Трубчаста технологія спалювання газу i основи її ефективного застосування у теплових енергоустановках

Семінар з міжнародною участю “Технології енергетики та економіки, безпека держави”, 22 - 24 жовтня 2001 р., м. Київ;

III Міжнародна конференція “Прогресивна техніка і технологія - 2002”, Київ - Севастополь, 24 - 28 червня 2002 р.;

7-ма Міжнародна науково-практична конференція “Нафта та газ України 2002”, м. Київ, жовтень 2002 р.;

Науково-технічний семінар “Підвищення ефективності використання органічних палив в енергетиці і промисловості”, 30 грудня 2004 р., м. Київ;

Науковий семінар, присвячений 75-ій річниці кафедри турбобудування, “Сучасні проблеми парогазотурбобудування”, м. Харків, 27 квітня 2005 р.

VII Міжнародний енерго-екологічний конгрес “Енергетика. Екологія. Людина”, 21 - 22 березня 2007 р, м. Київ.

Публікації. Зміст дисертаційної роботи відображено у 10 наукових публікаціях, у тому числі у 9-ти статтях у спеціалізованих фахових виданнях і одному патенті України.

Структура та обсяг роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел (139 найменувань) і трьох додатків. Дисертація викладена на 161 сторінці основного тексту, містить 74 рисунка і 19 таблиць. Загальний обсяг роботи - 255 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми роботи, визначено мету та задачі дослідження, відзначено наукову новизну та практичну значимість, особистий внесок автора в роботу, приведена інформація, що стосується апробації досліджень та публікацій.

У першому розділі приведено аналіз стану наукової проблеми, спрямованої на підвищення енерго-екологічної ефективності та надійності роботи паливоспалюючих елементів та систем. В тому числі: розглянуті альтернативні технології інтенсифікації та стабілізації горіння палива (вихрові, струменеві, струменево-стабілізаторні та дифузійно-стабілізаторні); проаналізовано вплив режимних і технологічних факторів на емісію NOx, CO та хімічну неповноту горіння (q₃) при спалюванні газового палива; проведено аналіз особливостей застосування різними авторами методів екологічного аудиту пальникових пристроїв, включаючи: методи планування експерименту (Сорока Б.С, Цвєтков С.В., Мисак И.С., Любчик Г.М.), методи, що ґрунтуються на використанні коефіцієнтів впливу на емісію NOx (Сигал І.Я., Кривоногов Б.М., Гурович Б.М., Цирульников Л.М., Sulivan D. A., Каніло П. М., Тумановський О. Г., Христич В.О. та інші), методи чисельного моделювання умов утворення оксидів азоту (Росляков П.В., Сорока Б.С., Сербiн С.І., П'яних К.С., Correa S.M.) та аналітичні методи моделювання закономірностей емісії NOx, що ґрунтуються на використанні основних положень термічної теорії утворення оксидів азоту (Зельдович Я.Б., Садовников Л.Н., Франк-Кам'янецький Д.А.)

В результаті виконаного аналізу встановлені наступні тенденції:

Різноманітність прийомів інтенсифікації і стабілізації процесів спалювання палива та технологічних методів зниження емісії токсичних NOx і CO обумовлює широку гаму конструктивних схем паливоспалюючих пристроїв та поділ їх (у відповідності з умовами експлуатації) на дві основні групи - стехіоме-трічні пальники, що працюють при низьких надлишках повітря, та пальники, що повинні працювати при високих (у тому числі змінних) надлишках повітря;

Різноманітність та суперечність факторів, які визначають рівень емісії NOx и CO.

В цьому ж розділі сформульована програма досліджень особливостей організації процесу горіння палива при використанні трубчастих модулів та відповідної енерго-екологічної діагностики цього процесу.

Другий розділ спрямований на визначення раціональної структури та функціонального призначення елементів трубчастого модуля, дослідження аеродинамічних характеристик, визначення характеру розподілу турбулентних пульсацій швидкості, дослідження аеродинамічної структури потоку у каналі з раптовим розширенням та аналіз масообмінних властивостей трубчастих модулів інтенсифікації горіння та стабілізації полум'я.

Показано, що ефективна реалізація трубчастої технології можлива при сполученні з трьох послідовно з'єднаних типових прямоточних трубчастих елементів (рис. 1): раптового звуження (контур I), раптового розширення (контур II або насадок Борда) та плавного звуження (контур III). Кожний з названих елементів має відповідне функціональне призначення. Вхідний елемент (контур I) сприяє організації дозованої подачі окисника до зони сумішоутворення та горіння. Елемент зі ступеневою дифузорністю (контур II) може виконуватися у однонасадковому або полінасадковому варіанті і в кожному випадку є основним елементом інтенсифікації сумішоутворення і горіння, а також стабілізації полум'я. Елемент з плавною конфузорністю (контур III) має допоміжне призначення - формування необхідної конфігурації і кінематичної структури потоку продуктів згорання на виході з модуля при мінімальній втраті повного тиску. До складу модуля також входить додатковий елемент (контур IV - паливний колектор), який розміщується між контурами I та II і забезпечує багатоваріантну подачу паливного газу на сумішоутворення.

