Laminar Pulverized Coal Combustion Numerical Modelling of One-Dimensional

Vietsciences- Trịnh Minh Chính      10/08/2004
 

   Phần I

Lời mở đầu

Có vài điều bạn đọc nên lưu ý:

1)     Bài luận án này đã chuyển từ dạng Wordperfect v.5.1 sang Word 2000, nó có th làm biến dạng các hình vẽ cũng như các công thức. Các số thứ tự có thể thay đổi.

2)     Vì đây là luận án do hãng tư nhân bảo trợ nên một số hình vẽ, kết quả v.v. không trình bày ở đây. Tuy nhiên về phần lý thuyết (toán, vật lý, hoá học và phương pháp giải) trình bày đầy đủ cả.

3)     Bài luận án này không phải là tài liệu giáo khoa để dạy học mà là kết quả gần 3 năm nghiên cứu trình bày cho các kỹ sư chuyên ngành năng lượng đặc biệt cho các kỹ sư làm trong các nhà máy nhiệt điện chạy bằng than đá. Một số từ chuyên môn do đó không giải thích chi tiết ở đây. Cho các bạn không chuyên ngành có thể tham khảo thêm các tài liệu (References) có nêu ở dưới.

4)     Tài liệu này đúc kết một phần kết quả các tài liệu nêu ở phần “Tài liệu tham khảo” (References), đồng thời đã tìm ra một số “lý thuyết” để giải quyết vấn đề “mong muốn”. Một phần của kết quả này đã trình bày ở hai “Hội Nghị” (Conference) quốc tế về năng lượng:

v      Trinh M. C., Andersen F. M. B., Peck E. R. Pabian D. J. Chemical Kinetic Modeling One-Dimensionnal Laminar Pulverized-Coal/Air Flames. Third Asian-Pacific International Symposium on Combustion and Energy Utilization. Hong Kong 11-15 December 1995, pp. 478-483.

v      Trinh M. C. and Andersen F. M. B. Modeling One-Dimensionnal Laminar Pulverized-Coal/Air Flames with Influence of Tar and Soot Formation. Joint Meeting of The Portuguse, British, Spanish and Swedish Sections of The Combustion Institute. Madeira, Portugal, April 1-4, 1996, pp. 14.1.1 - 14.1.4.

Cho các bạn đọc không chuyên ngành năng lượng, các bạn có thể hiểu rõ ý nghĩa của luận án này qua các câu hỏi và trả lời dưới đây

1)    Tại sao phải “tính các mô hình” (Numerical Modelling)

Ngày nay điện toán đã phát triển nhanh và tạm đủ cho chúng ta dùng mô hình biểu diễn hiện tượng vật lý có thật sự ngoài thực tế và tính toán các mô hình này thay cho các thí nghiệm đắt tiền hoặc không thể thực hiện được. Sự tính toán mô hình rất phức tạp không dùng phương pháp “analytical” (tạm dịch tính chính xác) được mà phải dùng “numerical” (tạm dịch tính gần đúng).

2)    Tại sao tính mô hình 1D (One dimensional) mà không 3D Three dimensional)

 

Để kiểm soát độ chính xác của sự tính toán mô hình, chúng ta phải kiểm chứng bằng các thí nghiệm. Trong trường hợp không gian 3 chiều (3D), sự đốt cháy sẽ rất phức tạp, ngoài các phản ứng hoá học còn có ảnh hưởng của sự rối loạn gọi là “turbulence”. Sự rối loạn sẽ làm các phản ứng hoá học, nhiệt độ, độ nhờn của dòng chảy và tốc độ của không khí, chất đốt và khói phực tạp nhiều hơn nữa. Do đó chúng ta sẽ đơn giản hoá các thí nghiệm và dễ dàng kiểm chứng được sự chính xác của mô hình so với kết quả thí nghiệm.

 

Mô hình sự đốt cháy của bột than đá trong không gian một chiều. Sự đốt cháy của bột than đá trong không gian một chiều. Thí nghiệm này do Giáo Sư Robert E. Peck và học trò của ông ở trường Đại Học Arizona (Arizona State University), Temper, USA làm ra.  

Rất khó làm thí nghiệm sự cháy trong không gian một chiều. Hãy nhìn mô hình và thật sự thí nghiệm ở ngoài (xem hình bên). Chiều rộng của ngọn lửa thay đổi theo chiều x, có nghĩa là ngọn lửa ít nhất cháy hai chiều. Giả sử cháy một chiều chỉ tính gần đúng.

