Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы снижения выбросов оксидов азота в воздушный бассейн 10
1.1. Общие сведения 10
1.2. Методы снижения выбросов оксидов азота 14
1.3. Нормативно - техническая документация по воздухонагревателям газовым смесительным и газовоздушному отоплению 24
1.3.1. Требования безопасности 24
1.3.2. Общие требования предъявляемые к ВГС 26
1.4. Выводы и постановка задачи исследования 28
Глава 2. Характеристики и процессы, протекающие при горении метана 30
2.1. Механизм горения метана 30
2.2. Способы термического разложения метана 35
2.3. Влияние предварительного подогрева газа на процесс термического разложения метана 41
2.4. Математическая модель образования радикалов водорода атомов углерода и водорода при сжигании природного газа.
Глава 3. Экспериментальные исследования режимов работы газовых смесительных воздухонагревателей 65
3.1. Описание стенда для испытания воздухонагревателей 65
3.2. Методика проведения испытаний 68
3.3. Экспериментальные исследования работы ВГС тепловой мощностью 25 кВт 72
3.4. Экспериментальные исследования работы ВГС тепловой мощностью 200 кВт 80
3.5. Рекомендации к расчету газовых смесительных воздухонаг ревателей типа ВГС - 200 82
Глава 4. Обработка экспериментальных данных и практическое использование полученных результатов
4.1. Гидродинамическая модель газовой горелки 88
4.2 Регрессионная модель образования оксидов азота 94
4.3. Расчетные характеристики ВГС 98
4.4. Гибридные схемы газовоздушного отопления 101
4.5. Оценка экономической эффективности использования газовых смесительных воздухонагревателей 103
Выводы 112
Литература 114
Приложения
- Нормативно - техническая документация по воздухонагревателям газовым смесительным и газовоздушному отоплению
- Общие требования предъявляемые к ВГС
- Влияние предварительного подогрева газа на процесс термического разложения метана
- Экспериментальные исследования работы ВГС тепловой мощностью 25 кВт
Введение к работе
Переход к рыночным отношениям и происшедшие экономические преобразования, резко повысили стоимость энергоресурсов и материалов, что привело к коренным изменениям в отношениях к проблеме энергосбережения, а глобальное потепление климата Земли, решение вопроса о химическом и тепловом загрязнении воздушного бассейна ставит энергосбережение в число приоритетных. В современных условиях проблемы энергосбережения и экологии являются общенациональными и требуют незамедлительного решения. Тщательный анализ показывает, что продолжение экономического роста при сохранении действующих норм потребления энергоресурсов неизбежно поставит перед нами вопрос дефицита энергетических ресурсов. В нашей стране доля стоимости энергии в себестоимости продукта составляет 40 - 45 %, что выше среднемирового уровня в 5 - 10 раз. Большая часть котельных и теплосетей устарела морально и физически, нуждается в капитальном ремонте и реконструкции. По данным Минэнерго, в России на 100 км теплотрасс приходится 70 аварий в год. КПД старого котельного оборудования составляет 60 - 70%, а с учетом потерь в теплосетях - снижается до уровня менее 50 %,
Перевод экономики страны на энергосберегающий путь развития выдвигает в число первоочередных задач отбор наиболее эффективных мероприятий и оборудования, апробированных в промышленных условиях, дающих наибольший экономический эффект при минимальных затратах. Экономия энергетических ресурсов является на современном этапе не только наиболее действенным и эффективным направлением решения проблем энергосбережения в промышленности и народном хозяйстве, но и реальным механизмом снижения загрязнения окружающей среды.
Одним из направлений получения существенной экономической выгоды в промышленности, является повышение организационно-технического уровня использования энергоресурсов [92, 93]. Одним из широко распространенных в
5 промышленности источников тепловой энергии является нагретый до необходимой температуры воздух. Благодаря таким его достоинствам, как простота использования и относительная чистота, нагретый воздух получил широкое применение как греющий теплоноситель, в сушильных агрегатах, системах отопления и кондиционирования, производстве строительных материалов [43, 70, 94].