На основі застосування теореми Борда, гіпотези Альтшуля А. Д., що стосується механізму виникнення втрат тиску в конфузорних каналах, аналізу даних інших авторів (Раушенбах Б. В., Дейч М. Є., Зарянкин А. Є., Ємцев Б. Т., Perry J. H. та інші) і результатів виконаних досліджень розроблено узагальнений алгоритм розрахунку втрат повного тиску на складових елементах трубчастого модуля, суть якого полягає у використанні співвідношення

p_o = K(W_max²/2)(1 - W_min/W_max)², (1)

де K- коефіцієнт пом'якшення входу потоку до конфузорних елементів; - густи-на потоку; W_max и W_min - відповідно, максимальна і мінімальна швидкість потоку у контурах І, ІІ та ІІІ (рис.1).

У відповідності з теоремою Борда К = 1,0 для насадка з раптовим розширенням (контур ІІ). Для конфузорних елементів (контур І або ІІІ) на підставі обробки експериментальних даних Альтшуля А. Д. отримана формула для визначення цього коефіцієнта

K = 1 - 0,81sin[2( - )/3], (2)

де - кут конфузорності елементів з плавним звуженням.

При експериментальному дослідженні структури течії за насадком Борда встановлено (при ізотермічних умовах) ряд аеродинамічних властивостей, які узгоджуються з властивостями течії необмеженого вісесиметрічного струменя, а також виявлено аеродинамічні ефекти, які відображають специфічність умов розвитку течії у насадку Борда.

Це стосується: наявності початкової і основної ділянки струменя, а також ядра течії на початковій ділянці, довжина якої у насадку Борда практично співпадає з аналогічною характеристикою для вільного струменя; наявність розвиненого турбулентного пограничного шару, товщина якого зростає у напрямку течії; якісну однозначність поперечного розподілу швидкості, та відносної турбулентності, профіль якої в обох випадках має M - подібну конфігурацію.

Серед специфічних аеродинамічних ефектів течії за насадком Борда визначаються наступні: збільшення кута розкриття пограничного шару (у порівнянні з необмеженим струменем) на початковій ділянці завдяки дії ефекту Коанда; зменшення товщини пограничного шару на основній ділянці, що визначається існуванням фізичного обмеження течії боковими стінками насадка Борда;

більше “наповнення” профілю швидкості (як результат обмеження течії), що є причиною зменшення в напрямку течії радіального градієнту швидкості; більший та практично незмінний рівень турбулентності у пограничному шарі у порівнянні з необмеженим струменем. Максимальне значення числа Кармана

(Кr = (/)100%

де - середньоквадратичне значення пульсаційної складової швидкості; - абсолютне значення осередненої в часі локальної швидкості,) в полі течії за насадком Борда при x/d = 0,53…5 досягає 50% при максимальному значенні числа Кr для необмеженого струменя до 10…20%.

Встановлена незмінність радіальної координати положення максимуму турбулентності (R_м.турб.), яка розділяє міделевий переріз насадка Борда на дві рівновеликі площини та поява циркуляційної течії на початковій ділянці насадка Борда, котра є джерелом генерування додаткової тороідальної течії меншого розміру; зафіксовано збільшення шляху змішування у пограничному шарі насадка Борда, що визначається дією двох факторів: високого рівня турбулентності і зменшення радіального градієнту швидкості у пограничному шарі течії.

Встановлено, що інтенсивність процесу масообміну, яка визначалася у відповідності з теорією Прандтля у вигляді залежності шляху змішування

/(/R

де - різниця осереднених швидкостей на радіальному відрізку R) від відносної повздовжньої координати ( = f(x/d₁), для насадка Борда значно перевищує відповідний показник інтенсивності не тільки для вільного прямотокового, але й для закрученого струменя (Ляховський Д. І.).

Визначені при ізотермічних умовах особливості течії в основному елементі трубчастого модуля - каналі з раптовим розширенням дають підстави розглядати насадок Борда як перспективний інтенсифікатор сумішоутворення, стабілізації та інтенсифікації горіння, а також як елемент мінімізації утворення токсичних окси-дів азоту та оксиду вуглецю за рахунок можливості застосування альтернативних прийомів сумішоутворення при спалюванні газового палива у потоку окисника.

У третьому розділі проведено дослідження структури, умов стабільного розвитку та базових емісійних характеристик факела в полі течії за ізольованим трубчастим модулем (з раптовим розширенням - контур ІІ на рис. 1) при різних схемах сумішоутворення з метою визначення граничних характеристик (займання, бідного та багатого погасання факелу) та виконано аналіз базових емісійних характеристик NOx = f() і СO = f().

