CC BY
88
УДК 621.438
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДУТЬЯ, ОБОГАЩЕННОГО КИСЛОРОДОМ, В ОТОПИТЕЛЬНЫХ КОТЛАХ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Канд. техн. наук, доц. РАТНИКОВ П. Э., канд. техн. наук МЕНДЕЛЕВ Д. В., докт. техн. наук, проф. ТРУСОВА И. А., канд. техн. наук КАБИШОВ С. М.
Белорусский национальный технический университет Замена воздушного дутья кислородом или существенное его обогащение кислородом повышают температуру горения газообразных топлив на 500-900 °С, увеличивают излучательную способность факела в 1,5-2 раза, уменьшают объем продуктов сгорания в 2-3,5 раза и соответственно количество уносимой ими теплоты, что приводит к повышению КПД установок. Указанные параметры создают предпосылки для широкого применения кислорода в процессах сжигания топлив в нагревательных печах и устройствах [1].
В статье приведены результаты комплексных экспериментальных и теоретических исследований эффективности применения дутья, обогащенного кислородом, в отопительных котлах малой мощности на примере установки НЕКА (тип Н^8-10/К). Она предназначена для разогрева масляного теплоносителя объемом до 180 м3/ч, оснащена дутьевой горелкой фирмы WEISHAUPT/G50/2-A, работающей на холодном воздухе с максимальным потреблением до 400 м3/ч природного газа с теплотворной способностью 8000-8300 ккал/м3 (максимальная тепловая мощность - 5400 кВт, давление в горелке - до 500 Мбар). Общий вид установки НЕКА приведен на рис. 1, горелочного устройства - на рис. 2.
Рис. 1. Общий вид котла НЕКА Рис. 2. Горелка фирмы WEISHAUPT/G50/2-A
Экспериментальные исследования энергоэкологических показателей эффективности обогащения воздушной смеси кислородом проводили по методике, описанной в [2]. Результаты режимно-наладочных испытаний установки НЕКА при двух режимах работы приведены далее в статье.
Режим 1. В качестве окислителя использовали воздух; коэффициент избытка воздуха - 1,21; расход природного газа - 122,5 м3/ч; расход возду-
ха - 1383 м3/ч; температура уходящих газов - 118 °С. Результаты измерений состава уходящих газов: С[О2] = 5,0 %; С[СО] = 0 ppm; С[СО2] = 7,7 %; C[NOJ = 31 ppm.
Режим 2. В качестве окислителя использовали воздух, обогащенный кислородом до 40 %; коэффициент избытка воздуха - 1,21 (по кислороду); расход природного газа - 122,5 м3/ч; расход обогащенного воздуха -743 м3/ч; температура уходящих газов - 103 °С. Результаты измерений состава уходящих газов: С[О2] = 6,6 %; С[СО] = 0 ppm; С[СО2] = 14,0 %; C[NOJ = 52 ppm.
Исследования показали, что использование в качестве окислителя обогащенной кислородом воздушной смеси (до 40 % О2) приводит к улучшению экологических показателей без снижения технико-экономических характеристик установки. Повышение экологических показателей выражается в уменьшении абсолютного объема выбросов NOx и CO2. Так, при использовании воздуха в качестве окислителя количество выбросов NOx относительно потребленного природного газа составило 520 мг/м3, а при обогащении воздуха кислородом до 40 % - 490 мг/м3.
При разработке модели теплообмена в топке котла и последующем ее решении были учтены форма и размер рабочего пространства, расположение горелочных устройств и тепловоспринимающих поверхностей, вид и состав сжигаемого топлива и т. д. С применением метода конечных элементов при использовании пакета Comsol Multiphysics 3.5a была реализована расчетная схема отопительного котла HEIZA (рис. 3), в которой выделен ряд расчетных областей (рис. 4): 1 - внутреннее пространство котла до поверхности внутренней спирали труб; 2 - пространство между внутренней и внешней спиралью труб; 3 - пространство между внешней спиралью труб и теплоизолированным каркасом котла. При этом принимаем, что температура поверхности труб в сечении каждого витка изменяется незначительно.
