2D CFD NUMERIČKA SIMULACIJA FLUIDIZACIONE KOMORE SAGOREVANJA BAZIRANE NA EULER- EULER GRANULARNOM MODELU

Transcription

1 2D CFD NUMERIČKA SIMULACIJA FLUIDIZACIONE KOMORE SAGOREVANJA BAZIRANE NA EULER- EULER GRANULARNOM MODELU Stevan Nemoda, Milica Mladenović, Milijana Paprika, Branilav Repić, Ana Marinković Intitut za nuklearne nauke Vinča, Univerzitet u Beogradu 1

2 Uvod Reaktori na bazi mehuratog ga-čvrte četice fluidizovanog loja (FS) e korite u mnogim indutrijkim operacijama, kao što u proizvodnja energije i petrohemijki procei Ovi reaktori e ve češće primenjuju za potrebe termičke dezintegracije (inineracije) nepotrebnih i otpadnih indutrijkih produkata Prednoti agorevanja nekonvencionalnih goriva (a viokim adržajem vode i drugih balatnih materija) u FS u višetruke veliki toplotni kapacitet i toplotna provodnot medijuma za agorevanje intenzivan preno toplote između četica inertnog materijala FS i goriva ložište može da radi na nižim temperaturama, pa u manjene koncentracije NOx 2

3 Numerička imulacija procea u ložištima a FS Uporedo a ekperimentalnim metodama ve češće e primenjuje numerička imulacija za potrebe razvojnog itraživanja procea u fluidizacionim ložištima i razvija kotlova a FS Mogu e izdvojiti dva onovna pritupa modeliranju ga četice dvofaznih tokova: Lagrangian Eulerian i dvo-fluidni Euler Euler pritup Kod Lagrangian Eulerian pritupa (dicrete particle modeling - DPM) e rešavaju jednačine kretanja poebnih četica a kontinualna (gana) faza e modelira u kladu a Euler-ovkim pritupom. Za FS imulacuju potrebni u moćni kompjuteri Onovna pretpotavka kod dvo-fluidnog Euler Euler pritupa je da e obe faze (četična i gana) pomatraju kao dva odvojena fluida uz modeliranje ila otpora, kako između faza, tako i u okviru četične faze 3

4 Euler-Euler granularni model fluidizovanog loja Euler-Euler pritup modeliranja fluidizovanog loja pretpotavlja da e ga i guta faza FS (item ga-četice pri ulovima minimalne fluidizacije) pomatraju kao dva fluida a različitim karakteritikama. U tranportnim jednačinama prenoa količine kretanja efektivnog fluida, koji predtavlja gutu fazu FS, modelira e interakcija fluid-četice pri ulovima minimalne brzine fluidizacije, kao i interakcija između amih četica. Momentna jednačina i jednačina kontinuiteta e rešava za vaku fazu, pri čemu e za granularnu fazu računaju granularna temperatura (fluktuirajuća energija četica) kao i vikoznot uled napona micanja i zapreminka vikoznot, koji e određuju primenom kinetičke teorije gaova na granularno trujanje. Potrebno je definiati koeficijente za računanje otpora međufaznog trujanja. 4

5 Onovne i kontitutivne jednačine dvofluidnog granularnog modela FS Jednačina kontinuiteta gane faze ( g g ) ( g gug ) 0 t Jednačina kontinuiteta čvrte faze ( ) ( u ) 0 t Zakon održanja količine kretanja gane ( u ) ( u u ) p g K t faze u u Zakon održanja količine kretanja čvrte ( u ) ( uu ) p g Kg ug u t faze g g g g g g g g g g g g g (1) (2) (3) (4) Pri čemu u tenzori napona gane i granularne faze, repektivno: 2 g 2 gsg ( g g ) ug I 3 2 pi 2 S ( ) ui, 3 5

6 Model ila otpora međufaznog trujanja Neophodno je primeniti model otpora, koji korektno uzima u obzir ulove minimalne brzine fluidizacije, kada e četice nalaze u tanju upenzije kao rezultat ravnoteže interfaznih i zapreminkih ila. U tom cilju e četo primenjuje Syamlal-O'Brien-ov model ila otpora prilikom interfazne interakcije gde koeficijent otpora između fluida i četične faze zavii amo od poroznoti (udela gane faze), ali ne i od karakteritika fluidizacije. 3 g g Kg C 2 D u ug, 4.8 CD ur, d Re u r, u r, je brzina pri kojoj četica lebdi u fluidizovanom loju: 2, Re 2 2 r, Re 0.06Re 0.12Re 2 u A B A A d u g g g u 4.14 A g, B g za g g za g

