Využití simulací pro optimalizaci spalovacích procesů v cementárnách
Využitím simulací se může dosáhnout lepšího porozumění procesů probíhajících jak při transportu paliv, tak i přímo v rotační peci během hoření. Detailní analýzou těchto procesů je možné dosáhnout efektivnějšího využití paliv a v důsledku také snížení nákladů a emisí. Vzhledem k přítomnosti široké škály tvarů i typů částic u dnešních různorodých paliv je nezbytné využívat pokročilé výpočetní nástroje, které s těmito částicemi umí pracovat. V článku jsou prezentovány výsledky simulací různých scénářů transportu paliv a spalování. Tyto výsledky mohou pomoci dodavatelům zajistit spolehlivé fungování dodávaných zařízení a výrobcům cementu dosáhnout ekonomických a environmentálních cílů a zlepšit kvalitu výroby.
Autoři článku: Ing. Jiří Vondál, Ph.D., Ing. Ondřej Čepl, SVS FEM s.r.o.
Simulace jsou každodenní realitou pro inženýrské návrhy zařízení
Pro účely této práce zahrnujeme do spalovacích procesů i transport a přípravu paliva, která může ovlivňovat kvalitu vlastního spalování. Další text je tedy rozdělen na dvě samostatné části, kde první část je zaměřena na transport sypkých hmot a druhá část následně řeší možnosti v simulacích hoření paliva na primárním hořáku rotační pece.
Simulace jsou dnes každodenní realitou pro inženýrské návrhy zařízení. Testování před vlastním nasazením do reálného provozu je často problematické. Simulace využívají všechny větší společnosti vyvíjející inovativní produkty. Cílem je ukázat, že v dnešní době může využít simulace kdokoliv včetně malých a středních firem a jejich nasazení pro projekční činnost a vývoj nových zařízení je jasným benefitem, který umožní výrazně zvýšit kvalitu výrobků.
Transport tuhých alternativních paliv
Správné dávkování paliv tvořených částicemi do hořáku je základním předpokladem stabilního spalovacího procesu, který je možné řídit a nastavovat podle požadavků výroby. Vzhledem k problematickému chování a často i nesourodosti alternativních paliv, která jsou v dnešní době čím dál více využívána jako palivo pro cementárenské provozy, je náročné navrhovat a provozovat transport těchto materiálů. Nejčastějším způsobem dávkování je pneumatická doprava potrubím do hořáku. Klíčovým prvkem je dávkovací zařízení – často tzv. komorový podavač (turniket), který se stará o vložení částic do proudu vzduchu. Pro společnost Schenck Process s.r.o. byla provedena simulace, která umožnila analyzovat chování dopravovaného paliva TAP v turniketu.
Využity byly dva nástroje – Ansys Rocky pro simulaci interakce sypkých hmot a Ansys Fluent pro simulaci proudění vzduchu. Oba nástroje jsou propojitelné a mohou spolupracovat pro vytvoření simulace reálného děje interakce letících částic jak mezi sebou, nebo se stěnou, tak i s proudícím vzduchem. Těmito simulacemi byly analyzovány dvě polohy trysek, které pomohly rozhodnout, jaký design trysek je vhodnější použít pro lepší transport materiálu TAP. Klíčovou částí pro správný popis takto různorodého paliva je možnost modelovat i reálný tvar částic v nástroji Ansys Rocky. Díky tomuto přístupu je možné věrně popsat různorodý materiál.
Výstupem výpočtu jsou také grafy s časovým průběhem hmotnostního toku částic při vyprazdňování komory turniketu. S ohledem na důvěrnost dat je zde neuvádíme. Na základě výpočtů je následně možné provést volbu vhodné trysky a celkové geometrie jednotlivých komor. Pro další detaily je možné zhlédnout záznam webináře obsahujícího danou problematiku.
Máte před sebou podobné výzvy v oblasti optimalizace zpracování sypkých hmot?