Для визначення умов стабільного розвитку ізольованих факелів та вивчення їх структури проведені дослідження на пілотному стенді при використанні двох типів трубчастих модулів: з дифузійним та попереднім сумішоутворенням при різних варіантах часткових обмежень. Перший варіант (рис. 3 - а) являє собою так званий “вироджений” насадок Борда (n 0) з частковим обмеженням зони розвитку факела за рахунок торцевої стінки діаметром 138 мм, зріз якої співпадав зі зрізом каналу повітряної трубки. При другому варіанті обмежень (рис. 3 - б) застосовувався такий же насадок Борда з додатковою внутрішньою вставкою висотою 15 мм, діаметр якої співпадав з діаметром повітряної трубки (d = 36 мм). В третьому варіанті (рис. 3 - в) застосовувався скорочений насадок Борда (n = 0,1), з зовнішньою вставкою висотою h = 41,5 мм і внутрішнім діаметром D = 110 мм. В модулях дифузійного типу подача палива забезпечувалася системою струменів по дотичній до повітряного потоку (при цьому відстань осей паливних струменів від границі повітряного потоку визначалася з умови підводу палива до зони максимальної турбулентності, генерованої повітряним потоком і складала 8 мм), а в модулях з попереднім сумішоутворенням подача палива забезпечувалася системою поперечних струменів в канал повітряної трубки. В обох випадках кількість і діаметр газових струменів була однаковою: 6 отворів діаметром 3 мм).

В результаті виконаних досліджень встановлена можливість стабільного існування факелів для дифузійних модулів при турбулентному режимі повітряного потоку (Re_п. 4,610⁵) в діапазоні чисел Рейнольда газових струменів Re_г = (4,01…14,3)10³ для першого варіанту і Re_г = (2,15…18,2)10³ для другого та третього варіантів обмежень. Для модуля з попереднім сумішоутворенням стабільне горіння було можливим тільки при третьому варіанті обмежень.

При дифузійному сумішоутворенні у всіх випадках реалізується ефект “прилипання” газових струменів до повітряного струменя (ефект Коанда), в результаті чого відбувається обволікання ними останнього і обумовлюється утворення загальної зони горіння полої структури з високою однорідністю на основній ділянці розвитку газового факелу. При сталій швидкості повітря довжина факела збільшується зі збільшенням швидкості витікання газових струменів і конфігурація факелів для всіх варіантів обмежень при відповідних режимах їх розвитку є практично однаковою, але мають місце окремі відмінності. газовий трубчастий горіння енергоустановка

Так, при частковому обмеженні факела (рис. 3-а) спостерігається помітний відрив факела від трубної дошки, який зростає при збільшенні витрати палива. При даному варіанті розвитку факела його довжина найменша, факел характеризується меншою стабільністю, що можна пояснити високою його прикореневою аерацією у порівнянні з іншими варіантами.

При розвитку частково обмеженого факела з внутрішньою вставкою (рис. 3-б) спостерігається менший відрив від зрізу повітряного каналу, що обумовлено вихровою структурою потоку з зовнішньої поверхні цієї вставки, а також зменшенням аерації прикореневої ділянки факела. Останнє підтверджується збільшенням довжини факела у порівнянні з попереднім варіантом. Факел у цьому випадку більш стабільний.

При розвитку частково обмеженого факела з коротким насадком Борда (рис. 3-в) стабільність горіння додатково підвищується за рахунок вихрової стабілізації у внутрішній порожнині насадка та зменшення аерації кореневої зони горіння. При цьому реалізується аеродинамічний ефект подібний ефекту Коанда, у результаті чого суттєво розширюється зовнішня границя турбулентного пограничного шару повітряного потоку на початковій ділянці струменя. У цьому випадку виникає вторинна течія (6) у периферійній частині насадка Борда (7), яка виконує функції форкамери, що сприяє підвищенню стабільності горіння.

На підставі виконаних пілотних досліджень та їх аналізу була розроблена програма випробувань ізольованих трубчастих модулів на спеціалізованому стенді, суть якої полягала у визначенні граничних та емісійних характеристик робочого процесу чотирьох типів модулів: з дифузійним сумішоутворенням без внутрішньої (тип ТМД) та з внутрішньою вставкою (тип ТМДН), з попереднім сумішоутворенням без внутрішньої вставки (тип ТМП) та з комбінованим сумішоутворенням (тип ТМК). На рис. 4 приведені експериментальні характеристики електроіскрового займання, а також характеристики бідного і багатого погасання факела для трьох типів модулів. Як видно, структура граничних характеристик добре корелюється з відомими фізико-хімічними уявленнями щодо механізму горіння дифузійних та кінетичних факелів.

Як і слід було чекати, найбільш вузький діапазон стабільного горіння є характерним при використанні модуля ТМП. Найбільш широкий діапазон стійкого горіння спостерігається для модуля ТМД, для якого границя бідного погасання в дослідах не була зафіксована.

