УДК 662.7: 621.4: 536.4 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ В ПЛОТНОМ СЛОЕ 1) Маришин Н.С.1), Таймасов Д.Р.1), Сеначин П.К.1, 2) Алтайский государственный технический университет (АлтГТУ), г. Барнаул, Россия 2) Институт теплофизики СО РАН, г. Новосибирск, Россия В настоящее время наблюдается рост интереса к глубокой переработке угля и, в частности, к газификации в плотном слое в газогенераторах различных типов (традиционно это газогенераторы, работающие по схеме Lurgi), однако отсутствие современной нормативной методики для инженерных расчётов физико-химических процессов в таких устройствах отчасти затрудняет их широкое внедрение. Кроме того, в настоящее время предложены более современные технологии слоевой газификации, для которых также отсутствуют нормативные методики [1]. Существует несколько стационарных одномерных моделей адиабатических и неадиабатических реакторов, в том числе представленных в работах [1-4]. С целью апробации этих и других математических моделей слоевого горения угля, нами был произведён анализ, на основе которого в модель были внесены некоторые изменения, после чего математическая модель была реализована численными методами, описанными ниже, в среде «SciLab». В модели рассматривается одномерный адиабатический противоточный газогенератор Lurgi, уголь представлен в виде пористой среды, составленной из монодисперсных сферических частиц диаметра d0 с жёстким зольном скелетом и выгорающим углеродным ядром, порозность (отношение объёма пор к общему объёму) принимается одинаковой по всей высоте газогенератора. Через пористую среду фильтруется газовая фаза. Температура угля и газа на каждой высоте газогенератора одинакова. Обычно в реакторах Lurgi выделяют несколько зон: сушки, выхода летучих, восстановительную, окислительная, зольную подушку (Рис. 1), однако в настоящей работе рассматриваются только окислительная и восстановительная зоны. Рисунок 1. Принципиальная схема газогенератора Lurgi и его реакционных зон: I – зона сушки, II – зона выхода летучих, III - восстановительная зона, IV – окислительная зона, V- зольная подушка На вход газификатора подаётся смесь воздуха и пара, и на поверхности пор протекают следующие гетерогенные реакции: 1). С + O2 = CO2 + 395 кДж/моль, 2). 2С + O2 = 2CO + 219 кДж/моль, 3). C + CO2 = 2CO – 175.5 кДж/моль, 4). С + H2O = CO + H2 -130.5 кДж/моль. Считается, что при наличии кислорода происходит гомогенное сгорание CO и H2 до CO2 и H2O по реакциям 5). 2CO + O2 = 2CO2 + 570.5 кДж/моль, 6). 2H2 + O2 = 2H2O +480 кДж/моль, при этом тепловой эффект этих реакций относится к газовой фазе. Основными уравнениями, описывающими процесс газификации, являются следующие: - уравнения неразрывности для каждого j-го компонента газовой фазы j dwф dz + wф d j dz = M j ijWigom , (1) i где ρj – действительная плотность j-го компонента газовой фазы, wф - скорость фильтрации относительно угля, Mj – молярная фаза j-го компонента, Wi gom – скорость i-й гомогенной реакции, ξij - стехиометрический коэффициент i-й гомогенной реакции (где продукты реакции имеют знак «+»); - уравнение неразрывности для твёрдой фазы c0uc d = M c icWi get , dz i (2) где η – глубина выгорания угля, лежащая в пределах от 0 до 1 (1 соответствует полному выгоранию), c0 - начальная плотность углерода, uc – скорость угля относительно стенок, Mс – get – скорость i-й реакции с участием угля, ic - стехиометрический коэффициент i-й гетерогенной реакции (где продукты реакции имеют знак «+»); - уравнения теплового баланса молярная масса углерода, Wi wф uс cs s s dTg dz = g d 2Tg dz 2 + k gom Wiget Qiget + WigomQigom i i (3) gc g0 Tg T0 , Tg Tc rgen rgen dT d Tc uс сc c0 1 + сb b c = 1 c + 1 k gom W jget Q get j + 2 dz dz 2 j gc rgen Tg Tc r с0 Tс T0 , (4) gen где ε — порозность, cs – теплоёмкость компоненты s газовой фазы, cс — теплоёмкость углерода, cb – теплоёмкость балласта, ρb – плотность балласта, λc — коэффициент теплопроводности gom твёрдой фазы, Qi get , Qi – теплота i-й гомогенной и гетерогенной реакций, Tg – температура газа, g - коэффициент теплопроводности газа (в силу преимущественно конвективного теплопереноса, можно положить g =0), k gom – параметр, показывающий какая часть энергии, выделяющейся при гетерогенных реакциях, поглощается газом, Tc – температура твёрдой фазы, αgc - коэффициент