CC BY
16
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ЗАЩИТЫ АТМОСФЕРЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
ДИОКСИДА УГЛЕРОДА Юсубов Ф.В.1, Мансуров Э.Ф.2 Email: [email protected]
'Юсубов Фахраддин Вали оглы — доктор технических наук, профессор;
2Мансуров Эмин Фархад оглы — докторант, кафедра нефтехимической технологии и промышленной экологии, химико-технологический факультет, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация: представлена математическая модель процесса горения газа. Получены уравнения, описывающие каждый момент времени от температуры в камере горения и ее закономерность изменения. Создана схема автоматизации регулирования, которая обеспечивает интенсивное горение природного газа в камере двигателя внутреннего сгорания, что также обеспечивает зависимость минимального количества CO2 на выходе из абсорбера и от количества абсорбента, подаваемого в абсорбер. Предложенный нами процесс абсорбции CO2 для электростанций позволит спроектировать технологический процесс с высоким коэффициентом полезного действия с более улучшенными технико-экологическими характеристиками. Для приведения к минимуму выброса углекислого газа электростанций в окружающую среду решены два важных вопроса: улучшение процесса сгорания в ДВС, оптимизация процесса абсорбционного поглощения диоксида углерода из дымовых газов в окружающую среду.
Ключевые слова: защита атмосферы, горение газа, диоксид углерода, абсорбер, математическая модель, каскадная схема регулирования.
A COMPREHENSIVE SOLUTION TO PROTECT THE ATMOSPHERE OF CARBON DIOXIDE POLLUTION Yusubov F.V.1, Mansurov E.F.2
'Yusubov Fakhraddin Valioglu - doctor of technical sciences, professor; Mansurov Emin Farkhadoglu - doctoral, DEPARTMENT OF PETROCHEMICAL TECHNOLOGY AND INDUSTRIAL ECOLOGY, FACULTY OF CHEMICAL TECHNOLOGY, AZERBAIJAN STATE UNIVERSITY OF OIL AND TECHNOLOGY, BAKU, REPUBLIC OF AZERBAIJAN
Abstract: a mathematical model of gas combustion. Obtained equations describing each moment of time the temperature in the combustion chamber and its pattern changes. Automation established regulation circuit which provides intense burning natural gas in the combustion chamber of the engine, which also provides the minimum amount of CO2 dependence on the output of the absorber, and the amount of absorbent supplied to the absorber. Our proposed CO2 absorption process will allow for power design process with high efficiency with more improved technical and environmental characteristics. To bring to minimize emission of carbon dioxide into the environment of plants two important issues addressed: improved combustion process in a combustion engine, to optimize the process of absorption the absorption of carbon dioxide from flue gases into the environment. Technology calculation of industrial absorber held in depending on of design problems. It involves calculation of the required flow rate of absorbent and geometry of the absorber which ensures the necessary degree of separation of the gas mixture at a given performance gas phase.
Keywords: protection of the atmosphere, burning gas, carbon dioxide, absorber, mathematical model, cascade control scheme.
УДК 66.66.07.661.92 DOI:' 0.2086'/23'2-8267-20' 7-33-004
Страны, которые являются нефтяными, имеют нефтехимические и нефтеперерабатывающие объекты, а также электростанции. Предприятия должны предотвращать поступление загрязнений в окружающую среду. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов имеют важное значение. С этой точки зрения, исследования процессов горения и абсорбции в промышленности в настоящее время являются актуальными [1, 2].
Негативное воздействие окружающей среды, связанное с загрязнениями воздуха, является серьезной угрозой здоровью человека. Также приводит к снижению озона в атмосфере [1 - 3]. Математическое моделирование и оптимизация процесса позволяет проводить комплексное решение защиты атмосферы от загрязнений двигателей внутреннего сгорания (ДВС), используемых на электростанциях. Модель дает возможность спроектировать технологический процесс с высоким коэффициентом полезного действия, теплотехническими и экологическими характеристиками. Для приведения к минимуму выброса углекислого газа электростанций в окружающую среду необходимо решить два важных вопроса:
1. улучшение процесса сгорания в ДВС,
2. оптимизировать процесс абсорбционного поглощения диоксида углерода из дымовых газов в окружающую среду.
