Matematické modelování nízkoteplotní oxidace uhlí (samovzněcování uhlí)

Transkript

1 Konference ANSYS 009 Matematické modelování nízkoteplotní oxidace uhlí (samovzněcování uhlí) Boko M., Kozubková M. VŠB-TU Ostrava, Fakulta stroní, Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení Abstrakt: Uhelné haldy představuí v souvislostí s životním prostředí velké riziko s ohledem na možnost samovznícení a uvolňování škodlivých látek do prostředí. Příspěvek se zabývá definováním problematiky nízkoteplotní oxidace uhlí v programu Fluent První část příspěvku charakterizue nízkoteplotní oxidaci ako proces, kdy dochází k samovněcování uhlí při nízkých teplotách. V další fázi e definován matematický model nízkoteplotní oxidace, kdy rychlost chemické reakce e definována Arheniovou rovnici. Průběh samovzněcování uhlí e vyhodnocen v závislosti na změně pórovitosti uhelné haldy a změně teplotní vodivosti. Abstract: The stockpiles present peak risk with regard to possibility of spontaneous and evolution of insurants to surrounding in relation to environment. Paper occupied by definition problems of the low-temperature oxidation of coal in program Fluent. First part of paper characterized lowtemperature oxidation as process when attending to spontaneous of coal in low-temperature. In second phase mathematical model low-temperature oxidation is defined when the rate of chemical reaction is defined by Arhenius equation. Process of the coal spontaneous is evaluated in dependence on the change of porosity the stockpile and change of Klíčová slova: spalování, matematické modelování, CFD, uhelné skládky Keywords: combustion, mathematical modelling, CFD, stockpile 1. Úvod Nízkoteplotní oxidaci uhlí uvažueme samovzněcování např. uhelných skládek v důsledků proudění vzduchu skrz uhelnou hmotu, kdy dochází k oxidaci uhlí s kyslíkem. Problematika samovzněcování uhelných skládek a hald představue nebezpečné riziko s ohledem na životní prostředí, kdy za určitých atmosférických podmínek může doít až k samotnému zapálení uhelné skládky. Oxidace uhlí probíhá velmi pozvolně, a to v řádu týdnů, potom následue prudký zlom a během několika dnů skládka hoří. Na základě této charakteristiky proces nízkoteplotní oxidace uhlí představue silně časově závislý dě. V souvislostí s nízkoteplotní oxidací uhlí dochází k produkci oxidu uhličitého ( CO ), oxidu uhelnatého ( CO ), oxy-uhlí a vodní páry ( H O ). Zeména množství produkované vodní páry e významné. Ve většině studiích zabývaících se problematikou nízkoteplotní oxidace uhlí se neuvažue s vlivem vodní páry (Youn, 008), (Krishnaswamy, 1996). Autoři v těchto příspěvcích se zabývaí řešením nízkoteplotní oxidace uhlí pomocí následuícího reakčního schématu: Uhlí ( solid ) O CO + CO + teplo (1) +

2 TechSoft Engineering & SVS FEM Další studii této problematiky se snahou více přiblížit se skutečnému průběhu včetně uvažování vodní páry sou příspěvky (Arisoy, 1994), (Rosema, 001), ve kterých autoři definuí reakční schéma pomocí následuící stechiometrické rovnice: C100 H 74O O 100CO + 37H O () Problematika uvažování vzniku vodní pára, e zcela neprozkoumanou oblasti studie z hlediska experimentálního měření a matematického modelování. Hlavní náplni tohoto příspěvku e definovat metodiku modelování nízkoteplotní oxidace uhlí v uhelné skládce. Na rychlost chemické reakce má podstatný vliv samotný průběh produkce oxidu uhličitého ( CO ) ak e patrné z (Obr. 1), který znázorňue průběh produkce oxidu uhličitého ( CO ) v závislosti na teplotě t ( C). Tato závislost byla získána na základě experimentálního měření na vzorku černého uhlí z oblasti revíru Ostravsko Karvinských dolů (Taraba, 003). Dále na rychlost chemické reakce má vliv produkce vodní páry ( O ) a oxy-uhlí v průběhu nízkoteplotní oxidace. H 0.45 Průběh CO /O CO/O CO/O t [ C] Obr. 1. Průběh produkce CO / O Výše definované přístupy řešení problematiky samovzněcování uhelné skládky sou v tomto příspěvku rozšířeny o produkci oxy-uhlí na základě stechiometrie: C506H 38N 8O4S + 60 O 6CO + 4H O + C500H 80 N 8O108 S (3). Definice matematického modelu Problematika numerického modelování nízkoteplotní oxidace uhlí představue složitý proces zeména z hlediska definování reakčního mechanismu samovzněcování, protože se edná o spalování pevných částic za vzniku plynných složek a pevného zbytku (oxy-uhlí) heterogenní reakce. Výsledný matematický model samovzněcování uhlí bude zohledňovat proudění plynných příměsí, přestup tepla a definování reakčních mechanismů chemických reakcí nízkoteplotní

