CC BY
166
218/
г: гшшгггта
3 (67), 2012-
Assesses the efficiency of the use of excess oxygen produced by the oxygen-compressor station in order to reduce the flow of oxygen gas and specific consumption of fuel, for the conditions of JSc «BSW».
С. М. КАБИШОВ, И. А. ТРУСОВА, П. Э. РАТНИКОВ, Д. В. МЕНДЕЛЕВ, БНТу
УДК 669.44
интенсификация тепловых процессов в высокотемпературных установках на примере нагревательных печей оао «бмз» путем обогащения воздушной смеси кислородом
В настоящее время существуют различные способы сокращения непроизводственных потерь и улучшения технико-экономических показателей нагревательных устройств. В первую очередь, к ним следует отнести применение высокоэффективных устройств утилизации теплоты отходящих газов, совершенствование конструкции печей, использование современных горелочных устройств, снижение потерь теплоты за счет применения современных теплоизоляционных и огнеупорных материалов, а также обогащение воздуха горения кислородом.
В связи с вводом в 2001 г. на ОАО «БМЗ» кислородно-компрессорной станции возникла необходимость оценки возможности применения кислорода для интенсификации процессов нагрева в печах прокатного производства с целью уменьшения потребления топлива и снижения количества экологически вредных выбросов.
Специалистами НИЛ ТТМП БНТУ проведена оценка эффективности использования избытка кислорода, вырабатываемого на кислородно-компрессорной станции, с целью уменьшения расхода природного газа и удельного расхода условного топлива применительно к условиям ОАО «БМЗ».
Как отмечают многие исследователи, использование кислорода при сжигании природного газа в нагревательных печах металлургического производства - один из путей снижения потребления топлива. Но, без сомнения, на основании анализа сведений, приведенных в технической литературе [1-3], сложно однозначно оценить эффективность применения данного метода в конкретной ситуации. Корректное решение поставленной задачи возможно с учетом конструктивных особенностей печи и газогорелочных устройств, температурных
режимов нагрева, особенностей технологии и других факторов.
С целью определения экономии топлива при частичной замене воздуха кислородом проведен сравнительный расчет процесса горения природного газа для двух вариантов: при использовании в качестве окислителя воздуха и кислородно-воздушной смеси.
Вместе с этим необходимо отметить следующее. Очевидно, что при добавлении кислорода общий объем кислородно-воздушной смеси уменьшается, что приводит к изменению соотношения «газ - кислородно-азотная смесь». Это, в свою очередь, влияет на работу горелочных устройств. Учитывая, что в нагревательных печах станов 150, 320 и 850 установлены горелки, диапазон устойчивой работы которых ограничен минимальным соотношением «газ-воздух» 1:8, рассчитаем максимально допустимое количество кислорода.
Так как количество кислорода в смеси принимается постоянным, а изменяется лишь его концентрация, то для обеспечения соотношения «газ-воздух, обогащенный кислородом» 1:8, необходимо 8 м3 кислородно-воздушной смеси, равноценной по своим окислительным свойствам 9,82 м3 воздуха (коэффициент избытка воздуха а = 1,05) (расчет требуемого количества воздуха и кислорода представлен ниже). В результате получаем, что доля кислорода в данной смеси составит 26,25%. Чтобы получить такую концентрацию, необходимо к 1 м3 воздуха добавить 0,071 м3 О2 .
При дальнейших расчетах примем, что количество кислорода в смеси равно 25%, т. е. соотношение «газ:смесь» будет равным 1:8,25. При таком соотношении, согласно техническим характеристикам оборудования нагревательных печей ста-
нов 850,150 и 320, газогорелочные устройства работают бесперебойно.
При расчетах примем состав природного газа, используемого в качестве топлива на ОАО «БМЗ», следующим: СН4 - 98,5%; С2Н4 - 0,5; С3Н8 - 0,3; С4Н10 - 0,2%; прочие примеси - 0,5%; влажность -20 г/м3 .
Пересчитаем состав природного газа с учетом содержания водяного пара по формуле
^-вл _ _100_
~ 100 + 0Д242Ж
где Ж - влажность газа.
Получим: СН4 - 96,11%; С2Н4 - 0,49; С3Н8 -0,29; С4Н10 - 0,195; Н2О - 2,43; прочие примеси -0,485%.
Низшая рабочая теплота сгорания природного газа данного состава, рассчитанная по методике [4], определяется по выражению
= 358СН4 + 590С2Н4 + 913С3Н8 +
1185С4Н10, кДж/м3. (1)
Здесь и далее при расчетах под обозначениями СпНт принимаем процентное содержание данного компонента в природном газе. Низшая теплота сгорания природного газа:
= 35193 кДж/м3 .
Объем кислорода, теоретически необходимого для сгорания 1 м3 природного газа:
УО2 = 0,01(2СН4 + 3С2Н4 + 5С3Н8 +
6,5С4Н10), м3/м3. (2)
УО2 = 1,964 м3/м3 .