Нагретый воздух может иметь температуру до 300 -350 С, что позволяет использовать его в качестве средне и низкотемпературного энергоносителя для различных процессов, таких как сушка, предварительный нагрев металла, отопление промышленных кондиционеров, производстве керамики и строительных материалов, а также децентрализованном теплоснабжении объектов различного назначения и производственных помещений.
Одним из путей энергосбережения и децентрализованного теплоснабжения промышленных потребителей нагретого воздуха, является замена рекуперативных воздухонагревателей воздухонагревателями газовыми смесительными (ВГС), в которых в качестве теплоносителя используют смесь продуктов полного сгорания природного газа и чистого воздуха [13, 89, 91]. Достоинством применения ВГС является малая тепловая инерционность, малая капитало и материалоемкость, надежность работы при переменном графике потребления теплоты (односменная работа), отсутствие опасности размораживания системы технологического теплоснабжения. Коэффициент полезного действия данного типа воздухонагревателей составляет 99,5 %.
Применение ВГС является предпочтительным (особенно в сравнении с водяными системами отопления), т.к. позволяет эффективно совместить отопление с приточно-вытяжной вентиляцией [50], что широко используется в США и Канаде.
К настоящему времени имеющийся на рынке России парк ВГС, имеет ряд недостатков, основным из которых является наличие в газовоздушной смеси токсичных компонентов сжигания газового топлива (главным образом СО и NOx). Концентрация вредных веществ зачастую превышает установленные нормы. В первую очередь это связано с неотработанной техникой сжигания природного газа, которая дает высокий выход токсичных веществ в продуктах сгорания. Отсутствие простых и экономически доступных в использовании технологий сжигания природного газа, обеспечивающих предельно низкое содержание вредных веществ, существенно ограничивает области применения ВГС в промышленности и народном хозяйстве.
Поэтому особенно актуальной задачей, важной как в практическом, так и теоретическом отношениях, является разработка специальных приемов и техники сжигания газа, позволяющей получить экологически чистые продукты сгорания, а также новых, эффективных конструкций газовых смесительных воздухонагревателей.
Отсюда вытекает основная цель настоящей диссертационной работы, состоящая в: научном обоснование нового метода подавления NOx и устройств обеспечивающих низкий уровень загрязнения газовоздушной смеси; исследование и экспериментальное изучение закономерностей подавления оксидов азота в факеле природного газа и разработке устройств для их реализации в воздухонагревателях газовых смесительных; стендовых экспериментальных исследованиях снижения уровня выбросов NOx. создании и исследовании нового экологически чистого газового смесительного воздухонагревателя, для энергоэффективного децентрализованного теплоснабжения технологических потребителей и объектов различного назначения;
Научная новизна выполненной работы:
Создание термохимической модели и научного обоснования подав ления генерирования NOx в газовых топках воздухонагревателей газовых сме-
7 сительных и других теплотехнических установках, работающих на природном газе на основе термохимического пиролиза природного газа;
Экспериментальное изучение условия формирования механизма горения природного газа с получением газов - восстановителей и активных веществ;
Разработка схемы сжигания природного газа во встречном потоке воздуха с низким уровнем эмиссии NOx;
Предложен новый метод подавления оксидов азота, основанный на химическом механизме восстановления NOx активными частицами и газами восстановителями;
Получены новые экспериментальные данные по процессу горения предварительно подогретого природного газа во встречном воздушно - струйном потоке;
Предложена новая универсальная гибридная схема комплексного теплоснабжения объектов различного назначения.
Практическая значимость работы. Получены новые научные результаты для создания экологически чистого газового смесительного воздухонагревателя. Разработаны системы газовоздушного нагрева в технологических процессах и отоплении производственных объектов (процессы сушки, низкотемпературный нагрев материалов и т.д.). Предложена гибридная схема, позволяющая совместить систему технологического нагрева с отоплением производственных объектов.
Представленная работа является обобщением теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» ГОУ ВПО Самарского государственного технического университета.
Реализация работы.
