VYUŽITÍ STECHIOMETRICKÝCH VZTAHŮ PŘI POČÍTAČOVÉM MODELOVÁNÍ OHNIŠŤ

Transkript

1 Energe z bomasy III semář Brno 2004 VYUŽITÍ STECHIOMETRICKÝCH VZTAHŮ ŘI OČÍTAČOVÉM MODELOVÁNÍ OHNIŠŤ avel Slezák V příspěvku je popsána jedna z varant přístupu k počítačovému modelování ohnšť. ozornost bude zaměřena na roštový kotel spalující tuhý komunální odpad. Bude popsán zjednodušený model spalování palva na roštu využívající základních stechometrckých vztahů jehož úkolem bude zajstt dostatečně věrohodné vstupní údaje pro model v CFD systému tak aby bylo možné posoudt proudění spal v ohnšt z hledska správného vedení spal rovnoměrnost vyplnění prostoru spalam a také z pohledu efektvnost směšování sekundárního vzduchu s hlavním proudem spal. Klíčová slova: CFD tuhý komunální odpad rošt stechometre ÚVOD okud se v rámc řešení technckého problému přstoupí k tvorbě počítačového nebol CFD modelu (z angl. Computatonal Flud Dynamcs nejdůležtějším úkolem je zajštění co nejpřesnějších vstupních dat pro model. Je l palvem například zemní plyn nebo práškové uhlí je možné využít některé předem přpravené nástroje v CFD systémech. okud ale budeme uvažovat např. spalování tuhého komunálního odpadu na válcovém roštu uplatnění CFD se stává problematckým. V dalším textu bude popsán zjednodušený výpočet spalování TKO na válcovém roštu za účelem získání vstupních hodnot pro CFD systém STAR-CD resp. pro jeho pre-processgový modul ROSTAR. RINCI ODDĚLENÉHO MODELOVÁNÍ V případě kdy nemůžeme k výpočtu spalování použít CFD systému je nutné oblast kterou modelujeme rozdělt na 2 část: 1. Oblast spalování palva na roštu 2. Oblast proudění spal Rozhraní mez oběma oblastm je tvořeno horním povrchem vrstvy palva které se pohybuje na roštu. Do CFD systému je tedy nutné zadat veškeré potřebné údaje o produktech spalování kterým jsou: chemcké složení spal objemové množství spal teplota spal hustota a rychlost proudění spal. Zdrojem těchto údajů je obvykle model spalování palva na roštu. Tvorba těchto modelů je náplní práce mnoha odborníků na celém světě. přčemž přístupy a počáteční předpoklady se velm různí (obzvláště pak pro tuhý komunální odpad jakožto značně nehomogenní a ve složení proměnlvé palvo. Je l ovšem záměrem pouze pozorovat proudové poměry v ohnšt (nkolv například přímo tvorbu CO a NO x lze k výsledkům dojít jednodušší cestou než pomocí složtých numerckých modelů. Základním úkolem je vypočítat správná objemová množství produktů spalování a jejch chemcké složení a pomocí tepelných blancí odhadn jejch teplotu. Nástrojem k získání těchto údajů jsou často využívané stechometrcké vzorce spalování tuhých palv. řístup k oddělenému řešení obou oblastí shrnuje obrázek 1: Obr. 1 rcp odděleného modelování spalování TKO na roštu Ing. avel Slezák FSI VUT v Brně Energetcký ústav Techncká Brno; e-mal: ysleza00@stud.fme.vutbr.cz

2 Energe z bomasy III semář Brno 2004 VÝOČET ALOVÁNÍ ALIVA NA ROŠTU Důvod proč je dosazení vstupních údajů do CFD modelu složtější u spalování na roštu je ten že v rámc vstupního rozhraní (tzn. horního povrchu vrstvy palva se vlastnost vystupujících spal značně mění podle jednotlvých fází spalování na roštu. Lteratura [1] uvádí grafcké znázornění procesu spalování uhlí na roštu tak jak je uvedeno na obrázku 2: Obr. 2 Grafcké znázornění spalování uhlí na roštu Tento průběh spalování přrozeně nelze aplkovat na každé palvo a spalovací zařízení. Dalším nutným podkladem je tedy přblžná znalost tohoto průběhu pro konkrétní spalovací zařízení. Úseky na roštu které náleží jednotlvým fázím spalování (sušení odplynění hoření dohořívání je možné získat například z analýzy vzorků palva z různých míst po délce roštu z výsledku měření chemckého složení produktů jednotlvých fází (obsah vodní páry u sušení pyrolyzních plynů u odplynění spal v oblast hoření a dohořívání. Získáme l takovo představu o spalování na roštu a rozdělíme l rošt na určtý počet sekcí ve směru jeho pohybu (např. na 20 můžeme uplatnt zjednodušený stechometrcký model spalování na roštu dle následujícího schematu: Obr. 3 Schema zjednodušeného modelu spalování palva (TKO na roštu Úvodní člen Změna chemckého složení palva na roštu je právě grafcký průběh spalování (resp. jeho obdoba pro konkrétní případ z obrázku 2. V souladu se schematem modelu (vz obrázek 3 bude v následujícím textu popsán postup výpočtu s uvedením výpočtových vztahů

