Зерттеу мақсаттарын қою

Жоғ арыда кө рсетілген қ атты отындарды газификациялаудың заманауи мә селелерінің қ азіргі жағ дайының шолуынан қ азіргі уақ ытта газификацияның, термохимиялық дайындаудың жә не отындарды комплексті ө ң деудің тү рлі ә дістері интенсивті тү рде жасалынып жатқ анын кө ре аламыз. Олар жағ удың эффективтілігін арттырып қ оршағ ан ортағ а зиянды ә серін азайтады.

Плазмалы процестердің белгілі артық шылық тары (жоғ ары селективтілік, тү рлі отындарды ө ң деу мү мкіндігі, химиялық реакцияларды бірден жылдамдату, тү гелдей автоматизациялау мү мкіндігі, инерттіліктің ү лкен болмауы, энергияның жоғ ары концентрациясы, экологиялық тазалық) оларды кең інен қ олдануғ а жол ашты. Кө мірө ң деудің плазмалық процестері жү зеге асыру [93-100] жұ мытардағ ыдай плазмо ағ ындық реакторлардың немесе біріккен электродоғ алық реакторлар кө мегімен жү зеге асырылады. Плазмоағ ындық реакторларда плазманың генерация зонасы жә не отынның термохимиялық айналымдар зонасы бө лініп, тү рлі камераларғ а орнатылады. Ол реактордың ПӘ К тө мендетеді. Бұ л жағ дайдағ ы плазмалық ағ ында химиялық активті орталық тар болмайды жә не ол шикізатты қ ыздыратын жоғ ары температуралы жылу тасмалдағ ыш болады.

Плазмалы реакторлардағ ы біріктірілген типтегі электр доғ алық зона жә не кө мірдің термиялық айналымдар зонасы бір жұ мыс кө леміне біріктірілген. Бұ л процестің энергетикалық эффективтілігін арттырады, ал шикізатты қ ыздыру активтік орталық тары бар доғ а арқ ылы іске асырылады.

Химиялық активті атомдардың (О, Н, С), радикалдардың (ОН, СН, НО₂), иондардың ( , ОН^-, С⁺, Н⁺) жә не электронды газ энергиясының концентрациясы жоғ ары (200-300 МВт/м³) электр доғ а плазмасын қ олдану отын мен тотық тырғ ыштың термохимиялық айналымын бірнеше есе арттырады. Яғ ни, газификация процесінің толық жә не тез ө туіне септігін тигізеді. Осығ ан байланысты газификацияның плазмалық ә дісін қ олдану кө п жағ дайда дә стү рлі жалынды ә дісті қ олданғ анғ а қ арағ анда энергия жағ ынан ә лдеқ айда тиімді.

Бірақ, кө мір газификациясы секілді кү рделі процесс комплектік есептік-теориялық жә не эксперименталды зерттеулерді талап етеді. Қ азіргі бар есептік-теориялық зерттеу ә дістеріне шолу жасау арқ ылы плазмалық газификация процесін зерттеу ү шін химиялық термодинамика жә не электр доғ асымен иницирленетін отындардың кинетикасын ескеретін жылу физикасын қ олдануғ а болатындығ ы анық талды. Кө мір мен тотық тырғ ыштың, ә сіресе осы ауысуларды жү зеге асыруғ а кететін жылу кө зі ретінде тө мен температураны қ оданатын термохимиялық айналымдарының математикалық моделдеуінің жағ дайы керемет емес. Кө мірді газификациялаудың қ азіргі бар толық математикалық модельдері кү й тең деулерімен жә не екі фазалы жү йелердің газодинамика тең деулерімен толық тырылғ ан химиялық кинетика тең деулерін ескереді, кө мір бө лшектерінің тотық тырғ ыштың плазмалық ағ ынындағ ы айналуларын сипаттайды.

Осылайша, зеттреу міндеттеріне келесілер кірді:

- Қ атты отынды плазмалы газификациялаудың ә дісін тү сіну жә не қ олдану;

- Куучекинск кө мірінің ауадағ ы жә не бу газификациясының жоғ ары температуралы процестерінің TERRA универсалды бағ дарламасы кө мегімен жасалынғ ан термодинамикалық анализі;

- Біріккен жылу бө ліну жә не сің ірілу зонасы бар плазмалы реакторларда кө мір тозаң ды бө лшектердің тү рлі тотық тырғ ыштардағ ы (ауа, бу) термохимиялың айналулар кинетикасын, қ ыздыруды, қ озғ алуды сипаттайтын кинетикалық есептеу;

