Теоретические основы энерготехнологии химических производств

Следует помнить, что так как в России при расчетах КП Д -брутто энерготехнологического агрегата используется низшая теплота сжигания топлива, то температура дымовых газов не должна быть меньше или рав­ на температуре их точки росы. Таким образом, низшая теплота сжигания топлива будет использоваться на 100% в случае, когда температура ды­ мовых газов будет равна температуре точки росы, или 55-60°С. Если энерготехнологический агрегат предусматривает более сильное охлажде­ ние дымовых газов с конденсацией водяных паров из дымовых газов, то в расчетах необходимо использовать высшую теплоту сжигания (как в США или Англии), т.к. стандартный (теплотехнический) расчет будет да­ вать значение КПД-брутто более 100%. Иными словами, при изменении исходных данных может возникнуть необходимость в смене "идеальных" параметров, по которым определяется степень совершенства процесса преобразования тепла, на другие - более строгие. Кроме того, необходи­ мо быть очень внимательным при сравнении эффективности работы оте­ чественного и импортного оборудования по их КПД.

Указанное особенно важно учитывать для вновь проектирующихся агрегатов, т.к. в связи с повышающейся стоимостью топлива возникает необходимость более полного использования теплоты, и в первую оче­ редь теплоты дымовых газов, которая из совокупности потерь энерготех­ нологического агрегата имеет наибольшее абсолютное значение. Однако в этом случае возникают другие проблемы, связанные с коррозией по­ верхностей нагрева (содержащиеся в дымовых газах S02 и NOx, раство­ рившись в конденсате, образуют кислоту) или с экологией (холодные ды­ мовые газы, содержащие S02 и NOx, плохо рассеиваются в атмосфере), которые необходимо будет решить.

2.6. Особенности сжигания газового топлива

Ранее было показано, что топливо может быть в трех агрегатных со­ стояниях: твердом, жидком и газообразном. Наиболее Используемым яв­ ляется газовое топливо, поэтому рассмотрим процесс сжигания газового топлива более подробно.

Существуют два способа подачи газового топлива на сжигание, т.е. оно может подаваться в топку (химический реактор) на сжигание (реакции глу­ бокого окисления) либо раздельно от воздуха (смешение происходит в топ­

Так как время протекания химической реакции по цепному ради­ кальному механизму ничтожно мало, а в этот промежуток времени выде­ ляется все тепло химической реакции (адиабатное горение), то при таком способе сжигания можно достичь очень высоких температур. С одной стороны, это играет положительную роль, т.к. известно, что с увеличени­ ем температуры движущая сила процесса теплопередачи будет увеличи­ ваться, а с другойотрицательную, т.к. для материала теплопередающего оборудования существуют ограничения, связанные с его термостойко­ стью и теплонапряженностью. Поэтому кинетическое горение применяет­ ся только в особых случаях: в двигателях внутреннего сгорания, газовых резаках для металла и т.п.

Если в топку подавать топливо и воздух раздельно, то процесс горе­ ния будет определяться скоростью смешения этих потоков. Так как ско­ рость смешения двух газовых потоков достаточно мала и определяется скоростью молекулярной диффузии, а процесс окисления протекает прак­ тически мгновенно, то данный способ сжигания топлива называется в со­ ответствии с лимитирующей стадией процесса ди ф ф узи он н ы м . В про­ мышленности этот способ сжигания используется достаточно широко, т.к., во-первых, исключается необходимость в транспортировке взрыво­ опасной смеси, а, во-вторых, для более равномерного нагрева поверхно­ сти необходимо увеличить площадь излучения (т.е. размер факела) и т.п.

Из курса общей химической технологии известно, что для проведе­ ния химической реакции в реакторе (топке) с определенным заданным объемом необходимо соблюдать соответствующие концентрационные и температурные условия, определяющие скорость химической реакции. Так как в большинстве существующих энерготехнологических установок используются "огневые" топки или плазмохимические реакторы, то для стабильного существования пламени (плазмы) необходимо выдерживать достаточно жесткие концентрационные и температурные пределы.

Для газового топлива заданного состава существуют низший и высший концентрационные пределы горения топлива, которые совпа­ дают с концентрационными пределами взрываемости, т.е. вне этих пределов стабильное существование пламени (плазмы) невозможно. В качестве примера в табл.2.1 даны концентрационные пределы различ­ ных видов топлив в воздухе.

любом соотношении реагентов, но при температуре большей, чем темпе­ ратура зажигания катализатора (300-600°С), и меньшей, чем температура его деструктурирования (900-1200°С). Данный тип топок является доста­ точно перспективным, т.к. катализатор позволяет управляемо проводить процесс глубокого окисления газового топлива без угрозы взрыва и по­ бочных химических реакций образования сажи, СО и т.п., и даже "сжи­ гать” топливные смеси вне концентрационных пределов, т.к. при этом способе пламя отсутствует. Однако для этого способа сжигания требуют­ ся специальные катализаторы, имеющие широкий температурный интер­ вал работы и надежные автоматические системы управления процессом (чтобы не вывести катализатор из строя). В настоящее время этот способ начинает применяться, например, для стационарных газовых турбин и т.д. Тем не менее, сейчас в промышленности наиболее распространенным остается "огневой" способ сжигания топлива, поэтому рассмотрим его более подробно.

Ранее было указано, что при раздельной подаче в топку топлива и возду­ ха. скорость процесса будет определяться молекулярной диффузией. В зави­ симости от режима движения газового потока различают ламинарную и тур­ булентную диффузию. В свою очередь, при низких скоростях потоков топли­ ва и воздуха режим их движения ламинарный (Ле<2300), т.е. в них отсутст­ вуют турбулентные вихри, и скорость горения определяется исключительно молекулярной диффузией. Длина факела в данном случае будет максималь­

на рис.2.5.