В настоящее время все шире внедряются методы поиска оптимальных конструкторских решений. Моделирование рабочего процесса ДВС занимает одно из основных мест в практике инженерных и научных расчетов. Оно значительно расширяет возможности исследователей и инженеров при создании новых двигателей, также позволяет сократить сроки научных, теоретических и конструкторских разработок, число экспериментальных образцов на всех этапах создания двигателя.
Для решения задачи математического моделирования использованы данные, приведенные в таблице 1.
Таблица 1. Показание измерительных приборов на электростанциях за одни сутки
Дата, Время, час Удельный вес, (кг/м3) Разность давлений, (кПа) Абсолютное давление, (кПа) Температура, (С°) Расход газа, (тыс. м3) Газовый расход на 1 час, (тыс. м3)
01:00 0.74274 23.6170 673.610 22.937 378.762 15.782
02:00 0.74274 8.1423 764.109 23.068 225.248 9.385
03:00 0.74274 0.3829 875.178 22.878 26.843 1.118
04:00 0.74274 0.0087 973.955 22.371 0.021 0.001
05:00 0.74274 0.0077 1025.798 21.946 0.000 0.000
06:00 0.74274 0.0073 1044.528 21.381 0.000 0.000
07:00 0.74274 0.3576 1039.713 21.193 26.475 1.103
08:00 0.74274 13.1779 915.145 20.794 329.801 13.742
09:00 0.74274 20.0124 781.156 21.784 383.794 15.991
10:00 0.74274 17.3068 765.997 25.020 351.315 14.638
11:00 0.74274 15.5781 781.465 30.242 334.583 13.941
12:00 0.74274 15.4186 787.671 35.173 331.494 13.812
13:00 0.74274 14.9043 800.455 38.819 326.693 13.612
14:00 0.74274 14.8128 801.232 40.639 324.875 13.536
15:00 0.74274 15.2211 799.294 40.162 328.957 13.707
16:00 0.74274 18.7938 785.123 39.801 362.057 15.086
17:00 0.74274 17.9987 781.146 38.469 353.918 14.747
18:00 0.74274 19.0687 767.624 35.472 363.120 15.130
19:00 0.74274 19.0366 765.186 31.693 364.525 15.189
20:00 0.74274 20.0627 757.022 27.764 374.535 15.606
21:00 0.74274 20.0263 751.090 25.450 374.182 15.591
22:00 0.74274 19.9482 752.787 24.957 374.136 15.589
23:00 0.74274 22.1447 683.853 24.263 374.963 15.623
24:00 0.74274 23.6615 657.010 23.970 380.035 15.835
Сумма: 278.764
Как видно из таблицы 1, температура поступающего природного газа в камеры горения в производственных условиях изменяется в пределах 20 - 400С. Также меняется разность давлений 0.0073 - 23.6615кПа и расход газа 0.00 - 383.7тыс. м3. В результате этого нарушается газодинамический режим в камере горения и воспламенения природного газа. Регулирование температуры в камере горения и воспламенения природного газа взаимосвязаны с температурой поступающего природного газа в камеры. Поэтому для регулирования процесса горения надо знать в каждый момент времени
температуру в камере горения и ее закономерность изменения. Рассмотрим однородный цилиндр (двигателя внутреннего сгорания) длиной L. Изучим процесс распространения тепла в цилиндре. Расположим ось ОХ так, чтобы один конец цилиндра совпадал с точкой Х = 0, а другой с точкой Х = Ь.Пусть Т (Х, т) - температура в сечении цилиндра с абсциссой Х в момент т.
