Energie z biomasy – seminář 2003
CFD MODELOVÁNÍ ODLUČOVÁNÍ TUHÝCH ČÁSTIC Ing. Martin LISÝ Práce se zabývá možností využití numerického modelování pomocí programu CD – STAR při vizualizaci proudění v cyklonu. Program umožňuje sledování průběhu rychlostní, teplotních, tlakových polí. Zejména se však věnuje simulaci odlučování tuhých částic v cyklónu a sleduje vliv změn geometrických parametrů na účinnost odlučování. Klíčová slova: numerické modelování, cyklon,odlučování tuhých částic, geometrie
POPIS ZAŘÍZENÍ A TECHNOLOGIE V roce 2000 byl odboru energetického inženýrství FSI VUT Brno postaven a uveden do provozu experimentální fluidní atmosférický generátor, který může pracovat se stacionární nebo cirkulující fluidní vrstvou. Zařízení se skládá z dvoudílného generátoru (dolní část - Ø209x1500mm a horní část Ø300x2250 mm), které jsou spojovány přechodníkem kónického tvaru. Spodek generátoru byl ještě svařován s menším kuželem, k nimž je vyveden uzávěr popele, a je zde vložen ručně pohybující rošt. Celková výška generátoru je H = 4405 mm. K rychlému provedení experimentů je generátor bez vyzdívky, což vede k dosti velkému kolísání teplot. Dále následuje cyklón, sloužící k slučování hrubých částic. Generátor s cyklónem jsou tepelně izolovány. Celý výše zmíněný objekt je položen na nosné ocelové konstrukci vysoké 1,8 m. Další součásti zařízení jsou zásobník paliva, šnekový podavač paliva, šnekový podavač polokoksu, dmychadlo vzduchu, elektroohřívák vzduchu s příkonem 3x 3 kW, pomocný hořák na zemní plyn. V generátoru probíhá zplyňovací proces ve fluidním loži, tj. ve vznosu způsobeném prouděním zplyňovacího vzduchu a vyrobeného plynu. Zplyňovací reakce probíhají při teplotách 750–900 oC. Vzduch pro zplyňování je dopravován dmychadlem přes elektroohřívák. Podle množství vzduchu lze realizovat dva režimy – režim se stabilním fluidním ložem a režim cirkulující. Popel a větší vměstky (kameny, sklovité aglomeráty atd.) jsou vypouštěny skrz rošt a uzávěr do nádoby na popel. Primární vzduch se přivádí do generátoru axiálně skrz rošt, sekundární a terciální vzduch radiálně nad přívodem suroviny a do horní části generátoru. Vyrobený plyn z generátoru proudí do cyklonu, kde se odloučí hrubší tuhé částice. Cyklón má rozměr Ø209x700 mm, pod nímž je dlouhá trubka Ø150x3550 mm pro odvod polokoksu z cyklónu. Sestupná část cyklonu je vybavena vibrátorem, který má zamezit usazování a nalepování částic na stěnách trubky. Odloučený úlet je šnekem polokoksu vracen zpět do generátoru. Plyn se pak spaluje na hořáku vybaveném stabilizačním hořákem na zemní plyn a vlastním přívodem vzduchu. CFD MODELOVÁNÍ K výpočtům byl použit program STAR – CD, který je využíván při řešení problémů mechaniky tekutin.Program pracuje na základě metody kontrolních objemů. Vychází ze tří základních principů: zákonu zachování hmoty pomocí rovnic kontinuity, zákona zachování energie – entalpické rovnice a zákona zachování rychlosti - Eulerovy rovnice. Využití numerického modelování umožňuje vizualizaci dějů probíhajících v cyklónu, zejména rozložení rychlostních, teplotních a tlakových polí, a také simulaci průběhu odlučování tuhých částic v cyklónu. Nejprve se na základě výkresové dokumentace sestaví geometrický model. Následně se musí zadat potřebné vstupní a okrajové podmínky. Na přesnosti těchto vložených dat pak závisí celkové přiblížení modelu ke skutečnému průběhu.
Ing. Martin Lisý, VUT FSI Brno, Technická 2896, 616 69 Brno,
[email protected]
[49]
Energie z biomasy – seminář 2003
GEOMETRICKÝ MODEL Geometrický model byl vytvořen na základě výkresové dokumentace poskytnuté firmou ATEKO Hradec Králové. Skládá se za tří hlavních částí: vstupního potrubí čtvercového průřezu, který přivádí plyn z reaktoru do cyklónu, samotného cyklónu a výstupní potrubí kruhového průřezu. Rozměry vstupního potrubí jsou 105x 90x160 mm, rozměry cyklónu Ø209x700 mm, pod nímž je dlouhá trubka Ø150x3550 mm. Obě části jsou propojeny 300 mm dlouhým kuželem. Výstupní potrubí má průměr Ø80 mm.