Следовательно, теоретический расход воздуха составит
L0 = КО2-100/21 = 9,35 м3/м3 .
Объем смеси с содержанием кислорода 25%:
L0с= УО2-100/25 = 7,856 м3/м3 .
Действительный расход воздуха при а= 1,05: La = L0-1,05 = 9,82 м3/м3 .
Действительный расход смеси:
La = 1^.-1,05 = 8,25 м3/м3 .
Далее определим количественный состав продуктов сгорания, получаемых при сжигании природного газа с воздухом при а= 1,05:
У(СО2) = 0,01(СН4 + 2С2Н4 + 3С3Н8 + 4С4Н10),
м3/м3
У(Н2О) = 0,01(2СН4 + 2С2Н4 + 4С3Н8 + 5С4Н10 + Н2О), м3/м3 .
глчг* г: ктмттг. / 91 о
-3 (67),2012 /
У(К2) = 3,762УО2а, м3/м3 -
при сжигании природного газа с воздухом;
У^2) = (75/25)УО2а, м3/м3 -
при сжигании газа с кислородно-воздушной смесью (25% О2);
У(О2) = (а - 1)УО2, м3/м3 .
Результаты расчетов приведены в табл. 1.
Таблица 1. Состав уходящих газов при различном содержании кислорода в окислителе
Состав уходящих газов Относительный объем продуктов сгорания, м3/м3
воздух воздух+кислород
УМ 0,987 0,987
УМ 1,977 1,977
У^) 7,758 6,188
У(О2) 0,098 0,098
Итого 10,82 9,25
Рассчитаем теплосодержание продуктов сгорания для каждого из вариантов:
Ча = 1,05) = бн / Уа = 3252,06 кДж/м3 (при использовании воздуха),
¿0с(а = 1,05) = ОН / Уас = 3804,54 кДж/м3 (при использовании смеси).
На основании полученных данных определим калориметрическую температуру горения для каждого из исследуемых вариантов.
Задаемся значением калориметрической температуры Тк = 2273 К для случая сжигания природного газа с воздухом. Рассчитаем энтальпию продуктов сгорания при данной температуре:
Т = (¿ТкСО2У(СО2) + /ТкИ2рУ(Н2О) +
+ /ТкО2У(О2))/Уд, (3)
где Уд - объем дыма, образующегося при сжигании 1 м3 природного газа:
/2273 = 3240,5 кДж/м3 .
Так как полученное значение меньше расчетной энтальпии продуктов сгорания ¡0 (а = 105), принимаем Тк = 2373 К.
Тогда энтальпия равна
i2373 = 3 5 05,1 кДж/м3 .
Таким образом, калориметрическая температура сгорания при использовании в качестве окислителя воздуха равна:
П = 2273 + 100 (i0 (а = 1,05) - ^273)/0'2373 - i2273) =
2277,4 К.
По этой же методике рассчитаем калориметрическую температуру горения при использовании смеси воздуха с кислородом (О2 = 25%).
220/
г: гшшгггта
3 (67), 2012-
В результате получим
Гкд(к) = 2496,8 К.
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что за счет повышения содержания кислорода в воздухе от 21 до 25% калориметрическая температура горения возрастает на 219,4 градусов.
Для оценки влияния обогащения воздуха кислородом на расход топлива запишем упрощенное уравнение теплового баланса для исследуемых вариантов.
Для базового варианта (окислитель-воздух):
Вбн + ^в = РМе + *Уд + Q пот
(4)
В случае, когда при сжигании используется воздух, обогащенный кислородом (О2 = 25%):
Вкбн + L0сiс = Р/Ме + Vд(с)zд(с) + вшть (5)
где В, Вк - соответственно расход природного газа в первом и втором случаях; /в, /с - энтальпии воздуха и кислородно-воздушной смеси при температуре подогрева; Р - производительность печи; Qпот, бпот - прочие потери (через ограждающие конструкции, с охлаждающей водой, окалиной, излучением через окна печи и др.).
Будем считать, что производительность печи, температурный режим нагрева, температура подогрева воздуха (смеси), температура уходящих газов и конечная температура металла одинаковы для обоих вариантов. Дополнительно примем, что бпот ~ Qпo■P так как не изменяются температуры по зонам печи.
Вычтем из первого уравнения второе. Предварительно определим теплосодержание подогретого воздуха, обогащенной кислородом смеси и уходящих газов для обоих вариантов.
Принимая во внимание вышеизложенное, после преобразований получаем:
= ОДЛ - АА) - К (Уак1дк
В - Вк =
' Ахк'вк)
ар
(6)
где L и V- количество воздуха (смеси) при а = 1,05 и объем продуктов сгорания, отнесенные к 1 м3 природного газа (индекс «к» указывает на то, что данная величина получена для случая сжигания природного газа с кислородно-воздушной смесью).
