Study of high-temperature heat-mass transfer of two-fraction gas suspensions and individual carbon particles in heated air

С.Г. Орловська; О.М. Зуй

doi:10.15330/pcss.25.2.338-345

Автор(и)

С.Г. Орловська Одеський національний університет імені І.І. Мечникова, Одеса, Україна
О.М. Зуй Одеський національний університет імені І.І. Мечникова, Одеса, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.2.338-345

Ключові слова:

тепломасообмін, займання, горіння, згасання, газозавис, вуглецеві частинки

Анотація

В роботі проведено дослідження закономірностей високотемпературного тепломасообміну в двофракційних газозависах вуглецевих частинок в нагрітому повітрі. Ці дослідження актуальні для прогнозування високотемпературних процесів в камерах згорання та визначення основних характеристик цих процесів: періоду індукції, часу та температури горіння, критичних параметрів займання і згасання. Фізико-математичне моделювання задачі проведено на основі рівнянь тепломасообміну та хімічної кінетики для компонент газозавису з урахуванням молекулярно-конвективного і променевого механізмів переносу тепла. Вивчено характеристики займання, горіння та згасання двофракційного газозавису вуглецевих частинок з рівними масовими концентраціями дрібної (60 мкм) і великої (120 мкм) фракцій в інтервалі температур 1100 ÷ 1500 К; проведено порівняння з характеристиками для поодиноких частинок відповідних діаметрів. Доказано, що при зниженні температури газу період індукції дрібної фракції може перевищувати період індукції великої фракції, при цьому температура горіння дрібних частинок стає нижчою за температуру горіння великих частинок. При високих температурах газу (1400К, 1500К) ситуація змінюється на протилежну. Знайдено критичні параметри займання і згасання двофракційних газозависів (температури газу, діаметри частинок).

Посилання

A. Williams, Combustion and Gasification of Coal, (CRC Press, 2000).

Kai Lei, Buqing Ye, Jin Cao, Rui 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.

Tom Robl, Anne Oberlink, Rod Jones, Coal combustion products (CCP's): characteristics, utilization and beneficiation (Kidlington, Cambridge, MA 2017).

L. Douglas Smoot, Fundamentals of Coal Combustion: For Clean and Efficient Use (Coal science and technology) (Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 1993).

Y.A.Levendis, K. Joshi, R. Khatami, A.F. Sarofim, Combustion behavior in air of single particles from three different coal ranks and from sugar cane bagasse, Combustion and Flame, 158(3), 452 (2011); https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2010.09.007.

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.

Juan Riaza, Jon Gibbins, Hannah 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.

Juan Riaza, Reza Khatami, Yiannis А. Levendis, Lucía Álarez, María V. Gil, Covadonga Pevida, Fernando Rubiera, José 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.

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).

E. Khadzhinov, O. Khadzhinov, Experimental study of the combustion of single carbon particles in O2/H2O and O2/N2O environments, Bulletin of the Azov State Technical University. Series: Technical sciences, 44, 37 (2022); https://doi.org/10.32782/2225-6733.44.2022.5.

H. Lee, S. Choi, An observation of combustion behavior of a single coal particle entrained into hot gas flow, Combustion and Flame, 162(6), 2610 (2015); https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2015.03.010.

Juwei Zhang, Coal Combustion Research Advances (Energy Science, Engineering Technology), (Nova Novinka; UK ed. Еdition, 2011).

K. Lee Smith, L. Douglas Smoot, Thomas H. Fletcher, Ronald J. Pugmire, The Structure and Reaction Processes of Coal (1994).

Changkui Lei, Xueqiang Shi, Lijuan Jiang, Cunbao Deng, Jun Nian, Yabin Gao, Study on the effect of external air supply and temperature control on coal spontaneous combustion characteristics, Sustainability, 15(10), 8286 (2023); https://doi.org/10.3390/su15108286.

Xueqiang Shi, Yutao Zhang, Xiaokun Chen, Yuanbo Zhang, Liu Rui, Ruizhi Guo, Tenglong Zhao, Yin Deng, Numerical simulation on response characteristics of coal ignition under the disturbance of fluctuating heat, Combustion and Flame, 237(3), 111870 (2021); https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2021.111870.

Xueqiang Shi, Yutao Zhang, Xiaokun Chen, Yuanbo 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.

Hongwei Yan et el, Experimental investigation and evaluation of influence of oxygen concentration on characteristic parameters of coal spontaneous combustion, Thermochim. Acta, 717, 179345 (2022).

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.

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.

A. K. Sadhukhan, P. Gupta, R. K. Saha, Characterization of porous structure of coal char from a single devolatilized coal particle: Coal combustion in a fluidized bed, Fuel Processing Technology, 90(5), 692 (2009); https: //doi.org/10.1016/j.fuproc.2008.12.010.

Dong Xianwei, Li Gaojing, Dong Xuanmeng, Wang Fusheng, Study on the effect of coal microscopic pore structure to its spontaneous combustion tendency, Journal of Sustainable Mining, 21(2), 4 (2022); https://doi.org/10.46873/2300-3960.1351.

S. G. Orlovskaya, V.V. Kalinchak, O.N. Zuy. Effect of an internal reaction on the characteristics of high-temperature heat and mass transfer of gas suspensions of carbon particles, High Temperature, 52(5), 716 (2014); https://doi.org/10.1134/S0018151X14050149.

D.M. Khzmalyan, Theory of furnace processes, (Energoatomizdat, 1990).

Marcio L. de Souza-Santos, Solid Fuels Combustion and Gasification Modeling, Simulation, and Equipment Operations Second Edition, CRC Press, 508, (2010); https://doi.org/10.1201/ 9781420047509.

T. Liu, N. Wang, R. Sun, Z. Cai, W. Tian, R. Jia, Flame propagation and CO/CO2 generation characteristics of lignite dust explosion in horizontal pipeline, International Journal of Low-Carbon Technologies, 16(4), 1384 (2021); https://doi.org/10.1093/ijlct/ctab067.

K. M. Moiseeva, A. Yu. Krainov, A. Kantarbaeva, Numerical determination of the combustion rate of a gas suspension of coal dust in a propane-air mixture, Journal of Physics: Conference Series, 2057(1):012065 (2021); https://doi.org/10.1088/1742-6596/2057/1/012065.

K.M. Moiseeva, A.Yu. Krainov, S.I. Goloskokov, M.S. Sazonov, O.Yu. Lukashov, Experimental and theoretical study of combustion of a coal dust particle–air mixture in a closed spherical volume, Combustion, Explosion, and Shock Waves, 59(4), 479 (2023); https://doi.org/10.1134/s0010508223040111.

S.G. Orlovska, Study of regularities of combustion of gas suspensions of carbon particles, Physics and Chemistry of Solid State, 16(1), 210 (2015); https://doi.org/10.15330/pcss.16.1.210-216.