Приведем расчетные выражения для каждой из трех областей.
1. Система уравнений для области 1 имеет следующий вид:
-"(-4TVrj = 8г.м(С, -оО;
(1 - 8 )G, = Jn - 8 оТ4,
V г-м / ф 0 г-м ст'
где п - вектор к нормали; - коэффициент теплопроводности материала маслопроводов, Вт/(мК); 8г-м - степень черноты системы «газ - металл»; Сф - падающий поток; с - коэффициент Стефана - Больцмана; Тст - температура стенки масляного трубопровода, К; ^ - начальная интенсивность поверхности металла.
Для расчетной области 1 будем предполагать, что основной механизм теплообмена - радиационный. Форму факела можно представить в виде эллипсоида, который в двухмерном сечении имеет следующие размеры: 1,600 и 0,245 м. В факеле задается объемный тепловой источник, равный 1196 кВт (расход природного газа - 122,5 м3/ч). Температуру факела принимали согласно [2]. Будем считать, что весь падающий радиационный поток от факела поглощается внутренней спиралью труб, в которой циркулирует масло, при этом сами трубы не излучают (охлаждаются циркулирую-
щим маслом). Тогда следует оценить плотность падающего теплового потока на трубы. Интегрирование по поверхности труб в расчетной области показало, что тепловой поток излучения на трубы составляет 605 кВт.
Рис. 3. Расчетная схема моделирования тепловой работы отопительного котла ИЕКЛ
Рис. 4. Сечение модели котла с факелом и расчетными областями
Баланс энергии будет иметь следующий вид:
^ор = Qмl + бд.г.1,
где Qгор - теплота сгорания топлива; Qмl - теплота, поглощенная маслом в области 1; Qд.г.l - теплосодержание дымовых газов.
2. Система уравнений для области 2 имеет следующий вид: • для проходного сечения:
-Пг (А УГг) = -Рг С ит УТт;
Рг(Ун>г = У(-рД + Пг {уиг + (^г)г )-(2Пг/3) (Ущ)1);
V(Pг иг) = 0;
для труб:
-У(-1 УТ ) = 0,
V ст ст ' '
где иг - скорость дымовых газов, м/с; Пг - динамическая вязкость, Пас; Рг - плотность дымовых газов, кг/м3; рг - давление дымовых газов, Па; Тг, Тст - соответственно температура дымовых газов и стенки масляного трубопровода, К; с г - теплоемкость дымовых газов, Дж/(м3К); ^ст, ^г - коэффициенты теплопроводности материала маслопроводов и дымовых газов, Вт/(мК); I - единичная матрица; V - оператор Гамильтона. Граничные условия:
' для входа в проходное сечение:
иг = 0,57 м/с; Тг = 1230 К; 1 для стенок в проходном сечении:
-иг (-*,гУГг) - ист(-!стУТст) = а(Т - Тст) + 8о(Тг4 - О;
а =
0,1473
-0,22Re0•65 Рг0,36
Ргт
Рг,
• для выхода в проходном сечении:
-Иг (А УТг) = 0;
(Пг (^ + (УЫг )т) - (2Пг / 3)(У«г)I ) = 0; р = 0;
• для наружных стенок:
-Ист (-^ст^сЛ = а(Тст - Тср.м1);
а = 1,87 (Тст - Тср.мО0'5, где Re - критерий Рейнольдса; Pr - критерий Прандтля; а - коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к маслопроводу, Вт/(м2К); 8 - степень черноты системы; с - постоянная Стефана - Больцмана.
Баланс энергии имеет вид
2м1 + бд.г.1 = 0,м2 + ^.г^
где Qм2 - теплота, поглощенная маслом в области 2; 0д.г.2 - теплосодержание дымовых газов.