Результаты работы были использованы при: выполнении Госбюджетной НИР «Научное, научно-методическое, материально-техническое и информационное обеспечение системы образования» по заказу Минобразования России (per. № 01200107439); разработке ВГС мощностью 25кВт для филиала ОАО «ИЭМЗ «Купол» завод «Старки», г. Ижевск; разработке схемы теплоснабжения линии технологических кондиционеров АО «КАМАЗ» г. Набережные - Челны и ОАО «Индустриальный» г. Тольятти, с использованием ВГС; создании типоряда ВГС промышленного назначения теплопроизво-дительностью от 200 до 1200 кВт; теплоснабжении производственно-административного здания V=51000м3, завода стиральных машин (г. Кишенев, Молдова); реконструкции зерносушилки № 819, пр-ва ПНР, ОПХ им. 50-летия ВЛКСМ, с. Сарай-Гир, Оренбургской обл.
Основные положения выносимые на защиту: метод снижения эмиссии оксидов азота с использованием восстановительных свойств промежуточных продуктов горения; способы реализации механизма снижения эмиссии оксидов азота с использованием активных промежуточных продуктов термического пиролиза природного газа; экспериментальные исследования процесса горения, обеспечивающего снижение токсичности газовоздушной смеси во встречном воздушно -струйном потоке предварительно подогретого природного газа; экспериментальные исследования работы воздухонагревателей газовых смесительных с низким уровнем эмиссии оксидов азота;
По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Результаты работы докладывались: на научном семинаре «Химиидустрия» (г. Самара, 2001 г.); на III Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике промышленности», УлГТУ (г. Ульяновск, 2001 г.); на 3-й международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии», СПбГТУ (г. Санкт - Петербург, 2001 г.); на научном семинаре «Энергетика» (г. Самара, 2002 г.); на научном семинаре «Химиндустрия» (г. Самара, 2002 г.); на IV Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике промышленности», УлГТУ (г. Ульяновск, 2003 г.); на девятой международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика», МЭИ (г. Москва, 2003 г.); на ежегодных научно - технических семинарах СамГТУ (г. Самара, 1998-2003г.).
Содержание работы изложено в последующих 4 главах. В приложении приведены таблицы с опытными данными, акты внедрения, сертификат на ВГС.
Нормативно - техническая документация по воздухонагревателям газовым смесительным и газовоздушному отоплению
При использовании ВГС для теплоснабжения промышленных установок основными регламентирующими нормативными документами являются Правила безопасности в газовом хозяйстве [52], ГОСТ 12.1.004 - 91 Пожарная безопасность [17] и ГОСТ 12.1.010 - 76 Взрывобезопасность [19] .
При использовании ВГС для отопления помещений с возможным пребыванием людей, где основным теплоносителем является нагретая до определенной температуры смесь воздуха с продуктами полного сгорания природного газа, кроме [52] добавляются ряд нормативных документов нормирующих использование таких систем. Согласно СНиП 2.04.05-91 «Отопление вентиляция и кондиционирование» [69], п.п. 2.11 и 2.12, концентрацию вредных веществ в воздухе рабочей зоны на рабочих местах следует принимать в соответствии с ПДК в воздухе рабочей зоны по ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно - гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» [181, а также по гигиеническим требованиям к микроклимату производственных помещений [62]. К таким помещениям могут относиться складские помещения, рембазы и т.д.
Концентрацию вредных веществ в приточном воздухе, при выходе из воздухоподогревателей и других приточных отверстий, принимают по расчету, с учетом фоновых концентраций этих веществ в местах размещения воздухо-приемных устройств, но не более 30 % от ПДК в воздухе рабочей зоны [18, 62]. Рабочей зоной считают пространство до 2-х метров над уровнем пола или рабочей площадкой, на которых находятся места постоянного или временного прерывания людей. ПДК для воздуха рабочей зоны определяются из условия, что при ежедневной работе людей в течение 8 часов в сутки не приведет к каким либо отклонениям в состоянии здоровья людей [18].