Для вибраних типів трубчастих модулів визначалися також базові емісійні характеристики NОx = f() та СО = f(), які фіксувалися при незмінному об'ємі зони горіння, сталій температурі і тиску повітря. На рис. 5 показано загальний вигляд цих характеристик у випадку застосування модуля ТМД. Як видно, в області 1,0 фіксуються три характерні зони емісії NOx та СО. При < _кр1 існує неоднозначний вплив надлишку повітря на утворення NOx та СО, коли зі

зменшенням концентрація NOx падає, а концентрація СО зростає. Друга зона (_{кр1 кр2}) характеризується однозначним напрямком впливу надлишку повітря на обидві емісійні характеристики. У третій зоні ( > _кр2) при збільшенні надлишку повітря продовжується зменшення емісії NOx та знов відбувається зростання емісії СО. Подібні базові характеристики отримані і для інших модулів. Всі вони мають максимум емісії оксидів азоту (NOx_max) при практично однаковому рівні критичного надлишку повітря (_кр1 1,03…1,05). Для всіх модулів спостерігається мінімум емісії (СО_min) при _кр2 > _кр1 і його рівень залежить від методу сумішоутворення: рівень СО_min найменший для модуля ТМП і найбільший для модуля ТМД.

Суттєвий ефект щодо мінімізації емісії оксидів азоту (без збільшення емісії СО) досягається при зволоженні зони горіння за рахунок подачі екологічної пари у повітря або у паливний газ.

У четвертому розділі розглянуті питання, які стосуються аудиту емісійних NОx = f() та CO = f() і діагностики енергетичних характеристик трубчастих модулів. Встановлена наявність базового фактора впливу на емісію NOx и CO, яким є коефіцієнт надлишку повітря. Розроблені та реалізовані принципи аудиту базових емісійних характеристик NOx = f (), які визначаються при незмінному аеродинамічному форсуванні q_F(аер) = m/(F_вхp), сталій температурі (T) та тиску (р) повітря, фіксованому об'ємі зони горіння (V_з.г), способу сумішоутворення (тип модуля), варіанту зволоження зони горіння. Доведена можливість адекватного визначення таких характеристик в області > _кр1 за допомогою співвідношення (3), що дозволяє аналізувати ці характеристики у лінеаризованому вигляді - ln(NOx) = lnA_NOx - b і одержати відповідні статистичні константи A_NOx (мг/м³) і b для різних умов реалізації спалювання палива

NOx = A_NOxexp(-b) 2s, (3)

де A_NOx (мг/м³) та b - статистичні константи, s - стандартне відхилення.

На основі розробленого алгоритму аудиту характеристик NOx = f () можна встановити:

очікуваний максимальний рівень концентрації NOx_max при = _кр;

вплив умов організації горіння на рівень емісії оксидів азоту - NOx/NOx_(б) = (A_NOx/A_NOx(б))exp[(b_в - b)], де індекс “б” відноситься до базового варіанту;

інтенсивність зміни емісії оксидів азоту (NOx = NOx/NOx) при відносній зміні надлишку повітря ( = /) на основі співвідношення NOx - b, яке відображає визначальний вплив надлишку повітря на емісію оксидів азоту;

умови однозначності емісії оксидів азоту - _одн = ln(A_NOx/A_NOx(б))/(b - b_б), де _одн - коефіцієнт надлишку повітря, який відповідає однаковому рівню емісії NOx для різних типів модулів;

пріоритетну область застосування різних варіантів трубчастих модулів, виходячи з співвідношення констант (b/b_б).

В зв'язку з тим, що базові емісійні характеристики NOx = f() фіксуються при V_з.г = const (незмінний об'єм зони горіння), q_F(аер) = const (незмінна витрата повітря - m_пов = const) та змінній витраті палива (m_п = var), тому вони відображають подвійний вплив на емісію NOx: коефіцієнту надлишку повітря ( 1/m_п) і часу перебування () газової суміші у зоні хімічного реагування. Коефіцієнт впливу останнього на емісію NOx визначається тепловою напругою - K q_V^-n, де показник степені n = 0,5 (по даним НТУУ “КПІ”). Враховуючі коефіцієнт K, можна визначити безпосередній вплив надлишку повітря на емісію оксидів азоту на основі аналізу приведеної емісійної характеристики NOx/K = A_NOxexp[- b], де розмірність константи A_NOx - мг/(м³с). Результати аудиту таких характеристик для одиночних трубчастих модулів ТМДН, ТМК, ТМП (при “сухому” горінні) і ТМД (при різних варіантах зволоження) при температурі повітря (t_пов 60 ^оС) та атмосферному тиску представлені на рис. 6 і 7 та у табл. 1.

Існує кореляція між рівнем статистичних констант (A_NOx та b) і особ-ливостями умов організації горіння палива (рис. 6 і 7 та табл. 1). Крутизна характеристик NOx/K = f(), що визначається кутовим коефіцієнтом b, характеризує степінь однорідності складу горючої суміші або способу зволоження зони горіння, а величина константи A_NOx є своєрідним масштабом максимального рівня емісії NOx.

