Дослідження оптимального режиму роботи газової опалювальної котельні при спільній роботі з вуглекислотною установкою

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дослідження оптимального режиму роботи газової опалювальної котельні при спільній роботі з вуглекислотною установкою

Р.М.Говдяк

ВАТ “Укргазпроект”, Київ

В статті приведені результати розрахункових досліджень складу основних компонентів продуктів згорання природних газів різних родовищ при коефіцієнтах надлишку повітря в діапазоні 0,8ч1,2. Визначено оптимальний режим спільної роботи газової опалювальної котельні при коефіцієнті надлишку повітря рівному 0,9, з встановленням для виробництва вуглекислоти.

Приведены результаты расчетных исследований состава основных компонентов продуктов сгорания природных газов различных месторождений, при коэффициентах избытка воздуха в диапазоне 0,8ч1,2. Определен оптимальный режим совместной работы газовой отопительной котельной при коэффициенте избытка воздуха равном 0,9, с установкой для производства углекислоты.

Results of rated studies of the composition of principal components of combustion products of natural gases from different fields the coefficient of air surplus ranged between 0.8ч1.2 are given with. Optimum performance of joint operation of a gas heating boiler plant with a carbon acid production unit at the air surplus coefficient equal to 0.9 has been determined.

Зазвичай вуглекислоту в промисловості одержують з охолоджених продуктів згоряння вуглеводневих газів у котельнях, промислових печах і т.п. шляхом поглинання вуглекислого газу, що міститься в них, розчином моноетаноламіну.

Розрахунковий вміст СО₂ у продуктах згоряння природного газу з повітрям, у середньому, складає близько 9,5% об. Величина концентрації вуглекислоти в продуктах згоряння визначається, в основному, величиною концентрації метану в природному газі. Відзначимо, що вміст метану в природному газі різних родовищ лежить у межах 7699% об., тобто відрізняється приблизно на 12 % об.

ВАТ “Укргазпроект” розроблено науково-технічну пропозицію по виробництву рідкої вуглекислоти з димових газів опалювальної котельні компресорної станції газопроводу [1].

На першому етапі вирішення цієї науково-технічної проблеми проведено розрахункові дослідження вмістів основних компонентів продуктів згоряння різних природних газів декількох родовищ при різних коефіцієнтах надлишку повітря в діапазоні 0,81,2 і визначено оптимальний режим роботи опалювальної котельні в комплексі з вуглекислотною установкою.

Для розрахунку взято природні гази різних родовищ, що відрізняються по складу, і природний газ, що надходить у Київський регіон [2, 3]. Склад природного газу, що надходить у Київський регіон, отримано аналітично хімічною лабораторією Інституту газу Національної Академії наук України.

Таблиця 1. Склад природного газу різних родовищ, % об.

Склад продуктів згоряння природних газів визначався з умови термодинамічної рівноваги при завершенні процесу горіння. Це цілком виправдано, тому що швидкості зміни температури в часі в промислових теплоенергетичних установках різного призначення малі (не більше 10⁴ С/с), і час перебування продуктів згорання достатній для встановлення термодинамічної рівноваги.

Склад продуктів горіння в термодинамічно рівноважній системі визначається тільки термодинамічними параметрами останньої (напр. тиском і температурою) і співвідношенням хімічних елементів у системі. Співвідношення елементів у системі, у нашому випадку, залежить від складу газу, що спалюється, і складу повітря (склад повітря змінюється незначно і залежить тільки від його вологості при відсутності збагачення повітря киснем) і співвідношення газ-повітря, що визначається коефіцієнтом надлишку повітря .

У простих речовинах співвідношення хімічних елементів визначається просто з хімічної формули (напр. CH₄ означає, що на 1 атом вуглецю припадає 4 атоми водню). Для сумішей (зокрема палив, що включають пальне й окислювач) співвідношення елементів залежить як від атомарного складу компонентів, що створюють суміш, так і від їхнього мольного (або об'ємного, у випадку газів) співвідношення між собою. Для прикладу розглянемо реакцію горіння метану з киснем з = 1:

CH₄ + 2O₂ продукти реакції

Як видно з наведеної реакції в системі (пальне + окислювач), на 1 атом вуглецю припадає по 4 атоми водню і кисню, і ми можемо записати, так звану, умовну формулу палива, що виражає співвідношення елементів у термодинамічній системі CH₄O₄, що однозначно визначить склад рівноважних продуктів реакції горіння при заданих термодинамічних параметрах.

