CC BY
6
© Э.М. Забиров, Ш.Г. Зиганшин, Т.О. Политова, Э.Р. Базукова УДК 62-737
ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМЫ СМЕШЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА С АТМОСФЕРНЫМ ВОЗДУХОМДЛЯ ЭКОНОМИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ПРИ ВЫРАБОТКЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Э.М. Забиров, Ш.Г. Зиганшин, Т.О. Политова, Э.Р. Базукова
Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
elzabirov@gmail. com
Резюме: Целью данной работы является оптимизация процесса горения топлива в теплогенерирующих установках и исследование перспектив внедрения системы смешения природного газа с атмосферным воздухом в теплоснабжающие предприятия России. В статье приведены преимущества и недостатки полного и неполного сжигания природного газа. Произведен анализ работы с включенной и выключенной смесительной установкой. Показано, что использование системы смешения газ-воздух позволяет оптимизировать процесс горения и экономить затраты на топливо.
Ключевые слова: газовоздушная смесь, котел, оптимальное горение, тепловая энергия, снижение выбросов, экономия топлива.
INTRODUCTION OF THE NATURAL GAS MIXING SYSTEM WITH ATMOSPHERIC AIR FOR ECONOMY OF NATURAL GAS WHEN PRODUCING HEAT ENERGY
EM. Zabirov, SG. Ziganshin, TO. Politova, ER. Bazukova
Kazan state power engineering university, Kazan, Russia
elzabirov@gmail.com
Abstract: The aim of this work is to optimize the process of fuel combustion in heat generating plants and the prospects for introducing a system for mixing natural gas with atmospheric air in heat supply enterprises of Russia. The article describes the advantages and disadvantages of complete and incomplete combustion of natural gas. The analysis of the operation with the on and off mixing unit. It is shown that the use of a gas-air mixing system allows optimizing the combustion process and saving fuel costs.
Keywords: gas-air mixture, boiler, optimal combustion, thermal energy, emission reduction, fuel economy.
Введение
Современные котельные используются для выработки тепловой энергии путем сжигания различных видов топлива: природного и сжиженного газа, каменного, бурого и сланцевого угля, мазута, керосина, солярки и т.п. При этом в атмосферу выбрасываются миллионы тонн загрязняющих веществ. Производительность котла падает со временем. Происходит это, как правило, из-за некачественного и неполного сгорания топлива, загрязнений и недостаточно тщательного обслуживания.
Проектирование современных котлов выполняется с применением энергоэффективных мероприятий по полному сжиганию топлива в топке котла и наиболее полной теплопередачи выделившегося тепла котловой воде. Как правило, природный газ из горелок поступает в топку котла, где предполагает перемешивание его с воздухом, подаваемым вентилятором. Вследствие конструктивных недостатков как горелочного устройства, так и топки, эффективного перемешивания достичь невозможно, т.к. перемешивание происходит только по периферии факела. В «стержень» факела кислород не поступает, т.е. в зону горения подается неоднородная газовоздушная смесь с образованием длинного и светящегося пламени (красно-желтый цвет - опускающиеся микрочастицы
углерода, которые сгорают в факеле), что указывает о не завершении процессов горения в факеле.
Наличие предварительно подмешанного воздуха в природном газе обеспечивает более низкий уровень несгоревших углеродов. При этом происходит снижение вредных выбросов и обеспечивается увеличение эффекта теплопередачи в топке котла, что подтверждается снижением температуры уходящих газов и, в конечном счете, снижением удельного потребления газа на единицу выработанной тепловой энергии [1].
Методы исследования
Для оптимального горения нужно подать столько воздуха, сколько необходимо для самого процесса горения. «Лишний» воздух потребует дополнительного газа для его нагрева и дополнительной электроэнергии для его подачи в топку. При данном снижении коэффициента избытка воздуха потребуется меньшее количество газа на выработку одной единицы тепловой энергии [2].
