2.1.1.5 Типові причини зниження енергетичної ефективності пристроїв

Аналіз літературних джерел, а також результати ЕО деяких промислових підприємств дозволяють зробити висновок, щодо основних причин, які знижують енергетичну ефективність пристроїв для спалювання палива, відносяться наступні:

• моральний та фізичний знос пристроїв;

• низька ступінь автоматизації процесу роботи пристроїв;

• низький рівень утилізації теплоти відхідних газів;

• робота при частковому навантаженні.

На підприємствах України використовуються пристрої застарілої конструкції. Для спалювання природного газу рідко застосовуються такі сучасні типи пальників:

• «радіаційного» або поверхневого горіння;

• каталітичного горіння;

• «радіантні» трубчаті горілки;

• горілки з низьким рівнем виділення оксидів азоту.

Керування роботою пристроїв для регулювання співвідношення газ–повітря з метою забезпечення оптимального навантаження та режиму горіння здійснюється переважно пневматичним або механічним способами. В основному це робиться вручну [20].

Підтримання необхідної температури в печах різних типів звичайно здійснюється за допомогою датчиків, які в свою чергу регулюють тиск газу і повітря, що подаються в піч. Управління, регулювання за допомогою мікроелектронної апаратури та коп’ютерних моніторів використовується рідко.

2.1.1.6 Оцінка енергетичної ефективності пристроїв

1. Вихідні дані для розрахунків. Для визначення повноти згорання палива в пристроях та коефіцієнту надлишку повітря, яке використовується для здійснення процесу горіння, потрібні наступні ви-хідні дані:

• тип пристрою та його технічні характеристики;

• вид палива та його склад;

• числові значення вищої та нижчої теплоти згорання палива і – для твердого та рідкого палива, кДж/кг; –для газових палив, кДж/м³;

• хімічний склад продуктів згорання за паливовикористовуючим обладнанням (в процентах);

• витрата палива, кг/с (тверде і рідке паливо), м³/с (газове паливо);

• температура палива і повітря перед пристроєм, С;

• витрата повітря, м³/с.

2. Оцінка повноти згорання палива. Згорання палива може бути повним і неповним. Повним вважається згорання, при якому всі горючі елементи палива повністю окислюються до кінцевих продуктів.

При повному згоранні мазуту газоподібні продукти згорання палива складаються з вуглекислого газу , сірчастого ангідридута водяної пари. Крім того в продуктах згорання міститься надлишок киснюта азот повітря і палива.

При неповному згоранні палива, що відбувається при недостачі повітря та поганому перемішуванні палива і повітря, в димових газах, крім вказаних складових можуть бути ще горючі гази: окис вуглецю , а інколи воденьі метан[5, 12, 27, 30]. Неповне згорання – це наслідок хімічного та механічного недопалу.

Механічний недопал при спалюванні мазуту невеликий і в розрахунках його не враховують.

Неповне згорання природного газу характеризується наявністю в продуктах згорання і других вуглеводнів типу С_mH_n [5, 25, 27].

Ефективність роботи пристроїв для спалювання палива в котлах, печах та іншому обладнанні оцінюється по величині коефіцієнту використання палива:

– для мазуту та твердого палива

(2.1)

де B_к іВ_ф корисні і фактичні витрати палива (мазут, тверде паливо), кг/с;

– для газу

(2.2)

де V_к і V_ф – корисні і фактичні витрати газу, м³/с.

Через нижчу теплоту згорання палива КВП визначається так:

– для мазуту

(2.3)

• для природного газу

(2.4)

де Q_з.і і– втрати теплоти від хімічної неповноти згорання, 1 кг мазуту і 1 м³природного газу; МДж/кг і МДж/м³; – нижча теплота згорання мазуту і природного газу, МДж/кг і МДж/м³.

Втрати теплоти від хімічної неповноти згорання палива визначаються за формулами

(2.5)

де та інші – об’єми горючих компонентів в продуктах згорання мазуту і природного газу, м³/кг і м³/м³;– нижчі теплоти згоряння горючих газів, кДж/м³.

