Выбор модели горения неподвижного слоя твердого топлива в Ansys fluent
Ключевые слова:
топка, колосниковая решетка, горение, твердое топливо, неподвижный слой, MSW, RDF, ANSUS FluentАннотация
Цель работы является представление подходов к использованию компьютерного моделирования сжигания твердого топлива в неподвижном слое в топках печей и котлов малой мощности. Рассмотрены принципы моделирования горения твердого топлива в Ansys Fluent. Предложен способ построения расчетной модели для сжигания твердого топлива в неподвижном слое в топках печей и котлов малой мощности. Так как горение характеризуется большой сложностью в моделировании, с целью упрощения модели слой топлива в отдельную расчетную область не выделялся и был заменен граничными условиями, а расчетная область содержит только газовую часть. В модели топливо поступает в расчетную область, соответствующую газовой части, через поверхность области, ограничивающее твердое топливо, горение происходит на границе твердой и газовой областях и в форме гетерогенной реакции горения твёрдого углерода и в газовой области в виде газофазных реакций окисления СО и углеводородов выделившихся летучих веществ. Упрощениями модели является отсутствие уноса несгоревших частиц. Адекватность моделирования горения предлагается проверять сравнением результатов моделирования с результатами расчета горения топлива (состав продуктов горения и температура), содержания вредных веществ и анализом горения по ходу движения газов в расчетной области в линиях тока.
Библиографические ссылки
Библиографический список
1. Ansys fluent theory guide. Release 2022 R2. – Canonsburg (PA, USA): ANSYS, Inc, 2022. – 1050 p.
2. Mularski J., Modliński N. Impact of Chemistry–Turbulence Interaction Modeling Approach on the CFD Simulations of Entrained Flow Coal Gasification // Energies. – 2020. – Vol. 13(23). – P. 6467. DOI: 10.3390/en13236467.
3. Mathematical modelling of MSW incineration on a travelling bed / Y.B. Yang, Y.R. Goh, R. Zakaria et al. // Waste management. – 2002. – Vol. 22(4). – P. 369-380. DOI: 10.1016/S0956-053X(02)00019-3.
4. Estimation of gas phase mixing in packed beds / S. Frigerio, H. Thunman, B. Leckner, S. Hermansson // Combustion and Flame. – 2008. – Vol. 153(1-2). – P. 137-148. DOI: 10.1016/ j.combustflame.2007.05.006.
5. Yin C., Rosendahl L.A., Kær S.K. Grate-firing of biomass for heat and power production // Progress in Energy and combustion Science. – 2008. – Vol. 34(6). – P. 725-754. DOI: 10.1016/j.pecs.2008.05.002.
6. Mathematical modeling and experimental study of biomass combustion in a thermal 108 MW grate-fired boiler / C. Yin, L. Rosendahl, S.K. Kær et al. // Energy & Fuels. – 2008. – Vol. 22(2). P. 1380-1390. DOI: 10.1021/ef700689r.
7. Mathematical modelling of straw combustion in a 38 MWe power plant furnace and effect of operating conditions / Y.B. Yang, R. Newman, V. Sharifi et al. // Fuel. – 2007. – Vol. 86(1-2). – P. 129-142. DOI: 10.1016/j.fuel.2006.06.023.
8. Westbrook C.K., Dryer F.L. Chemical kinetic modeling of hydrocarbon combustion // Progress in energy and combustion science. – 1984. – Vol. 10(1). P. 1-57. DOI: 10.1016/0360-1285(84)90118-7.
9. Howard J.B., Williams G.C., Fine, D.H. Kinetics of carbon monoxide oxidation in postflame gases // Symposium (International) on Combustion. – Vol. 14, No. 1. – London: Elsevier, 1973. – P. 975-986. DOI: 10.1016/S0082-0784(73)80089-X.
10. Di Blasi C. Modeling wood gasification in a countercurrent fixed‐bed reactor // AIChE journal. – 2004. – Vol. 50(9). – P. 2306-2319. DOI: 10.1002/aic.10189.
11. Di Blasi C. Combustion and gasification rates of lignocellulosic chars // Progress in energy and combustion science. – 2009. – Vol. 35(2). – P. 121-140. DOI: 10.1016/j.pecs.2008.08.001.
12. Numerical modeling of the combustion of densified wood under fixed-bed conditions / J. Collazo, J. Porteiro, D. Patiño, E. Granada // Fuel. – 2012. – Vol. 93. – P. 149-159. DOI: 10.1016/j.fuel.2011.09.044.
