Відходи науки і техніки
резюме
Анотація
Записи індексу
Ключові слова: побутові відходи, спалювання, леткі органічні сполуки, горіння, ФЛУЕНТ, ламінарний режим, турбулентний режим
Ключові слова: комунальні відходи, спалювання, леткі органічні сполуки, горіння, ФЛУЕНТ, ламінарний режим, турбулентний режим
Зміст
Повний текст
Термохімічні процеси, такі як спалювання або карбонізація, є надійним засобом обробки горючих органічних відходів, якщо викиди диму належним чином контролюються та обробляються. Вони ведуть, з одного боку, до зменшення маси та обсягу відходів, а з іншого - до їх рекуперації енергії за рахунок виробництва тепла та/або електроенергії. Однак ці процеси генерують газоподібні викиди, такі як оксиди вуглецю (CO, CO2), оксиди сірки (SO2), оксиди азоту (NOx), хлоровані продукти (діоксини та фурани), леткі органічні сполуки., Поліциклічні ароматичні вуглеводні, пил, важкі метали, сажа тощо СО2 є основним парниковим газом, а NOx впливає на екосистему (кислотні дощі, фотохімічне забруднення, евтрофікація), на руйнування шару озонового шару стратосфери, а також на здоров'я людини (Балет, 2008; Адду, 2009).
Класичні методи обробки випарів (Balet, 2008; Addou, 2009) призводять до утворення залишків очищення, які необхідно обробляти та обробляти відповідно до їх небезпеки. У процесах типу піролізу/карбонізації випалювання випарів забезпечує ефективну та економічну обробку, про що свідчать численні роботи з вуглецювання деревини (Halouani and Farhat, 2003). Ці автори розробили напівемпіричну модель спалення випарів з трьох печей карбонізації з частковим згорянням у зміненому режимі роботи у вертикальному циліндричному реакторі. Результати показують, що спалення карбонізаційних парів приблизно при 1000 ° С дозволяє знищити 99% маси забруднюючих речовин, за винятком СО2, і зменшити викиди забруднюючих газів.
Основною метою цього дослідження є моделювання та імітація горіння летких органічних сполук, які, ймовірно, будуть присутніми в парах спалювання побутових відходів у ламінарному потоці, з одного боку, а потім, беручи до уваги взаємодію між горінням та турбулентністю.
1.1. Фізична проблема
Справа стосувалась диму, який буде отримуватися при спалюванні побутових відходів (Tézanou, 2003), що складається з CH4, C2H4, CO, H2, C та O2 при відповідних масових частках: 0,0635; 0,0740; 0,0369; 0,0264; 0,0158; 0,81 (N’wuitcha et al., 2014a; N’wuitcha et al., 2014b).
Вважається, що спалювання органічних забруднювачів випарів (див. Рисунок 1) здійснюється в циліндричному корпусі з внутрішнім діаметром D = 1 м і висотою H = 1 м, забезпеченому двома отворами: круглим отвором з діаметр = 0,2 м у нижньої основи для входу диму та інший з діаметром ds = 0,2 м у верхньої основи спалювальної установки, через яку виходять гази після згоряння. У наших розрахунках було враховано надлишок повітря A0 = 35%.
Рисунок 1. Вертикальний розріз печі
1.2. Переносні рівняння
Беручи до уваги спрощені припущення, сформульовані в (N'wuitcha et al., 2012), рівняння, що регулюють перенесення в печі в ламінарному режимі, записуються в циліндричній системі відліку (O, r, z) у наступному загальному форма:
де ϕ являє собою фізичну величину: 1 (рівняння безперервності), u осьова складова швидкості, v радіальна складова швидкості, T температура, Yi масова частка хімічних видів i. В турбулентних умовах, виходячи зі спрощення припущень, зроблених у (N’wuitcha et al., 2014a; N’wuitcha et al., 2014b), рівняння переносу набувають загальної форми вище. На додаток до фізичних величин, представлених, додаються параметри турбулентності, k, турбулентна кінетична енергія і ε, її швидкість дисипації. ρ - щільність, час, радіальна координата, z нормальна координата, Γ ϕ коефіцієнт дифузії ϕ та S ϕ термін джерела ϕ.
Моделі радіаційного переносу та горіння, а також початкові та граничні умови описані в (N'wuitcha et al., 2012) для ламінарного режиму та в (N'wuitcha et al., 2014a; N'wuitcha et al., 2014b) для турбулентного режиму.
2.1. У ламінарному режимі
Рівняння переносу дискретизуються методом скінченних обсягів. Отримані системи алгебраїчних рівнянь тридіагонального типу вирішуються за допомогою алгоритму Томаса, пов'язаного з ітераційною процедурою з коефіцієнтом субралаксації, рівним 0,6 для складових швидкості та 0, 8 для температури, масових часток, тиску та яскравості. Ітераційна процедура зупиняється, коли перевірено наступний тест:
де n - кількість ітерацій і ε прийнята точність дорівнює 10 -4 .
Критерій збіжності визначається таким чином, що вихідний термін рівняння корекції тиску становить менше 10 -8 .
Модель кінетики реакції застосована до загального ламінарного горіння метану поблизу ізотермічної стінки з урахуванням ефекту Дюфура і Сорета. Розрахунки проводили для стехіометричної суміші з такими вихідними масовими частками: YCH4 = 0,055; YO2 = 0,22; YN2 = 0,725.