На практике процесс сжигания топлива осуществляется в устройствах (топках), при этом ни одно современное топочное устройство не совершенно с аэродинамической точки зрения, т.е. не может обеспечить идеальное, на молекулярном уровне, смешение топлива и окислителя (воздуха). При высоких температурах и концентрациях исходных компонентов, процессы смесеобразования отстают по скорости протекания от скорости химической реакции горения и, тем самым, тормозят процесс сжигания [3] (рис.1).
Рис.1 Кинетическая и диффузионная области горения
Скорость смесеобразования Ж определяется процессами турбулентной и
молекулярной диффузии, и от температуры практически не зависит. Время горения складывается из 3-х составляющих [4]:
Тгор = Тсм + Тнаг + Тхим , где
Тсм - время, необходимое для возникновения физического контакта между молекулами горючего и окислителя;
- время нагрева смеси до температуры воспламенения;
Тим - время протекания самой химической реакции;
На рис.1 представлена зависимость скорости горения от температуры и интенсивности процессов смесеобразования для различных условий горения.
Скорость протекания химических реакций между молекулами горючего и окислителя , с увеличением температуры прогрессивно возрастает (закон Аррениуса) [5].
Если Тсм ^ Тхим + Тнаг > то Тгор = Тсм
Поскольку процессы смесеобразования определяются турбулентной диффузией, то подобная реакция называется диффузионным горением. Примером такого процесса является сгорание предварительно не подготовленной газовоздушной смеси (смешение происходит непосредственно в топочной камере, а время образования горючей смеси значительно превышает время протекания химической реакции) [6]. Наблюдается плохая организация смесеобразования. Часть молекул газа, не имея контакта с молекулами окислителя, в зоне высоких температур подвергаются термическому разложению с образованием более легких соединений и атомов углерода. Пиролиз газов протекает по сложной схеме преобразования [7].
Если Тсм + Тнаг ^ Тхим > то практически Г = Тхим
Таким образом, фактором, определяющим скорость горения, является скорость химической реакции, которая описывается законами химической кинетики. Примером кинетического горения является введение в топку заранее подготовленной гомогенной горючей смеси, при температуре близкой к температуре воспламенения [8].
Разработанная система (рис. 2,3) позволяет подготовить конечному потребителю газовоздушную смесь с содержанием атмосферного воздуха до 5%. Включение системы и подача газовоздушной смеси осуществляется после растопки котла на природном газе и выводе его на постоянный режим.
Рис.2 Принципиальная схема смешения природного газа с атмосферным воздухом
Рис. 3 Структурная схема смешения природного газа с атмосферным воздухом
Данный метод позволяет интенсифицировать процесс горения за счет снижения времени образования горючей смеси. Объем добавляемого воздуха определяется текущим расходом газа на теплопотребляющую установку [9].
Кроме того, при использовании технологии с предварительно подготовленной газовоздушной смесью, можно добиться отсутствия недожога топлива в топке котельного агрегата, т.е. полного отсутствия угарного газа (СО) в продуктах сгорания с увеличением содержания углекислого газа (С02) в них [10].
Выделяющиеся в результате пиролиза атомы углерода имеют 4 свободные связи, отдельно не существуют и в зонах недостатка кислорода соединяются между собой, образуя твердые кристаллы графита - мельчайшие частицы сажи. В зоне активного горения они раскаляются, образуя ярко светящийся факел (желто - красное свечение), процесс проходит медленно. Факел получается длинным, растянутым [11]. Некоторое количество сажи неизбежно попадает в зоны с недостатком кислорода и не сгорает, что приводит к потерям теплоты с механическим недожогом. На поверхностях нагрева образуется жирный налет сажи, снижающий интенсивность теплообмена [12].
