razie wyniki obliczeń modelowych są tylko hipotetyczne
[1].
Do numerycznego modelowania chemii procesów spalania wykorzystuje się różnego
rodzaju mechanizmy i modele chemiczne. Najbardziej rozpowszechnionym i najczęściej
używanym w badaniach modelowych jest mechanizm Millera – Bowmana (M-B). Istotne jest,
aby, wykonując obliczenia numeryczne, bazować na jednym mechanizmie w celu uniknięcia
różnic w wartościach stałych szybkości reakcji, z którymi można się spotkać, studiując źródła
literaturowe z zakresu modelowania [3-9]. Oprócz znanego i powszechnie używanego
mechanizmu Millera – Bowmana istnieją również inne mechanizmy - Burcata, Berkeleya,
Aconova i wielu innych, w których wartości stałych kinetycznych różnią się między sobą.
Istnieje bardzo duża liczba modeli, które różnią się między sobą nie tylko liczbą użytych
reakcji, związków i pierwiastków chemicznych, ale również wartościami stałych szybkości
reakcji. Wiadome jest, że nie wszystkie reakcje są jednakowo ważne.
W zależności od tego, w jakich warunkach przebiega proces utleniania metanu, tj. ciśnienie,
temperatura, jak również ilość i skład utleniacza, niektóre reakcje są dominujące, pozostałe
natomiast można by pominąć, gdyż ich wpływ na przebieg procesu jest niewielki. Dostępne
w tym temacie źródła literaturowe mówią o szeregu różnych modeli, a liczba reakcji w tych
modelach dochodzi nawet do 2000 i 250 związków. Podstawowy model spalania metanu
można opisać za pomocą 6 pierwiastków i związków chemicznych, tj.:CH4, CO, O2, H2O,
CO2 i N2, a liczba składników potrzebnych do obniżenia stężenia NO wynosi w tym modelu
dziewięć (CH3, CH2, CH, H2, H, OH, O, HCN, HCNO). W zależności od analizowanego
zagadnienia podstawowy model utleniania metanu można poszerzyć o inne związki i reakcje
na podstawie istniejących już mechanizmów, a w szczególności mechanizmu M-B [12].
Zagadnienia numerycznego modelowania chemii procesu spalania stały się w ostatnim
czasie bardzo popularne, dlatego też powstaje bardzo duża ilość nowych mechanizmów
WYMAGANIA STAWIANE TECHNICE OBLICZENIOWEJ W ZAKRESIE NUMERYCZNEGO … 455
bazujących na już istniejących modelach, a wartości stałych kinetycznych w tych
mechanizmach są wyznaczane doświadczalnie przez autorów [7].
W niniejszej pracy zamodelowano skład chemiczny produktów spalania gazu ziemnego
GZ-50. W tym celu wykorzystano najnowszą wersję programu CHEMKIN. Na podstawie
studiów literaturowych i zawartych w nich wynikach badań modelowych, jak również
istniejących już mechanizmów reakcji oraz szeregu prób przeprowadzonych w tym zakresie,
dobrano najbardziej optymalną liczbę reakcji i związków chemicznych.
2. BADANIA
W ramach niniejszej pracy przeprowadzono numeryczne modelowanie procesu spalania
gazu ziemnego z jednoczesnym oszacowaniem składu chemicznego produktów spalania na
podstawie eksperymentu laboratoryjnego.
Zakres badań obejmował:
a) wykonanie badań wstępnych w komorze doświadczalnej:
• ustalenie parametrów przepływowych,
• pomiar temperatury na długości komory,
• pomiar składu spalin na wylocie z komory,
b) przeprowadzenie symulacji komputerowych procesu spalania gazu ziemnego w celu
oszacowania
składu
chemicznego
spalin,
c) porównanie wyników badań modelowych i eksperymentalnych.
2.1. Eksperyment laboratoryjny
6
2
1
3
8
PC
5
4
Spaliny
Eksperyment laboratoryjny przeprowadzony został na stanowisku doświadczalnym
przedstawionym na rys.1. Uzyskane w drodze badań eksperymentalnych wyniki badań
dostarczyły danych niezbędnych do sformułowania warunków brzegowych w procedurze
modelowania.
Analizator
KP
7
Powietrze
Gaz
Rys.1. Schemat stanowiska eksperymentalnego, gdzie: 1–wymurówka ogniotrwała, 2–palnik
wirowy, 3–otwory pomiarowe, 4–sonda, 5–analizator spalin TESTO 360, 6–komputer,
7–termoelement PtRhPt, 8–karta pomiarowa
Zasadniczym elementem stanowiska doświadczalnego przedstawionego na rys.14 była
cylindryczna komora ceramiczna zbudowana z 12 kręgów betonowych (BOS 145-II) o
średnicy wewnętrznej 0,34 m i sumarycznej długości 3,12 m. W początkowym segmencie
456
M. ZAJEMSKA
komory umiejscowiono palnik główny, w którym spalano gaz ziemny. Na długości komory
wykonano otwory pomiarowe, pozwalające na pomiar temperatury oraz składu chemicznego
spalin mierzonego za pomocą analizatora TESTO 360 połączonego z komputerem.
