Експериментальні дослідження та фізико-математичне моделювання впливу неоднорідності температурного поля по вуглецевій частинці на характеристики її займання, горіння і згасання

Editorial Board PCSS Journal; Світлана Орловська

doi:10.15330/pcss.27.1.179-187

Автор(и)

Світлана Орловська Одеський національний університет імені І.І. Мечникова, Одеса, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.1.179-187

Ключові слова:

вуглецеві частинки, займання, горіння, згасання, температурний градієнт, внутрішня теплопровідність, період індукції, час горіння

Анотація

Робота присвячена експериментальним дослідженням та фізико-математичному моделюванню високотемпературного тепломасообміну та хімічного перетворення вуглецевих частинок з урахуванням внутрішньої теплопровідності. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю підвищення точності прогнозування характеристик займання, горіння та згасання твердих палив в теплотехнічних процесах. У більшості теоретичних підходів використовується ізотермічне наближення частинки, що може привести до похибок у визначенні періоду індукції і часу вигоряння, особливо для частинок субміліметрового та міліметрового діапазону.

Запропонована неізотермічна модель, що включає внутрішню теплопровідність в частинці, реакції окиснення, теплообмін конвекцією і випромінюванням. Проведено чисельні розрахунки для інтервалу діаметрів 100-1000 мкм з аналізом температурних полів та градієнтів на стадіях займання і згасання. Показано, що зі зростанням діаметра частинки збільшується температурний перепад між поверхнею і центром, тоді як радіальний температурний градієнт зменшується внаслідок просторового розтягнення температурного поля та зростання нестаціонарного теплового часу. Експериментальні дослідження з міліметровими частинками показали значні температурні градієнти на стадії займання і ідентифікували момент займання максимальним значенням часової похідної поверхневої температури частинки.

Порівняння розрахунків з використанням ізотермічної та неізотермічної моделей засвідчило систематичне підвищення часу займання і горіння частинки без врахування внутрішньої теплопровідності. Показано, що в області малих розмірів частинок неврахування внутрішньої теплопровідності призводить до відсутності займання. Отримані результати підтверджують необхідність неізотермічного опису для коректного прогнозування характеристик горіння вуглецевих частинок з розмірами більше 200 мкм.

Посилання

H. Yan, B. Nie, F. Kong, Y. Liu, Experimental investigation of coal particle size on the kinetic properties of coal oxidation and spontaneous combustion limit parameters, Energy, 270, 126890 (2023); https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.126890.

K. Lei, B. Ye, J. Cao, R. Zhang, Combustion characteristics of single particles from bituminous coal and pine sawdust in O2/N2, O2/CO2, and O2/H2O atmospheres, Energies, 10(11), 1695 (2017); https://doi.org/10.3390/en10111695.

E.Marek, K.Stańczyk, Case studies investigating single coal particle ignition and combustion, J Sustain Mining, 12 (3), 17 (2013); http://dx.medra.org/10.7424/jsm130303.

A. Williams, Combustion and Gasification of Coal, CRC Press, 272 (2000); ISBN 9781560325499.

J. Riaza, R. Khatami, Y. А. Levendis, L. Álarez, M. V. Gil, C. Pevida, F. Rubiera, J. J. Pis. Single particle ignition and combustion of anthracite, semi-anthracite and bituminous coals, Combustion and Flame, 161(4), 1096 (2014); https:// doi.org/10.1016/j.combustflame. 2013.10.004.

J. Riaza, J.Gibbins, H. Chalmers, Ignition and combustion of single particles of coal and biomass, Fuel, 202, 650 (2017); https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.04.011.

X. Shi, Yu. Zhang, X. Chen, Yu. Zhang, Effects of thermal boundary conditions on spontaneous combustion of coal under temperature-programmed conditions, Fuel, 295, 120591, (2021); https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120591.

R. Khatami, C. Stivers, K. Joshi, Y.A. Levendis, A.F. Sarofim, Combustion behavior of single particles from three different coal ranks and from sugar cane bagasse in O2/N2 and O2/CO2 atmospheres, Combustion and Flame, 159(3), 1253 (2012); https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2011.09.009.

Ch. Bu, D. Liu, X. Chen, D. Pallarèsb, A. Gómez-Barea, Ignition behavior of single coal particle in a fluidized bed under O2/CO2 and O2/N2 atmosphere: a combination of visual image and particle temperature, Applied Energy, 115, 301 (2014); https://doi.org/10.1016/j.apenergy. 2013.10.040.

S.G. Orlovska, The influence of the collective effect on the characteristics of high-temperature heat and mass transfer of aggregates of porous carbon particles, Physics and Chemistry of Solid State, 12(2), 490 (2011); http://nbuv.gov.ua/UJRN/PhKhTT_2011_12_2_38.

S.G. Orlovska, O.M. Zui, Study of high-temperature heat-mass transfer of two-fraction gas suspensions and individual carbon particles in heated air, Рhysics and chemistry of solid state, 25(2), 338 (2024); https://doi.org/10.15330/pcss.25.2.338-345.

D. Glushkov, A. Zhuikov, N. Zemlyansky et al., Influence of the Composition and Particle Sizes of the Fuel Mixture of Coal and Biomass on the Ignition and Combustion Characteristics, Appl. Sci., 13(19), 11060 (2023); https://doi.org/10.3390/app131911060.

S.R. Gubba, L. Ma, M. Pourkashanian, A. Williams, Influence of particle shape and internal thermal gradients of biomass particles on pulverised coal/biomass co-fired flames, Fuel Processing Technology, 92(11), 2185 (2011); https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2011.07.003.

S.G. Orlovska, The influence of temperature distribution over a carbon particle on its ignition and combustion characteristics, Physics of Aerodisperse Systems, 62, (2024); https://doi.org/10.18524/0367-1631.2024.62.318555.

S. Sazhin, J. Yang, M. Heikal, On the kinetics of ignition of carbonaceous particles with internal temperature gradients, Fuel, 85(10-11), 1411 (2006); https://doi.org/10.1016/j.fuel.2005.11.010.

V. Shigapov, V. Gromov, Ignition of a single fuel particle with allowance for internal temperature gradient, Combustion, Explosion, and Shock Waves, 51(1), 1 (2015), https://doi.org/10.1007/s10573-015-0544-1.

D.M. Khzmalyan, Theory of furnace processes (Energoatomizdat, 1990) ISBN 5-283-00063-Х.

M. N. Özisik, Heat Conduction, 2nd Ed. (New York, NY: Wiley, 1993).