3 Energe z bomasy III semář Brno 2004 a Výpočet změny chemckého složení TKO podél roštu Celý postup je založen na rozdělení vrstvy do 20 sekcí (vz obrázek 4. V každé sekc se vstupující hmotnostní M tok palva rozděluje na 2 část: první z nch je spálena ( druhá se spalování neúčastní a je tedy vstupním hmotnostním tokem do sekce následující ( ( + 1. Okyslčovadlem pro spalování palva v sekc je přváděný prmární vzduch v objemovém množství produktem je objemový tok spal. M M V VZ V Obr. 4 rcp rozdělení vrstvy palva do sekcí Zjednodušený model spalování na roštu byl zaveden proto aby se zohlednla změny složení palva podél roštu během jednotlvých fází spalovacího procesu. Tyto změny pro uvažovaný kotel vyjadřuje v grafcké podobě obrázek 5. Z grafu lze odečíst celkovou změnu hmotnost odpadu v závslost na poloze na roštu a také hmotnostní úbytky složek TKO v jednotlvých sekcích tak jak je uvedeno v obrázku: Obr. 5 Odečet hmotnostního úbytku určté složky TKO v lbovolné sekc b Výpočet spalování v jednotlvých sekcích pomocí stechometrckých vztahů Na rošt (zároveň tedy do první sekce vstupuje palvo s počátečním chemckým složením a v množství (1 M ( kg. s M M. Díky znalost hmotnostního úbytku jednotlvých složek můžeme vypočítat množství palva které v dané sekc hoří. M M C + H + S + N + O + M C C H H S S N N O N A A

4 Energe z bomasy III semář Brno 2004 kde C H ( kg kg atd. jsou poměrné úbytky hmotnost jednotlvých složek a M ( atd. C M kg s H jsou hmotnostní toky jednotl. složek na vstupu do sekce. V každé sekc tedy bude odhořívat palvo jého složení přčemž toto složení (v hmotnostních procentech vypočteme takto: C O C O H A H A 100 S S N S pomocí známých stechometrckých vztahů pro spalování tuhých palv [2] vypočteme pro spalování v každé sekc objemy jednotlvých složek spal (a tím chemcké složení spal a skutečné množství vznklých spal 3 ( kg : m n O O N 3 O + ( α O O + O + O + O + O + ( α O ( m kg m VZ m CO2 m SO2 N2 m Objemový tok spal vycházejících ze sekce je pak roven V Arm 3 O ( m s n H 2Om Získal jsme tedy normální množství spal ( m 3 n s vznkající př spalování na roštu a jejch chemcké složení. ro potřeby CFS systému STAR-CD je ale nutné znát skutečné objemové toky spal ( 3 m s tedy znát jejch teplotu neboť přepočtový vztah mez normálním objemovým tokem a skutečným (př uvažování spalování za atmosferckého tlaku zní: V skut ( t V ( m s kde t je výstupní teplota spal ze sekce. Dalším parametrem odvíjejícím se od teploty spal je jejch hustota: f ( t ( kg m 3 Bylo tedy nutné vypočíst výstupní teplotu spal pro každou sekc c Výpočet teploty spal ρ Byl zvolen postup využívající tepelných blancí jednotlvých sekcí. Tento přístup popsuje obrázek 6 (který je analogcký k obrázku 4 přčemž nyní byly hmotnostní toky nahrazeny toky tepelným. VZ m n Obr. 6 Schema tepelných blancí jednotlvých sekcí

