Универсальная технология сжигания — это реальность

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Национальный технический университет Украины «КПИ»

Научно-производственное объединение «СНТ

Универсальная технология сжигания --это реальность

M.3. Абдулин

АННОТАЦИЯ

Показана значимая роль топочных процессов в обеспечении работы огнетехнических объектов. Выявлена определяющая роль аэродинамики течения горючего, окислителя и продуктов сгорания в сложном аэротермохимическом комплексе. Разработана эффективная газодинамическая схема горелочного устройства с уникальными свойствами. Целью работы является разработка новой высокоэффективной струйно-нишевой технологии сжигания топлив для различных огнетехнических объектов на основе современных экспериментальных и теоретических исследований вихревых течений в условиях химического реагирования и высоких температур.

сжигание топливо температура вихревой

1. ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день в странах СНГ эксплуатируются сотни тысяч единиц огнетехнического оборудования, срок эксплуатации которого составляет более 20 лет. Выход за проектный срок службы, а также существующая ситуация с газоснабжением (падение давления в подводящих газопроводах, пульсации давления, непостоянство калорийных характеристик газа и др.) формируют современное положение и специфику работы этих объектов.

Обострившиеся топливно-энергетический, а затем и экономический кризисы заставляют человечество задуматься о развитии энергетики с точки зрения энергоэффективности технических решений и экономической целесообразности их внедрения.

К сожалению, принять взвешенное решение очень трудно из-за отсутствия достоверных научно обоснованных данных о новых технологиях, подкрепленных опытом эксплуатации. На конференциях и семинарах, посвященных энергоэффективности озвучивается противоречивая, часто взаимоисключающая информация, цель которой, как правило, обеспечить продвижение на энергетический рынок оборудования определенного типа. Системный анализ топливно-энергетического комплекса отсутствует не только из-за острой конкуренции, но и в виду резко снижающегося уровня профессионализма в науке, технике, производстве и эксплуатации [1].

Важное место в ТЭК занимают огнетехнические устройства (ОУ). На сегодняшний день сфера применения горения в ОУ очень широка (котлы, печи, сушила, камеры сгорания и т.д.) в различных сферах (энергетика, промышленность, отопление, горячее водоснабжение, ракетостроение, авиация, сельское хозяйство и т.д.)

2. ПРОБЛЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ОУ

Конструктивно современные ОУ практически перестали совершенствоваться. В настоящее время устоялись значения диаметров экранных труб, степени экранированности топочного пространства, соотношений размеров топки, степени крутки потока воздуха в ГУ и т.д. Отдельные попытки их изменения, как правило, не приводят к положительным результатам. Например, уменьшение диаметра экранных труб (что пытаются делать некоторые котлостроительные предприятия), с одной стороны, увеличило их количество и тепловоспринимающую поверхность, а с другой стороны, увеличило гидравлическое сопротивление по тракту рабочего тела. Основные энергоэффективные мероприятия по улучшению показателей экономичности, экологической безопасности и надежности в настоящее время связаны с утилизацией тепла уходящих газов, улучшением теплоизоляции, применением частотных преобразователей и т.д [2].

Значительный потенциал заложен в оптимизации топочных процессов. На основе огромного мирового опыта сжигания различных видов топлива для широкого спектра нужд появились сотни типов горелочных устройств (ГУ) и определились основные составляющие рабочего процесса при техническом горении: смесеобразование, поджиг, стабилизация горения, выгорание топливной смеси. Институты с мировыми именами: НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова, Всероссийский теплотехнический институт, Центральный институт авиационного моторостроения, МВТУ им. Н.Э. Баумана, Московский энергетический институт, Киевский политехнический институт, Казанский авиационный институт и др. -- интенсивно исследовали элементы рабочего процесса ГУ, который является сложнейшим физико-химическим процессом. Поэтому на сегодняшний день существуют сотни типов ГУ, и общепризнанной является только одна методика расчёта ГУ -- методика Иванова Ю.В., которая не получила широкого распространения, т.к. в ней присутствует только один бесспорный постулат о необходимости рационального распределения горючего в потоке окислителя, не подкреплённый исследованиями структуры течения и смесеобразования [3]. К сожалению, можно констатировать факт, что в настоящее время серьезные экспериментальные работы по исследованию рабочего процесса ГУ и созданию технологии сжигания свернуты не только в странах бывшего СССР, но и за рубежом. Основной упор делается на дорогую экспериментальную доводку и мощную автоматизацию. Так же неоправданно большие надежды возлагаются на математическое моделирование этого сложного процесса. Однако в ближайшем будущем ощутимых успехов для создания высокоэффективной технологии в этом направлении не предвидится.

