Математическое моделирование зажигания древесно-угольной пеллеты при комбинированном нагреве

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В статье приведены результаты математического моделирования процесса зажигания топливной пеллеты на основе угля и биомассы при высокотемпературном комбинированном радиационно-конвективном и микроволновом нагреве в окислительной среде. Представлена новая математическая модель процесса зажигания частицы композиционного топлива, отличающаяся от известных моделей полным описанием всего комплекса теплофизических, физико-химических и электрофизических процессов, протекающих при зажигании древесно-угольных пеллет в условиях радиационно-конвективного и микроволнового нагревов. Апробация математической модели проведена путем сравнительного анализа теоретических и экспериментальных значений времен задержки зажигания. По результатам численного моделирования установлено, что процесс зажигания топливных пеллет (на основе угля и биомассы) происходит в газовой фазе (в пристеночной топливной пеллете зоне). При этом кислорода, выделяющегося при термическом разложении угля, не хватает для стабильного зажигания во внутрипоровом пространстве топливной частицы. Впервые по результатам теоретических исследований обоснована перспективность использования микроволновой энергии с целью подсветки основного факела топлива.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Г. В. Кузнецов

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Email: syrodoy@tpu.ru
Россия, Томск

С. В. Сыродой

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: syrodoy@tpu.ru
Россия, Томск

М. В. Пурин

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Email: syrodoy@tpu.ru
Россия, Томск

Ж. А. Косторева

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Email: syrodoy@tpu.ru
Россия, Томск