При підвищенні якості сумішоутворення (перехід від модуля ТМД до модуля ТМП) збільшуються константи b та A_Nox, що означає зниження емісії NOx для модулів ТМП в області високих надлишків повітря ( > _кр) та зростання емісії NOx для цих же модулів в області низьких надлишків повітря ( < _кр). При порівнянні приведених характеристик NOx/K = f() для модуля ТМД при “сухому” і “вологому” горінні встановлено, що подача екологічної пари приводить не тільки до помітного зменшення емісії оксидів азоту (при однакових надлишках повітря), але при цьому суттєво збільшується степінь пливу . Особ-ливо це помітно при використанні варіанту зі зволоженням палива (табл. 1, де відносна подача - характеризує співвідношення між масовими витратами насиченої водяної пари і повітря у зоні горіння). При низьких надлишках повітря (1,0) обидва варіанта зволоження практично рівнозначні.

При наявності базових характеристик NOx = f (), отриманих при змінній температурі повітря (Т = var), їх однозначність досягається на основі аудиту приведених характеристик виду NOx/K_T = A_NOxexp[- b], де K_T = exp[T/c] - коефіцієнт впливу температури повітря на емісію NOx, а с - розмірна емпірична константа (К^-1). В результаті виконаних досліджень в діапазоні температур повітря Т = 322…500 К встановлено, що ймовірне значення константи с = 330 К, що добре корелюється з даними НТУУ “КПІ”, отриманими при досліджені пальників струминного типу.

При наявності базових емісійних характеристик NOx = f(), отриманих при змінних тепловій напрузі зони горіння (q_V), температури (Т) та тиску (р) повітря, можна ввести у розгляд узагальнену характеристику емісії оксидів азоту у вигляді співвідношення

NOx = A_NOx K K K_T K_p, (4)

де A_NOx - статистична константа (мг/м³с^0,5); K = exp[- b] та K_p = (p/p_н.у)ⁿ - відповідно, коефіцієнти безпосереднього впливу надлишку та тиску повітря, де степінь впливу n може змінюватися у діапазоні n = 0…1,0 в залежності від способу сумішоутворення (Sulivan D. A., Correa S. M. та інші).

У рівнянні (4) константа A_NOx характеризує сукупний вплив на емісію NOx “дискретних” факторів, до числа яких можна віднести: спосіб сумішоутворення та зволоження, конфігурацію проточної частини модуля, його геометричні розміри та інш. Узагальнена характеристика (4) є “індивідуальною” для кожного типу модуля.

Діагностика енергетичних характеристик виконана у двох напрямках: проведенням повного газового аналізу продуктів згорання при спалюванні природного газу за одиночним трубчастим модулем дифузійного типу з внутрішньою вставкою (d = 36 мм і n = (d/D)² = 0,272) та на основі аналізу впливу геометричного параметра (n) та режимних факторів (p, T та W) на коефіцієнт місцевих втрат (_і) і втрати повного тиску (р).

У першому випадку аналізувався рівень концентрацій продуктів хімічної неповноти згорання (СО, Н₂, і СН₄ ) у діапазоні надлишку повітря: від 1,0 до = 7. На основі обробки результатів досліджень виявлені закономірності комплексного впливу на рівень хімічної неповноти згорання (q₃), сумарну концентрацію горючих (_г.к = СО + Н₂ + СН₄) і оксидів азоту (NOx). При цьому виявлена: кореляція між рівнем концентрації СО та хімічною неповнотою згорання q₃ в області надлишків повітря 1,0 < < 2,0 (що дозволяє розглядати концентрацію СО як “індикатор” якості згорання); мінімізація _г.к i q₃ у центральній частині цієї зони (при _кр2); тенденція різкого підвищення _г.к i q₃ на границях даної зони та суттєвого зниження емісії NOx при зростанні надлишку повітря.

Результати аналізу енергетичних характеристик аеродинамічного походження (коефіцієнтів аеродинамічного опору _і та відносної втрати повного тиску = р/p) в автомодельній області течії (Re > 410⁵) дозволили виявити:

існування не однакого впливу геометричного параметра n = (d/D)² на коефіцієнт місцевих втрат і для різних складових елементів трубчастого модуля;

визначальний внесок до сумарних втрат тиску трубчастого модуля елементів з раптовим звуженням та раптовим розширенням при співвідношенні між коефіцієнтами аеродинамічного опору цих елементів: Б = 1,6І (при n = 0,2) та Б І (при n 0,4);

суттєвий вплив на аеродинамічний опір елемента з плавним звуженням його кута конфузорності () при незначному внеску цього елементу у загальну втрату тиску (до 5%).

очікуваний сумарний рівень коефіцієнту втрат трубчастого модуля (т.м. = І + Б + ІІ) при умові аеродинамічної “незалежності” послідовно з'єднаних елементів, який сягає т.м 2,7 (при n 0,2) і т.м 2,1 (при n 0,4).