- Қ уаттылығ ы 300МВт ПК-39-II қ азан пешінде кө міртозаң ды отынның жануын CINAR ICE компьютерлік бағ дарламасын қ олдана отырып іш ө лшемді модельдеу;

- Ішінара газифицирлеген кө мір тозаң ды отынның жануынт ПК-39-I қ азанының пешінде CINAR ICE компьютерлік бағ дарламасын қ олдану арқ ылы ү шө лшемді модельдеу;

- Куучекинсккү лділігі жоғ ары кө мірдің ауа-плазмалық жә не бу-плазмалық газификациясының эксперименталды зерттеулері;

- Куучекинсккү лділігі жоғ ары кө мірдің есептік-теориялық жә не экперименталды зерттеулердің нә тижесін салыстыру жә не қ олданылатын атематикалық модельдердің верификациясы;

- Кө міртозаң ды отынның ПК-39-II қ азанының пешінде жануының екі моделі (дә стү рлі жә не ПТС қ олдану арқ ылы) ү шін ү шө лшемді модель бойынша сеп нә тижелерін салыстыру;

ОЗҒ АЛУ, ЖОҒ АРЫ ТЕМПЕРАТУРАЛЫ Қ ЫЗДЫРУ ЖӘ НЕ ПЛАЗМАЛЫ КӨ ЗІ БАР ЦИЛИНДР КАНАЛЫНДАҒ Ы ТОТЫҚ ТЫРҒ ЫШ АҒ ЫНЫНДАҒ Ы КӨ МІР ТОЗАҢ ДЫ ТЕРМОХИМИЯЛЫҚ АЙНАЛУЛАРДЫҢ ЖӘ НЕ ЖОҒ АРЫ ТЕМПЕРАТУРАЛЫ Қ ЫЗДЫРУ ПРОЦЕСТЕРІНІҢ КИНЕТИКАЛЫҚ МОДЕЛЬДЕУІ.

Кө мірдің плазмалық газификациясының жә не Плазма-Кө мір компьютерлік бағ дарламасының кинетикалық зерттеулер моделінің сипаттамасы.

Термодинамикалық модельдеу кө мір тозаң ды ағ ынның электр доғ асымен термиялық жә не динамикалық ә рекеттесу процесінің жә не алынғ ан ө німдердің ары қ арай термохимиялық ө ң делу процесінің толық бейнесін келтіре алмайды. Ө йткені, процестің ө ту уақ ыты деген тү сінікпен байланыспайды. Осығ ан байланысты, газификация жә не отынды жағ уғ а термохимиялық даярлау реагенттердің плазмалы-жанғ ыш қ ұ рылғ ыларында болу уақ ытын ескеретін есептеулерді жү ргізу ү шін аталғ ан процестердің кинатикалық моделі жасалғ ан.

Кө мір тозаң ының плазмалы газификациясының математикалық моделі химиялық ә рекеттесетін, реакторда ішкі жылу кө зімен (электрлік доғ а) таралатын екі фазалы ағ ынды сипаттайды. Кө мір бө лшектері мен газ реакторғ а бірдей температурады тү седі. Бө лшектер, газ электр доғ асы арасында жылу алмасу жү реді. Одан бө лек, ағ ын мен қ абырғ а арасындағ ы импульспен жылу алмасу да ескеріледі. Сонымен қ атар, отынның кейбір химиялық ө згерістері де қ арастырылады. Олардың ішінде: біріншілік ү шұ ыш ө німдердің тү зілуі, бө лінген ұ шқ ыш ө німдердің газ фазадағ ы жә не реакциялары жә не қ алғ ан коксты газификациялау реакциялары.

Кө мір тозаң ының газификация процесінің математикалық моделін жасау кезінде келесі рұ қ сат берілулер жасалынды[119]:

а) процес бір ө лшемді жә не квазистационарлы;

б) газ идеал деп есептелінеді;

в) газ бен бө лшектер қ оспасы реакторғ ан кірер жерде біртекті деп есептелінеді;

г) газ бен қ атты зат арасындағ ы жылу берілу конвекция мен жылу ө ткізгіштік арқ асында іске асады;

д) кө мір бө лшектері изотермиялық, яғ ни бө лшектің бү кіл кө лемінде температура бірдей;

е) гетерогенді реакциялардың жылу бө лінуі тек қ атты заттардың температурасына ғ ана ә сер етеді, ал газ фазалы реакциялардың жылу бө лінуі газ фазасының температурасына ә сер етеді;

ж) бө лшектердің ө зара ә серлесуі жә не бө лшектердің қ абырғ ағ а ү йкелісі мә ні аз болғ андық тан есепке алынбайды;

з) тұ тқ ырлылық ә сері тек газ фазасымен қ атты фазаның ірекеттесуі болғ ан кезде ғ ана есепке алынады;

и) кү л инертті компонент;

Бұ л рұ қ сат берілулер қ арапайым дифференциал тең деулерді қ олдануғ а мү мкіндік береді. Ал бұ л ө з кезегінде жылу алмасу жә не гидродинамика процестерінің есептеулерін оң айлатып, процестегі химиялық ө згерістер туралы толың ырақ ақ парат алуғ а мү мкіндік береді.

