VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

         Теплотехнологические процессы занимают ведущее место в сфере промышленного производства.  К их числу относят разнообразные технологические процессы, осуществленные на основе нагрева, плавления, кипения, охлаждения твердых, жидких, газообразных технологических материалов. Промышленные установки, реализующие такие процессы, формируют техническую базу основных производств в важнейших отраслях народного хозяйства. Действующие промышленные установки включают высоко и среднетемпературные теплотехнологические системы, а также термовлажностные и низкотемпературные теплотехнологические системы. Особенностями последних систем является использование в качестве источника теплоты преимущественно промежуточных теплоносителей и конденсационных теплообменников.

         Теплотехнологическая установка включает обычно теплотехнологический реактор (аппарат, рабочее пространство) и эксплуатационно связанное с ним технологическое, теплотехническое, энергетическое, транспортное, приемно-распределительное и другое оборудование. Все это обеспечивает реализацию конкретного технологического процесса и работает в едином технологическом ритме (например, котельная установка).

         Теплотехнологические установки могут быть без внешнего теплоиспользования (использование энергетических отходов внутреннего потребления), и с внешним теплоиспользованием (использование энергетических отходов внешнего потребления, включающих ВЭР).

         Промышленный теплотехнологический комплекс является одним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов в стране. Только одни высокотемпературные системы, включающие промышленные печи, по потреблению органического топлива конкурируют с тепловыми электрическими станциями (ТЭС) Но КПД промышленных печей примерно в 3 - 6 раз меньше КПД ТЭС. В связи с этим встает вопрос о главных направлениях, путях и средствах решения проблемы энергосбережения в наиболее энергоемких областях промышленного производства.

         Теплота сгорания Qir, калориметрическая температура сгорания органического топлива tкал, энтальпия дымовых газов Н., характеризуют внутренние свойства органического топлива. Но эти показатели не могут количественно определить работоспособность топлива в конкретных условиях промышленно-теплотехнологической установки. Работоспособность топлива в таких установках было предложено определять коэффициентом использования топлива (КИТ) [1, стр. 32...33, 2, стр. 197]. Понятие о КИТ существует давно, но этот коэффициент до сих пор не оценен по достоинству и не находит широкого применения в теплотехнических расчетах:

         КИТ = [(Qir + Qфтопл. + Qфв.вл.) - (Qфсумм. + Qxсумм.)]/Qir,  где:                                                                                 (1)

Qir - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг (кДж/м3);

Qфтопл. - физическая теплота единицы топлива, кДж/кг (кДж/м3);

Qфв.вл. - физическая теплота влажного воздуха, израсходованного на горение единицы топлива, кДж/кг (кДж/м3);

Qфсумм. - физическая теплота, уносимая влажными дымовыми газами из рабочего пространства на единицу топлива, кДж/кг (кДж/м3);

Qxсумм. - низшая теплота сгорания горючих компонентов во влажных продуктах сгорания на единицу топлива, кДж/кг (кДж/м3).

         КИТ обладает универсальным свойством одновременно освещать термодинамическую, техническую и экономическую стороны вопроса об использовании органического топлива. В действующих установках КИТ < 1. Величину КИТ определяют следующе факторы:

1) природа топлива;

2) подогрев воздуха и топлива (регенерация теплоты);

3) обогащение воздуха кислородом;

4) избыток воздуха при горении;

5) химическая неполнота сгорания топлива;

6) температура продуктов сгорания, покидающих рабочее пространство элемента установки.

         В настоящее время к числу перспективных источников тепловой энергии в теплотехнологических установках следует отнести топливно кислородный, а так же комбинированный топливо-электрический и электрический (в разных формах реализации).

         Топливно-кислородный источник тепловой энергии по праву рассматривается ка мощный рычаг технического прогресса в высокотемпературных ступенях теплотехнологических установок. Его применение открывает широкие возможности снижения удельного (на единицу технологической продукции) выхода продуктов сгорания топлива, снижения выноса технологических материалов и загрязненности окружающей среды, снижения общих габаритных размеров строительных объектов, упрощения конструкционных схем установок, возможность существенного повышения удельной производительности и единичной мощности, значительного снижения затрат на извлечение полезных компонентов из газовой среды.

         Наиболее высокий уровень снижения удельного расхода топлива и КИТ реализуется при переходе от топливно-воздушного источника тепловой энергии к топливно-кислородному при высокотемпературных технологических процессах и относительно низком уровне регенеративного теплоиспользования, при реализации теплотехнологических систем весьма большой единичной мощности и обеспечения наиболее низкого выхода продуктов сгорания топлива.

         При работе для определения по анализу продуктов полного сгорания органического топлива коэффициента расхода (избытка) кислорода на кислородном дутье, на воздушном дутье и в азото-кислородных смесях с любым соотношением азота и кислорода можно применять формулу профессора М. Б. Равича [2, стр. 335 (176)]:

         a = (O2' + n * CO2')/ n * CO2',   где:                                                                                                                       (2)

O2' - содержание кислорода в сухих продуктах сгорания, в %;

СO2' - содержание диоксида углерода в сухих продуктах сгорания, в %;

n - коэффициент соотношения теоретически необходимого для полного сгорания топлива кислорода к объему полученного диоксида углерода.

         Подсчет по формуле (2) не требует определения содержания кислорода и азота в используемой для сжигания азото-кислородной смеси. Значения "n" для различных видов газового, жидкого и твердого топлива приведены в [2, стр. 336, табл. 169, 171]. Для природного газа n = 2, для мазута сернистого n = 1,4, для мазута малосернистого n = 1,35.