В результаті виконаного аналізу встановлено, що відносна втрата повного тиску по повітрю - = р/p = 0,5(W²/RT) визначається показником аеродинамічного форсування каналу елемента q_F(аер) = m(F_вхp)^-1 = W(RT)^-1 та температурою повітря (Т), на базі чого отримано співвідношення

= 0,5q_F(аер)²(RT), (5)

яке дозволяє у явному вигляді визначити вплив параметра q_F(аер) та температури повітря (Т) на величину втрат енергії потоку у рекомендованому діапазоні зміни аеродинамічного форсування (q_F(аер) = (0,2… 0,4) кг/кНс) при заданих: температурі повітря (Т) і геометричного параметра (n).

У п'ятому розділі на основі аналізу проведених досліджень сформульовані рекомендації стосовно умов ефективного використання трубчастої технології організації горіння газового палива у теплових енергоустановках різного призначення. На основі однорідності граничних умов існування поліфакельної зони горіння встановлені принципи раціонального компонування трубного пучка:

при однорядному компонуванні - розміщення трубчастих елементів з однаковим кроком (t) у ряду при симетричному положенні осей повітряних трубок відносно висоти (H) перерізу лінійного пальника при H = t;

при багаторядному компонуванні і прямокутному поперечному перерізі (HB) трубного пучка застосування як “коридорного”, так і “шахового” розміщення трубок при умові однаковості кроків між трубками у ряду та між рядами трубок при “коридорному” компонуванні або однаковості кроків між трубками у ряду та між осями трубок у сусідніх рядах при “шаховому” компонуванні;

при багаторядному компонуванні і круглому поперечному перерізі трубного пучка - розміщення трубок по вершинам рівностороннього трикутника.

Проведені дослідження робочого процесу на одиночних трубчастих модулях дозволили сформулювати науково обґрунтовані рекомендації щодо мінімізації токсичності продуктів згорання в теплових енергоустановках різного призначення на основі застосування раціональних схем сумішоутворення з урахуванням особливостей їх робочого процесу.

Встановлено, що в області > 1,0 застосування модуля ТМП дозволяє отримати мінімальний рівень емісії NOx і СО (табл. 2) (при меншій стабільності процесу горіння в порівнянні з іншими типами модулів).

Таблиця 2. Конструктивні характеристики та показники емісії NOx трубчастих модулів та пальників на основі комбінованого сумішоутворення (тип ТМК)

При високих надлишках повітря підвищення стабільності горіння досягається при використанні модулів ТМК і особливо - ТМД, коли стійке горіння (навіть на холодному повітрі) реалізується до 7…10 і більше). При застосуванні модуля ТМК досягається проміжний рівень емісії NOx і СО (між модулями ТМД та ТМК), а характеристики стабільності горіння близькі до відповідних показників модуля ТМД. При використанні модуля ТМК додаткове зниження викидів NOx (на 30…40% без суттєвого збільшення емісії СО) досягається при відносній подачі палива _п = V_п/V_сум 0,53. В області 1,0 привабливим (по умовам досягнення меншого рівня NOx^max) є застосування модуля дифузійного типу (ТМД).

Виконане екологічне тестування у стендових та промислових умовах одиночних трубчастих моделей та багатомодульних трубчастих пальників (табл. 2), при умові додержання наступних вимог: забезпечення автомодельності течії у повітряних трубках (Re > 410⁴); застосування ефективного рівня розкриття каналу з розширенням (насадка Борда) у діапазоні n = F_вх/F_вых = 0,2…0,4; реалізації у всьому робочому діапазоні оптимального аеродинамічного форсування перерізу повітряних трубок q_F(аэр) = m/(F_вхp) = (0,2…0,4)10^-4 кг/Нс; використання повітряних трубок з внутрішнім діаметром, що змінюється в діапазоні d = 0,015…0,057, а також при застосуванні регулярного стільникового компонування повітряних трубок у трубній дошці у поєднанні з альтернативними схемами подачі палива до зони сумішоутворення та горіння.

У результаті виконаного енерго-екологічного тестування отримана база даних, що характеризує статистичні параметри рівняння регресії згорання газотурбінних установок, при реалізації форсованих систем утилізації енергії на вихлопі ГТУ у вигляді блоків допалюючих пристроїв (БДП) перед підігрівачем мережної води, виносних підтопкових пристроїв (ВПП) перед теплофікаційним теплообмінником, блоків пальникових пристроїв (БПП) у когенераційних схемах “ГТУ - котел”.

lnNOx = (lnA_Nox -b) 2s (6)

для різних моделей та варіантів трубчастих пальників (табл. 3).

Обробка даних статистичного аналізу (табл. 3) базових емісійних характеристик указує на існування узагальненої кореляції між кінетичними константами ln(A_NOx) і b (рис. 8) як для одиночних трубчастих модулів, так і для трубчастих пальників, які були спроектовані у відповідності з розробленими у роботі рекомендаціями.

Результати виконаних досліджень були використані при розробці паливоспалюючих пристроїв у складі автономних теплоцентрів на основі апаратів АОМ та КАОМ, де були встановлени трубчасті пальники ДСГМ-30, ДСГМ-75, ДСГМ-120 та при реконструкції енергетичних котлів на основі застосування пальників трубчастого типу ДСГМ-160 та ДСГМ-750 (табл. 2).

