بخشی از مقاله
خلاصه
در این مطالعه یکی از کوره های پیشگرم واحد نورد گرم مجتمع فولاد مبارکه اصفهان با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی - - CFD، شبیه سازی شده است. انواع مدل های اغتشاشی گوناگون بر روی مدل کوره، بررسی شده و مناسب ترین آنها برای ادامه کار انتخاب شده است. معادلات حاکم با در نظر گرفتن مدل آشفتگی − استاندارد برای مدلسازی جریان مغشوش، مدل احتراق غیر پیش آمیخته برای مدلسازی احتراق و مدل 1 برای مدلسازی انتقال حرارت تابشی در کوره استفاده شده است.
مدل های − - - و − - - نسبت به سایر مدل های آشفتگی، توانایی بهتری در پیش بینی توزیع گازهای خروجی از دودکش کوره را داشتند، اما مدل − - - بعنوان مدلی جامع و اقتصادی برای ادامه کار انتخاب شده است. نتایج بصورت نمودار توزیع اجزای گوناگون و نیز توزیع دما در کوره، جهت مشاهده روند احتراق و نیز عملکرد کوره ارائه شده است. مرجع مورد استفاده برای اعتبارسنجی مدل کوره، داده های صنعتی برگرفته از کوره ی پیشگرم شماره یک، واحد نورد گرم مجتمع فولاد مبارکه اصفهان می باشد. نتایج حاصل از مدلسازی تطابق قابل قبولی با داده های صنعتی دارد.
-1 مقدمه
بخش عمده انرژی مورد نیاز صنایع از جمله نیروگاه ها، پالایشگاه ها و صنایع فولاد سازی و ذوب آهن، از احتراق سوخت های فسیلی تأمین می شود. از این رو کمتر صنعتی را می توان یافت که به نوعی از سیستم های احتراقی بهره مند نباشد. بنابراین با توجه به گستردگی استفاده از سیستم های احتراقی در صنایع، در صورت توجه به ضرورت بهینه سازی احتراق در این تجهیزات، به مقدار زیادی در مصرف سوخت واحدهای صنعتی صرفه جویی خواهد شد. لذا آگاهی از مکانیسم و روند پیشرفت احتراق در کوره ها به منظور بهبود احتراق، کاهش آلایندگی کوره و و نیز بهینه سازی عملکرد کوره ها از موارد مهم و حایز اهمیت در صنعت است.
یکی از صنایع بزرگ مصرف کننده انرژی، صنعت فولاد است که از صنایع مادر هرکشوری محسوب می شود. افزایش ظرفیت تولید فولاد هر کشور به همراه کاهش مصرف انرژی، به ازای واحد تولید فولاد، از نشانه های رشد و شکوفایی صنعت فولاد آن کشور است. کوره های پیشگرم یکی از تجهیزات مستقر در واحد نورد گرم، از مصرف کننده های سوخت فسیلی می باشد که بهبود عملکرد این کوره سهم عمده ای در کاهش مصرف سوخت و آلایندگی کوره را بدنبال دارد.
در بحث مدلسازی کوره های صنعتی، راواری و جوهانسون [1] ، مطالعه عددی پیرامون احتراق CO/SiO و گاز NOx در کوره سیلیکون آهن1 انجام دادند. این تحقیق بمنظور بهبود عملکرد کوره، بازیافت انرژی و کاهش نشر آلودگی، بمنظور تطابق با استاندارهای محیط زیست انجام شده است. مدل شامل زیرمدلی برای ارزیابی تشکیل NOx است. دو مدل k-ε استاندارد و مدل .k-ε 2RNG بررسی شده است. یونگ تانگ و همکارانش [2]، روش های گوناگون بدست آمده با استفاده از CFD ، برای بهبود عملکرد کوره پیشگرم اسلب فولادی از نوع جلوبرنده را بررسی کرده اند.
آنها به مطالعه ی توزیع جریان گاز و دما در کوره و بررسی بهبود جریان گاز، موقعی که دیوار بلوکی در جلوی مشعل های پایین کوره، در ناحیه گرمایش ساخته شود. آر. ووتالارو و اچ. بی. ووتالارو [3]، مدل ریاضی براساس توصیف اویلرین برای فاز زنجیره ای و توصیف تصادفی لاگرانژین برای ذرات ذغال در کوره صنعتی - سوخت ذغالی - پیشنهاد دادند. تمرکز این مقاله بر روی پیش بینی عملکرد کوره برای شرایط گوناگون کاری بویلر است.