Лаборатория горения КПИ, которую создал В.А. Христич, занимала одно из ведущих мест среди исследовательских центров, где исследовались и закрутка потока окислителя, и плохообтекаемые тела в качестве стабилизаторов горения и различные варианты струйной подачи горючего. К середине 70-х годов прошлого столетия практически все возможные аэродинамические схемы подачи горючего и окислителя были исследованы. Однако определить основные подходы к созданию технологии сжигания так и не удалось. ГУ как в лаборатории, так и во всём мире, не удовлетворяли совокупным требованиям по экономичности экологической безопасности и надёжности. Как впоследствии оказалось, в основном недостатки ГУ определялись неустойчивостью аэродинамической структуры течения. Кроме того, вопреки бытующему мнению, природный газ очень трудно сжечь высокоэффективно, т.к. он имеет высокую температуру воспламенения 650-750 °С, узкий диапазон горючих объемных концентраций -- 5-15 % и очень низкие значения нормальной скорости распространения пламени (менее 0,5 м/с). Это наряду со сложностью аэро-термо-химии данного процесса затруднило создание универсальной технологии сжигания, удовлетворяющей всем требованиям по экономичности, экологической безопасности и надежности работы огнетехнического объекта. И только с начала 80-х годов методологически правильно построенные исследования сложных реагирующих течений в ближнем следе за системой струй в сносящем потоке позволили выявить новые фундаментальные закономерности рабочего процесса ГУ.

Как известно, для организации смесеобразования и стабилизации горения используются так называемые плохообтекаемые тела (ПОТ.) (рис. 1), за которыми образуются циркуляционные зоны постоянного объема (Fn0T).

Для создания устойчивой вихревой структуры течения в широком диапазоне работы ГУ была разработана струйно-нишевая система смесеобразования и стабилизации пламени [4], основой которой являются газодинамические завихрители потока окислителя, горючего и продуктов сгорания (рис. 2), обеспечивающие интенсивное смесеобразование топливной смеси и широкие пределы стабилизации горения по скорости набегающего потока (Wb ) и по коэффициенту избытка воздуха (б).

Особенностью такой системы является образование в результате взаимодействия однорядной системы струй горючего с течением за П.О.Т. циркуляционной зоны переменного объема. Объем циркуляционной зоны (Ґщ) прямо пропорционален гидродинамическому параметру

Причем соотношением геометрических параметров струйно-нишевой системы можно добиться поддержания необходимого постоянного состава однородной топливной смеси в зоне циркуляции в широких пределах изменения скоростей горючего и окислителя.

При этом в области стабилизации процесса горения реализуется промежуточный (микродифузи-онный) между диффузионным и кинетическим режим горения.

В конце 80-х струйно-нишевая система смесеобразования и стабилизации пламени была защищена авторскими свидетельствами СССР. На основе струйно-нишевой системы, расположенной на отдельных модулях-коллекторах, были созданы ГУ различной мощности от 0,005 до 40 МВт. Так как модуль замыкает на себе все стадии рабочего процесса, то из них можно набирать ГУ практически любой необходимой мощности.

