03.03.2017

Эффективность применения кислорода при сжигании различных видов топлива

Результирующая величина экономии топлива, учитывающая степень влияния доли кислорода в смеси, уменьшение энергопотребления дутьевыми механизмами, затраты электроэнергии на производство дополнительного количества кислорода, имеет вид:

1.jpg

где ДV1- количественный показатель экономии газообразного топлива за счет обогащения воздуха кислородом непосредственно в газопотребляющем агрегате; ДV2 - экономия энергии в дутьевом механизме за счет уменьшения объема дутья в пересчете на количество газообразного топлива; ДVз - дополнительный расход энергии на получение кислорода из воздуха в пересчете на количество газообразного топлива. 

Очевидно, что теплотворная способность топлива и стехиометрическое количество кислорода kо2, необходимого для сжигания 1 моля данного топлива, оказывают противоположное воздействие на величину экономии. Влияние калорийности газа до на долю экономии рассмотрим на примере процессов сжигания коксового, доменного и природного газа. Характеристика топлива приведена в таблице 1. 

Таблица 1. Характеристика газообразных топлив 

2.jpg

При проведении расчетов было принято, что кислород производится в криогенной установке, энергозатраты на его производство составляют Ео = 30 000 Дж/моль; коэффициент избытка кислорода, подаваемого в смеси на горение, равен а = 1,05; давление воздуха перед горелкой р = 4000 Па, воздушно-кислородная смесь не подогревается (ДГо = 0).

Результаты расчетов для вариантов сжигания доменного, коксового и природного газов приведены на рисунках 1. 

Анализ представленных рисунков показывает, что при температуре дымовых газов выше 400°С наибольшая эффективность использования воздуха, обогащенного кислородом, наблюдается при сжигании природного газа. Причем по мере увеличения концентрации кислорода в смеси величина эффекта монотонно возрастает. При уменьшении калорийности топлива эффективность использования кислорода несколько уменьшается. Так, если при сжигании природного газа максимальный эффект при Дtух = 1000°С составляет около 23%, то для коксового газа - около 21%, доменного -16%. Однако в случае, когда разность температуры уходящих газов и окружающей среды равна 100°С, т.е. для варианта сжигания газообразного топлива, например, в водогрейном котле, энергоэффективность использования кислорода отрицательная. Это характерно для всех рассмотренных горючих газов. 

Вместе с тем, если оценить отдельно члены зависимости, т.е. составляющие, определяющие величину эффекта уменьшение расхода топлива в газопотребляющем агрегате за счет использования кислорода, уменьшение расхода электроэнергии в дутьевых механизмах и дополнительный расход электроэнергии на получение кислорода из воздуха, то получим картину, представленную на рисунке 2.

Рисунок 1. Зависимость эффекта от использования кислорода для обогащения дутьевого воздуха при сжигании газообразных топлив: а) доменного газа; б) коксового газа; в) природного газа

3.jpg

Анализ приведенных зависимостей показывает, что в водогрейном котле отрицательная энергоэффективность использования кислорода обусловлена величиной затрат на его получение из воздуха, которые значительно превышают сумму положительных составляющих: экономию газа непосредственно в агрегате и электроэнергии в дутьевом механизме.

Приравняв зависимость к нулю при отсутствии предварительного подогрева смеси (Дtо = 0) и прибавив значение температуры окружающей среды (tос. = 20°С, можно определить предельные значения tух, выше которых будет наблюдаться положительная эффективность использования кислорода.

4.jpg

Во всем диапазоне концентраций кислорода в смеси с воздухом при коэффициенте избытка а=1,05 для получения положительного эффекта температура уходящих газов должна быть не ниже линии, представленной на рисунке 3. Как видим, рост концентрации кислорода от 0,25 до 0,95 несколько понижает минимально допустимую температуру дымовых газов. Но это снижение относительно невелико: температура (ух уменьшается от 279°С до 265°С. Уменьшению критической температуры способствует и увеличение коэффициента избытка кислорода. Но эффект будет незначительным: согласно расчету рост б от 1,05 до 1,3 приводит к тому, что максимальное значение температуры tух снизится чуть более, чем на 1°С, а минимальное - на 4°С.

Помимо оценки предельных значений температуры уходящих газов, интерес представляет анализ влияния на эффективность использования кислорода при сжигании газообразного топлива таких параметров как коэффициент избытка кислорода (смеси воздуха и кислорода) а и температуры предварительного подогрева смеси Д(о на эффективность предлагаемого мероприятия. Для решения данной задачи выполнены дополнительные расчеты.