بین وووهمکاران [4]، با هدف توسعه مدل سه بعدی CFD کوره پیشگرم، تعیین الگوهای جریان گاز دودکش در کوره، با آنالیز نتایج شبیه سازی و شبیه سازی تمام فرایند گرمایی و آزمایش میدان دمایی انتقالی سه بعدی در کوره پیشگرم شماره سه آرسلور میتال3 مدلی برای کوره طراحی کرده اند. در این آنالیز سه بعدی CFD کوره های پیشگرم نوع ناپیوسته، پارامترهای مورد بررسی شامل طراحی های گوناگون مشعل ها، نرخ شار سوخت، تامین هوای احتراق برای بهینه سازی ظرفیت کوره می باشد.
العباس و همکارانش [5]، مدلی CFD برای برای توسعه مطالعات بر روی سوخت- اکسی سوخت ذغال قهوه ای در بویلر 550 مگاواتی، انجام دادند. مکانیسم واکنش چندمرحله ای شیمیایی، بر روی ذرات ذغال قهوه ای ساییده انجام شده است. گالتی و همکاران [6]، مقایسه بین پیش بینی هایCFD و اندازه گیری های در شعله آزمایش با گاز طبیعی و اکسیژن سه مگاواتی انجام شده است. در این مدل روش شیمی سریع4 برای بهبود تعامل توربولنسی/ شیمی ناکافی می باشد. مدل طیفی5 بر روی پیش بینی ها تاثیر زیادی داشته است. مدل طیفی WSGG استاندارد و تجدیدنظر شده و مدل احتراق EDC بررسی شده است.
-1-2 مدل سازی جریان آشفته
بحث اغتشاش یکی از فاکتورهای مهم در مدلسازی فرایندهای صنعتی از جمله احتراق می باشد. برای شبیه سازی آشفتگی در داخل کوره از مدل − استاندارد استفاده شده است. قدرتمندی، اقتصادی بودن محاسبات و داشتن دقت قابل قبول در محدوده وسیعی از جریان های مغشوش باعث محبوبیت این مدل شده است. این مدل یک نیمه تجربی است و معادلات براساس مشاهدات تجربی و ملاحظات پدیده شناسی بوجود آمده اند. در این مدل، میدان آشفته برحسب دو متغییر بیان می شود:[8]
الف - انرژی جنبشی جریان آشفته1
ب - نرخ استهلاک ویسکوزیته انرزی جنبشی آشفته2،
-2-2 مدلسازی انتقال حرارت تشعشی
انتقال حرارت تشعشعی در دماهای بالا مطرح می شود. پس در محفظه های احتراق نقش اساسی انتقال حرارت را، تشعشع بازی می کند. البته انتقال حرارت جابجایی نیز نقش دارد که در اثر جابجایی با حل معادله انرژی مورد توجه قرار می گیرد. برای در نظر گرفتن اثر تشعشع روش های متنوعی وجود دارد، در این مدلسازی از مدل 1 استفاده شده است.
-1-2-2 مدل
این مدل مزایای زیادی دارد. علاوه بر اینکه با این مدل می توان اثرات پخش را نیز در نظر گرفت، برای مسائل احتراقی زمانی که ضخامت نوری بزرگتر است، این مدل از سایر روش ها مناسب تر است. در نهایت این روش برای هندسه های پیچیده و مختصات منحنی الخط به سادگی قابل استفاده است. این مدل ساده ترین حالت مدل های P-N است که بر پایه بسط دادن شدت تشعشع به یک سری هارمونیک های کروی متعامد استوار است. بطوری که ضریب جذب، ضریب پخش، تشعشع ورودی و ضریب تابع فاز خطی غیر ایزوتروپیک است.
-3-2 مدلسازی احتراق
هدف از مدل سازی احتراق، ارائه روشی مناسب برای محاسبه مقدار متوسط کمیت های جریان، بدون حل مستقیم معادلات حاکم می باشد. پدیده احتراق در شعله ها حتی بدون در نظر گرفتن تاثیر اغتشاش، بسیار پیچیده می باشد.