Предельно допустимые концентрации основных вредных веществ содержащихся в газовоздушной смеси [18], в атмосферном воздухе и в воздухе рабочей зоны, при использовании ВГС для отопления, приведены в табл. 1.3.
Требования к конструкции ВГС, полноте сжигания топлива, содержанию вредных веществ в продуктах сгорания и т.п. устанавливает ГОСТ Р 51625-2000 «Воздухонагреватели смесительные. Общие технические требования» [22] и ГОСТ 21204-97 «Горелки газовые промышленные. Общие технические требования» [20].
Оксид углерода, СО, % об. 0,05 (п. 6.1. ГОСТ 21204 «Горелки газовые промышленные. Общие технические требования») Согласно п. 5.3.4. ГОСТ Р 51625-2000 в помещении, которое отапливается смесительными воздухонагревателями, должен быть обеспечен непрерывный контроль воздуха рабочей зоны с сигнализацией о превышении ПДК. Это требование действует при использовании ВГС для отопления помещений с возможным пребыванием в нем людей.
Ввиду относительного постоянства содержания оксидов азота в продуктах полного сгорания природного газа (при соответствии требованиям нормативной документации), необходимость в непрерывном контроле воздуха рабочей зоны остается лишь по содержанию оксида углерода, т.к. их величина может изменяться при отклонениях в работе ВГС.
В общем случае, как и к любому другому газоиспользующему оборудованию к ВГС, предъявляют следующие требования: безопасности; экономичности и технического совершенства.
Требование безопасности для ВГС (кроме пожарной и взрывобезопасно-сти [17, 19]), в основном, сводится к качеству получаемой смеси в плане содержания вредных веществ, образующихся при сжигании природного газа. Основными вредными веществами, в данном случае, являются оксиды азота и оксид углерода. Это требование обусловлено возможностью использования ВГС не только для теплоснабжения технологических потребителей, но и для отопления помещений с возможным пребыванием людей. В этом плане требование выполняется за счет обеспечения сжигания природного газа с низкими эмиссиями оксидов азота и оксида углерода, а после глубокого разбавления атмосферным воздухом (до стократного и более), содержание вредных примесей в смеси становится незначительным в сравнении с установленными ПДК. (расчет показывает при температуре смеси 90 С следующие содержания основных вредных компонентов, NOx = 0,9-ь 1мг/м3; СО = 1мг/м3). При понижении температуры и, как следствие, большем разбавлении, указанные значения оказываются еще более низкими.
Требование экономичности - это в первую очередь высокий КПД аппарата. При использовании ВГС для нагрева воздуха за счет практически полного отсутствия каких либо потерь теплоты, характерных для теплообменника рекуперативного типа, тепловой КПД стремится к 100 % (принятое значение КПД -99,5 %) при малых размерах и массе аппарата. Воздухонагреватели рекуперативного типа, в зависимости от типа греющего теплоносителя, имеют КПД около 88% [21].
Следовательно, переход, где это возможно, на использование в качестве теплоты энергоносителя газовоздушной смеси, дает существенную экономию топлива. Требование технического совершенства сводится к обеспечению высокой надежности аппарата, минимальному количеству движущихся и вращающихся элементов, высоким эргономическим качествам, низкой материалоемкость (удельной металлоемкости). К ВГС малой мощности, кроме вышеперечисленных, добавляется еще ряд требований, обеспечение которых делает их конкурентоспособными в современных рыночных условиях: 1. Наличие одного вентилятора подающего воздух, как на горение, так и на его нагрев. Для обеспечения требования технического совершенства и эстетики это должен быть осевой вентилятор. 2. Электропитание от бытовой электросети 220 В, 50 Гц. 3. Низкое давление газа, необходимое для работы ВГС. Оптимальная величина 2 кПа - давление газа в бытовых сетях.
Общие требования предъявляемые к ВГС
В общем случае, как и к любому другому газоиспользующему оборудованию к ВГС, предъявляют следующие требования: безопасности; экономичности и технического совершенства.
