Zastosowanie numerycznej mechaniki płynów w modelowaniu spalania węgla w atmosferze powietrza i oxy

Abstract

Despite the fact that alternative energy sources sector has been rapidly developed since last years, coal combustion as a major fossil-fuel energy resource (especially in Poland) will continue being a major environmental concern for the next few decades. To meet future targets for the reduction of toxic and greenhouse gases emission new combustion technologies need to be developed: pre-combustion capture, post-combustion capture, and oxy-fuel combustion (the process of burning a fuel using pure oxygen instead of air as the primary oxidant). This paper deals with the air-fried and oxy-fuel hard and brown coal combustion (pulverized coal) combustion, and its impact on pollutants (NOx and SO2) formation. For CFD modeling of media flows and hard and brown coal combustion process the laboratory model of combustion reactor was applied. The material input was set based on technical-elementary analysis of pulverized coal used in experiment and sieves grain-size analysis. Boundary conditions (media flows intensities and temperatures). was set based on laboratory experimental measurements. Radiation case-sensitive WSGGM model (weighted – sum – of – gray – gases model) was used for calculation. The modeling was proceed for different combustion parameters in air and OXY atmosphere in oxygen/fuel ratio variation and fuel humidity variation function.Pomimo faktu gwałtownego rozwoju sektora alternatywnych źródeł energii w ostatnich dziesięcioleciach, spalanie węgla jako najważniejszego źródła energii konwencjonalnej (w szczególności w Polsce) jest bardzo istotnym zagadnieniem w aspekcie ochrony i inżynierii środowiska. Nowe wyzwania w zakresie obniżania emisji związków toksycznych, a także gazów cieplarnianych wymuszają rozwój w zakresie innowacyjnych technologii spalania węgla: pierwotnych (na etapie substratów) oraz wtórnych (na etapie produktów), a także modyfikacji procesu spalania (atmosfera OXY). W artykule zajęto się zagadnieniem formowania się zanieczyszczeń (NOx oraz SO2) powstających podczas procesu spalania pyłu węgla kamiennego i brunatnego w atmosferze powietrza oraz atmosferze OXY. Do obliczeń CFD przepływu i spalania mieszanki powietrzno-węglowej wykorzystano model laboratoryjnego pieca opadowego. Jako warunki materiałowe do obliczeń posłużono się rzeczywistymi analizami techniczno-elementarnymi pyłu węglowego. Przedziały frakcyjne cząstek ustalono na podstawie analizy sitowej. Warunki brzegowe (temperaturę pieca, doprowadzanego powietrza oraz paliwa, natężenia przepływu powietrza pierwotnego i wtórnego) ustalono na podstawie pomiarów rzeczywistych w warunkach laboratoryjnych. W celu zamodelowania spalania z uwzględnieniem radiacji wykorzystano model WSGGM (weighted – sum – of – gray – gases model). Obliczenia z uwzględnieniem radiacji oraz powstawania zanieczyszczeń NOx i SO2 prowadzono dla warunków spalania w powietrzu oraz przyjęto różnicowane atmosfery OXY. Obliczenia prowadzono w funkcji wartości współczynnika lambda oraz dla różnych wartości wilgotności paliwa