На рисунке видно, что потоки чистого газа и чистого воздуха раз­ дельно подаются в топку, где происходит:

1) их смешение с образованием горючей смеси;

2)подогрев горючей смеси при смешении с продуктами горения и посредством теплопроводности до температуры самовоспламенения;

3)горение горючей смеси (фронт пламени);

4)удаление дымовых газов из топки.

Как следует из механизма сжигания топлива, который состоит из по­ следовательных стадий, плохое смешение, плохой подогрев смеси или низкая скорость истечения может привести либо к потуханию факела, ли­ бо к хлопкам, приводящим к разрушению горелок или топки. Таким обра­ зом, горелки должны обеспечивать хорошее перемешивание горючего с воздухом и надежное горение факела без погасаний и пульсаций.

2.7. Горелки для сжигания газового топлива и газофазных отходов

Наиболее широкое распространение в промышленности получили го­ релки для сжигания газового топлива. Однако до сих пор не установлена единая классификация горелочных устройств. Так, например, их можно классифицировать по теплопроизводительности, давлению газа, давлению воздуха, длине пламени, способам подачи горючего и окислителя, целям применения, закрученному или прямоточному потокам воздуха и газа, мето­ ду смешения и т.п. Классификация горелок также может производиться и по определяющим характеристикам, которые положены в основу физической сущности протекающих процессов. Внутри этой классификации горелки можно подразделить по давлению газа, характеру факела, длине пламени, теплопроизводительности и др. Кроме того, определяющим может быть от­ носительное количество первичного воздуха и процесс его смешения с топ­ ливом (воздух, непосредственно подаваемый в газовые горелки, называется первичным, а поступающий из топочного пространства - вторичным).

Для сжигания газового топлива различают два основных типа горелок:

1.Инжекционные (воздух поступает под действием разряжения, созданного газовыми струями и тягой в камере горения).

2.С принудительной подачей воздуха.

Кгорелкам первого типа относят три типа горелок:

- диффузионного типа, низкого и среднего давления (а перв.возд = 0);

- атмосферного типа (а перв.Возд = 0,3...0,7);

- эжекционного типа, среднего и высокого давления (аПСрв.1озд> 1 )- Горелки второго типа бывают низкого и среднего давления (a0epB.B03A>l).

Рассмотрим горелки этих типов более подробно.

Диффузионные горелки. Особенностью этих горелок является образо­ вание горючей смеси за счет медленного процесса молекулярной диффу­

вой плиты (рис.2.6). Основными поло­ жительными характеристиками горелок этого типа являются:

-устойчивость горения газа;

-возможность работы на газе низкого давления без принудительной подачи воздуха;

-большой диапазон регулирования с возможностью изменения дли­ ны факела и получения равномерной температуры вдоль факела пламени;

-практически бесшумная работа и простота конструкции.

Недостатки данных горелок:

-сложность создания горелок высокой производительности;

-трудность получения высоких тепловых напряжений при отсутст­ вии недожога топлива.

Атмосферные горелки. Атмосферными или эжекционными горелками низкого давления называются горелки с частичным предварительным смешением газа с воздухом ( а пеРЕ.возд = 0,3...0,7). Первичный воздух пода­ ется в горелку за счет эжектирующего действия газовой струи. Количест­ во первичного воздуха регулируется с помощью шайбы или задвижки, ко­

Горелки с принудительной подачей воздуха. Как и у эжекционных го­ релок, существует множество разновидностей горелок с принудительной подачей воздуха. Строго говоря, этот тип горелок можно было бы называть горелками с принудительной подачей газа и воздуха, однако поскольку газ всегда подается принудительно, то горелки получили свое название по способу подачи воздуха. Для принудительной подачи воздуха, объем кото­ рого более чем в 10 раз больше, чем газового топлива, требуется дополни­ тельное оборудование: воздуходувки или вентиляторы, что значительно усложняет и удорожает конструкцию всего энерготехнологического агре­ гата. Поэтому эти горелки рекомендуется использовать там, где непригод­ ны или неперспективны горелки трех первых видов: диффузионные, атмо­ сферные и эжекционные. Тем не менее горелки данного типа находят все большее применение и иногда даже вытесняют эжекционные горелки, т.к. потребители готовы платить за преимущества, которые появляются при использовании горелок с принудительной подачей воздуха:

-совмещение процессов смешения и горения в факеле позволяет создавать горелки с регулируемой длиной факела;

-принудительная подача газа и воздуха позволяет конструировать достаточно мощные горелки относительно небольших размеров, которы­ ми легко управлять дистанционно и которые позволяют сжигать топливо при относительно небольших коэффициентах избытка воздуха;

-этот тип горелок малочувствителен к перепадам в давлении газа и разряжения в топке и может работать как на холодном, так и на подогре­ том за счет "бросовой" теплоты воздухе, что улучшает общие техноэкономические показатели установки;

-кроме того, используя одну единственную горелку, можно сжигать как чисто газовое, гак и жидкое, твердое (пыль) топливо и их смесь (су­ ществуют как чисто газовые, так и комбинированные: газомазутные, пы­ легазовые и пылегазомазутные горелки).

Однако в химической промышленности наибольшее распространение нашли чисто газовые горелки. На рис.2.10 видно, что для лучшего пере­ мешивания, и соответственно сжигания топлива, воздух перед смешением закручивается в осевом направлении специальным лопаточным завихрителем. По принципу закручивания в разные стороны потоков газа и воз­ духа либо только газа либо только воздуха,либо вообще без закручивания потоков устроены другие конструкции горелок этого типа. Например,