Требование безопасности для ВГС (кроме пожарной и взрывобезопасно-сти [17, 19]), в основном, сводится к качеству получаемой смеси в плане содержания вредных веществ, образующихся при сжигании природного газа. Основными вредными веществами, в данном случае, являются оксиды азота и оксид углерода. Это требование обусловлено возможностью использования ВГС не только для теплоснабжения технологических потребителей, но и для отопления помещений с возможным пребыванием людей. В этом плане требование выполняется за счет обеспечения сжигания природного газа с низкими эмиссиями оксидов азота и оксида углерода, а после глубокого разбавления атмосферным воздухом (до стократного и более), содержание вредных примесей в смеси становится незначительным в сравнении с установленными ПДК. (расчет показывает при температуре смеси 90 С следующие содержания основных вредных компонентов, NOx = 0,9-ь 1мг/м3; СО = 1мг/м3). При понижении температуры и, как следствие, большем разбавлении, указанные значения оказываются еще более низкими.
Требование экономичности - это в первую очередь высокий КПД аппарата. При использовании ВГС для нагрева воздуха за счет практически полного отсутствия каких либо потерь теплоты, характерных для теплообменника рекуперативного типа, тепловой КПД стремится к 100 % (принятое значение КПД -99,5 %) при малых размерах и массе аппарата. Воздухонагреватели рекуперативного типа, в зависимости от типа греющего теплоносителя, имеют КПД около 88% [21]. Следовательно, переход, где это возможно, на использование в качестве теплоты энергоносителя газовоздушной смеси, дает существенную экономию топлива. Требование технического совершенства сводится к обеспечению высокой надежности аппарата, минимальному количеству движущихся и вращающихся элементов, высоким эргономическим качествам, низкой материалоемкость (удельной металлоемкости). К ВГС малой мощности, кроме вышеперечисленных, добавляется еще ряд требований, обеспечение которых делает их конкурентоспособными в современных рыночных условиях: 1. Наличие одного вентилятора подающего воздух, как на горение, так и на его нагрев. Для обеспечения требования технического совершенства и эстетики это должен быть осевой вентилятор. 2. Электропитание от бытовой электросети 220 В, 50 Гц. 3. Низкое давление газа, необходимое для работы ВГС. Оптимальная величина 2 кПа - давление газа в бытовых сетях.
Второе и третье требования объясняются тем, что основными потребителями ВГС малой мощности являются небольшие предприятия различного профиля, в распоряжении которых имеются электросети и газ с бытовыми параметрами. В настоящее время горелок с низким давлением газа и воздуха (осевые вентиляторы не обеспечивают большого напора и при малой производительности по воздуху напор обычно составляет до 0,1 - 0,15 кПа), способных работать при переменных и повышенных избытках воздуха и обеспечивающих низкую эмиссию вредных продуктов сгорания, практически нет. Известные конструкции таких горелок [81] требуют более высоких параметров воздушного напора и имеют высокие эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания. Предлагаемые же на рынке горелки малой мощности, работающие на природном газе низкого давления иностранного и отечественного производства, имеют повышенное требование к давлению воздуха (1-2 кПа) и, зачастую, имеют блочную конструкцию со встроенным вентилятором. Стоимость последних в 4 - 6 раз превышает стоимость ВГС.
Значение воздухонагревателей газовых смесительных в децентрализованном теплоснабжении технологических потребителей достаточно велико. Однако многочисленные неудачи в практическом использовании в значительной мере обусловлены отсутствием аппаратов, наиболее полно отвечающим требованиям нормативных документов по степени токсичности, получаемой газовоздушной смеси. В настоящее время с целью повышения эффективности использования топлива, сокращения доли стоимости энергии в себестоимости продукции, снижения химического и теплового загрязнения окружающей среды, необходимо создание предельно простых, надежных в работе, экологически совершенных и не требующих постоянного обслуживающего персонала устройств такого рода. Этим требованиям в полной мере удовлетворяют новые, эффективные и экологически чистые газовые смесительные воздухонагреватели, разработанные с участием автора на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» ГОУ ВПО СамГТУ. Широкому внедрению и практическому использованию предложенных воздухонагревателей газовых смесительных должна предшествовать работа по разработке термохимического метода подавления оксидов азота, определению их характеристик, по поиску наилучших сочетаний конструктивных и режимных параметров. Отсюда вытекают основные задачи настоящего исследования: разработка и термохимический анализ комплекса подавления оксидов азота промежуточными продуктами горения газа и активными веществами; Экспериментальное изучение термохимического комплекса подавления оксидов азота промежуточными продуктами горения газа и активными веществами; Разработка и исследование новых экологически чистых газовых смесительных воздухонагревателей; Экспериментальное исследование работы газовых смесительных воздухонагревателей в составе технологических комплексов.
