Математическое моделирование горения распыленного угля в потоке с учетом абсорбции окислов серы

Mathematical modeling of pulverized coal combustion in the flow considered the absorption of sulfur oxides

The one-dimensional model of pulverized coal combustion was developed. It considers: combustion in the gaseous phase; drying of particles; devolatilization; heterogeneous combustion of char; residues emission; mass and energy transfer between gaseous and solid phases. In model was inserted too: water injection with the aim of the temperature reducing of gaseous ambient and assistant in the sulfur capture by CaCO3; limestone’s calcination; sulfation and reduction of CaSO4. The model validation was realized through comparison with numerical and experimental data available in literature. The numeric simulations were accomplished for bituminous and sub-bituminous coal, analyzing the coal devolatilization and coke combustion as function of temperature. Were obtained the valuations of the sulfur capture by CaCO3 dependending on the amount of water injected.

Том 13, выпуск 2, 2012 год

В работе представлена одномерная модель горения распыленного угля. Учитывается горение в газовой фазе, испарение влаги из частиц, унос летучих веществ, горение кокса, эмиссия примесей, тепло–массоперенос между газовой и твердой фазами. Также в модель включены, блоки: впрыска воды для уменьшения температуры газовой среды и связывания серы посредством частиц CaCO3 (процессы кальцинации и сульфатизации). Проверка модели была выполнена путем сравнения с численными и экспериментальными данными, представленными в литературе. Численные исследования выполнены для битумного и суб-битумного угля. Проведен анализ процессов деволатизации (уноса летучих) и горения кокса в зависимости от температуры. Получены оценки по связыванию окислов серы частицами CaCO3 в зависимости от расхода воды.