При розрахунках систем, коли необхідно проводити розрахунок при різних співвідношеннях пальне-окислювач (тобто при різних ) зручніше складати умовні формули пального й окислювача окремо і задавати коефіцієнт надлишку повітря. Загальна умовна формула палива буде розраховуватися програмними засобами в залежності від складів пального й окислювача і їхнього співвідношення, що виражається через коефіцієнт надлишку окислювача .

По складу природних газів було отримано умовну формулу пального. Для отримання коефіцієнтів при елементах перемножувалися коефіцієнти у формулах усіх речовин при даному елементі на об'ємний вміст речовин у суміші й отримані добутки складалися. Таким чином, були отримані коефіцієнти по всіх хімічних елементах.

Оскільки нас цікавлять не самі абсолютні значення коефіцієнтів, а їхнє співвідношення, слід перейти до більш зручної форми запису умовної формули прийнявши один з коефіцієнтів (у даному випадку при вуглеці) рівним 1 і поділивши останні на цей коефіцієнт.

Таким чином, одержимо умовні формули природних газів:

CH_3,9922N_0,0512O_0,002 - Комсомольське родовище;

CH_3,8669N_0,1033O_0,006 - Шебелинське родовище;

CH_3,7510N_0,2984O _0,0041S _0,0103 - Бугурусланське родовище;

CH_3,9463N_0,025 - за даними лабораторії ІГ НАНУ

Як окислювач - атмосферне повітря стандартного складу при відносній вологості 70 % (при температурі 10 С):

N₂ - 78,09 % об.;

O₂ - 20,95 % об.;

Ar - 0,93 % об.;

CO₂ - 0,03 % об.

Вологовміст повітря 6,531 г/м³ і об'ємна частка водяних парів 0,843 % об.

Умовна формула окислювача

NO_0,2789Ar_0,00595C_0,00019H_0,025

Відповідно до умовних формул пального й окислювача розраховано термодинамічно рівноважні склади при температурі в топці котельні (1000С), атмосферному тиску і при температурі відхідних газів (300 С).

При розрахунку при низьких температурах і коефіцієнтах надлишку окислювача розглядалась часткова термодинамічна рівновага (виключалось утворення N₂C і конденсованого вуглецю по кінетичних розуміннях (для встановлення повної термодинамічної рівноваги й утворення перерахованих вище речовин необхідний не реально великий час).

Для розрахунку термодинамічно рівноважних складів використано програмний комплекс "АСТРА" [4].

Вміст продуктів згорання визначений аж до концентрацій, що перевищують 10^-10 об. частки і наведений нижче.

Склад димових відхідних газів при температурі 300с і різних коефіцієнтах надлишку повітря при спалюванні природних газів різних родовищ

газова котельня вуглекислотний згорання

Таблиця 2. Комсомольське родовище

Таблиця 3. Шебелинське родовище

Таблиця 4. Бугурусланське родовище

Таблиця 5. Природний газ (аналіз лабораторії ІГ НАНУ)

З наведених даних видно, що максимальні концентрації СО₂ у відхідних газах утворюються при неповному спалюванні газу (=0,9) і складають від 9,46 до 9,71 % об. (більше значення відповідає природному газу Бугурусланського родовища, а менше - Комсомольського) при відсутності оксидів азоту. При зміні співвідношення газ/повітря в обидвох напрямках концентрації СО₂ падають.

Відзначимо, що на цьому режимі горіння у відхідних газах присутні в незначних кількостях (нижче гранично-допустимих санітарних норм) концентрації оксиду вуглецю і незгорілих вуглеців.

При >1 у продуктах зявляється вільний кисень, його концентрація зростає приблизно лінійно із збільшенням , і практично не залежить від температури (у топці котельні або у відхідних газах) і складу природних спалюваних газів. При =1,05 і більш є оксиди азоту NО₂.

Визначимо витрату повітря на горіння, виходячи зі складу природних газів, з огляду на те, що для повного спалювання одного нм³ СН₄ необхідно 2 нм³ О₂; С₂Н₆ 3,5 нм³ О₂, для С₃Н₈ 5 нм³ О₂, для С₄Н₁₀ 6,5 нм³ О₂ і С₅Н₁₂ 8 нм³ О₂.

Розрахункові кількості кисню і повітря для спалювання 1 нм³ природних газів різних родовищ подані в таблиці 6.