Влияние предварительного подогрева газа на процесс термического разложения метана
Из теории горения известно, что начальный подогрев газовых смесей, поступающих на горение, значительно расширяет пределы воспламенения этих смесей и увеличивает скорость распространения пламени [10, 33, 45, 54, 90]. Газовые горелки, предназначенные для работы на подогретых газовых смесях, условно можно разделить на две группы [54]: работающие без предварительного смешения газа и воздуха и с предварительным смешением компонентов. Не давая расширенную характеристику тех и других горелок, подчеркнем, что го 42 релки второй группы не могут работать с подогревом газа и воздуха до температуры близкой, либо превышающей температуру воспламенения сжигаемого газа. В то время, как горелки первой группы имеют возможность подогрева воздуха до любой температуры, а температура подогрева газа ограничивается его термической устойчивостью, кроме того, они позволяют получать светящийся факел. Здесь и далее будет рассмотрен первый вариант горелки без предварительного смешения компонентов.
Предварительная термическая обработка природного газа позволяет интенсифицировать процесс термического разложения исходного метана, как в факеле, так и на стадии подогрева [11]. Достигнуть оптимальных условий для интенсивного термического разложения метана в факеле можно двумя путями:
1. организацией предварительного подогрева газа в горелочном устройстве до состояния близкого к началу разложения;
2. созданием условий для термического разложения газа непосредственно в рабочем пространстве топки.
Для организации первого варианта необходимо нагреть исходный газ до температуры, близкой к температуре начала термического разложения метана в специально газогорелочном устройстве, либо в газоплотном подогревателе рекуперативного типа. В данном случае необязательно проводить полное разложение исходного газа, дальнейшее разложение метана, с образованием углеводородных радикалов и атомов водорода, произойдет в зоне термического пиролиза диффузионного факела, где созданы условия резкого перегрева поступающего в топку газа (см. рис. 2.3).
Для выполнения второго варианта подачу газа на горение необходимо производить с образованием высокотемпературной безокислительной зоны, в которую попадает часть сжигаемого газа. В этой зоне за счет термического пиролиза этот газ либо достигает состояния термического разложения, либо частично разлагается [30, 68] и, за счет турбулентной диффузии, поступает в факел основного газа и смешивается с основным потоком [88]. На рис. 2.1 представлена схема предварительной термообработки части газа, лена схема предварительной термообработки части газа, поступающего на горение непосредственно в топочном объеме.
Как и в случае обычного диффузионного факела природного газа, в данном случае можно, выделить зоны, как термического, так и окислительного пиролиза.
Повышение начальной температуры газа, поступающего на горение, способствует не только интенсификации процессов термического разложения метана, но и увеличению нормальной скорости распространения пламени [79].
Согласно [80], нормальная скорость распространения пламени при увеличении начальной температуры смеси значительно увеличивается, а при повышении давления - несколько снижается. Из (2.15) и (2.16) видно, что повышение начальной температуры горения смеси и скорости истечения приводит к увеличению нормальной скорости распространения пламени.
Скорость распространения пламени определяется скоростью цепной реакции, зависящей от концентрации свободных радикалов и реагирующих с ними исходных веществ, распространение которых для углеводородов не совпадает с распределением температуры горения [80].
Для диффузионного пламени природного газа можно выделить зону термического пиролиза, находящуюся во внутреннем конусе факела, и зону окислительного пиролиза во внешнем фронте пламени.