5.jpg

Учитывая, что подогрев воздуха в рекуперативных теплообменниках имеет смысл при достаточно высоких температурах уходящих газов, рассмотрим варианты с Дtух = 600°С, 800°С, 1000°С. При этом температуру подогрева воздушно-кислородной смеси примем равной Дtо = 0,5ДГуж. Полученные зависимости приведены на рисунке 4.

Сравнение полученных результатов (сплошные линии) с данными, полученными при расчете эффективности использования кислорода без предварительного подогрева смеси (штриховые линии), показывает, что при наличии рекуперативного теплообменника сравнительная эффективность использования кислорода для обогащения воздуха горения несколько снижается. Но это уменьшение незначительно. Не следует забывать, что совместное использование кислорода и подогрева воздушно-кислородной смеси увеличивает суммарную энергоэффективность процесса. Если, например, при температуре дымовых газов {ух = 800°С подогрев воздуха до 400°С дает около 25% экономии топлива, то за счет обогащения воздуха до [О2]=50% величина экономии возрастет еще на 12% от расхода газа. Фактический расход по сравнению с вариантом, в котором отсутствует рекуператор и не используется кислород, составит: В = Во *(1 - 0,25) * (1 - 0,12) = 0,66 Во. 

Таким образом, суммарная экономия энергоресурсов составит 34% от начального расхода природного газа.

Для оценки влияния а рассмотрим процесс сжигания природного газа с воздухом, обогащенным кислородом. Коэффициент избытка кислорода а будем варьировать в пределах от 1,05 до 1,5; примем Дtух = 800°С, Дtо = 400°С, все остальные параметры такие же, как и в предыдущих расчетах. Результаты приведены на рисунке 5.

Очевидно, что увеличение коэффициента избытка кислорода при сжигании природного газа позволяет существенно уменьшить расход энергоресурсов, необходимых для реализации процесса. Это позволяет утверждать, что максимальной эффективности от применения кислорода можно достичь в печах с окислительной атмосферой, например, в плавильных печах, сжигая газ в газокислородной фурме и одновременно используя эту фурму для вдувания в рабочее пространство дополнительного кислорода (для подрезки лома или окисления примесей либо СО).

6.jpg

Таким образом, анализ, выполненный в данной работе, показывает: 
      1. Эффект от применения кислорода при сжигании газообразного топлива тем выше, чем больше отношение qо/kо2 (теплотворной способности топлива к стехиометрическому количеству кислорода, необходимого для горения). Т.е. для «тяжелых» топлив, например, про- пан-бутановой смеси или природного газа, в котором достаточно велика доля углеводородов, более тяжелых, чем метан, эффективность будет выше, чем у топлив с высоким содержанием СО и Н2, а также балластных составляющих (N2, О2). 
     2. Обогащение воздуха кислородом при отсутствии рекуперации теплоты уходящих газов позволяет получить положительный эффект лишь при условии, что температура уходящих газов превышает определенное значение (от 265°С до 279°С в зависимости от степени обогащения). 
   3. Наличие рекуперативного теплообменника несколько снижает эффект от использования кислорода. Кроме того, если отсутствует возможность подогрева смеси в металлическом рекуператоре по причине высокой концентрации и химической активности кислорода, а воздух в базовом варианте подогревается, то использовать кислород не имеет смысла, либо необходимо ограничиться невысокой концентрацией его в смеси, что не будет отрицательно влиять на долговечность теплообменника. 
   4. Применение кислорода будет эффективно в случае использования рекуперативных либо регенеративных горелок с керамическим теплообменником, который не подвергается окислению. За счет технологии сжигания FLOX в данных горелках попутно будет решена проблема образования термических N Ох. Тогда экономия топлива будет складываться из двух составляющих: экономии от подогрева дутья и экономии от использования кислорода. 
     5. Высока эффективность сжигания газа с использованием дутья, обогащенного кислородом, в том случае, когда технологический процесс требует наличия окислительной атмосферы в рабочем пространстве агрегата (дуговые сталеплавильные печи с газокислородными фурмами и др.). 

Авторы: 
В.И. Тимошпольский,Д.Т.Н., проф., директор по науке и новой технике научно-производственной группы компаний «Нефтегаз-стройизоляция», г. Киев 
С.М. Кабишов,К.Т.Н., зав. лаб. “Теория и техника металлургических процессов» 
И А  Трусова,д.т.н., проф., зав. каф. «Металлургические технологии» 
Д.В. Менделев,к.т.н., ст. преп. каф. «Металлургические технологии» 
Г.А. Румянцева, К.Т.Н., доцент каф. «Металлургические технологии» 
Белорусский национальный технический университет, г. Минск 
Источник:
Репозиторий Белорусского национального технического университета

Возврат к списку