В предлагаемом решении время смесеобразования и время нагрева несоизмеримо меньше времени протекания химической реакции, т.е. скорость реакции описывается законами химической кинетики, а сам процесс горения протекает в кинетической области. При хорошем смесеобразовании, когда все молекулы горючего вступают в контакт с необходимым для полного горения количеством молекул окислителя, образуется сравнительно небольшое количество углеводородных частиц, которые, попадая в зону с достаточным содержанием кислорода, быстро сгорают [13]. Поэтому длина факела незначительна (прозрачный, несветящийся факел) и значительно повышается удельное тепловыделение, поскольку химическая реакция окисления горючих составляющих газа при высоких температурах протекает практически мгновенно. Укорочение длины факела не означает приближение его к устью горелки и как следствие «выгорание» горелки.
Очень важно, чтобы каждая горелка в заданных пределах изменения производительности обеспечивала надежное горение факела без погасаний, пульсаций или отрыва от горелки. Факел считается устойчивым, если при установившемся режиме подачи топлива он стабилизируется вблизи устья горелки и не меняет своего среднего положения в пространстве. Это состояние факела подбирается с соответствием скорости распространения пламени и противодействующей ей скорости потока газовоздушной смеси, вытекающей из устья горелки. При этом если скорость истечения газовоздушной смеси
чрезмерно высока, смесь не успевает в достаточной степени прогреться за счет рециркуляции продуктов сгорания к корню факела, и происходит «отрыв» факела (погасания) [14].
В целях исключения возможности «отрыва» факела предлагается выполнить небольшую реконструкцию горелок с целью повышения температурного уровня в области воспламенения газовоздушной смеси с закручиванием потоков, обеспечивающих подсос раскаленных продуктов сгорания к корню факела в приосевой зоне.
Для исключения сернокислой коррозии в хвостовых поверхностях котлов необходимо выполнять следующие рекомендации. Следует работать с минимально-допустимым избытком воздуха. Забор воздуха в любое время года осуществлять из котельного помещения или подогревать в калориферах. Температура воды на входе в экономайзер должна быть выше температуры точки росы домовых газах за счет линии рециркуляции сетевой воды [15].
Таким образом, внедрение схемы смешения природного газа с воздухом, дает следующие преимущества:
- наблюдается эффект перевода части процесса теплопередачи от факела и уходящих газов к теплоносителю (воде) из конвективного теплообмена в радиационный, тем самым значительно увеличив эффект теплоотдачи в топке котла;
- подмес воздуха позволяет уменьшить подачу воздуха, подаваемого дутьевым вентилятором на горелку и природного газа, в той части, которой был бы необходим для нагрева этого воздуха;
- снижается потребление электроэнергии, связанное со снижением объемов подачи воздухом вентилятором.
Результаты
Данный комплекс решений может использоваться для различных видов потребителей в системах газоснабжения сельских и городских населенных пунктов, коммунальных котельных и объектов промышленного назначения, т.е. теплоснабжающие организации.
Экспериментальные исследования предлагаемого решения были проведены на котлах ДКВр-10-13ГМ.
Период снятия данных: с 08.08.2017 г. по 15.08. 2017 г. (рис. 4). За время проведения эксперимента количество воздуха, подмешиваемого в газовую смесь, составляла в среднем 3%.
Рис. 4 Результаты экспериментальных исследований работы установки смешения
Котлоагрегат работал в двух режимах, при равных производственных условиях: Режим №1 с подключением установки (работа котла на газовоздушной смеси, при этом средний удельный расход газа на единицу выработки тепловой энергии составил
130,3 м3 /Гкал). На рис.4, также отображается динамика по изменению температуры отходящих газов, видно, что уменьшение составило 4°C.
Режим №2 с отключением установки (работа котла на природном газе, средний удельный расход газа на единицу выработки тепловой энергии составил 133,3 м3 / Гкал).
Заключение
В данной работе были проведены экспериментальные исследования для определения целесообразности внедрения системы смешения природного газа с атмосферным воздухом в котельную.
При использовании данной технологии подачи в топку котла предварительно подготовленной газовоздушной смеси можно добиться отсутствия недожога топлива, т.е. полного отсутствия угарного газа (СО) в продуктах сгорания с увеличением содержания углекислого газа (CO2) в них [16].