Оксид азота, при диффузионном горении, образуется в один и тот же промежуток времени, что и разрушение молекулы СН4 [65]. С учетом вышесказанного для эффективного снижения содержания оксидов азота в продуктах сгорания природного газа необходимо создать условия, при которых уже в начальной зоне факела будут присутствовать активные частицы (углеводородные радикалы, атомарный водород) и атомарный углерод, способствующие восстановлению оксида азота. Активные частицы сокращают длину газового факела, расширяют пределы воспламенения топлива [26, 27].
Создав условия предварительной термической обработки природного газа можно не только сократить зону прогрева исходных веществ, за счет ускорения процесса термического разложения молекулы метана, но и уменьшить длину факела, а так же время пребывания продуктов горения в высокотемпературной зоне. Как видно из рис. 2.2, резкое снижение концентрации исходных веществ, рост, а затем снижение концентрации промежуточных веществ, происходит перед зоной реакций и непосредственно в ней.
Как известно, оксиды азота, в основной массе, образуются на начальных участках факела до зоны горения. Создание условий присутствия углеводородных радикалов и водорода в этой же зоне позволит резко понизить содержание вредного компонента в продуктах сгорания [74]. В то время как водород и углеводородные радикалы являются газами восстановителями, оксид азота при высоких температурах проявляет свои окислительные свойства [41, 42]. Таким образом, создав условия по предварительной термической обработке природного газа оказывается возможным не только сократите время термического разложения молекулы СН4 и уменьшить длину диффузионного факела, но и обеспечить дополнительный отвод теплоты, за счет организации подогрева газа непосредственно в факеле, либо в специальной горелке. Повышенное содержание углеводородных радикалов в начальной зоне факела, зоне бурного образования оксидов азота, позволяет существенно снизить концентрацию последних в продуктах сгорания.
Экспериментальные исследования работы ВГС тепловой мощностью 25 кВт
Схемы горения и типы горелочных насадок, используемых при проведении эксперимента, представлены ниже.
Горелочная насадка № 1, рис. 3.5, с предварительной термической обработкой природного газа и струйно - встречной схемой движения топливо - воздух.
Газ, проходя по внутреннему объему газогорелочного устройства, нагревался от корпуса горелки и на выходе из горелки имел повышенную темпе 73 ратуру. Сжигание газа проходило во встречном воздушном потоке. Горящая струя газа ударялась о распределительную решетку, разворачивалась на 180 С, после чего происходило догорание горючих веществ. В [16, 27, 78] отмечается рысокая эффективность процесса сжигания во встречном потоке, за счет интенсификации процесса смесеобразования и разбиения горючего на струи. В процессе эксперимента было отмечено:
Газ, при выходе из сопел, попадал в сносящий воздушный поток, что заставляло частично развиваться факел вдоль дополнительного разогретого излучателя. В процессе эксперимента было отмечено: - факел объем топки заполнял не равномерно. В местах соединения распределительной решетки и топки наблюдались беспламенные зоны; - стабильность факела при изменении теплового напряжения топочного объема. - при повышении нагрузки выше 34,5 -36 кВт, отмечалось выбивание факела за пределы топочного объема, что приводило к увеличению величины химического недожога; - по мере прогрева дополнительного излучателя, длина факела уменьшалась.
Газ при выходе из сопел поступал в сносящий воздушный поток, дальнейшее горение происходило в свободном объеме. В процессе эксперимента было отмечено: - факел объем топки заполнял неравномерно. В местах соединения распределительной решетки и топки наблюдались беспламенные зоны; - стабильность факела при изменении теплового напряжения топочного объема; - при повышении нагрузки выше 32 кВт, отмечалось выбивание факела за пределы топочного объема, что приводило к увеличению величины химического недожога; - факел несветящийся, голубого цвета.
В результате экспериментальных исследований, определялся состав продуктов сгорания при изменении тепловой нагрузки воздухонагревателя. Опыты со значениями выбросов оксида углерода в продуктах сгорания при коэффициенте избытка воздуха а = 1, превышающими предельно допустимое значение согласно п. 5.2. ГОСТ Р 51625-2000 равное 0,05 % об. (628 мг/м3), отбраковывались.