3)    Có bao nhiêu mô hình trong sự cháy của than đá trong sự cháy một chiều (1D)

Trong phần lý thuyết đã trình bày. Chiều dài ngọn lửa chia ra nhiều điểm nhỏ, mật độ (khoảng cách hai điểm) tùy thuộc vào độ biến của các biến số như vận tốc hỗn hơp, nhiệt độ, các nguyên tố hoá học v.v. (tùy theo độ chính xác có khoảng từ vài chục đến vài trăm điểm trong trường hợp này). Tại mỗi điểm sẽ có những PT (phương trình) sau đây:

à         2 PT BT (bảo toàn) vận tốc trọng lượng (flow rate) (hạt than và chất khí)

à         2 PT BT năng lượng (nhiệt độ)

à         2 PT truyền nhiệt do sự bức xạ

à         n PT hoá học (n là số lượng nguyên tố trong ngọn lửa)

à         và nhiều công thức và PT phụ khác

Như vậy chúng ta sẽ gồm có các PT kể trên nhân với số điểm ta sẽ có số lượng PT mà ta muốn giải cho ngọn lửa dài không quá 10 cm.

Với một nhà máy điện với công suất khoảng 400 MW ta sẽ có lò đốt than đá chiều cao hơn 30 m và chiều rộng và dài khoảng 10 – 15 m (thể tích thí dụ 30x10x15 m) sẽ có bao nhiêu điểm và số lượng PT tại mỗi điểm có thể hơn 10 lần vì ngọn lửa cháy 3 chiều (biến đổi 3 chiều) và cháy rối loạn. Máy computer nào sẽ giải tất cả các PT này cùng một lúc?

Khi bột than bị đun nóng, khí đốt trong than sẽ phóng thích ra trước gọi là Devolatilization (sự mất tính bay hơi) hay Pyrolysis (nhiệt phân). Khí đốt này gọi chung là volatiles (chất dễ  bay hơi) gồm có CxHy (C2H6, CH4, HCN, H2, tar (nhựa đường), v.v.) , khí đốt này sẽ cháy trước (xem Combustion of Volatiles). Phần còn lại gồm carbon (C) và chất bẩn không cháy được gọi là ash (tro). Carbon còn lại gọi là char (than)  sẽ cháy cho CO hoặc CO2 (đơn giản mô hình) (xem trong phần Combustion of coal char, sự đốt cháy của than đá). Các mô hình được nêu lên trong luận án.

4)    Có ứng dụng lý thuyết này cho thực tế không?

Đây là lý thuyết cơ bản và cách tính toán mô hình cho một ngọn lửa của đơn giản nhất của bột than đá (chất rắn). Những nhóm công thức hoá học tìm ở đây có thể ứng dụng trong trường hợp tính mô hình to lớn phức tạp hơn của các lò đốt trong các nhà máy nhiệt điện để giảm sự tính toán của máy tính.

Lý thuyết này cũng có thể dùng cho sự cháy của chất rắn (như gỗ, mạt cưa, rơm, v.v.), tuy nhiên những hằng số sẽ phải thay thế bằng những hằng số khác.

Lý thuyết này ứng dụng cho các kỹ sư chuyên về ngành đốt cháy. Dùng thiết kế các lò đốt trong các nhà máy nhiệt điện. Là cơ bản cho việc nghiên cứu sự đốt cháy khác phức tạp. Một tài liệu có thể giúp cho các nghiên cứu sinh (Ph.D. student) chuyên về sự đốt cháy của chất rắn hay than đá.

ABSTRACT PRIVATE

   A model for laminar, premixed pulverized‑coal flame propagation has been developed which includes particle radiation, conduction between gas and particles, and combustion of volatiles and char. Radiative heat transfer between particles is described by the two‑flux model. Both the multiple parallel reaction model (MPRM) and the distributed activation energy model (DAEM) are used for decomposition kinetics, while six sets of multistep reaction models are used for volatiles (CO, HCN, C2H6, CH4 and H2) combustion. The burning of coal char is described by the single-film model and two char oxidation models are used for testing. The composition of volatiles is calculated by the interpolated method, based on the data of Solomon et al. (1992).

    The model is evaluated by comparing predicted particle temperature and composition profiles with experimental data for a flat‑flame coal‑dust burner.  Flame temperatures and heat fluxes were measured by a multi‑wavelength infrared pyrometer technique.