Полидисперсті кө мір бө лшектерінің газификациясының сенімді математикалық моделін жасау ү шін тең деулер жү йесі компоненттердің концентрациясының ө згеру тең деуімен бірге бө лшек пен газдың жылдамдық жә не теипература тең деулерін қ амтуы тиіс.

Электр доғ асы энергия сақ талу заң ына сә йкес есепке алынады. Ол плазмалы реактор осінің бойымен бө лінетін жылудың эмпирикалық таралуы бар ішкі жылу кө зі болып табылады.

Жалпылық ты жоғ алтып алмай, тең деулер жү йесінің компоненттері келесідей нө мірленеді деген қ орытынды жасауғ а болады:

i = 1, …, n газтектес компоненттер;

i = n+ 1, …, N қ атты фазалы компоненттер;

j = 1, …, m гетерогендіреакциялар;

j = m+1, …, M газфазалыреакциялар;

l = 1, …, L қ аттыфракциябө лшектері;

осылайша, тең деулер жү йесі келесідей тү рге ие болады:

1. Газтектес компоненттер концентрациясының тең деуі:

i =1,..., n (3.1)

2. Қ атты компоненттердің концентрациясының тең деуі:

i=n +1,..., N; l =1,..., L (3.2)

3. Бө лшек санының сақ талу тең деуі:

(3.3)

Мұ нда, N_l – бө лшектердің кө лемдік концентрациясы: .

Импульс сақ талу тең деуі:

(3.4)

Реактор қ абырғ асына қ атысты ү йкеліс кү ші келесідей:

Мұ ндағ ы ү йкеліс коэффициенті Блазиустың эмпирикалық формуласынан есептеліне алады:

аf_g=0, 316/(Re_w^{0, 25}).

Бұ л ө рнек Рейнольдс сандары ү шін в Re_w < 100000 ауданында дұ рыс .

Газдың динамикалық тұ тқ ырлық коэффициенті келесі эмпирикалық ө рнеттек табылады:

.

Қ арастырылып отырғ ан «сырғ анау» эффектісі Кнудсен ағ ынына байланысты аз жә не бө лшек қ озғ алысына ә сер етпейтін болады. Сонымен бірге кө мірден ұ шқ ыш ө німдердің бө лінуімен байланысты эффекттер бө лшек қ озғ алысына ә сер етпейді [13].

1 Энергия тең деуі:

, (3.5)

Мұ нда q_w –реактордың жанындағ ы бет арқ ылы pDdx конвективті жә не радиационды жылу жоғ алту тү рінде жү йеден шығ арылатын энергия.

Бұ л тең деудің соң ғ ы мү шесі доғ а энергиясының реактор қ абарғ асына қ атысты жжылу жоғ алиуды ескергендегі ү лесін кө рсеті.

Доғ аның жылулық ү лесі доғ аның электр қ уаттылығ ы P_arc мен реактор қ абырғ асына қ атысты жылу жоғ алтудың P₂ айырмасы ретінде анық талады:

(P_arc-P₂)/V=ξ q_arc,

Мұ нда q_arc – цилиндр кө леміне v = Sdx тү сетін энергияа жә не ξ =(1-P₂/P_arc) – плазмалы реактордың жылулық ПӘ К.

Реактор қ абырғ асына толық тай жылу ағ ыны:

,

мұ нда q_w – плазмалы реактор қ абырғ асына меншікті жылу ағ ыны, L_R – плазмалы реактор ұ зындығ ы.

q_arc(x) и q_w(x) арасындағ ы ө лшемдік пропорционлдық коэффициент: ψ = q_arc(x)/q_w(x), сонда:

.

Жұ мсалынатын энергияны есептеу ү шін ө лшемсіз коэффициент қ олдану ө те ың ғ айлы: , яғ ни реактор ПӘ К ү шін формула келесідей болады:

немесе

.