5 Energe z bomasy III semář Brno 2004 V tepelné blanc vystupují tyto členy (vz obrázek 6: fyzcké teplo palva vstupujícího do sekce ( k fyzcké teplo vzduchu vstupujícího do sekce VZ (k tepelný výkon vznklý hořením palva v sekc (k tepelný příkon radací z prostoru ohnště kotle spal rad (k fyzcké teplo palva vystupujícího ze sekce ( k fyzcké teplo spal vycházejících ze sekce tepelný tok v odpařené vlhkost Rovnc tepelné blance sekce píšeme ve tvaru ( k (k + VZ + spal + rad 0 ( k Fyzcké teplo palva na vstupu do sekce je možné vyjádřt vztahem M c t ( k kde ( ( 1 je měrné teplo palva na vstupu do sekce a t kj kg K ( je teplota palva na vstupu do c C sekce. Vezmeme-l v úvahu že palvo ze skládá z vlhkost uhlíku ( C prchavého podílu a popelov A vypočteme měrné teplo palva c takto: HSNO H + S + N + O c c + c 100 prch HSNO 100 Základní předpoklady pro výpočet měrného tepla palva jsou tyto: C + cc + c 100 A A 100 měrné teplo vody obsažené v palvu c 1 přčemž předpokládáme měrné teplo prchavého podílu 1 c 05 prch kj kg K c f t měrné teplo uhlíku 1 c c C 1434 kj kg K f t měrné teplo popelov 1 + ( kj kg K 4180 kj kg K c f ( t C ( 2 prch 05 t c 071. A 1000 Je ovšem nutné mít představu o průběhu teploty ve vrstvě po délce roštu. Tuto představu poskytne buď techncky náročné měření nebo lteratura. V tomto případě je možné např. využít předpokládané rozložení teplot př spalování TKO na obecném roštu tak jak je prezentují autoř modelu FLIC (numercký model spalování TKO na roštu [3]. Důležtou podmínkou je ovšem shoda délek oblastí roštu vymezených jednotlvým fázím spalování. Z grafckého znázornění na obrázku 7 lze pak získat odhady střední teploty palva na vstupu a výstupu u sekcí ( 1 1 Měrné teplo prchavého podílu vypočteno pomocí programu FLIC (SUIC Sheffeld Unversty UK. Vstupním parametry bylo chemcké složení palva na vstupu do kotle. 2 Měrné teplo fxního uhlíku v palvu odečteno rovněž z výsledků programu FLIC

6 Energe z bomasy III semář Brno 2004 Obr. 7 říklad rozložení teplot ve vrstvě př spalování TKO na roštu [3] Fyzcké teplo vzduchu vstupujícího do sekce vypočteme takto: VZ V VZ. skut cvz tvz ( k kde c 1 ( kj kg K je měrné teplo vzduchu a t je teplota prmárního vzduchu přváděného pod rošt. VZ VZ ( C Tepelný výkon vznklý hořením palva v sekc: spal r( η ( k kde r je výhřevnost palva v sekc vypočtená podle Mendělejevova vztahu [2]: η ( je účnost roštu. r r ( O S 245 r 339 C H 09 Tepelný příkon radací z prostoru ohnště kotle je získán z CFD programu STAR-CD. Hodnota je zpřesňována opakovaným výpočty dokud rozdíl v radačním toku u všech sekcí 1 20 mez jednotlvým výpočty není menší jak 10 %. Fyzcké teplo palva vystupujícího ze sekce je vypočteno podobným způsobem jako u vstupujícího palva tedy dle vztahu M c t ( k Tepelný tok v odpařené vlhkost můžeme vyjádřt vztahem M M ( k kde ( 1 ( kj kg K je entalpe vodní páry. Fyzcké teplo spal vycházejících ze sekce je klíčový člen blanční rovnce pomocí jeho vyjádření bude vypočtena teplota spal na výstupu ze sekce. Vyjádřením z blanční rovnce dostáváme Zároveň toto teplo můžeme vyjádřt vztahem kde 3 ρ ( kg m ( k *** VZ spal rad V skut ρ je hustota spal která je funkcí chemcké složení spal v sekc a jejch teploty