    A new multistep kinetic reaction model, called "reduced model 3" with 15 reactions, which describes the oxidations of CO, CH4 and H2, is proposed. This reduced model gives the best results (particle temperatures and concentrations) compared with experimental data.

CONTENTS

                                                                                                                  Page

NOMENCLATURE                                                                                                 vi

LIST OF FIGURES                                                                                                x

1 INTRODUCTION                                                                                                1

2 MATHEMATICAL MODEL                                                                                     4

    2.1 Governing Equations                                                                                   4

         2.1.1 Particle phase                                                                                    4

         2.1.2 Radiative model                                                                                  8

         2.1.3 Gas phase                                                                                         9

         2.1.4 Chemical reaction rate expressions                                                   11

         2.1.5 Discretization                                                                                   13

         2.1.6 Boundary Conditions                                                                      14

    2.2 Devolatilization Model (Pyrolysis)                                                                 14

         2.2.1 Multiple parallel reaction model (MPRM)                                                 16

         2.2.2 Distributed activation energy model (DAEM)                                           17

         2.2.3 Q-factor                                                                                         19

    2.3 Combustion of Volatiles                                                                              21

         2.3.1 Composition of volatiles                                                                      22

         2.3.2 Global Models                                                                                   22

         2.3.3 Multistep reaction models                                                                   26

         2.3.4 The kinetic reaction models used in the calcualtions                                29

    2.4 Combustion Coal Char                                                                               34

         2.4.1 Char oxidation model 1 (Mitchell's model)                                               35

         2.4.2 Char oxidation model 2                                                                       38

         2.4.3 Formation of CO and CO2                                                                    41

 

3 RESULTS AND DISCUSSIONS                                                                             44

    3.1 ILLINOIS #6 COAL AIR FLAME                                                                     45

         3.1.1 Devolatilization models                                                                       45

         3.1.2 Combustion (oxidation) of volatiles without char oxidation model            46

         3.1.3 Combustion (oxidation) of volatiles with char oxidation model                50

         3.1.4 Mitchell's char oxidation model                                                 

         3.1.5 New ultimate analysis                                                                     55

         3.1.6 Char oxidation happened after pyrolysis process                                  56

         3.1.7 Different particle sizes dp = 15.4, 30.0, 50.0 μm                                  56

         3.1.8 Different oxygen concentrations in oxidizer                                         59

         3.1.9 Without the influence of the radiation of particles to the cold environment and without the influence of inter-particle radiation                                                                                              60

    3.2. PITTSBURGH #8 COAL AIR FLAME                                                                62

         3.2.1 Different oxygen concentrations in oxidizer                                         62

         3.2.2 Char oxidation happened after devolatilization                                     63

4 CONCLUSIONS                                                                                                65

REFERENCES                                                                                                     68

APPENDIX A1: Calculation of Composition of Volatiles from Raw Coal                           76

APPENDIX A2: Numerical Calculation of DAEM for Non-isothermal Process                     84

APPENDIX B1: Illinois #6 Coal Air Flame                                                                  85

APPENDIX B2: Pittsburgh #8 Coal Air Flame                                                           127

APPENDIX C:  Analysis of Raw Coal and Coal Char                                                  136

                              NOMENCLATURE PRIVATE

Aa       : Apparent pre-exponential factor (g/(cm2 atmn s))

Apj      : Particle surface area (cm2)

Atot  : Cross-sectional area (cm2)

B        : Stefan flow parameter defined in Eq.(7)

Ca       : Absorption constant (-)

Cp       : Constant pressure heat capacity of the mixture (ergs/(mole K))

Cpj      : Constant pressure heat capacity of particles (ergs/(g s))

Cpk      : Constant pressure heat capacity of the kth species (ergs/(mole K))

Cs       : Scattering constant (-)

dp       : Particle diameter (cm)

Dk       : Mixture-averaged diffusion coefficient (cm2/s)

Dox  :     Diffusion coefficient of oxygen (cm2/s)

Dox,0    : Diffusion coefficient at oxygen at Tm = 300K (cm2/s)

E, Ei    : Activation energy (cal/mole)

Ea       : Apparent activation energy (cal/mole)

hg       : Heat transfer coefficient (ergs/(cm2 K s))

hk       : Specific enthalpy of the kth species (ergs/g)