Разделив правую и левую части уравнения на В, определим величину В/Вк, показывающую на сколько изменится расход природного газа в случае применения обогащенной кислородом смеси по сравнению со случаем, когда в качестве окислителя используется воздух:
вк= ар-уд+ув)
В бн — ^акгдк + Axkzbe
(7)
Формула (7) позволяет оценить, какой эффект оказывает обогащение воздуха кислородом на расход топлива.
Задаваясь конкретными значениями температур подогрева воздуха (смеси) и уходящих газов для нагревательных печей прокатных станов ОАО «БМЗ», построим зависимости Вк/В от содержания кислорода в окислителе. Расчеты проведем для двух вариантов:
Вариант 1: Тв = 480 °С, Тд1 = 800 °С; Тд1 = 750 °С; Тд1 = 700 °С (изменяем температуру дыма при постоянной температуре подогрева воздуха (смеси)).
Вариант 2: Тд = 750 °С, Тв1 = 500 °С, Тв2 = 450 °С, Твз = 400 °С (изменяем температуру подогрева воздуха (смеси) при Тд = const).
Результаты представлены на рис. 1, 2.
Анализируя полученные графики, можно отметить, что:
Применение кислорода тем эффективнее, чем выше температура уходящих газов (рис. 1) и ниже температура подогрева окислителя (рис. 2), т. е. при большей разнице ТдЬШа - ТВШдуХа. Это дает основание утверждать следующее: положительный эффект от обогащения воздуха горения кислородом больше в агрегатах с невысоким КПД.
На практике содержание кислорода в исходной смеси-окислителе можно ограничить 45-55%. Дальнейшее повышение относительного количества О2 не дает такой экономии природного газа (кривые, на рис. 1, 2 при содержании О2 > 45-55% имеют более пологий характер).
При обогащении воздуха до 25% О2 (вариант, приемлемый для нагревательных печей ОАО «БМЗ») расход топлива снижается на 1,6-2,7%.
Выводы
1. Обогащение воздуха кислородом при сжигании природного газа позволяет добиться экономии топлива. Из рис. 1, 2 видно, что при содержании 25% кислорода в окислителе расход топлива уменьшается на 1,6-2,7%.
2. За счет уменьшения количества азота в исходной смеси и объема уходящих газов снизится и количество NOx, что также немаловажно, учитывая повышение требований в области экологии.
3. Как отмечают многие исследователи, применение смеси, обогащенной кислородом, приводит к более полному сжиганию топлива (в уходящих газах практически отсутствуют СО и несгоревшие углеводороды).
При этом следует отметить, что обогащение воздуха горения кислородом приводит к необходимости реконструкции отдельных узлов печи, что вызывает увеличение капитальных затрат. Так как нормы техники безопасности не допускают ис-
_щ-ши^ш^гш 1001
-3 (67), 2012 / fcfcl
1,02 1,01 1,0 0,99 0,98 0,97 Ш 0,96 1 0,95 i 0,94 § 0,93 Л 0,92 0,91 0,9 0,89 0,88 0,87 0,86
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Содержание кислорода в смеси, %
Рис. 1. Зависимость экономии природного газа от содержания кислорода в окислителе при температуре подогрева воздуха (окислителя) 480 °С и различных температурах дыма: 1 - Тдыма= 700 °С; 2 - 750; 3 - 800 °С
1,01
1,0
0,99
0,98
0,97
2 0,95 к
I 0,94 о
о 0,93
0,91 0,9 0,89
0,88 0,87
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Содержание кислорода в смеси, %
Рис. 2. Зависимость экономии природного газа от содержания кислорода в окислителе при температуре уходящих газов 750 °С и различных температурах подогрева окислителя: 1 - 400 °С; 2 - 450; 3 - 500 °С
пользование в одном агрегате технических масел добавляться кислород. Кроме того, при расчете эко-и кислорода, то требуется выносить за пределы цеха номического эффекта следует учесть и стоимость воздухозаборник и смеситель, где к воздуху будет получения требуемого количества кислорода.
Литература
1. Р е в у н М. П., П о г о р е л о в В. Н., К а ю к о в Ю. Н. Оптимальный режим использования кислорода при нагреве металла // Изв. вузов. Черная металлургия. 1988. № 2. С. 125-127.
2 . Применение кислорода в нагревательных колодцах с центральной горелкой / В. В. Зыряков, Г. Н. Мулько, Л. Е. Жданова и др. // Сталь. 1986. № 1. С. 97-98.
3 . Опыт работы методической печи на воздухе, обогащенном кислородом / Г. А. Щапов, В. В. Макашов, В. М. Супрунюк и др. // Сталь. 1978. № 5. С. 469-471.
4 . Расчеты нагревательных печей / С. И. Аверин, Э. М. Гольдфарб, А. Ф. Кравцов и др. М.: Техника, 1969.