Полученные в экспериментальных условиях результаты показали снижение удельного потребления природного газа на выработку тепловой энергии со 1 33,3 м3/Гкал до 130,3 м3/Гкал.
Выводы:
Основные преимущества, реализуемые при внедрении предлагаемой модернизации котельной:
- снижение температуры отходящих газов на 4°С;
- экономия потребляемого топлива на 3м3/Гкал;
- снижается выброс вредных компонентов в атмосферу;
- повышение КПД котла.
Более высокая эффективность теплопередачи от факела и продуктов сгорания топлива к поверхностям нагрева котлоагрегата повышает эффективность использования топлива и позволит экономить до 3% топлива, что в современных условиях массового применения приведет к существенному сбережению финансовых ресурсов.
Литература
1. Гаранин АС., Орлин СН., Масленников ЮЛ. Блочная автоматизированная система смешения природного газа с атмосферным воздухом. Патент РФ № 2015119334/06, 20.10.2016.
2. Белоусов В.Н., Смородин С.М., Смирнова О.С // Топливо и теория горения, Санкт Петербург - Темплан 2011г. С. 84-86.
3. Valiev R.N., Ziganshin Sh.G., Maryashev A.V // Increasing the efficiency of energy use in the thermal scheme of a steam boiler house. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 2019. С. 012125.
4. Липов Ю.М., Третьяков Ю.М // Котельные установки и парогенераторы, 2003 г. С. 220-224.
5. Гамбург Д.Р., Григорьев М.М. Горелочные устройства второго поколения ZEECO FreeJet, обеспечивающие выбросы оксидов азота соответствующие требованиям наилучших: Сборник докладов научно-технической конференции «Перспективы развития новых технологий в энергетике России», Москва, 26-27 октября, 2017 // М.: ОАО «ВТИ», 2017. С. 67-71.
6. Валиев Р.Н., Зиганшин Ш.Г., Костылева Е.Е., и др // Повышение теплоэнергетической эффективности тепловой схемы паровой котельной. Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2018. Т. 10. № 1 (37). С. 45-54.
7. Сайфуллин Э.Р., Ларионов В.М., Ваньков Ю.В // Численное моделирование стабилизации теплопроизводительности парового котла при сжигании попутного нефтяного газа. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21. № 3-4. С. 17-24.
8. Звонарева Ю.Н., Ваньков Ю.В // Энергосбережение в системах теплоснабжения крупных муниципальных объединений, запитанных от нескольких источников тепла. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326. № 11. С. 75-82.
9. Бреус В.И., Шестаков Н.С., Лейкам А.Э и др. Разработка новых топочно-горелочных устройств для энергетики и промышленности // Надежность и безопасность энергетики. 2017. Т.10. № 4. С. 291-297.
10. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива. Л.: Недра,1987.
11. Синицын А.А. Исследование особенностей работы котла, основанного на пульсирующем горении газообразного топлива // «Нефтегазовое дело». Вологда: ВоГТУ, 2006.
12. Ларионов В.М., Зарипов. Р.Г. Автоколебания газа в установках с горением. Казань: Изд-во Казанского государственного технического университета. 2003. С.227.
13. Поляков М.И. Устройство Пульсирующего Горения (ПГ) выбор в пользу принципиально иной технологии выработки тепла, путь к радикальному снижению его себестоимости // Энергетика в нефтегазодобыче, 2002. №1. С. 15-27.
14. Росляков П.В. Снижение выбросов оксидов азота на котле ТГМЕ-464 электростанции Ши (Эстония) // Теплоэнергетика. 2015. № 1. С. 45-52.
15. Тимощук А.Л. Разработка конструкции контактного водонагревателя со слоевым пульсирующим горением газа // Вестник БГТУ. Водохозяйственное строительство. Теплоэнергетика. Экология. 2005. №3 (33). С. 34-39.