Obr. 1 Geometrický model cyklónu v programu STAR -CD STANOVENÍ VSTUPNÍCH A OKRAJOVÝCH PODMÍNEK Pro model byly využita data získaná při zplyňování směsi hoblin a pilin. Zkoumaný teplotní rozsah v reaktoru byl od 750 do 900 °C. Složení plynu se v takovém velkém teplotním intervalu měnilo, tím docházelo samozřejmě i ke změnám u sledovaných veličin. Složení plynu je uvedeno v následující tabulce 1. Tab. 1 Složení plynu t, [°C] CO CO2
750 0.2328 0.1523
770 0.2314 0.1536
800 0.1833 0.1582
822 0.1454 0.1488
830 0.1599 0.1584
848 0.1635 0.1529
860 0.1845 0.1494
900 0.1441 0.1614
H2
0.0764
0.1099
0.0797
0.1175
0.0762
0.0850
0.0849
0.1322
CH4
0.0637
0.0635
0.0457
0.0286
0.0239
0.0551
0.0400
0.0241
N2
0.4659
0.4337
0.5275
0.5569
0.5749
0.5395
0.5366
0.5362
Pro výpočet bylo nutné stanovit hustotu plynu ρ molární hmotnosti plynu pro daná složení a určit závislost tepelné kapacity plynu cp a součinitele vedení tepla k na teplotě. Dále bylo třeba přepočíst hustotu pro podmínky v reaktoru, tj. přetlak 5 kPa a teplotu 800°C. Všechny tyto hodnoty jsou vyjádřeny v následující tabulce 2 a pomocí grafů – obr. 2 a 3. Tabulka 2 – „Vlastnosti plynu“ uvádí hustotu při normálních podmínkách (0°C, 101325 Pa), hustotu při reálných podmínkách (uvedená teplota, 106325 Pa) a molární hmotnost při daném složení.
[50]
Energie z biomasy – seminář 2003
Tab. 2 Vlastnosti plynu 750
770
800
822
830
848
3
1,2383
1,2002
1,2485
1,2068
1,2644
1,2334
3
0,3631
0,3451
0,3490
0,3306
0,3438
0,3300
[kg/kmol] 27,8444
27,0908
28,096
27,254
28,327
27,854
t, [°C] hustota při norm. podmínkách [g/cm ] hustota při reáln. podmínkách [g/cm ] Molární hmotnost
Cp (J/kgK)
Závislost Cp na T y = -6E-05x 2 + 0,5692x + 2002,8
2800 2600 2400 2200 2000 0
500
1000
1500
T (°C)
Obr. 2 Tepelná kapacita plynu při složení plynu u zplyňovací teploty 800°C
k (W/mK)
Závislost k na T y = -1E-08x2 + 9E-05x + 0,0279
0,2 0,15 0,1 0,05 0 0
500
1000
1500
T (°C)
Obr. 3 Součinitel vedení tepla při složení plynu u zplyňovací teploty 800°C Vlastnosti popílku: Z cyklónu, výstupního potrubí a clonky ve výstupním potrubí bylo odebráno několik vzorků polokoksu. Sítovou analýzou se zjistilo následující granulometrické složení vyjádřené v grafech na obr. 4 a 5. Určení měrné a sypné hmotnosti se provedlo piknometrickou metodou. Materiál se poměrně velmi rychle rozpadává na jemný popel, takže dostáváme hodnoty hustoty aglomerátu, které se pohybují podle granulometrie od 0,35 do 0,6 g/cm3 ale v průběhu času se to hodně blíží 1,0 g/cm3. Místy se objevují nehomogenity, které mají zjevně větší hustotu nad 1,0 g/cm3, podle povahy pravděpodobně silikáty. Sypné hmotnosti se podle granulometrických frakcí pohybují v hodnotách 0,085 -0,120 g/cm3. Vlastnosti popílku byly stanoveny na Ústavu chemie materiálů, Fakulty chemické, VUT v Brně.
[51]
Energie z biomasy – seminář 2003
R(x) (-)
Rozsevová křivka polokoksu bez terciálního vzduchu
1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
1 0,7423729 0,6271186 0,4881356 0,0067797 0
0,2
0,4
0,6
velikost ok v sítu (mm)
Obr. 4 Rozsevová křivka polokoksu při zplyňovacím režimu bez terciálního vzduchu
R(x) (-)
Rozsevová křivka polokoksu s terciálním vzduchem
1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
1 0,7254237 0,6 0,4237288 0,0067797 0
0,2
0,4
0,6
velikost ok v sítu (mm)
Obr. 5 Rozsevová křivka polokoksu při zplyňovacím režimu s terciálním vzduchem VLASTNÍ VÝSLEDKY S pomocí výše uvedených vlastností a charakteristik byla provedena simulace proudění plynu v cyklónu. Pro možnost posouzení vlivu změn geometrie na účinnost odlučování byly vytvořeny další dva modely. První se zvětšeným průměrem cyklónu a výstupního potrubí o 1/4, druhý se zúžením cyklónu o 1/4 původního průměru.
