Численное моделирование слоевого горения двухфазной системы «горючая жидкость – твердое топливо»

В связи c актуальностью вопросов совершенствования сжигания многокомпонентного и нестандартного топлива, а также для решения ряда экологических задач требуются исследования горения сложных гетерогенных, в частности двухфазных, систем типа «горючая жидкость – твердое топливо». Численно исследуются количественные и качественные особенности горения двух модельных топливных систем, условно соответствующих смесям «опилки – нефть» и «щепа – нефть». Особенностью данных систем является подвижность жидкой фазы, увлекаемой газовым потоком в пористой среде. Рассматривается одномерная плоская задача слоевого горения с поджигом с нижней и верхней сторон слоя. Показано, что для системы с мелкодисперсной твердой фазой (опилки), в силу низкой проницаемости для газов, скорость воздушного дутья относительно невысока, что обусловливает медленное формирование температурного фронта (характерное время – несколько десятков минут). В случае крупнодисперсной твердой фазы (щепа) расход воздуха больше и соответствующее время формирования температурных фронтов меньше (несколько минут). Как для случая мелко-, так и крупнодисперсной твердой фазы при поджиге снизу жидкофазный горючий компонент эвакуируется газовым потоком из горячей зоны раньше, чем формируется фронт горения. Поэтому основные закономерности динамики температурного фронта соответствуют «сухой» горючей системе. При поджиге сверху за время порядка 100 с (при использованных значениях параметров) формируется волна прогрева, распространяющаяся сверху вниз по слою и сопровождающаяся частичным окислением твердого горючего компонента при полном расходовании окислителя. Скорость распространения фронта горения в моделируемых условиях мало отличается при поджиге снизу и сверху. Однако время установления квазистационарной скорости фронта на начальном этапе значительно меньше при поджиге снизу. Результаты, полученные авторами, могут быть использованы для оптимизации слоевого сжигания многофазных топлив, режимных параметров метода внутрипластового горения при нефтедобыче, а также при исследовании ряда химических технологий.

1. Делягин, Г. Н. Теплогенерирующие установки / Г. Н. Делягин, В. И. Лебедев, Б. А. Пермяков. М.: Стройиздат, 1986. 559 с.

2. Липов, Ю. М. Котельные установки и парогенераторы / Ю. М. Липов, Ю. М. Третьяков. М.: Ижевск, Регулярная и хаотическая динамика, 2003. 591 с.

3. Основы практической теории горения / под ред. В. В. Померанцева, 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1986. 311 с.

4. Хзмалян, Д. М. Теория топочных процессов / Д. М. Хзмалян. М.: Энергоатомиздат, 1990. 351 с.

5. Кнорре, Г. Ф. Топочные процессы. 2-е изд., перераб. и доп. / Г. Ф. Кнорре. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1959. 396 с.

6. Синицын, Н. Н. Методика расчета прогрева плотного слоя топлива в топках для сжигания древесных отходов / Н. Н. Синицын, Д. А. Домрачев, В. С. Грызлов // Вестник Череповецкого государственного университета. 2012. Т. 1, № 2. С. 26–28.

7. Каменецкий Б. Я. Закономерности выгорания твердого топлива в неподвижном слое / Б. Я. Каменецкий // Промышленная энергетика. 2013. № 5. С. 21–26.

8. Особенности воспламенения и горения биотоплив / А. Ф. Рыжков [и др.] // Инженерно-физический журнал. 2011. Т. 84, № 4. С. 820–829.

9. Черножуков, Н. И. Очистка нефтепродуктов и производство специальных продуктов. 3-е изд. доп. и испр. / Н. И. Черножуков. М.; Л.: Гостоптехиздат, 1952. 336 с.

10. Зеленько, Ю. В. Принципы рационального ресурсопотребления при утилизации нефтесодержащих отходов на железнодорожном транспорте / Ю. В. Зеленько // Сборник научных трудов Донецкого института железнодорожного транспорта. 2009. №. 19. С. 12-15.

11. Fuel Design in Co-Combustion of Demolition Wood Chips and Municipal Sewage Sludge / Nils Skoglund [et al.] // Fuel Processing Technology. January 2016. Vol. 141. P. 196–201. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2015.08.037

12. Marcio, L. de Souza-Santos. Theoretical Models for Rates of Heterogeneous Reactions During Combustion and Gasification of Liquid Fuels in Fluidized Beds / L. de Souza-Santos Marcio // Brazilian Journal of Chemical Engineering. 2018. Vol. 35, No 2. Р. 679–690. https://doi.org/10.1590/0104-6632.20180352s20160495

13. Козначеев, И. А. Одномерное моделирование фронта внутрипластового горения нефти с учетом подвижной и неподвижной горючих компонент / И. А. Козначеев, К. В. Добрего // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 1. C. 47–61. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-1-47-60.

14. Подземная гидромеханика / К. С. Басниев [и др.]. Москва: Институт компьютерных исследований, 2006. 495 с.

15. Добрего, К. В. Физика фильтрационного горения газов. / К. В. Добрего, С. А. Жданок // Минск: Институт тепло- и массообмена НАН Беларуси, 2002. 204 с.

16. Салганский, Е. А. Моделирование фильтрационного горения твердого пиролизующегося топлива / Е. А. Салганский, Е. В. Полианчик, Г. Б. Манелис // Физика горения и взрыва. 2013. Т. 49, № 1. С. 45–61.

17. Добрего, К. В. Режимы газификации бедных угольных слоев / К. В. Добрего, И. А. Козначеев // ИФЖ. 2006. Т. 79, № 2. С. 56–61.