7 Energe z bomasy III semář Brno 2004 o vypočtení neznámého tepelného toku z blanční rovnce můžeme vyjádřt entalp spal takto: ( kj kg K V skut ρ Funkční závslost f ( t vyjadřuje tzv. I-t dagram spal. Vstupním parametry pro konstrukc tohoto dagramu je chemcké složení palva v sekc a hodnota přebytku vzduchu α. říklad tohoto dagramu je uveden na obrázku 8: Obr. 8 I-t dagram pro spaly vznklé v sekc 6 Závslost f ( t je dána vždy přímkou proto není problém j vyjádřt pomocí parametrů A a B takto: A t + B ( kj kg ožadovanou teplotu spal na výstupu ze sekce tedy můžeme jednoduše vypočíst dle vztahu B A t Aplkací tohoto postupu u všech sekcí získáváme teplotní profl spal vycházejících z hořící vrstvy odpadu a nyní je jž k dspozc úplný soubor hodnot přpravený k zadání do CFD systému STAR-CD (vz tabulka 1. Tab. 1 Výstup zjednodušeného modelu spalování ve vrstvě Sekce C H E M I C K É S L O Ž E N Í ( C CO2 H2O SO2 N2 Ar O2 Teplota (K Hustota (kg.m -3 U (m.s -1 V (m.s

8 Energe z bomasy III semář Brno 2004 Výsledkem práce CFD systému je pak grafcké znázornění teplotního tlakového rychlostního a koncentračního pole v ohnšt a jeho lbovolných oblastech. říklad teplotního a rychlostního pole v ohnšt znázorňuje obrázek 9: Obr. 9 říklad výsledků počítačového modelování ohnště spalovenského kotle: teplotní pole v ohnšt (vlevo a rychlostní pole v ohnšt (vpravo Možností jak zobrazt výsledky výpočtu je samozřejmě mnohem více s přhlédnutím na děje které chceme v prostoru ohnště sledovat. V rámc vyhodnocování výsledků modelu není možné opomen konfrontac výsledků s expermentálně naměřeným daty s případným korekčním zásahy do výpočtů. ZÁVĚR V příspěvku byla prezentována jedna z možností jak získat vstupní údaje pro CFD model oblast proudění spal v ohnšt spalovenského kotle. Jedná se velm zjednodušený model spalování palva na roštu který vychází ze základních stechometrckých vztahů používaných např. př kontrolních výpočtech kotlů. ř výpočtu byla přjata řada zjednodušujících předpokladů (jako například fakt že spalování považujeme za dokonalé tento vychází ze samé podstaty stechometrckých vztahů. Různé předpokládané hodnoty velč (např. teplota palva ve vrstvě lze nahradt naměřeným hodnotam (např. měřcí sondou čímž dojde k dalším zpřesněním výpočtu. Další možností je využtí zmňovaného programu FLIC [3] v jehož slách je nahradt celý výše uvedený postup neboť podle autorů je schopen vypočíst celý soubor dat a navíc uvažovat nedokonalé spalování s tvorbou CO a jých sloučen. Tento program se bohužel př výpočtu skutečného roštu neosvědčl kontrolní výpočty (pomocí hmotnostních a tepelných blancí se velm značně lšly od hodnot naměřených na reálném kotl a hodnot dosažtelných stechometrckým výpočty (např. objemové množství vznklých spal tepelný výkon ve spalách. oužtelnost programu FLIC je tedy v současné době omezena na výpočet některých fyzkálních vlastností TKO (měrná tepelná kapacta jeho složek č jako zdroje určtých předpokladů pro obecné spalování TKO na roštu (teplota palva ve vrstvě v závslost na právě probíhající fáz spalování. řesto jsou však nadále podnkány kroky (např. komunkace s výzkumným pracovštěm SUIC v Sheffeldu které mají za cíl tento program zprovoznt a umožnt tak získat přesnější zdrojová data pro CFD model ohnště spalovenského kotle. oužtá lteratura [1] ČERNÝ V. JANEBA J. TEYSSLER J.: arní kotle. Techncký průvodce svazek 32. SNTL raha 1983 [2] BUDAJ F.: arní kotle. odklady pro tepelný výpočet. Nakladatelství VUT Brno Brno 1992 [3] YANG Y. B.: The Flud Dynamc Incerator Code (FLIC For Modellg Incerator Bed Combuston: Tutorals. Sheffeld Unversty aste Inceraton Centre (SUIC 2002 [4] OCHRANA L. SKÁLA Z. FIEDLER J.: Základní údaje o roštových spalovacích systémech. Etapová zpráva projektu GAČR 101/98/0271. FSI VUT Brno Energetcký ústav leden VUT-EÚ-R