16. Тихомиров К.В., Сергеенко Э.С // Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция, Москва. Стройиздат 1991 г. С. 121-125.
Авторы публикации
Забиров Эльдар Мударисович - магистр кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения», Казанский государственный энергетический университет.
Зиганшин Шамиль Гаязович - канд.техн.наук., доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения», Казанский государственный энергетический университет.
Политова Татьяна Олеговна - ст. преподаватель кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения», Казанский государственный энергетический университет
Базукова Эльвира Раисовна - ст. преподаватель кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения», Казанский государственный энергетический университет.
References
1. Garanin AS, Orlin SN, Maslennikov YL. Block automated system for mixing natural gas with atmospheric air. RF. patent N. 2015119334/06, 10.20.2016.
2. Belousov VN, Smorodin SM, Smirnova OS. Fuel and combustion theory. St. Petersburg Templan 2011. pp. 84-86.
3. Valiev RN, Ziganshin ShG, Maryashev AV. Increasing the efficiency of energy use in the thermal scheme of a steam boiler house. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science 2019. p. 012125.
4. Lipov YuM, Tretyakov YuM. Boiler plants and steam generators. 2003 pp. 220-224.
5. Hamburg DR. Burner of the second generation ZEECO FreeJet that ensure NOx emissions meet the requirements best. Collection of reports of scientific-technical conference "prospects of development of new technologies in the energy sector of Russia", Moscow, 26-27 October, 2017: JSC "VTI", 2017. pp. 67-71.
6. Valiev RN, Ziganshin ShG, Kostyleva EE, et al. Improving the heat energy efficiency of the thermal scheme of the steam boiler. Bulletin of Kazan State Energy University. 2018;10(1):45-54.
7. Sayfullin ER, Larionov VM, Vankov YuV. Numerical simulation of stabilization of the heat output of a steam boiler during the combustion of associated petroleum gas. News of higher educational institutions. Energy issues. 2019;21(3-4):17-24.
8. Zvonareva YuN, Vankov YuV. Energy saving in heat supply systems of large municipal associations powered by several heat sources. News of Tomsk Polytechnic University. Geo-Resource Engineering. 2015;326(11):75-82.
9. Breus VI, Shestakov NS, Leykam AE, et al. Development of new furnace-burner devices for power engineering and industry. Reliability and safety of power engineering. 2017;10(4):291-297.
10. Isserlin AS. The basics of burning gas fuel. L.: Nedra, 1987.
11. Sinitsyn AA. Study of the features of the boiler, based on the pulsating combustion of gaseous fuels. Oil and gas business. Vologda: VSTU. 2006.
12. Larionov VM, Zaripov RG. Gas self-oscillations in installations with combustion. Kazan: Kazan Publishing House, state tech. Univ. 2003. P. 227
13. Polyakov MI. The device of Pulsed Combustion (GHG), the choice in favor of a fundamentally different technology of heat generation, the path to a radical reduction in its cost Energy in oil and gas production. 2002;1:15-27.
14. Roslyakov PV. Reducing nitrogen oxide emissions at the boiler TGME-464 of the Shi power plant (Estonia). Heat power engineering. 2015;1:45-52.
15. Tymoshchuk AL. Development of the design of a contact water heater with pulsating pulsed combustion of gas. Bulletin of BSTU. Water construction. Heat power engineering. Ecology. 2005;3 (33):34-39.
16. Tikhomirov KV, Sergeenko ES. Heat engineering, heat and gas supply and ventilation. Moscow Stroyizdat 1991. pp. 121-125.
Authors of the publication
Eldar M. Zabirov - Kazan state power engineering university, Kazan, Russia. Email:elzabirov@gmail.com. Shamil G. Ziganshin — Kazan state power engineering university, Kazan, Russia. Tatyana O. Politova — Kazan state power engineering university, Kazan, Russia. Elvira R. Bazukova — Kazan state power engineering university, Kazan, Russia.
Поступила в редакцию 25 мая 2020г.
