Около 37% мировой электроэнергии вырабатывается за счет сжигания угля. Однако этот процесс сопровождается выбросами CO₂ и других загрязняющих веществ, что делает актуальным поиск более эффективных и экологичных методов сжигания.
Численное моделирование играет ключевую роль в разработке и оптимизации технологий сжигания твердого топлива. Однако точность прогнозирования параметров горения зависит от выбранной математической модели. В данной статье рассматриваются четыре подхода к моделированию горения угольной пыли и их соответствие экспериментальным данным.
Методы численного моделирования
Для исследования использовались данные эксперимента на топке мощностью 2,4 МВт, проведенного Международным фондом исследований пламени (IFRF). Моделирование выполнялось в ANSYS FLUENT, где горение рассматривалось как двухфазный процесс (газовая фаза и частицы угля).
Модели равновесной химии
Эти методы предполагают, что химические реакции протекают мгновенно, а состав продуктов горения определяется из условий равновесия.
- Модель с одной переменной смешения – упрощенный подход, где уголь рассматривается как смесь летучих веществ и коксового остатка. Отличается высокой скоростью расчетов.
- Модель с двумя переменными смешения – более точный, но ресурсоемкий метод, учитывающий раздельное горение летучих и кокса.
Модели переноса компонентов
В этих методах для каждого компонента решаются отдельные уравнения переноса, что позволяет учитывать кинетику химических реакций.
- Модель «обрыва вихря» (EDM) – предполагает мгновенное горение после смешения топлива с окислителем. Может завышать температуры из-за пренебрежения кинетикой.
- Комбинация EDM с кинетической моделью (FRC/EDM) – учитывает как турбулентное смешение, так и скорость химических реакций. Наиболее точный, но и самый ресурсоемкий метод.
Результаты и сравнение с экспериментом
Поле скоростей
Все четыре модели дали схожие результаты, близкие к экспериментальным данным. Наибольшие расхождения наблюдались в зоне рециркуляции газов, что может быть связано с особенностями моделирования выхода летучих веществ.
Температуры и концентрации газов
- Температуры: Наилучшее соответствие с экспериментом показала модель FRC/EDM (отклонения не более 80 °C).
- CO₂ и O₂: Лучшие результаты также у FRC/EDM.
- CO: Модели равновесной химии (Single MF и Two MF) точнее предсказали концентрацию CO, кроме зоны активного горения, где равновесие не достигается.
- NOx: Все модели завышали концентрации NOx на 10–20%, что может быть связано с недостаточным учетом восстановления NOx на поверхности частиц.
- Модель FRC/EDM обеспечивает наилучшую точность в предсказании температур и концентраций O₂ и CO₂.
- Модели равновесной химии лучше описывают концентрацию CO, но требуют доработки для зон с высокой неравновесностью.
- Модель EDM проще в реализации и быстрее в расчетах, но может завышать температуры.
- Для повышения точности модели NOx необходимо уточнение параметров восстановления на поверхности частиц.
Таким образом, выбор метода моделирования зависит от требуемой точности и доступных вычислительных ресурсов. Для инженерных расчетов может быть достаточно модели равновесной химии, тогда как для научных исследований предпочтительнее комбинированный подход FRC/EDM.