Порівняльне дослідження між нашими результатами та результатами Popp et al. (1997) показує хорошу якісну та кількісну узгодженість. Середня відносна різниця між нашими результатами та результатами Popp et al. (1997) менше 2%.
2.2. У турбулентному режимі
Числова процедура, що використовується кодом FLUENT, для роздільної здатності рівнянь передачі, базується на неявному методі кінцевих обсягів. Розділення отриманих таким чином систем алгебраїчних рівнянь здійснюється методом елімінації Гауса, пов'язаного з коефіцієнтом недостатньої релаксації, рівним 0,7 для швидкостей та 0,8 для турбулентної кінетичної енергії та швидкості дисипації. Турбулентної кінетичної енергії. Рівняння випромінювального переносу вирішується методом дискретних ординат (Kim and Baek, 2005) на основі дискретизації кутів методом скінченних обсягів. Для глобальної моделі кінетики, з якою пов'язані взаємодії між турбулентністю та хімічною кінетикою, ми розглянули єдине рівняння глобального горіння.
Обчислювальний код, розроблений для розв’язання рівнянь переносу, перевіряється шляхом порівняння наших обчислювальних результатів з експериментальними результатами швидкостей і температур для турбулентної природної конвекції та тепловіддачі в асиметрично нагрітому вертикальному каналі (Miyamoto, 1986). Відносна різниця, яка спостерігається між нашими розрахунками та експериментальними результатами Міямото (1986), не перевищує 3,5% для вертикальної складової швидкості та 4% для температури (N’wuitcha et al., 2014a) .
3.1. Результати моделювання ламінарного режиму
3.1.1. Температурні поля
На рис. 2 показано модельоване еволюцію з часом температурних профілів і швидкості виробництва тепла на певних ділянках печі в залежності від радіальної відстані. Ми виявили, що в даній точці температури і виробництво тепла різко зростають у залежності від радіальної відстані і асимптотично прагнуть до постійних значень. В околицях стіни температура та показники виробництва зменшуються із збільшенням радіальної відстані через втрати тепла внаслідок природної конвекції між зовнішньою поверхнею стіни та навколишнім середовищем. Коливання температури і швидкості теплопродукції дуже велике в районах, розташованих на радіальній відстані, меншій за радіус входу печі. У цій області на хімічні реакції сильно впливають конвективні переноси, які там інтенсивні, впливаючи тим самим на розподіл температури всередині печі.
Зміни температури з часом у певних зонах печі показані на малюнку 3. Випари генерують послідовність екзотермічних хімічних реакцій між горючими компонентами випарів та киснем. Температура димокисневої суміші поступово підвищується, поки вона не прагне до постійного значення, що характеризує стан рівноваги між введеними теплом (внаслідок хімічних реакцій) та втратами тепла між газовою сумішшю та навколишнім середовищем.
Рисунок 2. Радіальний профіль температури газової суміші (а) і швидкості виробництва тепла (б) в ламінарному режимі
Еволюція з часом температур зовнішньої та внутрішньої граней стінки печі показана на рисунку 4. Ми зауважимо, що ці температури з часом зростають, а потім асимптотично прагнуть до значень, що відповідають значенню стійкого стану. Рисунок 5.a показує, що місцеве число Нуссельта є зростаючою функцією ординати z. Середнє число Нуссельта з часом різко зменшується до мінімального значення, а потім збільшується, поки не досягне значення, характерного для кінця процесу термодеструкції (рис. 5.b). Насправді, на початку процесу температури стінки та температури газового середовища вважаються рівними. Це призводить до дуже високого середнього значення числа Нуссельта.
Рисунок 3. Еволюція в часі температури газової суміші (а) і швидкості виробництва тепла (б) в ламінарному режимі
Рисунок 4. Еволюція в часі температури зовнішньої (а) та внутрішньої (б) граней стінки печі в ламінарному режимі
Рисунок 5. Осьова еволюція місцевого числа Нуссельта при t = 30 с (а). Еволюція з часом середнього числа Нуссельта (b). Вплив числа Рейнольдса
Еволюція місцевих чисел Нуссельта як функції z є лінійною незалежно від значення числа Рейнольдса (рис. 5.а). За визначенням вони є зростаючою функцією z. Незалежно від значення числа Рейнольдса, середнє число Нуссельта з часом різко зменшується, поки не досягає мінімального значення, а потім збільшується, щоб асимптотично прагнути до значення, все вище, оскільки число Рейнольдса велике (рис. 5.b). Зменшення середнього числа Нуссельта з часом відбувається внаслідок підвищення температури газової суміші внаслідок згоряння парів. Після закінчення горіння (t ≈ 10 с) температура знижується.
3.1.2. Поля концентрації
Еволюція з плином часу масових часток компонентів випарів представлена на малюнках 8 і 9. Реакції горіння викликають з часом зменшення масових часток реагентів (CH4, C2H4, CO, H2 і C) та кисню і збільшення кількості водяної пари та вуглекислого газу. Слід зазначити, що абсолютне значення норми виробництва компонентів випарів, згаданих вище, з часом зростає, асимптотично прагнучи до нуля.
Рисунок 6. Еволюція як функція радіальної відстані масових часток (а) і швидкості вироблення (б) СН4 за момент t = 6 с в ламінарному режимі
Рисунок 7. Еволюція як функція радіальної відстані масової частки (а) і швидкості вироблення (б) СО2 за момент t = 6 с в ламінарному режимі
Рисунок 8. Еволюція з часом масової частки (а) і швидкості вироблення (б) СН4 в ламінарному режимі