Vliv částic v sekundárním vzduchu na spalovací proces
Vzhledem k využívání vzduchu pro chlazení slínku v chladiči následně jako sekundárního spalovacího vzduchu dochází ke značnému úletu částic do rotační pece. Vliv částic na spalovací proces zkoumali ve společnosti Považská cementáreň a.s. pomocí numerických simulací. Jedná se o část procesu, ve které je velmi obtížné provádět jakákoliv měření. Z toho důvodu byly využity numerické simulace pro zhodnocení vlivu částic slínku přítomných v sekundárním vzduchu na tvar plamene a přestupy tepla uvnitř pece. Provedení simulací zahrnovalo definici jednotlivých paliv, což v tomto případě bylo uhlí a masokostní moučka [1]. Popis paliv je proveden prostřednictvím jeho granulometrie, výhřevnosti, hustoty, měrné teplené kapacity, emisivity částic a základního a prvkového rozboru. Takto zadané materiály je možné následně zahrnout do simulace spalování. Další podmínkou je mít rozměrově popsaný hořák a průtoky jednotlivých spalovacích proudů vzduchu. Zde je ideální mít buď měření, nebo samostatný CFD výpočet charakterizující rozdělení vzduchu do jednotlivých proudů.
Pro tento daný výpočet byl proveden odhad granulometrie částic unášených z chladiče do proudu sekundárního vzduchu. V tomto případě bylo použito Rosin-Rammlerovo rozdělení pro velikosti částic od 20 μm do 300 μm. Celkový výkon primárního hořáku v tomto výpočtu činil 53 MW. Okrajová podmínka pro vnější teplotu pláště rotační pece byla převzata z průměrovaných měření během provozu.
Z výpočtu je možné získat představu o rychlostním poli za hořákem včetně vírového čísla pro jednotlivé provozní režimy, jak je ukázáno na obrázku 5. Dále je ukázáno vyhodnocení trajektorií částic uhlí, které po odpaření vody, uvolnění prchavin a vyhoření uhlíku jsou dále sledovány jako částice popelovin viz obrázek 6.
Prostor, kde dochází k uvolnění prchaviny a jejímu hoření s kyslíkem je zobrazen pomocí izoplochy koncentrace prchaviny o hodnotě 1∙10-4 kg/kg. Obdobně jsou sledovány také trajektorie částic masokostní moučky včetně prchaviny z ní uvolněné na obrázku 7. Zde je jasně vidět vliv výrazně větších částic masokostní moučky na trajektorii a na prostor, kde dochází k uvolnění prchaviny. Oba obrázky zobrazují stav pro variantu bez přítomnosti inertních částic v sekundárním vzduchu. Jakmile došlo k zahrnutí těchto inertních (z pohledu spalování) částic, tak nedošlo k zásadnímu vlivu na trajektorie částic paliva, ale došlo k ovlivnění délky plamene, což je ukázáno na porovnání na obrázku 8. Plamen je zde opět tvořen izoplochou teploty. Porovnání teplot v ose pece po její délce od hořáku až do vzdálenosti 24 m je zobrazeno na grafu 1. Zde je vidět, že částice snižují teplotu v ose pece, ale v oblasti blíže u hořáku naopak plamen prodlužují. Rozdíl ve zkrácení plamene u obrázku 8 je z důvodů mírného vyosení takto zobrazovaného plamene mimo osu pece.
Tyto poznatky mohou pomoci kvantifikovat, jak je důležité omezovat nežádoucí úlet částic z chladiče slínku a jak velkou snahu je možné investovat do zamezení takovéhoto úletu částic.
ZÁVĚR
Simulace mohou posloužit k objasnění základních i velmi komplexních dějů. V dnešní době je možné provádět tyto analýzy na každodenní bázi buď vlastními silami v rámci inženýringu, jak dokazují četné příklady použití simulací v malých a středních firmách, nebo ve spolupráci se zkušenými partnery zaměřující se na provádění simulací na zakázku.
LITERATURA
[1] MARTAUZ, Pavel. Co-Combustion Solutions from Slovakia. World Cement. 2011.
PODĚKOVÁNÍ
Tímto bych chtěl poděkovat společnosti Schenck Process s.r.o. za umožnění zveřejnit základní výstupy z výpočtu.
Dále bych chtěl poděkovat společnosti Považská cementáreň a.s. a jmenovitě panu Ing. Pavolu Martauzovi za spolupráci na projektu zabývajícím se spalováním na primárním hořáku rotační pece a za umožnění publikovat některé z výstupů.