7 Numerička imulacija FS bez agorevanja Predloženi CFD model fluidizovanog loja je primenjen na tri režima fluidizacionog reaktora, čije u onovne karakteritike prikazane u Tabeli 1. Pri tome je za va tri režima tepen fluidizacije je imao vrednot približno 3. Vrednoti kontanti 0.8 i 2.65 koeficijenta B onovnog Syamlal-O'Brien-ovog modela ila otpora u adaptirane da bi e što realnije imulirale karakteritike razmatranih fluidizacionih režima. U kladu a time, ove kontante u za režim 1 bile i repektivno, a za režime 2 i 3 u bile 3.2 i , repektivno. 7

8 2D imulacija agorevanja tečnog goriva in u fluidizacionoj komori agorevanja Sveobuhvatan model kompleknih procea u fluidizacionom ložištu e može formirati nadgradnjom predloženog dvo-fluidnog modela FB ( pogl. 2.), u koji e moraju uvrtiti energetke jednačine za obe faze kao i tranportne jednačine održanja hemijkih vrta, a izvornim članom uled konverzije hemijkih komponenata. Energetka jednačina gane faze Energetka jednačina četične faze Jednačine održanja hemijkih komponenti k t ( g gcp, gtg ) ( g gugcp, gtg ) Tg t c pg, g g Di, mcp, itg Yi ht Tg i k ( c T ) ( u c T ) T ht T t p, p, g c p, ( Y ) ( u Y ) D Y R t g g i g g g i g g i, m i i 8

9 Rezultati numeričkih ekperimenata uticaj priutva vode u gorivu Izračunati u profili temperatura po viini fluidizacionog reaktora urednjeni po vremenu, za četiri režima (bez priutva vlage u gorivu i a priutvom vode u gorivu, čija je vrednot maenih udela 0.05, 0.1, i 0.2). Uočavaju e nagli kokovi temperatura već u zonama blikim dnu FS što je značajno a tačke gledišta optimizacije radne zapremine ložišta. makimalne temperature na profilima po viini reaktora u malo više pomerene ka dnu FS kod lučajeva agorevanja goriva koje adrži vodu. 9

10 Rezultati numeričkih ekperimenata uticaj priutva vode u gorivu Efekat uticaja vode u gorivu na globalnu kinetiku agorevanja tečnog goriva u FS može biti objašnjen poboljšanjem kontakta između goriva i okidatora uled ekpanzije vodene pare, u većem broju numeričkih čvorova imulirane zone agorevanja. Sa druge trane, veći adržaj vode u gorivu dovodi do niženja lokalnih temperatura a time i brzina reakcija (u kladu a Arrheniu-ovim izrazom). Zbog ova dva uprotna efekta, dijagram ima makimum. 10

11 Rezultati numeričkih ekperimenata uticaj tepena fluidizacije Sprovedeni u proračuni agorevanja tet goriva za tri različita tepena fluidizacije (Nf = 2.37, 3.5 i 4.06). Pri tome je koeficijent viška vazduha 3 za ve lučajeve, a naga ložišta za pomatrane režime je 91.4, i kw. Potoji optimalan režim fluidizacije a tanovišta veličine zone a intenzivnim agorevanjem. Intenzitet iparavanja irapršavanja goriva rate a tepenom fluidizacije, ali rate i povećanje Peclet broja, pa zavinot ulova optimalnog agorevanja u FS od tepena fluidizacije ima makimum. 11

12 Zaključak U radu je predtavljen dvodimenzijki CFD model fluidizovanog loja, zanovan na dvofluidnom potupku imulacije FS u kladu a Euler-Euler granularnim modelom fluidizovanog loja. Predloženi granularni model podrazumeva da e ga i guta faza FS (granularni loj) pomatraju kao dva fluida a različitim karakteritikama za koje e poebno računaju jednačine kontinuiteta i prenoa količine kretanja, pri čemu e za granularnu fazu računaju granularna temperatura kao i vikoznot uled napona micanja i zapreminka vikoznot, uz primenu Syamlal-O'Brien modela ila otpora između faza. Za realnije numeričko praćenje fluido-dinamičkih karakteritika mehuratog fluidizovanog loja a hemijkim reakcijama, neophodno je prilagoditi kontante koeficijenta B iz izraza Syamlal-O'Brienovog modela ila otpora između faza priutvo vode u gorivu može malo da poveća umarnu brzinu hemijkih reakcija, što e prventveno može videti u povlačenju zone a makimalnim temperaturama, tj. oblat intenzivnog agorevanja. Efekat povećanja intenziteta devolatilizacije a povećanjem tepena fluidizacije je u uprotnoti a efektom odnošenja zone agorevanja, pa zavinot ulova optimalnog agorevanja od tepena fluidizacije ima makimum. 12