Опытным путем установлено, что количество тепла, протекающего через сечение с абсциссой Х за единицу времени, определяется формулами:
7 дТ Г Г "Я2 /1
е =-к—5 , 5 = — (1)
дх ' 4 4 '
Где Б - площадь сечения рассматриваемого цилиндра, - коэффициент теплопроводности.
Рассмотрим следующую краевую задачу:
-21 = 0' *е[0. 1] , ге[0,г] (2)
Т(0 ,т) =0 'Те [ 0 'Т]
(3)
Тх = (1,т) -ки(1,т) = 0 Т ( ЗС'0) = 6( х) ' хе] 0 ' 1 [ (4)
Решение краевой задачи (2) - (4) будем искать в виде ортогонального ряда следующего вида [4]:
Т (хт) = 2»=1ап -Т„(Х'Т) =Еп=1 ап ■ е-(я" а)2 т ■ зт(Яп -х) (5)
Уравнение (5) представляет закономерность изменения температуры в камере горения за каждый момент времени.
Как известно, в инженерной практике технологический расчет промышленного абсорбера проводится в зависимости от задач проектирования. Он обычно включает расчет необходимого расхода абсорбента и геометрических размеров абсорбера, который обеспечивает необходимую степень разделения газовой смеси при заданной производительности по газовой фазе. Также инженеру приходится решать задачу по эксплуатации абсорбера известных размеров с конкретными внутренними контактирующими устройствами. При этом требуется определить конечную концентрацию поглощаемого компонента СО2 в газовой смеси при известных потоках фаз и их начальных составах. Решение этих задач (проектирования и эксплуатации) для абсорбционных процессов при различных схемах движения потока проводится в режиме идеального вытеснения, а также с непрерывным контактом фаз. Некоторые особенности расчета процессов абсорбции СО2 связаны:
- с выделением теплоты при абсорбции;
- с летучестью поглотителя, т.е. частичным переходом его в газовую фазу;
- с протеканием химической реакции между поглощаемым компонентом и абсорбентом,
- с поглощением нескольких компонентов из газовой смеси.
Как известно, в экспериментальном определении эффективности абсорбционных процессов скорость, с которой устанавливается равновесное состояние диффузионных процессов, имеет большое значение. В случае абсорбции с большим числом тарелок очень важно иметь возможность предсказывать ход изменения состава продукта со временем, так как нередко экономически оказывается наиболее выгодным производить отбор продукта из колонны до установления равновесного состояния, т.е. при переходном режиме.
Степень отклонения от равновесного состояния обусловливает, кроме того, продолжительность цикла диффузионного процесса. При расчете абсорберов, особенно тарельчатых, часто используют понятие эффективности ступени ф:
ф = уп+! - У! = ап+! - л (6)
N - число теоретических тарелок, Yn+1 - малая доля компонента в газовой фазе, А - степень эффективности, Y1 - малая доля газового компонента отделенная тарелкой сверху колонны.
Компьютерное моделирование и оптимизация являются все более важными элементами исследования процессов горения и проектирования различных технологических аппаратов. Решение этих вопросов также невозможно без детального исследования процесса абсорбции а это требует дорогостоящих экспериментов для оптимизации различных процессов. Для определения количества тарелок абсорбера, а также эффективности степени абсорбции из ДВС построен график Кремсера с использованием формулы (7) (рис. 1).
А = — (7) 2-е у '
где М - количество моноэтаноламина, G - количество газа, Z - постоянная равновесия жидкость -пар. Нами определено, что (рис. 1) с увеличением числа тарелок коэффициент вытеснения компонентов достигает максимума (ф = 1.0) при числе тарелок п=15. Проверку адекватности модели проводили путем сравнения расчетных данных со значениями промышленной установки на Бакинской электрической станции. Применение каскадной схемы регулирования позволяет улучшить
26
экологические показатели ДВС и процессов абсорбции (рис. 2). Так как температура природного газа поступающего в камеры горения и температура воспламенения природного газа внутри камеры горения взаимосвязаны, в схеме автоматизации предусмотрена каскадная схема регулирования, которая обеспечивает интенсивность горения природного газа в камере. Помимо этого применение каскадной схемы регулирования в зависимости от количества С02 на выходе абсорбера изменяет соответственно количеству абсорбента, подаваемого в абсорбер.