2 Бө лшектердің қ озғ алу тең деуі:

l =1,..., L, (3.6)

Мұ ндағ ы l индексі– бө лшектің ө лшемдік фракция нө мірі .

Стокс кү ші ә серінен бө лшектердің қ озғ алуына қ арсы коэффициент келесідей [120]:

мұ нда - бө лшек ү шін Рейнольдс саны.

1 Бө лшек температурасы тең деуі:

(3.7)

Мұ нда, P=const болғ андағ ы бө лшектердің жылусыйымдылығ ы ө рнегінен, ал жылу алмасу коэффициенті келесі формуладан табылады:

Мұ нда Nu_l –бө лшектер ү шін Нуссельт саны.

Бө лшек-газ жылуалмасуының интенсивтілігі критериалды тә уелділік бойынша есептелінеді:

.

Прандтль саны () 1000-3500 К температура интервалында тұ рақ ты деп алынады (су буындағ ы плазмалы газификация ө німдері ү шін Pr=0, 42, ауадағ ы плазмалы газификация ө німдері ү шін Pr=0, 58), газдың жылуө ткізгіштік коэффициенті Прандтль саны кө мегімен келесі ө рнекке сә йкес табылады:

,

Немесе екендігін есепке ала отырып, жылуө ткізгіштік коэффициентін былайша жаза аламыз:

.

Кө міртектің тотығ уы кезіндегі жылу бө лінудің тү рлі ө лшемді фракциялар бө лшектерінің бетінде ө тетіндігін атып ө ткен жө н. 3.7-тең деудің бірінші мү шесі осыны кө рсетеді.Жеке компоненттердің жылусыйымдылық мә ндері полиномдарды жуық тау негізінде есептелінеді. Олардың мә ндері TERRA бағ дарламасының мә ндер банкінен алынады. Кү рделі кө мірсутектер ү шін жылусыйымдылық пен тү зілу жылуы [121] ә дебиет мә ндері бойынша есептелді, кү л жылусыйымдылығ ы [122; 123] жұ мыстардан алынды. Кө мірдің біріншілік деструкциясынан басқ а реакциялардың жылу эффектісі реакцияғ а қ атысатын қ осылыстардың тү злу жлуынан есептелінеді. Ұ шқ ыш заттардың бө ліну реакцияларының жылу эффектіс ікө мірдің эффективті жә не реалды жылусыйымдылық тарының айырмасынан табылады.

Тең деулер жү йесін тұ йық тау ү шін келесілер қ олданылды:

1. Идеал газдың кү й тең деуі:

(3.8)

2. Газдың келу уақ ыты:

, (3.9)

3. Қ атты бө лшекердің келу уақ ыты:

, (3.10)

(3.4) жә не (3.5) тең деулерден жә не ү шін анық ө рнектерді табуғ а болады:

,

,

Мұ нда ; ; ; ;

;

.

Жасалынғ ан модель химиялық реакциялардың кинетикасын дә лірек сипаттауымен ерекшеленеді. Олардың жалпы схемасы біріншілік ө німдердің бө ліну реакцияларымен қ атар олардың ары қ арай ө згеру реакцияларын да ескереді.(3.1)-(3.10) тең деулер жұ йесі ү шін бастапқ ы жағ дайларды жасау кезінде, газ жә не бө лшек ү шін бастапқ ы жылдамдық жә не температура мә ндерін, реакторғ а кірердегі қ ысымды, реактор қ абырғ асының температурасын, кө мірдің бастапқ ы қ ұ рамын жә не қ атты фазаның массалық шығ ындарын білу керек.

(3.1)-(3.10) тең деулер жү йесі сызық тық емес болғ андық тан жә не кө птеген қ арапайым дифференциалды тең деулерді қ амтитын болғ андық тан, оны тек сандық ә дістер қ олдану арқ ылы шешуге болады. Айтылып отырғ ан модель Плазма-Кө мір программасында FORTRAN программалау тілінде іске асырылады. Жұ мыста К-81 бағ дарламасының [124]-те сипатталғ ан жә не химиялық кинетиканың қ атты тең деулер жү йесін шешуге жылдамдық, температура жә не газ бен бө лшектердің келі уақ ытының дифференциалды тең деулерімен қ атар, Гир ә дісін қ олданатын модификациясы қ олданылды. Есеп нә тижелерінің анализі реактордан шығ ар жерде керекті характеристикалары (химиялық қ ұ рамы, температура, тығ ыздық) бар жанғ ыш қ оспаларды алатын плазмалы реакторлардың оптималды конструкциясы мен жұ мыс режимі жайлы ақ парат береді.