Введение к работе
Актуальность работы
Известно, что качество мазута оказывает существенное влияние на условия его транспортировки, хранения и сжигания, на объем выбросов вредных веществ в атмосферу, а также на работу основного и вспомогательного оборудования тепловых электростанций. Неоднородность состава мазута (переменная вязкость и плотность перекачиваемой среды) является причиной нарушения не только гидродинамических, но и тепловых процессов, происходящих в теплообменных аппаратах мазутного хозяйства, к повышенной коксуемости мазута, к снижению качества его распыливания, ухудшению функционирования горелочных устройств, к снижению качества процесса горения топлива в топках котлов. Это в конечном итоге приводит к снижению экономичности, надежности, ухудшению экологии, к уменьшению межремонтного цикла котельного агрегата в целом.
Один из путей повышения интенсивности сжигания жидкого энергетического топлива связан с организацией процесса эмульгирования мазутов, а также с добавлением в топливо присадок - специальных веществ, улучшающих его эксплуатационные свойства. Для однородного распределения присадки в мазуте необходимо использование высокоэффективных смесителей.
К числу важнейших проблем, связанных со сжиганием органического топлива на ТЭС, в первую очередь относятся выбросы в окружающую природную среду. Энергетика сегодня поставляет в атмосферу 23,3 % суммарных выбросов от стационарных источников в РФ. В соответствии с Киотским протоколом к Рамочной конвенции ООН об изменении климата Россия в случае его ратификации берет на себя обязательство сохранить до 2012 года выбросы парниковых газов на уровне 1990 года.
Таким образом, актуальной задачей является разработка многофункциональных высокоэффективных контактных устройств, которые взамен зарубежным, обеспечат качественную подготовку мазутов с присадками и очистку газовых выбросов ТЭС.
Объекты исследования: устройства для смешения котельных топлив с присадками для повышения эффективности сжигания. Статические проточные смесители насадочного типа. Массообменные насадочные аппараты очистки газовых выбросов ТЭС.
Цель: Разработать научно-обоснованные технические решения по повышению эффективности подготовки жидкого топлива с присадками с использованием разработанных статических насад очных (проточных) смесителей. Снизить вредные газовые выбросы ТЭС за счет очистки в высокоэффективном насад очном аппарате. Задачи:
Разработать многофункциональные высокоэффективные контактные элементы насадочного типа для использования в статических смесителях и массообменных колоннах (абсорберах очистки газов ТЭС).
Выполнить экспериментальные исследования контактных устройств и получить данные по гидравлическому сопротивлению, эффективности смешения и предельным нагрузкам.
3. Разработать математическую модель массоотдачи в жидкой фазе насадочных колонн
в пленочном режиме для расчета аппаратов газоочистки.
4. Выполнить расчеты и выбрать конструктивные и режимные характеристики
статических смесителей для подготовки котельного топлива с присадками.
5. Выполнить расчеты и выбрать конструктивные и режимные характеристики
насад очного абсорбера для очистки газовых выбросов ТЭС на примере КТЭЦ-1.
6. Дать сравнительные характеристики разработанных научно-технических решений с
аналогами. Оценить экономичную эффективность разработок.
Научная новизна.
Получены экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению новых насадочных проточных статических смесителей в жидких средах. Сделано обобщение результатов по коэффициентам сопротивления для нерегулярных насадок «Инжехим» с номинальными размерами 16, 24, 35, 45 и 60 мм.
Получены экспериментальные данные по гидравлическому сопротивлению сухих и орошаемых нерегулярных насадок «Инжехим» для массообменных колонн газоочистки. Сделано обобщение результатов по перепаду давления, задержке жидкости и коэффициентам перемешивания и гидравлического сопротивления для насадок с номинальными размерами 24- 60 мм. Получены аналогичные данные для разработанной регулярной гофрированной насадки.
Разработана математическая модель массоотдачи в жидкой фазе насадочных колонн на основе обобщения гидродинамической аналогии Чилтона - Кольборна.
Получено выражение для расчета коэффициента массоотдачи в жидкой фазе при ламинарном безволновом течении пленки по элементам нерегулярной насадки. Показано согласование результатов расчета с известными экспериментальными данными.
Предложен метод сравнительной оценки эффективности статических смесителей насадочного типа, основанный на моделях пограничного слоя, локальной изотропной турбулентности и гидродинамической аналогии.
Практическая значимость.
Разработаны и запатентованы две конструкции нерегулярных насадочных элементов, которые можно использовать как в проточных статических смесителях котельных жидких топлив (мазутов) с присадками, так и в массообменных колоннах очистки газовых выбросов ТЭС.
На основе применения предложенного метода оценки эффективности статических смесителей показано преимущество новых насадок, как по эффективности, так и по удельным энергозатратам. Выбраны режимные и конструктивные характеристики смесителей для однородного распределения присадок к котельным топливам.
Разработана и запатентована конструкция регулярной рулонной гофрированной насадки.
Выполнены расчеты и выбраны режимные и конструктивные характеристики высокоэффективного насадочного аппарата очистки газовых выбросов ТЭС от СОг, SO2 и NOx при сжигании мазута.
Запатентована конструкция аппарата газоочистки.
Личный вклад автора состоит:
- в разработке конструкций контактных устройств, экспериментальном
исследовании их характеристик, обобщении полученных результатов;
в участии в разработке математических моделей процессов перемешивания и массоотдачи в насадочных колоннах;
в расчетах статических смесителей и аппаратов газоочистки для ТЭС.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждается :
использованием аттестованных средств измерения гидравлических характеристик контактных устройств;
- согласованием результатов расчета коэффициентов массоотдачи с известными
экспериментальными данными;
- использованием апробированных моделей структуры потоков для расчета
аппарата газоочистки.
- внедрением статических смесителей на ряде предприятий топливно-
энергетического комплекса.
Автор защищает:
конструкции контактных устройств и результаты их экспериментальных исследований для аппаратов газоочистки и смесителей;
математическую модель массоотдачи в жидкой фазе насадочных колонн;
метод оценки эффективности статических проточных смесителей с насадками;
результаты расчета и конструкцию абсорбера очистки газовых выбросов ТЭС.
Апробация работы и публикации. По теме диссертационной работы
опубликованы 19 работ, из них 3 в журналах из перечня ВАК, 3 статьи в других изданиях, 4 патента и 9 тезисов докладов. Отдельные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
XXII, XXIV Межд. науч. конф. ММТТ-22, 24 (Псков, Саратов 2009, 2011); IV, V, VI молод, науч. конф. «Тинчуринские чтения» (Казань: КГЭУ, 2009-2011); VI Всероссийской научно-практической студенческой конференции по интенсификации тепло-массообменных процессов (Казань, КГТУ (КХТИ), 2010); Пятой Российской научно-технической конференции (Ульяновск, 2006); XIII асп.-маг. Научный семинар посвященный дню энергетики (Казань: КГЭУ, 2009). Межд. научн. - техн. конф. «Энергетика, информатика, инновации - 20011» (Смоленск, 2011).
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 151 источников и приложения. Объем диссертации составляет 165 страниц, из них 120 страниц текста, 39 рисунков, 25 таблиц, 1 приложения на 4 страницах, справки о внедрении результатов работы.