На основі результатів стендових досліджень та їх аналізу обґрунтована перспективність використання трубчастих фронтових пристроїв у камерах

Таблиця 3. Результати статистичного аналізу базових емісійних характеристик NO = f()¹ при > _кр1

Примітки. 1. Діюча концентрація оксиду азоту (NO) виражена в мг/м³.

2. Чисельник - NOx^max, знаменник - _кр1.

Реалізована модернізація камери згоряння газоперекачувального агрегату ГТК-10-4 ст. №1 Бердичівської КС, внаслідок чого досягнуте підвищення надійності роботи приводу, зниження викидів оксидів азоту і економія палива до 10 %.

Висновки

В дисертаційній роботі наведено узагальнення та нове рішення науково-технічної задачі, спрямованої на створення енергетично ефективної та екологічно чистої технології спалювання газового палива в теплових енергоустановках широкого призначення на базі застосування трубчастих інтенсифікаторів горіння і стабілізаторів полум'я. При цьому досягнута кінцева мета роботи - проведено науково-технічне обґрунтування технології спалювання газового палива, яка відрізняється від традиційних низькою витратністю і можливістю ефективного її застосування як у пальникових пристроях стехіометричного типу (топки енергетичних котлів та автономних теплоцентрів), так і у пристроях, що працюють при високих надлишках повітря (камери згорання ГТУ і ПГУ, промислові теплогенератори різного призначення) при низький токсичності продуктів згорання.

На основі виконаного фізичного моделювання основних складових робочого процесу трубчастих інтенсифікаторів сумішоутворення і горіння вперше отримані наступні наукові результати:

При ізотермічних умовах (без горіння) отримана база даних, яка характеризує особливості формування аеродинамічної та турбулентної структури потоку у каналі насадка Борда та визначені характеристики аеродинамічного опору трубчастих елементів з раптовим розширенням у діапазоні чисел Рейнольдса Re = 1,610⁴…10⁵, який охоплює всі характерні області течії (у тому числі і турбулентну при Re > 10⁴);

При моделюванні процесу горіння отримана база даних, що характеризує особливості розвитку факелу при дифузійному та попередньому сумішоутворенні, умови стабільного його існування (електроіскрове займання, багате та бідне погасання факелу) у вигляді функції швидкості потоку від коефіцієнту надлишку повітря W = f() та емісійні характеристики NOx = f() і СО = f() при різних умовах розвитку факелу: попередньому, дифузійному та комбінованому сумішоутворенні, у діапазоні зміни коефіцієнту надлишку повітря ( = 0,85…7,81) та його температури (t = 4…247 С).

3) Сформульовані принципи енерго-екологічного аудиту та проведене відповідне тестування дозволили виявити особливі переваги трубчастих пальни-ків: можливість мінімізації емісії СО та хімічної неповноти згорання палива (q₃ 0) при низькому рівні емісії NOx у діапазоні зміни надлишків повітря; 1,6…1,8 для модулів з попереднім сумішоутворенням та 1,8…2,2 для модулів дифузійного типу. При цьому встановлена можливість зниження емісії оксидів азоту за рахунок: комбінованого сумішоутворення на 20-30%; стадійного горіння на - 20-30%; прямотоковості факелу (зниження часу перебування у порівнянні з вихровим факелом) - на 20%, також показана суттєве зниження емісії NOx (без збільшення емісії СО) при “вологому” горінні і можливість ефективної його реалізації при подачі екологічної пари як у потік окисника, так і за рахунок добавки до паливного газу (особливо в області високих надлишків повітря).

4) Проведений аудит екологічних характеристик NOx = f() та СО = f() та комплексна діагностика енергетичних характеристик на основі визначення у продуктах згорання рівня концентрацій СО, Н₂, і СН₄ і хімічної неповноти згорання (q₃) у діапазоні надлишку повітря: від 1,0 до = 7 (та більше), а також на підставі аналізу впливу геометричного параметра n = (d/D)² та режимних факторів (p, T та W) на коефіцієнт місцевих втрат (_і) та втрати повного тиску (р) дозволили встановити:

форми базових, приведених та узагальнюючих характеристик емісії NOx, що дозволяє проводити їх адекватне порівняння при різних режимах експлуатації пальників;

кореляцію між рівнем концентрації СО та хімічною неповнотою згорання q₃ в області надлишків повітря 1,0 < < 2,0 (що дозволяє розглядати концентрацію СО як “індикатор” якості згорання); можливість мінімізації СО та q₃ у центральній частині цієї зони (при _кр2); тенденцію різкого підвищення суми горючих (_г.к = СО + Н₂ + СН₄) i q₃ на границях даної зони та суттєвого зниження емісії NOx при зростанні надлишку повітря, що дозволяє вважати зону = 1,6…2,0 оптимальним енерго-екологічним діапазоном експлуатації трубчастих пальників;

існування неоднакового впливу геометричного параметра n = (d/D)² на коефіцієнт місцевих втрат _і для різних складових елементів трубчастого модуля; визначальний внесок до сумарних втрат тиску елементів з раптовим звуженням та раптовим розширенням.