А
Рис. 1. График Кремсера
На электростанциях в результате качественного горения природного газа в камере горения, а также интенсивной абсорбции С02 из дымовых газов, количество его в использованном газе уменьшается от 0,292 до 0,043%.
Часть экспериментального исследования процесса горения проведено методом планирования эксперимента. Все эти мероприятия требуют очень точного регулирования избытка воздуха в зависимости от технологических и конструктивных параметров процесса горения. Установлено, что избыток воздуха уменьшает температуру сгорания дымовых газов, создает потери тепла и в результате нарушается тепло-технологический регламент процесса. Эти нежелательные явления создают определенные трудности при автоматическом регулировании и управлении процессом в переходном режиме. В результате этих нежелательных явлений снижается температура в факеле электростанции, и образуются ТО, ТО2, сажа и другие компоненты.
Поэтому, для обеспечения полного сгорания топлива и высокой эффективности горения количества избыточного воздуха в двигателях внутреннего сгорания, регулирование и управление процессом должно быть очень точно. Полнота горения природного газа контролируется измерительными приборами, а также определяют концентрации угарного газа в дымовых газах. Отсутствие угарного газа означает что, сгорание произошло оптимально и подтверждает адекватность математической модели исследуемого двигателя внутреннего сгорания. Также определяют количество избыточного воздуха и двуокиси углерода в дымовых газах.
Нами создана схема автоматизации каскадной схемы регулирования (рис. 3), которая обеспечивает интенсивность горения природного газа в камерах двигателей внутреннего сгорания.
Горение считается эффективным, когда количество СO2 близко к своему максимальному значению. При увеличении количества избыточного воздуха, объёмный процент ТО2 в дымовых газах понижается в факеле электростанции. Как видно из рисунка 2 в позиции 1 измеряется расход поступающего природного газа. Позициями 2 и 3 измеряются температуры поступающего газа и внутри камеры двигателя внутреннего сгорания. С помощью теплообменника Т-1 проводится каскадное регулирование температуры поступающего природного газа в зависимости от температуры внутри камеры двигателя сгорания. Позиции 4 и 5 обеспечивают для каскадной схемы регулирования минимальное количество С02 на выходе абсорбера, что соответственно, изменяет количество абсорбента подаваемого в абсорбер. Позиция 4 также измеряет количество С02 на выходе абсорбера. Позиция 5 измеряет расход абсорбента, подаваемого в абсорбер. В результате созданная схема автоматизации каскадной схемы регулирования (рис. 3) обеспечивает
интенсивность горения природного газа в камерах двигателей внутреннего сгорания и минимальное количество С02 на выходе абсорбера.
Рис. 2. Предлагаемая схема для комплексной защиты атмосферы от загрязнений диоксидом углерода
на электростанциях
1 2 6 3 4 5 7
Рис. 3. Схема автоматического каскадного регулирования процесса
В качестве примера приведен нижеследующий расчет. На одной электрической станции в течение года используется природный газ приблизительно 134951808 м3, выброс в атмосферу диоксида углерода 284,694 тон/год, составляет 0,292 % от указанного количества природного газа. После интенсификации процесса количество CO2 уменьшается в пределах 0,043%.
В перспективе - создание полной математической модели и оптимизации режима работы двигателей внутреннего сгорания. Предложенный нами процесс абсорбции CO2 для электростанций позволит спроектировать технологический процесс с высоким коэффициентом полезного действия с улучшенными технико-экологическими характеристиками.
Список литературы / References
1. КельцевН.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984. 592 с.
2. Какуткина Н.А., МвароваМ. Физика, горения и взрыва, 2004. Т. 40. № 5. С. 62 - 73.
3. ЗверевИ.Н. Газодинамика горения. М.: МГУ, 1987. 307 с.