Список литературы

  1. Quintero-Coronel D.A., Lenis-Rodas Y.A., Corredor L.A., Perreault P., Gonzalez-Quiroga A. // Energy. 2021. V. 220. Article 119702.
  2. Wu H., Zeng X., Hao S., Liu B., Zhang Y. et al. // Fuel. 2024. V. 363. Article 131051.
  3. Syrodoy S.V., Malyshev D.Yu., Nigay N.A., Purin M.V. // Process Saf. Environ. Prot. 2024. V. 184. P. 736.
  4. Syrodoy S.V., Kuznetsov G.V., Gutareva N. Yu., Nigay (Ivanova) N.A. // Renewable Energy. 2022. V. 185. P. 1392.
  5. Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Gutareva N.Yu., Nigay N.A. // J. Energy Inst. 2021. V. 96. P. 280.
  6. Syrodoy S.V., Kostoreva J.A., Kostoreva A.A., Asadullina L.I. // Ibid. 2020. V. 93. № 2. P. 443.
  7. Lee D., Lee J.-H., Kim G.-M., Jeong J.-S., Kim S.-M. et al. // Renewable Energy. 2024. V. 226. Article 120198.
  8. Cheng W., Chen J., Yang W., Jiang H., Zhu Y. et al. // Energy (Oxf.). 2024. V. 313. Article 133769.
  9. Li J., Paul M.C., Czajka K.M. // Energy Fuels. 2016. V. 30. № 7. P. 5870.
  10. Fatehi H., Weng W., Costac M., Li Z., Rabaçal M. et al. // Combust. and Flame. 2019. V. 206. P. 400.
  11. Wang X., Luo Zh., Wang Y., Zhu P., Wang Sh. et al. // J. Energy Inst. 2024. V. 115. Article 101707.
  12. Szufa S., Piersa S., Junga R., Błaszczuk A., Modliński N. et al. // Energy. 2023. V. 263, Part E. Article 125918.
  13. Li L., Memon M.Z., Xie Y., Gao Sh., Guo Y. et al. // Circular Economy (China). 2023. V. 2. Article 100063.
  14. Goshayeshi B., Sutherland J.C. // Combust. and Flame. 2014. V. 161. № 7. P. 1900.
  15. Франк–Каменецкий Д.А. // Успехи химии. 1938. Т. 7. № 9. С. 1278.
  16. Франк-Каменецкий Д.А. // Журн. техн. физики. 1939. Т. 9. № 6. С. 1457.
  17. Франк-Каменецкий Д.А. // ДАН СССР. 1941. Т. 30. № 8. С. 729.
  18. Spalding D.B. // Proc. 4th Sympos. (Intern.) on Combust. Pittsburgh: The Combust. Inst., 1953. № 1. P. 847.
  19. Shi X., Wu H., Jin P., Zhang Y., Zhang Y. et al. // Energy. 2023. V. 281. Article 128192.
  20. Zhang T., Zhou Y., Hu Zh. // Fuel Process Technol. 2023. V. 247. Article 107749.
  21. Reddy M.P., Singh A.S., Reddy V.M. et al. // Alexandria Eng. J. 2022. V. 61. № 8. P. 6169. https://doi.org/10.1016/j.aej.2021.11.047.
  22. Yang W., Zhang Y., Liu B., Xu K., Zhang H. // Fuel. 2022. V. 314. Article 122772.
  23. Zhang T., Hu Zh., Zhou Y. // Combust. and Flame. 2022. V. 241. Article 112092.
  24. Mularski J., Lue L., Li J. // Fuel. 2023. V. 348. Article 128520.
  25. Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Kostoreva Zh.A., Nigay N.A., Purin M.V. et al. // Combust. and Flame. 2024. V. 262. Article 113353.
  26. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Наука, 1967.
  27. Dogonchi A.S., Bondareva N.S., Sheremet M.A., El-Sapa Sh., Chamkha Ali J. et al. // J. Energy Storage. 2023. V. 72. № 7. Article 108745.
  28. Bondareva N.S., Sheremet M.A. // Intern. J. Thermofluids. 2023. V. 19. Article 100374.
  29. Гольдин В.Я., Четверушкин Б.Н. // Журн. вычисл. математики и мат. физики. 1972. Т. 12. № 4. С. 990.
  30. Chen Y., Aanjaneya K., Atreya A. // Fire Saf. J. 2017. V. 91. P. 820.
  31. Galgano A., Blasi C. Di. // Combust. and Flame. 2004. V. 139. № 1–2. P. 16.
  32. Paea S. Coal pyrolysis distribution. Wellington (New Zealand): Victoria University of Wellington, 2008.
  33. Бондарев А.Е. Препринт № 073. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2008.
  34. Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Malyshev D.Yu., Gutareva N.Yu., Nigay N.A. // Appl. Therm. Eng. 2020. V. 170. Article 115034.
  35. Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. Справ. М.: Изд-во стандартов. 1969.
  36. Агроскин А. А., Глейбман В.Б. Теплофизика твердого топлива. М.: Недра, 1980.
  37. Грязнов Н.С. Пиролиз углей в процессе коксования. М.: Металлургия, 1983.
  38. Агроскин А.А. Физические свойства угля. М.: Металлургиздат, 1961.
  39. Зельдович Я.Б. Избранные труды. Химическая физика и гидродинамика. М.: Наука, 1984.
  40. Семенов Н.Н. // Успехи физ. наук. 1940. Т. 24. № 4. С. 433.
  41. Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ. Новосибирск: Наука (Сибирское отделение), 1984.
  42. Басевич В.Я. // Успехи химии. 1987. Т. 56. № 5. С. 705.
  43. Самарский А.А. // Журн. вычисл. математики и мат. физики. 1963. Т. 3. № 3. С. 431.
  44. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. Учеб. пособие. М.: Наука, 1989.
  45. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука, 1971.
  46. Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Purin M.V., Karelin V.A., Nigay N.A. et al. // Energy. 2024. V. 288. Article 129579.
  47. Физическая энциклопедия / Под ред. Прохорова А.М. В 5 т. М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. Т. 3.
  48. Yee K. // IEEE Trans. Antennas Propag. 1966. V. 14. № 3. P. 302.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Область решения задачи зажигания при радиационно-конвективном нагреве.

Скачать (720KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема пиролиза [32].

Скачать (206KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Области решения задачи: Ω1 — область, соответствующая топливной пеллете; Ω2 — область, соответствующая внешней газовой среде.

Скачать (374KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость времени задержки зажигания древесно-угольной пеллеты при радиационно-конвективном нагреве: 1 — данные экспериментальных исследований [46]; 2 — результаты математического моделирования.

Скачать (248KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Температурные поля и линии тока в малой окрестности топливной пеллеты в момент воспламенения для различных температур внешней среды: a — 873; б — 973; в — 1073 K, где A — особая точка векторного поля типа “центр”.

Скачать (2MB)
Метаданные
7. Рис. 6. Концентрация кислорода (O2), распределения давления (P) и температуры (T) во внутрипоровой структуре топлива в момент воспламенения: Z — безразмерная координата поперечного сечения (Z = z/hz, где z — размерная координата (в м), hz — высота пеллеты); R — безразмерная координата (R = r/r0, где r — координата в радиальном направлении, r0 — радиус топливной пеллеты).

Скачать (1MB)
Метаданные
8. Рис. 7. Область решения задачи зажигания при комбинированном радиационно-конвективном и СВЧ-нагреве.

Скачать (1MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость времени задержки зажигания древесно-угольной пеллеты от напряженности электрического поля.

Скачать (16KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025