13. Bryden K.M., Ragland K.W. Numerical modeling of a deep, fixed bed combustor // Energy & Fuels. – 1996. – Vol. 10(2). P. 269-275. DOI: 10.1021/ef950193p.
14. Hermansson S., Thunman H. CFD modelling of bed shrinkage and channelling in fixed-bed combustion // Combustion and Flame. – 2011. – Vol. 158(5). – P. 988-999. DOI: 10.1016/j.combustflame.2011.01.022.
15. Duffy N.T., Eaton J.A. Investigation of factors affecting channelling in fixed-bed solid fuel combustion using CFD // Combustion and flame. – 2013. – Vol. 160(10). P. 2204-2220. DOI: 10.1016/j.combustflame.2013.04.015.
16. Pulverised coal and biomass co-combustion: particle flow modelling in a swirl burner / K.J. Larsen, A.D. Burns, S.R. Gubba et al. // Journal of the Energy Institute. – 2013. – Vol. 86(4). P. 220-226. DOI: 10.1179/1743967113Z.00000000065.
17. Peters B. Measurements and application of a discrete particle model (DPM) to simulate combustion of a packed bed of individual fuel particles // Combustion and Flame. – 2002. – Vol. 131(1-2). – P. 132-146. DOI: 10.1016/S0010-2180(02)00393-0.
18. Thurner F., Mann U. Kinetic investigation of wood pyrolysis // Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development. – 1981. – Vol. 20(3). – P. 482-488. DOI: 10.1021/i200014a015.
19. Evans D.D., Emmons H.W. Combustion of wood charcoal // Fire Safety Journal. – 1977. – Vol. 1(1). – P. 57-66. DOI: 10.1016/0379-7112(77)90008-X.
20. Johansson R., Thunman H., Leckner B. Influence of intraparticle gradients in modeling of fixed bed combustion // Combustion and Flame. – 2007. – Vol. 149(1-2). – P. 49-62.
DOI: 10.1016/j.combustflame.2006.12.009.
21. Heat of wood pyrolysis / J. Rath, M.G. Wolfinger, G. Steiner et al. // Fuel. – 2003. – Vol. 82(1). – P. 81-91. DOI: 10.1016/S0016-2361(02)00138-2.
22. Baum M.M., Street, P.J. Predicting the combustion behaviour of coal particles // Combustion science and technology. – 1971. – Vol. 3(5). P. 231-243. DOI: 10.1080/00102207108952290.
23. Composition of volatile gases and thermochemical properties of wood for modeling of fixed or fluidized beds / H. Thunman, F. Niklasson, F. Johnsson, B. Leckner // Energy & fuels. – 2001. – Vol. 15(6). – P. 1488-1497. DOI: 10.1021/ef010097q.
24. Girgis E., Hallett W.L. Wood combustion in an overfeed packed bed, including detailed measurements within the bed // Energy & fuels. – 2010. – Vol. 24(3). – P. 1584-1591. DOI: 10.1021/ef901206d.
25. Wakao N., Kagei S. Heat and mass transfer in packed beds. – Vol. 1. – New York: Taylor & Francis, 1982. – 364 p.
26. Demirbas A. Combustion characteristics of different biomass fuels // Progress in energy and combustion science. – 2004. – Vol. 30(2). – P. 219-230. DOI: 10.1016/j.pecs.2003.10.004.
27. Experimental study on effects of moisture content on combustion characteristics of simulated municipal solid wastes in a fixed bed / L. Liang, R. Sun, J. Fei et al. // Bioresource technology. – 2008. – Vol. 99(15). – P. 7238-7246. DOI: 10.1016/j.biortech.2007.12.061
28. Effect of ash content on the combustion process of simulated MSW in the fixed bed / R. Sun, T.M. Ismail, , X. Ren, M. Abd El-Salam // Waste management. – 2016. – Vol. 48. – P. 236-249.
DOI: 10.1016/j.wasman.2015.10.007.
29. Корнилова Н.В., Трубаев П.А. Анализ температуры горения ТБО в водогрейном котле малой мощности // Энергетические системы. – 2017. – № 1. – С. 368-373. EDN: FQPPRI.
30. Geochemical characterization of coals using proximate and ultimate analysis of Tadkeshwar Coals, Gujarat / M.A. Rasheed, P.S. Rao, A. Boruah et al. // Geosciences. – 2015. – Vol. 5(4). – P. 113-119. DOI: 10.5923/j.geo.20150504.01.