4. Борзенков А.В. Дифференциальное уравнения в частных производных. Matlab. Минск. БГУМР, 2009. 120 с.
5. Drews A., CademartiriL., Chemama M. е1.а1. Physical Review E., 2012. V. 86. P. 036314 (1 - 4).
6. Kuo K, Acharya R. Fundamentals of Turbulent and Multi-Phase Combustion. Wiley Sons, 2012. 912 p.
7. Peters N. Turbulent Combustion, Cambridge University Press, 2004. 304 p.
8. Poinsot T. Theoretical and Numerical Combustion, 2012. Paris. Edwards, 132 p.
9. Law C.K. Combustion Physics. Cambridge University Press, 2006. 722 p.
10. Warnatz J., Maas U., Dibble R.W. Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. Springer, 2006. 378 p.
ИССЛЕДОВАНИЕ ОБ УЛУЧШЕНИИ КОНСТРУКЦИИ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ
МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКИ Хон Сок Гын1, Ким Мун Чхор2, Хан Док Хён3 Email: [email protected]
'Хон Сок Гын - кандидат технических наук, преподаватель; 2КимМун Чхор - кандидат технических наук, преподаватель;
3Хан Док Хён - доктор технических наук, преподаватель, кафедра горных машин, факультет горного дела, Политехнический университет им. Ким Чака, г. Пхеньян, Корейская Народно-Демократическая Республика
Аннотация: в данной статье сделана симуляция традиционной горизонтальной молотковой дробилки. На основе анализа результата этой симуляции выявлена причина вибрации угловой скорости ее ротора и предложена новая конструкция ротора, которая значительно снижает вибрации его угловой скорости и мощности двигателя методом ограничения свободного вращения молотков. За счет техники цифровой фильтрации произведена сравнительная оценка результатов симуляций традиционной и новой конструкций горизонтальной молотковой дробилки. Ключевые слова: горизонтальная молотковя дробилка, цифровая фильтрация, симуляция.
A STUDY ON STRUCTURAL IMPROVEMENT OF THE HORIZONTAL
HAMMER CRUSHER Hong Sok Gun1, Kim Mun Chol2, Han Dok Hyong3
'Hong Sok Gun - Candidate of technical science, lecturer;
2Kim Mun Chol - Candidate of technical science, lecturer;
3Han Dok Hyong — Doctor of technical science, lecturer, DEPARTMENT OF MINING MACHINES, FACULTY OF MINING,
KIM CHAEK UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, PYONGYANG, DEMOCRATIC PEOPLE'S REPUBLIC OF KOREA
Abstract: in this article the traditional horizontal hammer crusher is simulated. Based on analysis of the result of this simulation, the cause of vibration of the angular velocity of its rotor is revealed and the new structure of the rotor is suggested, which significantly reduces the vibration of its angular velocity and engine power by limiting the free rotation of hammers. Using the technique of digital filtering, the results of simulations of the traditional structure and new one of the horizontal hammer crusher are compared. Keywords: horizontal hammer crusher, digital filtering, simulation.
УДК 621.926
Горизонтальные молотковые дробилки просты по конструкции и эффективны для дробления разных материалов, поэтому они широко применяются в разных областях промышленности, особенно в угольной промышленности для среднего и мелкого дробления угля.
В [1] приведены результаты исследований угла отклонения бил в молотковой дробилке в момент удара при сравнительном анализе процесса дробления с различным количеством жестко закрепленных молотков в ряду и массы частицы материала, а в [2] изложено о энергозатратах на дробление при сравнительном анализе ударных дробилок с жестким и шарнирным креплением бил к ротору. В [3] с целью разработки методики вибродиагностики молотковой дробилки построена и исследована ее динамическая модель.
Симуляция горизонтальной молотковой дробилки
Как известно, горизонтальная молотковая дробилка состоит из вращающегося на горизонтальной оси ротора и нескольких молотков, которые шарнирно подвешены на роторе.