теплоотдачи между твёрдой фазой и газом, rgen - внутренний радиус генератора; - закон Дарси wф dp , = dz kф (5) где p – давление, kф — коэффициент фильтрации, который можно вычислить, используя соотношение Козени-Кармана [6] (следует отметить, что закон применим для чисел Рейнольдса меньше или порядка единицы); - уравнение состояния газовой фазы p = ps RTg s ; s s Ms (6) - скорость гетерогенной i-й реакции углерода с j-м компонентом газовой фазы Wi = Kci Sc 1 , где Sc = 61 / d 0 (7) i A j , Ar – зольность угля, K ci = 0 r 1 1+ c / b / 100 / A 1 + kWi d0 Nu D D j , Aj – концент- рация j-го компонента газовой фазы, NuD – диффузионное число Нуссельта, Dj - коэффициент диффузии j-го компонента, kWi – кинетическая скорость i-й реакции, вычисляемая исходя из закона Аррениуса и предположения о существовании полюса скоростей [7], то есть k Wi= ki exp Ei RTэфф . (8) Для расчёта скоростей гетерогенных реакций с разделением температур сред необходимо использовать некую эффективную температуру Tэфф = kTgTg kTcTc , где kTg и kTc – коэффициенты, определяющие вклад температуры газа и твёрдой фазы соответственно. Скорость i-й газофазной (гомогенной) реакции также определяется законом Аррениуса Wi = ki j Aijij exp Ei RTg . (9) Граничные условия на выходе из реактора (z=0) выглядят следующим образом: p = p0 , Tg 0 = Tg 0 , g wф = mg0 , dTg dz 0 = 0 , dTc 0 = 0 , A j = A0j . dz (10) Граничные условия на входе в реактор (z=h): p p0 , 0 , c c0 , dTg dz 0 = 0 , dTc 0 = 0 . dz (11) Представленная система уравнений решается итерационным методом, который можно разделить на ряд шагов: 1. Задаётся начальное приближение. 2. Проводится расчёт скоростей гетерогенных реакций. 3. Методом Рунге-Кутты рассчитываются распределения скорости фильтрации, плотностей газов, температуры газа, учитывая температуру и глубину выгорания из предыдущего приближения и ранее полученные данные о скорости химических реакций. 4. Аналогично находятся профили температуры твёрдой фазы и глубины выгорания. 5. Если прошло определённое число шагов обновляется информация о скорости гетерогенных или гомогенных реакций и переход на шаг 3, или же переход на него осуществляется сразу, также возможно прекращение решения, при достижении заданного значения невязок. Результаты расчёта, качественно отображающие процессы в газификаторе, представлены на рис. 2. Достаточно высокие температуры объясняются, прежде всего, адиабатичностью процесса в реакторе (отсутствием теплоотдачи в стенку при численном счете) и отсутствием в модели термической диссоциации и обратных реакций. Рисунок 2. Профили объёмных долей газов и температур (обозначены пунктиром) для газовой и твёрдой фаз Список литературы 1. Загрутдинов, Р.Ш. Технологии газификации в плотном слое: монография / Р.Ш. Загрутдинов, А.Н. Нагорнов, А.Ф. Рыжков, П.К. Сеначин и др.; под ред. П.К. Сеначина. – Барнаул: ОАО «Алтайский дом печати», 2009. – 296 с. 2. Физико-химические основы горения и газификации углей в плотном слое газификатора Lurgi / А. Н. Нагорнов, Р. Ш. Загрутдинов, П. К. Сеначин, С. М. Кисляк, Р. М. Утемесов // Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2008): Материалы второй Всероссийской научно-практической конференции с международным участием / Барнаул, АлтГТУ им. И.И. Ползунова, 1-4 октября 2008. - Барнаул: ОАО «Алтайский дом печати», 2008. - С. 380-397. 3. Степанов С.Г., Исламов С.Р. Математическая модель газификации угля в слоевом реакторе // Химия твёрдого топлива. - 1991. - № 2. - С. 52-58. 4. Кузоватов И. А., Гроо А. А., Степанов С. Г. Численное моделирование физико-химических процессов в слоевом газификаторе // Вычислительные технологии. - 2005. - Т.10. - №5. - С. 39-48. 5. Т. С. Ворончихина, В. С. Славин, С. Р. Исламов. Компьютерная модель нестационарных процессов при слоевой газификации угля // Сибирский физико-технический журнал. - 1993. - Вып. 3. - С. 85-90. 6. Аэров М. Э., Тодес О. М., Наринский Д. А. Аппараты со стационарным зернистым слоем. Л.: Химия, 1979. 176 с. 7. Леонтьев Н. Е. Основы теории фильтрации: Учебное пособие. - М.: Изд-во Центра прикладных исследований при механико-математическом факультете МГУ, 2009. - 88 с. 8. В. В. Померанцев, К.М. Арефьев, Д.Б. Ахмедов и др. Основы практической теории горения: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1986. - 312 с.