Temperatury mierzono za pomocą termoelementu PtRhPt. Ilość podawanych mediów
gazowych mierzono za pomocą rotametrów przepływowych.
Analizowanym gazem był gaz ziemny GZ-50 o składzie: CH4=96,6%; CO2=0,7%;
N2=3,7%. Skład powietrza do spalania wynosił: O2=21%; N2=79%. Gaz spalał się ze
stosunkiem nadmiaru powietrza równym 1,1.
2.2. Procedura modelowania
Analizy numerycznej dokonano przy użyciu najnowszej wersji oprogramowania firmy
Reaction Design, a mianowicie programu CHEMKIN-PRO. Do obliczeń użyto modelu
opartego na warunku idealnego mieszania reagentów, tzw. „Perfectly Stirred Reaktor” oraz
modelu z reaktorem swobodnego rozprzestrzeniania się płomienia „The Freely Propagating
Flame Reaktor”. Pierwszy model zastosowano dla obliczeń spalania w palniku, natomiast
drugi w komorze badawczej. Na podstawie wyników z badań wstępnych, przeprowadzonych
w komorze laboratoryjnej, uzyskano dane niezbędne do sformułowania warunków
brzegowych w procedurze modelowania. Otrzymane wyniki dostarczyły informacji na temat
rozkładu temperatur i parametrów przepływowych, takich jak: ciśnienie oraz ilość
podawanych mediów.
Dane przepływowe niezbędne do przeprowadzenia badań modelowych zebrano w tablicy 1.
Strumienie podawanych mediów, tj. powietrza i gazu, przeliczono na strumienie masowe
wyrażone w kg/s, wykorzystując gęstości reagentów.
Tablica 1. Wybrane parametry przepływowe wprowadzanych mediów
Strumień gazu
Strumień
Strumień masowy
Strumień masowy
3
powietrza
gazu
powietrza
3
[kg/s]
[kg/s]
[m /s]
[m /s]
0,0007875
0,0080555
0.0005512
0,0103917
Ponadto do obliczeń przyjęto następujące stałe:
- stosunek nadmiaru powietrza 1,1,
- ciśnienie 1 atm,
- temperatura reagentów na wlocie do komory 293 K,
- temperatura spalania 1600 K,
- czas przebywania 1,0 s,
Podstawowym modelem chemicznym był model spalania metanu poszerzony o reakcje
tworzenia i rozpadu tlenków azotu. Reakcje chemiczne wraz ze stałymi równowagi
zaczerpnięto z modelu Millera – Bowmana, natomiast dane termodynamiczne dla użytych w
modelu reakcji z bazy danych oprogramowania CHEMKIN. W pliku wejściowym obok
danych zaczerpniętych z eksperymentu (rys.2), takich jak parametry przepływowe mediów,
ciśnienie, temperatura wprowadzano dane chemiczne, takie jak: pierwiastki i związki oraz
reakcje chemiczne biorące udział w analizowanych procesach. Spośród 235 reakcji i 52
związków chemicznych wchodzących w skład tego modelu do badań wybrano 126 reakcji i
33 pierwiastki i związki chemiczne. Początkowym etapem procedury obliczeniowej było
sformułowanie warunków brzegowych, a w konsekwencji przygotowanie „pliku
WYMAGANIA STAWIANE TECHNICE OBLICZENIOWEJ W ZAKRESIE NUMERYCZNEGO … 457
wejściowego”, opartego na danych pochodzących z badań eksperymentalnych. Uproszczony
schemat przebiegu prowadzonych badań przedstawiono na rys.2.
Baza chemiczna
Baza termodynamiczna
O2, N2…; CH4, CO2…
N2 + O2 ⇔ 2NO …
DANE WEJŚCIOWE
- strumień masowy reagentów,
- ciśnienie,
- profil temperatur,
- geometria komory badawczej,
- czas przebywania.
NUMERYCZNE
MODELOWANIE
EKSPERYMENT
LABORATORYJNY
DANE WYJŚCIOWE
WERYFIKACJA BADAŃ
NUMERYCZNYCH
SKŁAD CHEMICZNY
SPALIN
Rys. 2. Przebieg procedury modelowania
Przygotowanie danych wejściowych do procedury modelowania wymaga oprócz danych
przepływowych, termodynamicznych i kinetycznych graficznego
przedstawienia
analizowanego procesu. Program CHEMKIN posiada własną bazę symboli opisujących różne
zjawiska, za pomocą których tworzy się diagram, czyli uproszczony schemat procedury
obliczeniowej rozpatrywanego procesu (rys.3).