3 Konference ANSYS 009 oxidace. Výše definována problematika bude řešena metodou konečných obemů s využitím programu FLUENT. Pro stlačitelné a stacionární proudění matematický model definue základní bilanční rovnice (Kozubková, 008), (FLUENT, 006): Rovnice kontinuity ρ ( ρu ) + = 0 (4) t Navier-Stokesovy rovnice ( ρ u i ) ( ρu i u ) p u i + = + ( µ + µ ) + ρ f (5) i t Rovnice příměsí ρy ρu Y + t x Rovnice energie t ( ) ( ) ( ρc T ) + ( ρu c T ) p x p = ρu = x i J i, + R + S ( τ u ) l f + l + λeff t T 1.1 Definice reakčního mechanismu nízkoteplotní oxidace Zdroový člen R = kde R i i -té příměsi v rovnicí pro přenos příměsi (6) e definován vztahem: N R 1 M Rˆ ω, ( kg. m ) 3. s (8) r = 1 M, i. 1 ( kg ) ω Kmol e molekulová váha -té příměsi N R e počet reakcí 1 Rˆ 3 i ( Kmol. m. s ) e molární rychlost vzniku a zániku příměsi v reakci r. Následně budeme uvažovat nevratné reakce, kdy molární rychlost vzniku a zániku příměsi v reakci r e definována vztahem: Rˆ kde C N ( ) [ ] ( η ) i, r + η, r ν k f C = ν (9) = 1 3 ( kmol ) i m - molární koncentrace reaktantů a produktů v r -té reakci η - rychlostní exponent reaktantu v r -té reakci η - rychlostní exponent produktu v r -té reakci 1 ( s ) k f - rychlostní konstanta r -té nevratné reakce = β E r k A T r f r exp RT ν - stechiometrický koeficient pro reaktant v k-té reakci ν - stechiometrický koeficient pro produkt v k-té reakci (6) (7)

4 TechSoft Engineering & SVS FEM 3. Definování výpočetní geometrie K výpočtu problematiky samovzněcování uhelné haldy byl použit D model (Obr. ). výstup halda výstup Vstup vzduchu Obr.. Výpočetní oblast Zhuštěná oblast (Obr. ), která e označena ako halda představue uhelnou skládku (porézní prostředí) ve tvaru čtverce ako plošný zdro, ze které e uvolňováno uhlí. V této oblasti e definován reakční mechanismus nízkoteplotní oxidace uhlí s kyslíkem. Dále z výpočetní oblasti e patrný vstup vzduchu do oblasti a výstup z oblasti. 4. Fyzikální vlastností uhlí a pórovitost uhelné skládky V tomto příspěvku e vyhodnocen vliv tepelné vodivosti (λ) uhlí a pórovitosti (γ) na vývo samovzněcování uhelné skládky v D modelu dle Obr.. Všechny varianty řešení sou definovány pro stechiometrii nízkoteplotní oxidace (3). Fyzikální vlastností a hodnoty pórovitostí pro ednotlivé varianty řešení sou uvedené v Tab.1. Celkem byly definovány čtyři varianty řešení (základní varianta + dvě varianty se změnou pórovitosti a edna varianta s inou hodnotou tepelné vodivosti). Veličiny Hodnoty ρ (kg/m 3 ) Hustota 1300 c p (J/kg*K -1 ) Měrná tepelná kapacita 1003 λ (W/m*K -1 ) Tepelná vodivost 0,1998 λ (W/m*K -1 ) Tepelná vodivost 3,4 γ (-) Pórovitost 0,3 γ (-) Pórovitost 0,4 γ (-) Pórovitost 0,5 Tab.1 Fyzikální vlastností uhlí a pórovitost uhelné skládky Hodnoty fyzikálních vlastnosti byly definovány na základě literatury (Youn, 008). 5. Vyhodnocení Matematický model nízkoteplotní oxidace uhlí byl definován pro čtyři varianty (Tab.1) řešení s odlišnými vstupními parametry, s ohledem na testování vlivu daných parametrů (teplotní