На основі прикладного застосування одержаних наукових даних отримані наступні практичні результати:

Розроблена методика проектування трубчастих пальників за рахунок реалізації принципів уніфікації та універсалізації за рахунок застосування стільникової схеми компонування трубчастих елементів, використання стандартних матеріалів (труба та листовий метал).

На основі аналізу результатів фізичного моделювання робочого процесу одиночних трубчастих модулів, отриманих узагальнень та даних тестування трубчастих пальників у промислових умовах їх використання, розроб-лені рекомендації що стосуються ефективного впровадження даної технології у діапазоні первинних надлишків повітря від 1,0 до 2,0 з урахуванням наступних вимог: забезпечення автомодельності течії (Re > 410⁵); застосування ефективного рівня розкриття (n = F_вх/F_вых = 0,2…0,4); реалізації оптимального аеродинамічного форсування (q_F(аэр) = m/(F_вхp) = (0,3…0,4)10^-4 кг/(Нс)); застосування повітряних трубок з внутрішнім діаметром d = 0,015…0,057.

На підставі викладених рекомендацій спільно з ІГ НАН України та Корпорацією технологій енергозбереження “КОРТЕЗ” (м. Київ) розроблена технічна документація на пальники трубчастого типу серії ДСГМ (6 типорозмірів тепловою потужністю від 0,3 до 12 МВт), а також технічні умови на їх експлуатацію і виробництво, які затверджені Міжвідомчою комісією.

4) Висока енерго-екологічна ефективність трубчастих пальників підтверджується успішною атестацією п'яти типорозмірів (ДСГМ-30, ДСГМ-75, ДСГМ-120, ДСГМ-160 ЖТ, та ДСГМ-750-II), яка проведена Державним центром по використанню та впровадженню паливоспалюючого обладнання і по результатам приймальних випробувань отримано дозвіл на їх виготовлення і широке впровадження в складі теплових агрегатів відповідної теплової потужності в енергетиці і промисловості України.

5) Достовірність отриманих результатів та ефективність трубчастої технології підтверджується широким її впровадженням на десятках енергетичних об'єктах в різних регіонах України, у тому числі в агрегатах опалювальних модульних серії АОМ (потужністю: 0,250; 0,315; 500; 1,0 МВт), у контактних апаратах опалювальних модульних (КАОМ) тепловою потужністю 0,5 та 1,0 МВт. Трубчасті пальники ДСГМ-160 та ДСГМ-750 ефективно працюють у складі котлів ДКВР-4/13 (м. Київ), ДЕ-6,5-14 (м. Сімферополь).

Розроблена трубчаста технологія спалювання газового палива може ефективно застосовуватися в теплових енергоустановках різного типу, у тому числі: в топках парових і водогрійних котлів (енерго- та теплогенеруючі установки Мінпаливоенерго України); в апаратах децентралізованого теплопостачання (об'єкти муніципальної енергетики України та теплоцентри промислового і приватного теплопостачання); при створенні топкових пристроїв промислових теплогенераторів (підприємства машинобудування, системи очистки промислових газових викидів і т.п.); у камерах згорання ГТУ при модернізації ГПА на компресорних станціях магістральних газопроводів України (ДК “Укртрансгаз”, ВАТ “Укргазпроект”, УМГ Київтрансгаз”), а також при реалізації перспективних газотурбінних та парогазових технологій, у тому числі технології “Водолій” (НПК “ЗОРЯ-МАШПРОЕКТ”, м. Миколаїв, ВАТ “ВНІІПІтрансгаз”, м. Київ); у форсованих системах утилізації енергії на вихлопі ГТУ (Мінпаливоенерго України).

Публікації за темою дисертаційної роботи

Любчик Г. Н., Микулин Г. А., Марченко Г. С., Варламов Г. Б., Левчук С. А. Особенности эмиссии NOx и СО в горелках на базе трубчатых модулей // ЕНЕРГЕТИКА: економіка, технології, екологія. - 2001.- № 4.- С. 59 - 63.

Дисертантові належить розробка альтернативних схем одиночних трубчастих пальників, методика проведення та результати експериментальних досліджень впливу режимних та конструктивних факторів на емісію NOx та CO у продуктах згорання.

Любчик Г. Н., Микулин Г. А., Варламов Г. Б., Левчук С. А, Зарицкий А. А., Ольховская Н. Н. Использование конструктивных особенностей и аэродинамических эффектов насадка Борда при создании малотоксичных топливосжигающих модулей // Технологические системы, № 2 (13)/2002, Выпуск 1.- С. 130 - 133.

Дисертантові належить результати досліджень і аналіз аеродинамічних ефектів, що виникають у полі течії насадка Борда, а також умов стабільного існування одиночного дифузійного факелу.