Обращает на себя внимание изменение в характере образования оксидов азота при сжигании термически подготовленного природного газа (рис. 3.8). Наблюдаются две характерные области. Первая - область увеличения концентрации NOx в диапазоне пониженных тепловых напряжений и вторая - плавного снижения содержания NOx в диапазоне повышенных нагрузок, что является нехарактерным для газоиспользующего оборудования.
Отмеченное отличие характера изменения концентрации NOx, в продуктах сгорания обусловлено восстановлением части оксидов азота до молекулярного азота активными веществами и газами восстановителями. Это следует из того, что их концентрация на начальном участке газового факела возрастает при увеличении теплового напряжения, что является следствием увеличения степени предварительно подогрева исходного газа. Этим обстоятельством и объясняется спад концентрации NOx в диапазоне повышенных тепловых напряжений.
Снижение концентрации оксида углерода во всех исследуемых случаях обусловлено увеличением теплового напряжения топочного объема, повышением температуры и увеличением скорости выгорания СО. Однако, стоит учесть, что повышение теплового напряжения топочного объема, не может быть бесконечным, и, нужно учитывать этот факт при расчетах топок воздухонагревателей. 3.4. Экспериментальные исследования работы ВГС тепловой мощностью 200 кВт
В качестве основы для горелочного блока принята высокоэффективная горелка типа ГСА У, разработанная на кафедре "Промышленная теплоэнергетика" СамГТУ, которая имеет сертификат соответствия Госстандарта РФ и рекомендована к промышленному применению Госгортехнадзором РФ.
Горелка с аэродинамическим управлением ГСАУ предназначена для формирования факела, изменяя положение которого относительно оси топочного пространства и положения ядра горения, осуществляется интенсификация теплообмена в камере сгорания и выравнивание полей температур в камере сжигания.
Горелка ГСАУ представляет собой сожигательное устройство, состоящее из центральной горелки (длинного факела), включающей корпус и центральное газовое сопло, двух симметрично расположенных периферийных горелок, состоящих из камер формирования импульса и с острых кромок для создания аэродинамического эффекта. Периферийные горелки обеспечивают пульсирующую подачу газа в воздушный поток и позволяют изменять длину факела и пространственное положение ядра горения.
Для управления характеристиками факела служит аэродинамический турбулизатор, находящийся в выходном сечении горелки, который имеет острую кромку и резонирующую полость. Так как резонирующая полость разделена на две части и имеет автономные линии управления, то подача газа через турбулизатор приводит к перестройке факела и характера горения.
При подаче всего газа через турбулизатор образуется короткий факел. Перераспределение газа между полостями турбулизатора приводит к изменению траектории факела и положения ядра горения. Управляющая среда в тур-булизаторе натекает на острую кромку, при этом генерируются акустические колебания управляющей среды, которая вытекает в факел в виде пульсирующе 81 го стока. Изменение расхода управляющей среды приводит к изменению частоты стока и характера смешения газа с воздухом.
При проведении эксперимента раздача газа через горелку осуществлялась таким образом, чтобы создать высокотемпературную безокислительную зону в области тоннеля горелочного камня, куда подавалось от 10 до 30 % общего количества газа. При этом суммарное количество газа поддерживалось постоянным.
Испытательный стенд не имеет принципиальных отличий от стенда на рис 3.1. Различие состоит в замене газового счетчика на СГ-40 и добавлении 2 жидкостных U - образных манометр с ценой деления 9,8 Па и диапазоном измерения 0-5,0 кПа для измерения давлений воздуха, поступающего на горение и нагрев. Проводимые исследования работы ВГС тепловой мощностью 200 кВт дублировали исследования той же конструкции ВГС, проведенные в августе -сентябре 1999 г. на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» СамГТУ.
Отличительной особенностью исследуемого ВГС является горелочный камень, имеющий увеличенную расширяющуюся часть. Раздача части газа по периферии, вдоль нее позволяла частично нагревать газ перед горением.