Rys. 3. Zrzut ekranu diagramu procesu spalania w reaktorze idealnego mieszania
Po stronie substratów zamieszczono wlot dla mediów przepływowych, tzn. gazu i powietrza,
które wprowadzane są do palnika, gdzie przyjęto reaktor idealnego mieszania. Etapem
końcowym jest skład chemiczny produktów spalania.
458
M. ZAJEMSKA
3. WYNIKI BADAŃ
Na rys.4 przedstawiono porównanie składu chemicznego podstawowych produktów
spalania otrzymanych na drodze modelowania i eksperymentalnej dla komory badawczej.
160
150
eksperyment
140
135
model
Stężenie
120
100
72 69
80
60
40
17
20
0
0
8
6
1,5
15
1
0
NOx,
%
NOxppm
, ppm CO,CO,
%CO2, % CO2N2,
, %%
N2O2,
, %%
H2O,
%
O
2, %
H2O, %
Rys. 4. Porównanie wyników badań modelowych i eksperymentalnych składu
chemicznego spalin dla komory badawczej
Analiza porównawcza wyników badań modelowych i eksperymentalnych dowiodła
poprawności przeprowadzonych obliczeń numerycznych ze względu na dużą zbieżność
otrzymanych wyników. Niższe wartości stężenia produktów spalania uzyskano dla badań
modelowych, co podyktowane było przyjętym do obliczeń warunkiem idealnego mieszania
reagentów.
W ramach badań numerycznych dokonano obliczeń wpływu temperatury spalania i czasu
przebywania na stężenie jednego z produktów spalania, a mianowicie NO. Wyniki obliczeń
przedstawiono graficznie za pomocą Post-Procesora programu CHEMKIN na rys. 5 i 6.
Rys. 5. Wpływ temperatury spalania na formowanie tlenku azotu
WYMAGANIA STAWIANE TECHNICE OBLICZENIOWEJ W ZAKRESIE NUMERYCZNEGO … 459
Rys. 6. Wpływ czasu przebywania na formowanie tlenku azotu
Przedstawiony na rys.5 wpływ temperatury spalania na formowanie tlenku azotu
potwierdza dostępne w tym temacie dane literaturowe, a mianowicie, że ilość powstających
termicznych tlenków azotu (o takich mowa w niniejszym artykule) zależy ściśle od
temperatury spalania. Wraz ze wzrostem temperatury spalania rośnie stężenie NO. Rozkład
stężenia NO obliczono dla zakresu temperatur od 1450 do 2000 K. Analizując wpływ czasu
przebywania reagentów w strefie najwyższych temperatur na formowanie tlenku azotu
(rys.6), można zauważyć, że stężenie NO jest najwyższe w najkrótszym czasie przebywania (
dla o,5 s przyjmuje wartość 80 ppm). Najniższe stężenie NO ma miejsce w czasie
przebywania 3.5 s.
4. PODSUMOWANIE
Przeprowadzone badania modelowe pokazały szerokie możliwości obliczeń numerycznych
zastosowanego w badaniach oprogramowania CHEMKIN-PRO. Dzięki symulacjom
numerycznym możliwe było oszacowanie wielkości emitowanych zanieczyszczeń gazowych,
a analiza porównawcza otrzymanych wyników badań modelowych i eksperymentalnych
dowiodła poprawności przeprowadzonych obliczeń numerycznych ze względu na dużą
zbieżność otrzymanych wyników. Warunek idealnego mieszania reagentów przyjęty w
badaniach modelowych miał wpływ na ilość wygenerowanych produktów spalania
wyznaczonych drogą obliczeniową na korzyść wyników uzyskanych w ramach obliczeń.
Skłania to do stosowania zaburzeń pulsacyjnych w komorach spalania, w celu zwiększenia
intensyfikacji mieszania, a tym samym zmniejszenia wielkości emisji produktów spalania. W
oparciu o studia literaturowe i powszechnie używane mechanizmy reakcji, jak również szereg
prób przeprowadzonych w tym zakresie przy użyciu oprogramowania CHEMKIN dobrano
najbardziej optymalną ilość reakcji. Korzystne byłoby dokonanie analizy porównawczej,
która obejmowałaby badania modelowe z wykorzystaniem kilku istniejących już
mechanizmów reakcji w celu potwierdzenia wyników badań zaprezentowanych w pracy i
słuszności przyjętego do obliczeń modelu. Ze względu na złożoność tego zagadnienia i
różnice w wartościach stałych szybkości reakcji nie jest to jednak możliwe. Aby
wyeliminować ten problem w badaniach modelowych zastosowano tylko jeden mechanizm, a
mianowicie mechanizm M-B. Za pomocą zastosowanego w badaniach modelowych
oprogramowania można bardzo precyzyjnie wyznaczyć temperaturę spalania oraz czas
przebywania, przy których stężenia produktów spalania np. NO osiągają wartość najniższą.