3. ОПЫТ АПРОБАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ

В начале 90-х годов СНТ успешно проходила апробацию на печах, котлах, камерах сгорания ГТУ, подогревателях и т.д. [5,6,7]. В это время проводились интенсивные экспериментальные и аналитические исследования, что позволило сформулировать основные постулаты технологии (рациональная раздача горючего в потоке окислителя, создание устойчивой аэродинамической структуры, автомодельность процессов смесеобразования, термическая подготовка топливной смеси, самоохлаждение и т.д.). В конце 90-х годов и способ, и горелочное устройство были запатентованы в Украине и странах Евразии [8]. На сегодняшний день СНТ является единственной универсальной технологией сжигания широко апробированной на всех типах ОУ [5]. Это водогрейные и паровые котлы, в том числе энергетические мощностью до 200 МВт, мартеновские печи, сушила и т.д. После 2000 года накоплен уникальный опыт малозатратной модернизации морально устаревшего парка огнетехнического оборудования (ЖКХ, промышленность, сельское хозяйство и т.д.) с экономией от 5 до 80 % горючего, до 50 % электроэнергии на привод тягодутьевых средств, увеличением межремонтного периода, снижением уровня экологического воздействия и т.д.

Например, котлы ДКВР, отработавшие по 20-40 лет и снизившие свои экологотеплотехнические показатели, после модернизации на основе СНТ, разжигаются при давлении газа 0,5-2 мм в.ст., устойчиво работают на нагрузках 5-10% номинальной, КПД в широком диапазоне работы -- 93-96 %. Котлы надежно работают в безвентиляторном режиме за счет разрежения в топке. При этом эмиссия NOX, приведенная к а=1, снижается до 100 мг/нм3. Так как ГУ СНТ прямоточного типа, то в топочном пространстве отсутствуют большие вихри и соответственно наброс факела на экранные трубы, поэтому по согласованию с заводом-изготовителем убираются защитные стенки около боковых экранов, что улучшает термосостояние труб и уменьшает коррозийный износ стыков труб с коллекторами. Вывод напрашивается сам собой -- отечественная техника надежная, ремонтопригодная, знакомая нашему персоналу и при применении современных технологий не уступает импортному оборудованию.

На рис. 4 показаны ГУ СНТ на котле ПТВМ-30. Горелки разжигаются при давлении 1-3 мм в.ст., на всех шести горелках котел работает с производительностью от 2 до 40 Гкал/час без отключения части ГУ. Котел может разжигаться без вентилятора и дымососа за счет самотяги трубы и при этом набирать мощность до 12-15 Гкал.

На рис. 5 показана модернизация парового энергетического котла ТП-170. Мощность одного ГУ СНТ -- 30МВт, горелки разжигаются при давлении до 4 мм в.ст.

Также универсальность струйно-нишевой технологии проявляется при решении целого ряда технических и технологических проблем в энергетике. Одной из таких задач является сушка футеровки после ремонта амбразур, боровов и т.д. При этом требуется выдерживать необходимый температурный уровень и равномерность температурного поля газов, омывающих осушаемую поверхность, иначе влага вскипает внутри футеровки и нарушает ее целостность. На практике для сушки в котлы загружаются дрова в виде метровых плах. Такой регламентированный способ неудобен, объект высыхает длительное время (несколько недель) и качество сушки оставляет желать лучшего. В г. Севастополе впервые сушка котлов ПТВМ-30 осуществлена при помощи ГУ СНТ. Все шесть горелок разожглись при давлении газа 2-3 мм в.ст., что обеспечило средний температурный уровень в топке (около 100 °С) и три котла были высушены за 3 дня.

По сегодняшний день продолжается совершенствование технологии. В результате исследовательских работ созданы горелочные устройства МДГГ, СНГ, СНТ и последние на сегодняшний день в этом ряду горелочные устройства ВРАД СНТ, реализующие новую ступень развития струйно-нишевой технологии -- технологию сжигания газа в газодинамических «вихревых реакторах».