         При неполном сгорании топлива формула имеет вид:

         a = [O2' - (0,5CO' + 0,5 H2' + 2 CH4') + n * (CO2' + CO' + CH4')]/[n * (CO2' + CO' + CH4')],   где               (3)

CO2', CO', CH4' - содержание горючих компонентов в сухих продуктах неполного сгорания топлива по результатам газового анализа в %. Примеры подсчетов а для различных видов топлива приведены [2, сир. 336 ...350].

Обязательным элементом низкотемпературной установки является контактный водяной теплообменник. При любых параметрах продуктов сгорания при источнике теплоты "оргтопливо-воздух" при атмосферном давлении воду можно нагреть контактным способом до температуры мокрого термометра tм, но не выше температуры кипения (100 оС). Например, при природном газе максимум до 85 оС. Между тем для практики необходимо нагревать воду до максимально возможных температур, т. к. повышение потенциала расширяет сферы применения теплоносителя и это выгодно экономически. Повышение температуры мокрого термометра является сложной проблемой, для решения которой при атмосферном давлении до настоящего времени нет эффективного решения.

         Между тем применение топливно-кислородного источника позволяет успешно и эффективно решать эту задачу, в первую очередь, при атмосферном давлении газов в контактном теплообменнике.

         Установлено [3, стр. 33], что работа контактного теплообменника наиболее эффективна при начальной температуре воды не выше 20...30 оС, а температура воды на выходе не превышает точку росы tр. Целесообразно, чтобы предельная температура нагрева воды tК.Эк. составляла:

         tК.Эк. = tм - (2...3),                                                                                                                                                     (4)

         Температура мокрого термометра и температура точки росы в интересующей нас области температур зависят главным образом от парциального давления (объемной доли водяных паров rв.п.) в продуктах сгорания и мало зависят от температуры продуктов сгорания. С увеличением объемной доли водяных паров возрастают числовые значение температур точки росы и мокрого термометра при атмосферном давлении. Изменение объемной доли водяных паров можно осуществлять эффективно при топливно-кислородном источнике теплоты в комплексной установке. Этого можно достигать обогащая атмосферный воздух для горения чистым кислородом, или применяя в качестве окислителя чистый кислород О2. Влияние обогащения атмосферного воздуха чистым кислородом можно видеть по следующим данным из [4, стр. 384...386, рис. 2.62..2.67] при сжигании природного газа при а = 1 в воздухе, обогащенном О2 до % об.:

при О2 = 25%  rв.п. = 0,233;

при О2 = 27%  rв.п. = 0,24;

при О2 = 30%  rв.п. = 0,263;

при О2 = 35%  rв.п. = 0,33;

при О2 = 40%  rв.п. = 0235;

при О2 = 50%  rв.п. = 0,4;

При атмосферном давлении этим объемным долям водяного пара соответственно соответствуют точки росы tр = 62,12 оС; 63,58 oC; 65,9 oC; 68,68 oC; 72,5 oC; 75,42 oC. При сжигании метана в чистом кислороде rв.п. = 0,67, а tр = 91,05 оС.

         Дальнейшее повышение температуры точки росы и температуры мокрого термометра, а следовательно температуры подогрева воды в конденсационных теплообменниках при атмосферном давлении возможно путем насыщения топливо-кислородной смеси влагой. Наиболее эффективно это осуществить соответствующим увлажнением воздушно-кислородной смеси, подаваемой на горение в топку.

         Увеличение влагосодержания дымовых газов на входе в конденсационный теплообменник низкотемпературной ступени теплотехнологической установки приводит к увеличению используемой теплоты конденсации водяных паров Qконд. и к существенному увеличению КИТ в комплексной установке согласно [2, стр. 337]:

         КИТ = [(Qir + Qфтопл. + Qфв.вл.) - (Qфсумм. + Qxсумм.) + Qконд.]/( Qir + Qфтопл. + Qфв.вл. + Qконд.)                                (5)

         Если (Qфтопл. + Qфв.вл.) не имеют самостоятельного энергетического источника и являются следствием использования теплоты продуктов сгорания высокотемпературной ступени комплексной установки, то этими слагаемыми можно пренебречь, или не учитывать их. Отметим, что в конденсационном теплообменнике одновременно с использованием теплоты конденсации водяных паров удается получать большее количество бессолевого конденсата - синтетической воды [5, стр. 53...56].

Список используемой литературы.

1. Семененко Н. А. Вторичные энергоресурсы промышленности и энергетическое комбинирование / 2-е изд., перераб. и дополн. - М.: Энергия, 1968. - 296 с.: ил.

2. Равич М. Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. Теплотехнические расчеты по обобщенным константам продуктов горения / 5-е изд., дополн. - М.: Наука, 1966. - 415 с.: ил.

3. Аронов И. З. Контактные газовые экономайзеры. - Киев: изд-во "Техника", 1964. - 172 с.: ил.

4. Расчет нагревательных и термических печей: Справ. изд. Под ред. Тымчака В. М., и Гусовского В. Л. /Авт.: Василькова С. Б. Генкина М. М., Гусовский В. Л., Лифшиц А. Е., Масалович В. Г., Перимов А. А., Спивак Э. И., Тымчак В. М.. - М.: Металлургия, 1983. - 480 с.: ил.

5. Климов М. Г. Повышение эффективности использования природного газа. - М.: "Прмышленная энергетика", 1975, №8, с. 53...56.: ил.