31. Часе С.И. Определение скорости витания мелкозернистых материалов методом взвешенного состояния // Известия УГГУ. – 1997. – №6. – С. 157-164.
32. Белоусов В.Н., Смородин С.Н., Цимбал В.Д. Топливо и процессы горения в теплоэнергетических установках. – СПб.: СПбГУПТД, 2020. – Часть 3. – 154 с.
33. Щекин И.И., Трубаев П.А. Сравнительный анализ методов утилизации ТБО // Энерго- и ресурсосберегающие экологически чистые химико-технологические процессы защиты окружающей среды. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2015. – С. 156-160. EDN: VWITLD.
References
1. ANSYS, Inc. (2022). Ansys fluent theory guide. Release 2022 R2. ANSYS, Inc.
2. Mularski, J., & Modliński, N. (2020). Impact of Chemistry–Turbulence Interaction Modeling Approach on the CFD Simulations of Entrained Flow Coal Gasification. Energies, 13(23) , 6467. https://doi.org/10.3390/en13236467.
3. Yang, Y. B., Goh, Y. R., Zakaria, R., Nasserzadeh, V., & Swithenbank, J. (2002). Mathematical modelling of MSW incineration on a travelling bed. Waste management, 22(4) , 369-380. https://doi.org/10.1016/S0956-053X(02)00019-3.
4. Frigerio, S., Thunman, H., Leckner, B., & Hermansson, S. (2008). Estimation of gas phase mixing in packed beds. Combustion and Flame, 153(1-2) , 137-148. https://doi.org/10.1016/ j.combustflame.2007.05.006.
5. Yin, C., Rosendahl, L. A., & Kær, S. K. (2008). Grate-firing of biomass for heat and power production. Progress in Energy and combustion Science, 34(6) , 725-754. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2008.05.002.
6. Yin, C., Rosendahl, L., Kær, S. K., Clausen, S., Hvid, S. L., & Hille, T. (2008). Mathematical modeling and experimental study of biomass combustion in a thermal 108 MW grate-fired boiler. Energy & Fuels, 22(2) , 1380-1390. https://doi.org/10.1021/ef700689r.
7. Yang, Y. B., Newman, R., Sharifi, V., Swithenbank, J., & Ariss, J. (2007). Mathematical modelling of straw combustion in a 38 MWe power plant furnace and effect of operating conditions. Fuel, 86(1-2) , 129-142. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2006.06.023.
8. Westbrook, C. K., & Dryer, F. L. (1984). Chemical kinetic modeling of hydrocarbon combustion. Progress in energy and combustion science, 10(1) , 1-57. https://doi.org/10.1016/0360-1285(84)90118-7.
9. Howard, J. B., Williams, G. C., & Fine, D. H. (1973, January). Kinetics of carbon monoxide oxidation in postflame gases. In Symposium (International) on Combustion (Vol. 14, No. 1, pp. 975-986). Elsevier. https://doi.org/10.1016/S0082-0784(73)80089-X.
10. Di Blasi, C. (2004). Modeling wood gasification in a countercurrent fixed‐bed reactor. AIChE journal, 50(9) , 2306-2319. https://doi.org/10.1002/aic.10189.
11. Di Blasi, C. (2009). Combustion and gasification rates of lignocellulosic chars. Progress in energy and combustion science, 35(2) , 121-140. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2008.08.001.
12. Collazo, J., Porteiro, J., Patiño, D., & Granada, E. (2012). Numerical modeling of the combustion of densified wood under fixed-bed conditions. Fuel, 93, 149-159. https://doi.org/10.1016/ j.fuel.2011.09.044.
13. Bryden, K. M., & Ragland, K. W. (1996). Numerical modeling of a deep, fixed bed combustor. Energy & Fuels, 10(2) , 269-275. https://doi.org/10.1021/ef950193p.
14. Hermansson, S., & Thunman, H. (2011). CFD modelling of bed shrinkage and channelling in fixed-bed combustion. Combustion and Flame, 158(5) , 988-999. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2011.01.022.
15. Duffy, N. T., & Eaton, J. A. (2013). Investigation of factors affecting channelling in fixed-bed solid fuel combustion using CFD. Combustion and flame, 160(10) , 2204-2220. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2013.04.015.
16. Larsen, K. J., Burns, A. D., Gubba, S. R., Ingham, D. B., Ma, L., Pourkashanian, M., & Williams, A. (2013). Pulverised coal and biomass co-combustion: particle flow modelling in a swirl burner. Journal of the Energy Institute, 86(4) , 220-226.
https://doi.org/10.1179/1743967113Z.00000000065.