В расчетную область 2 будут попадать дымовые газы (тепловой поток равен 1196 - 605 = 591 кВт) с температурой 957 °С. Учитывая объем продуктов сгорания, размер проходного канала, а также осевую симметрию, выполним расчет для теплообмена в области 2. Расчетная средняя температура дымовых газов на выходе из расчетной области - 320 °С.
Результаты расчетов приведены на рис. 5 и 6.
3. Система уравнений для области 3 имеет следующий вид:
• для проходного сечения:
-Иг (А ^Тг) = -Рг С Ыт УГт;
Рг(Ун>г =У(-Рг I + Пг(^г + (^)т) - (2Пг/3)(У«г) I);
У(Рг "г) = 0;
• для труб:
0,4 0,2 0
-0,2
-У(-!ст УТсТ) = 0.
-1,6 -1,4 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Рис. 5. Расчетная схема, представленная конечными элементами
Температура, °С
Мах: 956,85 900 800 700 600 500 400 '300
-1,5 -1,0 -0,5 0 0,5 1,0 1,5
Min : 295,123
Рис. 6. Распределение температур в расчетной области Граничные условия:
• для входа в проходное сечение:
иг = 0,71 м/с; Тг = 593 К;
• для стенок в проходном сечении:
-пт (А VTT) - nJ-^WJ = а(Тг - TJ + во(Гг4 - О;
а = —^0,22Re°,65 Pr°,36 0,1475
PrT
Pr,
• для выхода в проходном сечении:
-иг (А УГг) = 0;
(Пг(^г + (Уит)т) - (2Пг/3)(Уиг) I) Пг = 0; Р = 0;
• для наружных стенок: со стороны труб:
-пст = а(Тст - тср.м2);
а = 1,87(Тст - ГСр.м2)0-5; со стороны теплоизолированного каркаса:
-пст (-^ст¥Тст) = а(Тст - Твозд);
а = 1,87(Тст - Твозд)0-5. Баланс энергии будет иметь следующий вид:
Qм2 + бд.г.2 ^м3 + ^д.г.вых + ^тепл,
где Qмз - теплота, поглощенная маслом в области 3; ^д.г.вых - теплосодержание дымовых газов на вылете из котла; Qтепл - тепловые потери теплопроводностью .
В расчетную область попадают дымовые газы с температурой 320 °С. Учитывая объем продуктов сгорания, размер проходного канала, а также осевую симметрию, выполним расчет теплообмена в области 3. Расчетная средняя температура дымовых газов на выходе из расчетной области составила 115 °С, что практически совпадает с результатами эксперимента (118 °С). Результаты расчетов приведены на рис. 7 и 8.
0,6 0,4 0,2
-0,2
-1,6 -1,4 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
Рис. 7. Расчетная зона области 3
О
и
н
320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 Длина проходного сечения, м
Рис. 8. Распределение температуры дымовых газов по длине расчетной области 3
В Ы В О Д
0
В статье представлена модель расчета тепловых процессов в топке теплогенератора (на примере установки НЕКА), осуществлено моделирование процессов теплообмена в рабочем пространстве, экспериментальными данными подтверждена адекватность модели. Результаты математического моделирования установки будут использованы для оценки энергоэффективности обогащения дутья кислородом.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. И с п о л ь з о в а н и е кислорода и обогащенного кислородом воздуха в нагревательных печах, колодцах, стендах разогрева сталеразливочных ковшей / И. Н. Карп [и др.] // Энерготехнологии и ресурсосбережение. - 2012. - № 3. - С. 18-29.
2. О п т и м и з а ц и я топливно-кислородных режимов сжигания углеводородного топлива в теплогенерирующих установках жилищно-коммунальных хозяйств: отчет о НИР. Этап 2. Анализ экологических аспектов сжигания газообразного топлива в теплогенериру-ющих установках. Исследование кинетики горения топлива при топливно-кислородном и топливно-воздушно-кислородном режимах сжигания топлива; БНТУ. Рук. темы П. Э. Ратников. - Минск, 2012. - 85 с. - № ГР 20111002.
Представлена кафедрой металлургических технологий Поступила 05.08.2013