HCO : Heat of reaction for C + ½O2 = CO; HCO = 9.79x1010 ergs/(g C)

HCO2 : Heat of reaction for C + O2 = CO2; HCO2 = 33.05x1010 ergs/(g C)

Heff  : Heat of reaction at the particle surface (ergs/gC)

Hk0  : Standard state enthalpy of the kth species (ergs/mole)

Hk       : Enthalpy of the kth species (ergs/mole)

i         : Reaction index

J        : Grid index

k,ki : Rate constant (s-1)

kfi       : Forward rate constant of the ith reaction

kri       : Reserve rate constant of the ith reaction

Kci   : Equilibrium constant in pressure units for the ith reaction

Kd       : Mass transfer coefficient (g/(cm2 s))

Ks       : Apparent chemical reaction rate coefficient (g/(cm2 s atmn))

MC      : Molecyle weight of carbon (g/mole)

Mg      : Mass flow rate of gas (g/s)

Mpj  : Mass flow rate of particles (g/s)

Mpj,0    : Initial particle mass flow rate (g/s)

nj       : Number of particles (-)

Nu      : Nusselt number (-)

Patm : Pressure of one standard atmosphere (dynes/cm2)

Pg       : Ambient oxygen partial pressure (atm)

Ps       : Oxygen partial pressure at the particle surface (atm)

Pr       : Prandtl number (-)

q        : Overall particle burning rate (the rate of consumption of carbon) (g/(cm2 s))

q+       : Forward net flux density (ergs/(cm2 s))

q-       : Backward net flux density (ergs/(cm2 s))

qi        : Rate of progress of the ith reaction (moles/(cm3 s)

Qw      : Radiative heat transfer from hot particles to cold environment ((g K)/(s cm3))

R        : Universal gas constant, R = 1.986 cal/(mole K)

R'       : Universal gas constant, R'= 82.06 (atm cm3)/(mole K)

Re      : Reynolds number (-)

Sk0      : Standard state entropy of the kth species (ergs/(mole K))

Sk       : Entropy of the kth species (ergs/(mole K))

Sh      : Sherwood number (-)

t        : Time (s)

Tg       : Gas temperature (K)

Tm      : Film temperature (K)

Tp       : Particle temperature (K)

Tw      : Wall temperature (K)

V        : Mass of total volatiles evolved from raw coal at time t (-)

V*       : Mass of total volatiles evolved from raw coal at t = ¥ (-)

Vc       : Correction velocity (cm/s)

Vi       : Mass of volatile component evolved from raw coal at time t (-)

Vk       : Diffusion velocity of the kth species (cm/s)

Vkd  : Ordinary diffusion velocity (cm/s)

Vkt      : Non-zerodiffusion velociton velocity (cm/s)

Vtot  : Control volume (cm3)

W       : Mean molecular weight of the mixture (g/mole)

Wk      : Molecular weight of the kth species (g/mole)

x        : Spatial coordinate (cm)

Xk       : Mole fraction of the kth species

[Xk] : Molar concentration of the kth species (moles/cm3)

Yi       : Mass fraction of the ith species in volatiles (composition of volatiles) (-)

Yk       : Mass fraction of the kth species in gas phase (-)

Greek symbols

ε        : Particle emissivity 

λg       : Thermal conductivity of the mixture  (ergs/(cm K s))

vki       : Stoichiometric coefficient of the kth reaction, vki = vki'' - vki'

vki'      : Stoichiometric coefficients of the kth reactant species in the ith reaction

vki'' : Stoichiometric coefficients of the kth product species in the ith reaction

ρ        : Gas density (g/cm3)

σ        : Stefan-Boltzmann constant, σ = 5.67x10-8 W/(m2K4))

σ, σi    : Standard deviation (-)

σa       : Absorption coefficient (1/cm)

σs       : Scattering coefficient (1/cm)

_k       : Molar rate of production of the kth species (mole/(cm3 s)

Symbols used in the figures

Tg,m : Measured gas temperature (K)

Tp,m : Measured particle temperature (K)

[CO2], [O2], [CH4], [H2], [CO] : Predicted mole fraction of species

[CO2,m], [O2,m], [CH4,m], [H2,m], [CO,m] : Measured mole fraction of species

%N,lo, %C,lo, %H,lo, etc.   : Weight loss of element

%N,0, %C,0, %H,0, etc.     : Initial weight of element

© http://vietsciences.free.fr   Trịnh Minh Chính (1995)