Таблиця 6. Розрахункові кількості кисню і повітря для спалювання 1 нм³ природних газів

Аналіз параметрів газових опалювальних котелень компресорних станцій газопроводів з різними типами газоперекачуючих агрегатів показує, що в середньому теплопродуктивність кожної котельні складає 4,65 МВт (4 Гкал/ч) при витраті природного газу - 500 м³/г [5].

Витрата повітря при продуктивності котельні по газу 500 нм³/г і коефіцієнту надлишку повітря = 0,9 складе для газу:

Комсомольського родовища 4175 нм³/г;

Шебелинського родовища 4130 нм³/г;

Бугурусланского родовища 3600 нм³/г;

Природного газу за даними ІГ НАНУ 4350 нм³/г.

Максимальна продуктивність(теоретично можлива) по вуглекислоті (щільність вуглекислоти 1,964 кг/нм³) для:

Комсомольського родовища 869 кг/г;

Шебелинського родовища 875 кг/г;

Бугурусланського родовища 730 кг/г;

Природного газу за даними ІГ НАНУ 415 кг/г.

Максимальна продуктивність по вуглекислоті (при ступені витягання 0,8) для:

Комсомольського родовища 695 кг/г;

Шебелинського родовища 700 кг/г;

Бугурусланського родовища 584 кг/г;

Природного газу за даними ІГ НАНУ 332 кг/г.

Середня продуктивність по вуглекислоті 578 кг/г.

Максимальну розрахункову продуктивність установки по вуглекислоті при спільній роботі з газовою опалювальною котельнею компресорної станції приймаємо 500 кг/г.

Висновки

Оптимальним режимом котельні, що працює в комплекті з вуглекислотною установкою, є режим горіння природного газу різних родовищ з коефіцієнтом надлишку повітря = 0,9.

При цьому режимі досягаються максимальні концентрації СО₂ у продуктах згоряння газів (9,469,71 %, об.), відсутні вільний кисень, оксиди азоту. Такий режим і склад відхідних газів є оптимальним для вуглекислотної установки.

Література

Говдяк Р.М., Ващук В.С., Угляренко В.П., Чабанович Л.Б., Черницкая В.Е., Шелковский Б.И. Техническое предложение по организации производства жидкой углекислоты из дымовых газов газовых отопительных котельных на компрессорных станциях магистральных газопроводов с использованием их вторичных тепловых и материальных ресурсов: Отчет / ОАО «Укргазпроект» Арх. № 112933. - Киев. -2004. -17с.

Теплотехнический справочник, под редакцией Герасимова С.Г. и др. Том.1, -М: Госэнергоиздат. -1957. -728с.

Деточенко А.В., Михеев А.л., Волков М.М.. Спутник газовика. -М.: Недра. -1978. -311с.

Синярев Г.Б., Трусов Б.Г. Универсальная программа для определения составов многокомпонентных рабочих тел и расчета некоторых тепловых процессов.- Труды МВТУ им. Баумана, -1973, № 159, c. 308-316.

Говдяк Р.М. Исследование возможности производства жидкой углекислоты на объектах газовой промышленности // Экотехнологии и ресурсосбережение. №3. -2005. -С.

Говдяк Р.М., Ващук В.С., Угляренко В.П., Чабанович Л.Б., Черницька В.Є., Шелковський Б.І. Технічна пропозиція по організації виробництва рідкої вуглекислоти з димових газів газових опалювальних котелень на компресорних станціях магістральних газопроводів з використанням їх вторинних теплових і матеріальних ресурсів: Звіт / ВАТ «Укргазпроект» Арх. № 112933. - Київ. -2004. -17с.

Теплотехнічний довідник, за редакцією Герасимова С.Г. і ін. Том.1, -М: Госэнергоиздат. -1957. -728с.

Деточенко А.В., Михєєв А.Л., Волков М.М. Супутник газовика. -М.: Надра. -1978. -311с.

Синярев Г.Б., Боягузів Б.Г. Універсальна програма для визначення складів багатокомпонентних робочих тіл і розрахунку деяких теплових процесів.- Праці МВТУ ім. Баумана, -1973, № 159, c. 308-316.

Говдяк Р.М. Дослідження можливості виробництва рідкої вуглекислоти на об'єктах газової промисловості // Экотехнологии і ресурсозбереження. №3. -2005. -З.

Размещено на Allbest.ru