Obr. 6 Rychlostní pole v cyklónu pro stávající variantu [52]
Energie z biomasy – seminář 2003
Při teplotě zplyňování 800°C s průtokem plynu 50 Nm3/hod. jsou výsledky výpočtů následující. Maximální rychlosti proudění jsou podle očekávání těsně za vstupem do cyklónu. U stávajícího provedení je max. rychlost 23,7 m/s, rozšířeného modelu rychlost trochu poklesla na 21 m/s, u zúženého modelu však vzrostla na cca. 44 m/s. Rozložení teplotních polí odpovídá údajům naměřeným při experimentech na stávajícím zařízení. Do těchto spočtených modelů byly postupně aplikovány tuhé částice pomocí funkce „particle tracks“. Tato funkce však přináší jisté zjednodušení, neboť nezahrnuje objem částic do výpočtu samotného proudění, pouze uvažuje s jejich objemem a hustotou při stanovení jejich pohybu v cyklónu, který vychází ze soustavy tíhových, vztlakových a odstředivých sil. Částice, která narazí do pevné stěny, se zastaví. Za odloučené byly považovány právě tyto částice a samozřejmě ty sedimentující na dně cyklónu. Na základě výše uvedených údajů z granulometrických rozborů a piknometrického stanovení měrných hmotností byly sestaveny kombinace rozměrů a hmotností částic, které byly aplikovány do modelů. Z nich jsou do následující tabulky 3 – Účinnost odlučování částic vybrány kombinace těchto parametrů tak, aby postihovaly pokud možno celou oblast zjištěných hodnot, a zároveň přinášely dostatečně vypovídající výsledky. Ukázky průběhu proudění v jednotlivých modelech:
Obr. 7 Znázornění trajektorií částic v rozšířeném modelu
Obr. 8 Znázornění trajektorií částic v modelu stávajícího cyklonu
[53]
Energie z biomasy – seminář 2003
Obr. 9 Znázornění trajektorií částic v zúženém modelu
Tab. 3 Účinnost odlučování jednotlivých variant Průměry částic (mm) účinnost odlučování Stávající model hustota Rozšířený model 3 0,600 g/cm Zúžený model Stávající model hustota Rozšířený model 0,475 g/cm3 Zúžený model Stávající model hustota Rozšířený model 0,350 g/cm3 Zúžený model
0,6 % 100 100 100 90 100 100 80 100 100
0,35 % 100 100 100 73 95 100 61 90 100
0,16 % 55 70 95 40 65 95 20 55 90
0,09 % 43 20 80 32 10 80 20 0 75
Z hlediska rychlostních a teplotních polí odpovídají získané výsledky reálným hodnotám. V další fázi budou použity další nástroje programu ke zpřesnění výsledků. K ověření účinnosti odlučování pevných částic by bylo třeba provésti isokinetické měření obsahu částic v proudícím plynu před a za cyklónem, což je na stávajícím zařízení velmi obtížné. Další oblastí k posouzení je vliv přivádění terciálního vzduchu do reaktoru, což má několik důsledků. Zmenšení pevného úletu, změnu složení plynu, z čehož vyplývá částečné zvýšení hustoty plynu. V poslední řadě větší teplota vstupujícího plynu. Všechny tyto faktory jistě ovlivňují děje probíhající v cyklónu, pro budou předmětem dalšího zkoumání. Z výsledků vyplývá, že nejlepší účinnost má cyklon po zúžení a z průběhu proudění je zřejmé, že k tomu dochází v důsledku velkých odstředivých sil. U rozšířeného proudění došlo částečnému ustálení proudění, což mělo za následek lepší sedimentaci větších a těžších částic, u menších částeček však už byla účinnost nižší než u stávajícího zařízení. Zúžení cyklónu zlepšuje účinnost odlučování v celém sledovaném rozsahu a lze je doporučit pro zlepšení funkce odlučovače se zohledněním nárůstu rychlosti proudění. Příspěvek vznikl za podpory Fondu vědy FSI VUT Brno, projekt FP 330031. POUŽITÁ LITERATURA [1] ŠTORCH, O. (1974)‚ Čištění průmyslových plynů a exhalací odlučovači, SNTL, 312 s. [2] ŠESTÁK, J. (1981): Transportní a termodynamická data pro výpočet aparátů a strojního zařízení, Ediční středisko ČVUT Praha, 245s. [54]