Том 13, выпуск 2, 2012 год

1. Nack H., Litt, R.D., Kim B.C., Tumolo R. Cofiring coal with waste material. //Coal Combustion - Congresses. Peking, China, 1988, pp. 452-459.
2. Kobayashi H., Howard J.B., Sarofim A.F. Coal Devolatilization at High Temperatures. //Proceedings of 17 th Inter. Symp. on Combustion, The Combustion Institute, 1976, pp. 411-425.
3. Lau C.W.E, Niksa S. The combustion of individual particles of various coal types. //Combustion and Flame, 90, 1992, pp. 45-70.
4. Померанцев В.В., Арефьев К.М., Ахмедов Д.Б. и др. Основы практической теории горения. - Ленинград, Энергоиздат, 1986, 312стр.
5. Бабий В.И., Иванова И.П. О температуре угольных частиц при горении. //Теплоэнергетика, №12, 1969, стр.34-37.
6. Monson R.C., Germane G.J., Blackham A.U., Smoot, L.D. Char Oxidation at Elevated Pressures. //Combustion and Flame, № 100, 1995, pp. 669-683.
7. Visona S.P., Stanmore B.R. Modeling NOx Release from a Single Coal Particle I. Formation of NO from Volatile Nitrogen. //Combustion and Flame, 105, 1996, pp. 92-103.
8. Самуйлов Е.В., Фоминская М.В., Головина Е.С. Модель и расчет процесса газификации одиночной углеродной частицы. //Физика горения и взрыва, т. 40. № , 2004, стр. 86-94
9. Agarval P.K., Genetti W.E., Lee Y.Y. Coupled drying and devolatilization of wet coal in fluidized beds. //Chemical Engineering Science, Vol. 41, N 9, 1986, pp. 2373-2383.
10. Hobbs M.L., Radulovic P.T. and Smoot L.D. Combustion and gasification of coals in fixed-beds. //Prog. Energy Combust. Sci., Vol. 19, 1993, pp. 505-586.
11. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. – Москва, Изд. Наука, 1988, 502стр.
12. Yost R.S., Creasy D.E. Shrinking, swelling and true density of Morwell browns coal. //Fuel, 69, 1990, pp. 648-650.
13. Valix M.G., Trimm D.L., Smith I.W., Harris D.J. Mass transfer effects in coal combustion. //Chemical Engineering Science, Vol. 47, Nº 7, 1992, pp. 1607-1617.
14. Liu H. and Gibbs, B.M. The influence of limestone addition at different positions on gaseous emissions from a coal-fired circulating fluidized bed combustor. //Fuel, Vol. 77, Nº 14, 1998, pp. 1569-1577.
15. Stouffer M.R., Yoon H. An investigation of CaO Sulfation mechanisms in boiler sorbent injection. //AIChE Journal, Vol. 35, 1989, pp. 1253-1262.
16. Musarra S.P., Fletcher T.H., Niksa S.E Dwyer H.A. Heat and mass transfer in the vicinity of a devolatilizing coal particle. //Combust. Sci. And Tech. Vol. 45, 1986, pp. 289-307.
17. Field M.A., Gill, W., Morgan, B.B. and Hawksley P.G.W. Combustion of pulverized coal. The British Coal Utilization Research Association, Leathered, Surrey, England, 1967.
18. Saastamoinen J.J., Aho M.J., Hamalainen J.P., Hernberg R.E Joutsenoja T. Pressurized pulverized fuel combustion in different concentrations of oxygen and carbon dioxide. //Energy & Fuels, 10, 1996, pp. 121-133.
19. Tang B., Ohtake K. Computer Simulation and NO Formation in Pulverized-Coal Combustion. //Proceedings of Coal Combust. Science and Technology of Industrial and Utility Applications, Ed. Hemisphere Publishing Corporation, 1988, pp. 199-206.
20. Бойко Е.А., Пачковский С.В. Диффузионно- кинетическая модель горения и тепломассообмена пылеугольных частиц в газовом потоке. //Химия твердого топлива, №6, 2008, стр 3-13
21. Veras, C. A. G., Saastamoinen, J., Carvalho Jr., J. A., e Aho, M. Overlapping of the devolatilization and char combustion stages in the burning of coal particles. // Combustion and Flame, Vol. 116, 1999, pp. 567-579.
22. Williams A., Pourkashanian M., Jones J.M. Combustion of pulverized coal and biomass. //Prog. Energy and Comb. Sci., 27, 2001, pp. 587-610.
23. Nair R.B., Yavuzkurt S. Modeling sulfur dioxide capture in a pulverized coal combustor. //Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 119, 1997, pp. 291-297.
24. Дрегалин А.Ф., Зенуков И.А., Крюков В.Г., Наумов В.И., Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергоустановках. Казань, КГУ, 1985, 264 стр.
25. Tseng H.P., Edgar T.F. The change of the physical properties of coal char during reaction. //Fuel, Vol. 68, 1989, pp. 114-119.
26. Commissaris F.A.C.M., Banin V.E., Roekaerts D.J.E.M. and Veefkind A. The rates of production of CO and from the combustion of pulverized coal particles in a shock tube. //Combustion and Flame, 112, 1998, pp. 121-131.
27. Priem P.J. Liquid rocket technology for the chemical engineering. //Chemical Engineering Process, Vol. 66, Nº 4, 1970, pp. 61-70.
28. Priem P.J., Heidmann M.F. Propellant vaporization as a design criterion for rocket-engine combustion chambers. NASA Technical Report, R-67, 1960.
29. Варгафтик И.Б. Справочник по Теплофизическим Свойствам Газов и Жидкостей. Москва, Гос. Изд-во Физ-Мат. Литературы, 1963, 708 стр.
30. Jost M.E., Leslie I., Kruger C., Reactivity of Pulverized Coal in an Oxidizing Environment. //20 Symposium International on Combustion, The Combustion Institute, 1984, pp. 1531-1537.
31. Hu N., Liu Y., Miller S.F. and Scaroni A. W. Experimental investigation of high-temperature, short residence-time and Sulfation of limestone and dolostone sorbents. //Proc. American Chemical Society National Meeting, San Diego, 1994, pp. 233.
32. Saito M., Sadakata M., Sato M., Soutome T., Murata H. Combustion rates of pulverized coal particles in high-temperature / high-oxygen concentration atmosphere. //Combustion and Flame, 87, 1991, pp. 1-12
33. Кондратьев В.Н., Константы скорости газофазных реакций. Справочник, М., Наука, 1974, 512 стр.
34. LEEDS Reaction Kinetics Database. School of Chemistry, University of Leeds, 2000.
35. Borgwardt R.H., Bruce K.R. Effect of specific surface area on reactivity of CaO with SO2. //AIChE Journal, 32, 1986, p. 239.
36. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П., Худяков В.И., Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник Том 1, Москва, ВИНИТИ, 1971, 266 стр.