Przedstawione w artykule wyniki badań stanowią niewielki fragment problematyki
badawczej podejmowanej od kilku lat w Katedrze Pieców Przemysłowych i Ochrony
460
M. ZAJEMSKA
Środowiska. Prace nad zastosowaniem metod numerycznych w procesach spalania są stale
wzbogacane o nowe doświadczenia i narzędzia badawcze w postaci komercyjnych
programów, takich jak CHEMKIN lub COMSOL. Wyniki tych badań są z powodzeniem
wykorzystywane i wdrażane w obiektach przemysłowych, np. w piecach grzewczych branży
metalurgicznej. Z wykorzystaniem ww. oprogramowania można nie tylko przewidywać skład
chemiczny produktów spalania, ale również ograniczać ich ilość poprzez zastosowanie
pierwotnych metod redukcji. Nowatorskim kierunkiem badań jest numeryczne modelowanie
procesu współspalania paliw konwencjonalnych z paliwami odpadowymi pochodzenia
roślinnego w procesie reburningu z jednoczesnym oszacowaniem efektów ekologicznych.
LITERATURA
1.
Tarnowski W., Bartkiewicz S.: Modelowanie matematyczne i symulacja
komputerowa dynamicznych procesów ciągłych. Koszalin: Wydawnictwo
Uczelniane Politechniki Koszalińskiej Feniks, 1998.
2. Jarnicki R., Teodorczyk A: Modelowanie numeryczne procesów spalania przy
użyciu programu KIVA. „Archiwum spalania” 2002, Vol.2, nr 2, s.113-145.
3. Bogusławski A., Tyliszczak A., Kubacki S.: Numeryczne modelowanie procesów
przepływowych. Materiały dydaktyczne Wydziału Inżynierii Mechanicznej
i Informatyki, 2008-www.imc.pcz.czest.pl -03.09.2009.
4. http://www.g2inf.one.pl/referaty/szafarz-mownit.pdf- 03.09.2009.
5. Michalczyk J.: Transport gazowych zanieczyszczeń w powietrzu – symulacje
numeryczne w skali lokalnej. Rozprawa doktorska. Politechnika Lubelska,
Instytut Inżynierii Ochrony Środowiska, Lublin, 2003.
6. Gradoń B., Tomeczek J.: Prediction of N2O and NH3 in fuel – rich gaseous flames.
„Combustion and Flame” 2001, Vol. 126, p. 1856-1859.
7. Gradoń B.: Rola podtlenku azotu w modelowaniu emisji NO z procesów spalania
paliw gazowych w piecach wysokotemperaturowych. Zesz. Nauk. Pol. Śl., Gliwice,
2003.
8. Szlęk A.: Modelowanie matematyczne kinetyki chemicznej spalania gazów.
Gliwice: Wyd. Pol. Śl., 2004.
9. Adamczuk M.: Przewidywanie składu chemicznego produktów spalania w piecach
grzewczych z wykorzystaniem programu CHEMKIN-PRO. „Hutnik-Wiadomości
Hutnicze” 2010, nr 3, s.102-105.
10. Adamczuk M.: Possibility of CHEMKIN - PRO program using to forecasting
of chemical institution of flue gas in heat furnaces. “Acta Metallurgica Slovaca AI”
2009, 15, p. 13-17.
11. Poskart M, Nowak K., Szecówka L., Radomiak H.: Possibilities for the application
of numerical modelling to the optimization of combustion processes and gas
dynamics in heating furnaces. “Archivum Combustionis” 2008, Vol.28, No.1-2, p.
95-103.
12. Miller J. D., Bowman C.T.: Mechanism and modeling of nitrogen chemistry
in combustion. “Progress in Energy and Combustion Science” 1989, 15, p. 287338.
WYMAGANIA STAWIANE TECHNICE OBLICZENIOWEJ W ZAKRESIE NUMERYCZNEGO … 461
THE REQUIREMENTS PLACED COMPUTATIONAL TECHNIQUE
IN THE NUMERICAL MODELING RANGE OF THE CHEMICAL
COMPOSITION OF COMBUSTION PRODUCTS
Summary. In Department of Industrial Furnaces and Environmental Protection
of Czestochowa University of Technology for several years beside experimental
investigations have been conducted modeling research with a range of the
traditional and renewable (the biomass) fuels combustion as well as limiting
products of this process. Actually the computer simulations conducted with use
the newest version of CHEMKIN program, namely CHEMKIN-PRO. In article
introduced the possibility of the chemical composition of combustion products
modeling. The research was based on laboratory experiment.