Assessments on SGG and WSGG spectral models in high-ash coal combustion

• DOI: 10.1016/j.csite.2020.100667
• Publication Date: 2020-05-30T15:33:06Z
• Authors: Conrado Ermel; Paulo Rodolfo Buf...; Raul Vanz; Cristiano V. da S...; Paulo S. Schneider
• Keywords: Spectral model; 0209 industrial biotechnology; Inverse Radiative Heat Transfer Analysis; Computational Mechanics; Biomedical Engineering; Combustion; Organic chemistry; 02 engineering and technology; FOS: Medical engineering; Mechanics; 7. Clean energy; Environmental science; Dynamics of Turbulent Combustion Systems; Boiler (water heating); Engineering; Soot; Coal combustion products; Thermal radiation; Radiative transfer; Radiation; Heat Transfer Modeling; Physics; Biomass Pyrolysis and Conversion Technologies; Radiant energy; Optics; Engineering (General). Civil engineering (General); Materials science; Gray gas; Coal combustion; Chemistry; Coal; Physical Sciences; Process engineering; Thermodynamics; TA1-2040; WSGG

Dans le processus de rayonnement, une variété de modèles peuvent être utilisés pour représenter les propriétés radiatives spectrales des gaz de combustion. Dans la combustion du charbon, le niveau élevé de concentration de suie apporte une plus grande complexité à la formulation. Plusieurs éléments de recherche sont trouvés, comparant différents modèles de rayonnement généralement appliqués à des situations de laboratoire idéalisées. Seuls quelques travaux explorent le comportement de tels modèles dans des applications à l'échelle réelle, telles que les fours au charbon. Les comparaisons entre les différents agencements des modèles SGG et WSGG ont été réalisées au moyen de simulations CFD, appliquées à une chaudière d'une véritable centrale au charbon de 160 MW. Cinq cas différents ont été simulés. Le cas le plus simple a été défini avec un modèle SGG à coefficient d'absorption fixe, tandis que le cas le plus détaillé a été réalisé en utilisant un modèle WSGG avec superposition de coefficients d'absorption de gaz et de suie. Les champs de température étaient bien représentés dans tous les cas, avec des écarts maximum de 6%. Les prévisions sur le flux de chaleur radiative pour les modèles SGG étaient significativement plus faibles que les simulations WSGG, avec des écarts relatifs allant jusqu'à 16,46 %. Même si les écarts sur le flux de chaleur radiative sont importants, les résultats suggèrent la pertinence de modèles simples de gaz gris dans des évaluations rapides d'applications industrielles telles que les fours au charbon.<br/>في عملية الإشعاع، يمكن استخدام مجموعة متنوعة من النماذج لتمثيل الخصائص الإشعاعية الطيفية لغازات الاحتراق. في احتراق الفحم، يؤدي المستوى العالي لتركيز السخام إلى زيادة تعقيد التركيبة. تم العثور على العديد من الأبحاث، التي تقارن نماذج الإشعاع المختلفة التي يتم تطبيقها عادة على المواقف المختبرية المثالية. يستكشف عدد قليل فقط من الأعمال سلوك مثل هذه النماذج في التطبيقات الحقيقية، مثل الأفران التي تعمل بالفحم. تم إجراء مقارنات بين الترتيبات المختلفة لنماذج SGG و WSGG عن طريق محاكاة عقود الفروقات، المطبقة على غلاية لمحطة طاقة حقيقية تعمل بالفحم بقدرة 160 ميجاوات. تمت محاكاة خمس حالات مختلفة. تم تعيين الحالة الأكثر بساطة باستخدام نموذج معامل الامتصاص الثابت SGG، في حين تم تحقيق الحالة الأكثر تفصيلاً من خلال استخدام نموذج WSGG مع تراكب معاملات امتصاص الغاز والسخام. تم تمثيل مجالات درجة الحرارة بشكل جيد في جميع الحالات، مع انحرافات قصوى بنسبة 6 ٪. كانت التنبؤات بشأن التدفق الحراري الإشعاعي لنماذج غازات الاحتباس الحراري أقل بكثير من محاكاة غازات الاحتباس الحراري، مع انحرافات نسبية تصل إلى 16.46 ٪. على الرغم من أن الانحرافات في التدفق الحراري الإشعاعي كبيرة، إلا أن النتائج تشير إلى ملاءمة نماذج الغاز الرمادي البسيطة في التقييمات السريعة للتطبيقات الصناعية مثل الأفران التي تعمل بالفحم.<br/>In radiation process, a variety of models can be used to represent the spectral radiative properties of combustion gases. In coal combustion, the high level of soot concentration brings higher complexity to the formulation. Several pieces of research are found, comparing different radiation models usually applied to idealized laboratory situations. Only a few works explore the behavior of such models in real scale applications, such as coal-fired furnaces. Comparisons among different arrangements of the SGG and WSGG models were carried out by means of CFD simulations, applied to a boiler of a real 160 MW coal-fired power plant. Five different cases were simulated. The most simple case was set with a fixed absorption coefficient SGG model, while the most detailed case was achieved by employing a WSGG model with gas and soot absorption coefficients overlay. Temperature fields were well represented by all cases, with maximum deviations of 6%. Predictions on radiative heat flux for the SGG models were significantly lower than the WSGG simulations, with relative deviations up to 16.46%. Even though deviations on radiative heat flux are significant, results suggest the suitability of simple gray gas models in fast assessments of industrial applications such as coal-fired furnaces.<br/>En el proceso de radiación, se puede utilizar una variedad de modelos para representar las propiedades radiativas espectrales de los gases de combustión. En la combustión de carbón, el alto nivel de concentración de hollín aporta una mayor complejidad a la formulación. Se encuentran varias piezas de investigación, comparando diferentes modelos de radiación generalmente aplicados a situaciones de laboratorio idealizadas. Solo unos pocos trabajos exploran el comportamiento de dichos modelos en aplicaciones a escala real, como los hornos de carbón. Las comparaciones entre diferentes disposiciones de los modelos SGG y WSGG se llevaron a cabo mediante simulaciones CFD, aplicadas a una caldera de una central eléctrica real de carbón de 160 MW. Se simularon cinco casos diferentes. El caso más simple se estableció con un modelo SGG de coeficiente de absorción fijo, mientras que el caso más detallado se logró empleando un modelo WSGG con superposición de coeficientes de absorción de gas y hollín. Los campos de temperatura estuvieron bien representados en todos los casos, con desviaciones máximas del 6%. Las predicciones sobre el flujo de calor radiativo para los modelos SGG fueron significativamente más bajas que las simulaciones WSGG, con desviaciones relativas de hasta el 16,46%. Aunque las desviaciones en el flujo de calor radiativo son significativas, los resultados sugieren la idoneidad de los modelos simples de gas gris en evaluaciones rápidas de aplicaciones industriales como los hornos de carbón.<br/>