5 Konference ANSYS 009 vodivost, pórovitost) na průběh nízkoteplotní oxidace. Pro porovnání e vyhodnocena střední teplota v uhelné skládce v závislosti na čase. Z dosažených výsledků numerické simulace e patrný vliv pórovitosti na vznik a vývo samovzněcování uhelné skládky. Pokud e uhelna skládka více pórovitá (méně zhutněná), tak proces nízkoteplotní oxidace začne probíhat rychlei, a do oblasti skládky se dostane větší množství kyslíku než v opačném případě, tím e proces samovzněcování intenzivněší (spotřebue se více kyslíku). Tyto závěry sou patrné z Obr. 3. Vliv teplotní vodivosti na průběh nízkoteplotní oxidace e zřemý v oblasti začátku samovzněcování. Zvýšení hodnoty tepelné vodivosti uhlí výrazně prodlužue dobu vývoe samovzněcování v první fázi, ak e patrné z Obr Úprava 1 (tepelná vodivost 3.4, pórovitost 0.4) Základní nastavení (tepelná vodivost , pórovitost 0.4) Úprava (tepelná vodivost , pórovitost 0.3) Úprava 3 (tepelná vodivost , pórovitost 0.5) Teplota [K] Čas [s] Obr.3 Závislost střední hodnoty teploty v uhelné skládka v závislosti na čase (průběh samovznícení) 6. Závěr V úvodní části příspěvek definue možnosti matematického modelování procesu nízkoteplotní oxidace uhlí z dostupných literárních zdroů. V další části e podrobně definován matematický model samovzněcování uhlí včetně reakčního mechanismu, který e rozšířen o produkci vodní páry a oxy-uhlí. Matematický model e aplikován na dvourozměrnou geometrii. Proces vzniku a vývoe samovzněcování e zhodnocen z hlediska změny pórovitostí a tepelné vodivosti uhelné skládky. Pro porovnání e vyhodnocen průběh střední teploty v uhelné skládce v závislosti na čase. Z výsledku e patrný vliv změny pórovitosti na intenzitu samovzněcování, což odpovídá předpokladu, že čím e uhelná skládka více zhutněná, tak proces samovzněcování není tak intenzivní.

6 TechSoft Engineering & SVS FEM 7. Reference 1. Yuan, L., Smith, A. Numerical study on effects of coal properties on spontaneous heating in longwall gob areas. Fuel. Pittsburg USA, 008, Vol. 87, pp , ISSN Krishnaswamy, S., Gunn, D., R., Agarwal, K., P. Low-temperature oxidation of coal. An experimental and modelling investigation usány a fixed-bed isothermal flow reaktor. Fuel. Pittsburg USA, 1996, Vol. 75, No. 3, pp , ISSN Arisoy, A., Akgün, F. Modelling of spontaneous combustion of coal with moisture content included. Fuel. Pittsburg USA, 1994, Vol. 73, No., pp , ISSN Rosema, A., Guan, H., Veld, H. Simulation of spontaneous combustion, to study the cause of coal fires in the Ruigou Basin, Fuel. Pittsburg USA, 001, Vol. 80, pp. 7-16, ISSN Taraba, B. Nízkoteplotní oxidace a samovzněcování uhelné hmoty, Ostravská univerzita v Ostravě, 003, p. 11, ISBN FLUENT: Fluent User s guide, Fluent Inc VŠB-TU Ostrava. <URL: Kozubková, M. Modelování proudění tekutin FLUENT, CFX. Ostrava: VŠB-TU, 008, 154 s., ISBN , (Elektronická publikace na CD ROM). 8. Poděkování Práce e financována v rámci proektu GAČR 105/08/1414 Matematické modelování rozvoe samovzněcování uhlí v uhelných skládkách a odvalech