17. Peters, B. (2002). Measurements and application of a discrete particle model (DPM) to simulate combustion of a packed bed of individual fuel particles. Combustion and Flame, 131(1-2) , 132-146. https://doi.org/10.1016/S0010-2180(02)00393-0.
18. Thurner, F., & Mann, U. (1981). Kinetic investigation of wood pyrolysis. Industrial & Engineering Chemistry Process Design and Development, 20(3) , 482-488. https://doi.org/10.1021/i200014a015.
19. Evans, D. D., & Emmons, H. W. (1977). Combustion of wood charcoal. Fire Safety Journal, 1(1) , 57-66. https://doi.org/10.1016/0379-7112(77)90008-X.
20. Johansson, R., Thunman, H., & Leckner, B. (2007). Influence of intraparticle gradients in modeling of fixed bed combustion. Combustion and Flame, 149(1-2) , 49-62.
https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2006.12.009.
21. Rath, J., Wolfinger, M. G., Steiner, G., Krammer, G., Barontini, F., & Cozzani, V. (2003). Heat of wood pyrolysis. Fuel, 82(1) , 81-91. https://doi.org/10.1016/S0016-2361(02)00138-2.
22. Baum, M. M., & Street, P. J. (1971). Predicting the combustion behaviour of coal particles. Combustion science and technology, 3(5) , 231-243.
https://doi.org/10.1080/00102207108952290.
23. Thunman, H., Niklasson, F., Johnsson, F., & Leckner, B. (2001). Composition of volatile gases and thermochemical properties of wood for modeling of fixed or fluidized beds. Energy & fuels, 15(6) , 1488-1497. https://doi.org/10.1021/ef010097q.
24. Girgis, E., & Hallett, W. L. (2010). Wood combustion in an overfeed packed bed, including detailed measurements within the bed. Energy & fuels, 24(3) , 1584-1591. https://doi.org/10.1021/ef901206d.
25. Wakao, N., & Kagei, S. (1982). Heat and mass transfer in packed beds (Vol. 1). Taylor & Francis.
26. Demirbas, A. (2004). Combustion characteristics of different biomass fuels. Progress in energy and combustion science, 30(2) , 219-230. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2003.10.004.
27. Liang, L., Sun, R., Fei, J., Wu, S., Liu, X., Dai, K., & Yao, N. (2008). Experimental study on effects of moisture content on combustion characteristics of simulated municipal solid wastes in a fixed bed. Bioresource technology, 99(15) , 7238-7246. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2007.12.061
28. Sun, R., Ismail, T. M., Ren, X., & Abd El-Salam, M. (2016). Effect of ash content on the combustion process of simulated MSW in the fixed bed. Waste management, 48, 236-249.
https://doi.org/10.1016/j.wasman.2015.10.007.
29. Kornilova, N. V., & Trubaev, P. A. (2018, August). Analysis of MSW Combustion temperature in a hot water boiler with the low-capacity. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1066, No. 1, p. 012003). IOP Publishing. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1066/1/012003.
30. Rasheed, M. A., Rao, P. S., Boruah, A., Hasan, S. Z., Patel, A., Velani, V., & Patel, K. (2015). Geochemical characterization of coals using proximate and ultimate analysis of Tadkeshwar Coals, Gujarat. Geosciences, 5(4) , 113-119. https://doi.org/10.5923/j.geo.20150504.01.
31. Chass S. I. (1997). Determination of terminal velocity of fine-grained materials by a methods of suspended state. Izvestiya of the Ural State Academy of Mining and Geology, 6, 157-164. [In Russian]
32. Belousov, V. N., Smorodin, S. N., & Tsimbal, V. D. (2020). Toplivo i processy` goreniya v teploe`nergeticheskix ustanovkax. Chast` 2 [Fuel and combustion processes in thermal power plants. Part 2] . SPbGUPTD. [In Russian]
33. Shchekin, I. I., & Trubaev, P. A. (2015). Sravnitelnyi analiz metodov utilizatsii TBO [Comparative analysis of MSW utilisation methods] // Energo- i resursosberegaiushchie ekologicheski chistye khimiko-tekhnologicheskie protsessy zashchity okruzhaiushchei sredy (pp. 156-160). Izd-vo BGTU. [In Russian]
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Категории
URN
Лицензия
Copyright (c) 2024 Ашраф А.А..
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial-NoDerivatives» («Атрибуция — Некоммерческое использование — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
