ООО «Группа Магнезит» – компания, обеспечивающая полный цикл производства огнеупорных материалов, инновационные инжиниринговые решения и комплексное сервисное обслуживание тепловых агрегатов. Компания является лидером по производству огнеупорных материалов в России.

В 2014 году компания «МЦД» выполнила для «Группы Магнезит» численное моделирование рабочих процессов горелочного устройства в шахтной печи.

Инженерами были рассмотрены подходы и методы решения задач о распылении жидкого топлива из форсунки, моделирования процессов горения в случаях предварительно перемешанной и неперемешанной смеси.

На основе численного моделирования проводилось исследование газодинамических и тепловых процессов, сопровождающих функционирование горелочного устройства (ГУ) на жидком и газовом топливе.

Моделирование процессов, происходящих в шахтной печи, позволяет глубже понять их динамику и оптимизировать ее работу. Преимущество численного моделирования заключается в отсутствии необходимости многократных экспериментальных попыток оптимизации работы системы.

При решении задачи моделирования ГУ ставились следующие цели:

• создать численную модель ГУ, позволяющую моделировать работу ГУ в широком диапазоне входных параметров и условиях, имитирующих работу шахтной печи, с целью получения характеристик ГУ для дальнейшего использования в модели шахтной печи;
• сравнить различные методы моделирования процессов горения и выработать методологию моделирования процессов горения в ГУ с учетом особенностей протекания этих процессов в шахтной печи.

Для достижения поставленных целей, прежде всего, необходимо было определить, какие рабочие характеристики ГУ будут использованы в дальнейшем. В шахтной печи горелочные устройства предназначены для обеспечения нагрева внутреннего пространства для обеспечения процесса химического преобразования, происходящего при повышенной температуре. Определяющими параметрами работы ГУ в составе шахтной печи предположительно является тепловое поле вблизи ГУ и химический состав продуктов сгорания. Эти же параметры могут являться целевыми для задачи оптимизации работы ГУ.

Численное моделирование ГУ проводилось в программном комплексе вычислительной гидрогазодинамики Ansys Fluent, основанном на методе контрольного объема. Задачи параметризации модели с возможностью поиска оптимального решения выполнялись при помощи программной платформы Ansys Workbench.

На основе анализа геометрических характеристик основных конструктивных элементов горелочного устройства, определяющих характер распыления и течения исходных компонентов топлива и продуктов сгорания, анализа данных фоторегистрации экспериментальных проливок по исследованию характера распыла струи жидкого топлива, анализа результатов численного моделирования распыла жидкого топлива была выполнена разработка и настройка математической модели течения газокапельного потока жидкого топлива, позволяющая определять параметры впрыска топлива при различных расходах его подачи в объем засыпки породы при решении задачи горения.

Инженерами «МЦД» было проведено исследование рабочих процессов при функционировании горелочного устройства с подачей газообразного топлива. Построена численная модель горелочного устройства, позволяющая исследовать рабочие процессы в ГУ на жидком и газообразном топливе. Полученные результаты моделирования позволили выбрать математическую модель и методологию проведения вычислительного эксперимента, позволяющего проводить детальный анализ термохимического состояния продуктов горения и теплового воздействия пламени ГУ на материал засыпки шахтной печи для декарбонизации магнезита.

Было проведено исследование особенностей процессов горения в условиях, моделирующих пространство магнезитной засыпки. Исследование горения в объеме засыпки позволило оценить тепловое воздействие и выявить области прогрева, благоприятные для процессов эффективного химического превращения при декарбонизации, а также определить неравномерность прогрева материала засыпки. Полученные результаты также позволяют анализировать поля состава ПГ, в частности, на основе распределения промежуточных продуктов горения (например, 𝐶𝑂) получить сведения о положении и форме фронта горения. На основе распределения полей концентрации топлива была проведена оценка неполноты сгорания газообразного топлива, а также неполноты испарения и сгорания жидкого топлива. На основе данных расчета о распределении температурного поля и состава продуктов горения в объеме засыпки оценивалось влияние изменения коэффициента избытка воздуха на процесс горения.

Разработанные математические модели работы горелочного устройства, функционирующего в условиях истечения потока горючих компонентов и протекания процессов горения в среде, имитирующей магнезитную засыпку, были переданы Заказчику в виде файлов с проектами решенных задач. Данные модели могут быть использованы для проведения дальнейших многовариантных исследований рабочих процессов в ГУ путем изменения граничных условий.
В ходе работы были установлены подходы/алгоритмы, оптимальные для моделирования процессов, происходящих в ГУ.

Анализ результатов моделирования процессов горения в засыпке позволяет провести сравнение характерных зон прогрева засыпки в случаях горения ДТ и газа. Был отмечен более локальный характер распределения температур вблизи среза сопла ГУ в газе по сравнению с ДТ. Также отмечена более значительная степень влияния скорости подачи топлива на форму факела пламени при горении ДТ по сравнению с горением газа.

В дальнейшем разработанные методики моделирования могут быть применены для исследований влияния расхода топлива на степень неполноты испарения и сгорания топлива.