На сегодняшний день на основе СНТ модернизировано более 500 котлов марок НИИСТУ-5, ДКВР, ТВГ, КВГ, КВГМ, ПТВМ, Е, ДЕ, ТП, ОП и т.д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Малозатратная модернизация огнетехнического объекта (ОО) на основе струйно-нишевой технологии обеспечивает:

* минимально возможный коэффициент избытка воздуха, проходящего через ГУ и микродиффузионный режим горения, за счет интенсивного и оптимизированного процесса смесеобразования;

* повышенный средний уровень температуры в топочном пространстве, при максимально возможной равномерности температурного поля, обеспечивающий необходимый радиационный теплообмен;

* низкое аэродинамическое сопротивление по тракту горючего и окислителя;

* отсутствие пульсации давления в топочном пространстве;

* высокоэффективную работу огнетехнического объекта в необходимом диапазоне мощности.

Широкомасштабный опыт промышленной эксплуатации ГУ СНТ на котлах, печах, сушилах и т.д. показал следующие результаты:

* плавный и безопасный запуск ГУ при давлении газа 0,5-3 мм в.ст.;

* устойчивый безотрывный факел во всем диапазоне работы при скоростях воздуха до 80 м/с;

* регулирование мощности объекта от 10 % до 140 % от номинальной при сохранении стабильных эколого-экономических показателей;

* работу на низких давлениях газа в сети (до 500 мм.в.ст);

* снижение потребления электроэнергии тягодутьевыми средствами в 1,3-2 раза;

* снижение уровня шума на 20-40 %;

* снижение уровня эмиссии токсичных веществ (НПч, СО и т.д.) на 20-40%;

* широкий диапазон изменения коэффициента избытка воздуха от 1,01 до 20 при сохранении высоких значений КПД;

* увеличение межремонтного периода оборудования за счет оптимизации температурного режима работы;

* хорошую адаптацию ГУ к существующей инфраструктуре ОО;

* улучшение качества производимой ОО продукции;

* окупаемость затрат по модернизации объекта (проект, изготовление ГУ, монтаж, наладка и т.д.) за счет экономии газа и электроэнергии до одного года.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абдулин М.З. Малозатратная модернизация существующего топливоиспользующего оборудования на основе применения струйно-нишевой технологии сжигания топлива // Вторая международная научно-практическая конференция «Энергоэффективность крупного промышленного региона». Сборник научных трудов. Донецк, 2006. - С. 79-82.

2. Абдулин М.З. Струйно-нишевая технология сжигания топлива - решение проблем современных горелоч-ных устройств // Петербургский строительный рынок. 2008. №3. С. 55-57.

3. Абдулин М.З. Применение струйно-нишевой технологии сжигания топлива в энергетических установках // Вестник НТУ «ХПИ». Сборник научных трудов. Тематический выпуск «Энергетическое и теплотехническое оборудование». Харьков: НТУ «ХПИ», 2005. № 6. С. 130-144.

4. Струйно-нишевая система смесеобразования и стабилизации пламени. Автореферат дис. - Киев, КПП, 1986//АбдулинМ.З.

5. Струйно-нишевая технология сжигания топлива -основа надежной работы огнетехнического оборудования // Третья международная научно-практическая конференция «Энергоэффективность крупного промышленного региона». Сборник научных трудов. М.З. Абдулин, Г.Р. Дворцин, A.M. Жученко и др. Донецк, 2008. С. 18-24.

6. Абдулин М.З., Дубовик B.C. Струйно-нишевая технология сжигания топлива на объектах муниципальной энергетики // Новости теплоснабжения. 2004. №11. С. 23-28.

7. Абдулин М.З., Дворцин Г.Р., Жученко A.M., Кулешов Ю.А. Оптимизация топочного процесса - путь к повышению эффективности, экологической безопасности и надежности работы котлов // Новости теплоснабжения. 2008. №4. С. 31-34.

8. Евразийский патент № 005471. «Способ сжигания природного газа в набегающем потоке воздуха».Размещено на Allbest.ru