Нижчі теплоти згорання мають наступні значення [5, 25]

Q_СО = 12,7 МДж/м³, = 10,8МДж/м³, = 35,9 МДж/м³.

Складгорючих компонентів в продуктах згорання палива визначається на основі хімічного аналізу газів на виході з топки паливовикористовуючого обладнання, який виконується за допомогою газоаналізаторів.

Об’єм сухих газів за складом продуктів згорання палива визначається за формулами:

• для твердого і рідкого палива

;

(2.6)

• для газового палива

,

(2.7)

де С^rіS^r – вміст вуглецю та сірки на робочу масу палива, %; СО₂, СО, Н₂S, С_mН_n – вміст вуглекислого газу, окису вуглецю, сірководню та різних вуглеводнів за об’ємом в газовому паливі, %;– вміст вуглекислого газу, сірчастого ангедриду та окису вуглецю по об’єму в продуктах згоряння палива, %.

Хімічний склад різних палив визначається за даними таблиць [28].

природному газі, %.

3. Визначення коєфіцієнту надлишку повітря. Енергетична ефективність обладнання, яке використовує паливо, залежить від кількості повітря, що подається до пристроїв для спалювання палива.

Кількість повітря впливає на повноту згорання палива та на величину втрат з відхідними газами.

Для забезпечення енергоефективної роботи обладнання витрата повітря повинна підтримуватись на рівні, при котрому відбувається найбільш повне згорання палива.

Кількість повітря, яке подається до пристроїв для спалювання палива, оцінюється по величині коефіцієнту надлишку повітря. Він представляє собою відношення дійсної кількості повітря до теоретично необхідної

(2.8)

де _.– дійсні об’ємні і масові кількості повітря, які витрачаються для спалювання 1кг (1м³) палива, м³/кг, кг/кг, (м³/м³, кг/м³); – теоретично необхідна кількість повітря для спалювання 1кг (1м³) палива, м³/кг, кг/кг, (м³/м³, кг/м³).

Розрахунок Lпроводиться при нормальних умовах.

Коефіцієнт надлишку повітря визначається для складу газів в кінці топки обладнання (котел, піч та інше). Для його визначення використовуються ламбда-датчики і електронні газоаналізатори [20]. Як правило, це імпортні дорогокоштуючі прибори.

При повному згоранні рідкого палива, наприклад мазуту, (СО' = = 0) коефіцієнт надлишку повітря визначається за формулою [25]

(2.9)

де О'₂іRO'₂ =CO'₂+SO'₂ – кількість кисню і триатомних газів в про-дуктах згорання, %.

При наявності в продуктах згорання окису вуглецю, вираз для визначення КНП буде мати вигляд

(2.10)

а при наявності в продуктах згорання крім СО', водню, метану та інших продуктів неповного згорання палива враховують фактичне зменшення величин надлишкового кисню. В цьому випадку формула (2.10) має вигляд

(2.11)

Формула (2.11) придатна для визначення коефіцієнту надлишку повітря в продуктах згорання при спалюванні твердих, рідких і газових палив [25].

В загальному вигляді при врахуванні азоту палива маємо [25]

.

(2.12)

4. Причини зниження коефіцієнту використання палива. КВП пристроїв для спалювання палива цілком залежить від втрат теплоти внаслідок хімічної неповноти згорання палива (для мазуту та природного газу). Величина останніх залежить від таких факторів [7, 25]:

• загальна недостача повітря;

• погане змішування палива і повітря;

• малі розміри топкової камери , що визначає недостачу часу для завершення хімічної реакції;

• низька температура в топковій камері, що приводить до зниження швидкості вигорання палива.

• при достатній для повного згорання палива кількості повітря і доброму змішуванні палива і повітря величина втрат внаслідок хімічної неповноти згорання палива залежить від об’ємної густини тепловиділення в топці [7, 25], яка визначається за формулами:

• для мазуту

кВт/м3,

(2.13)

• для природного газу

(2.14)

де V_т – об’єм топки, м³.

При низьких значеннях q_v, які виникають при низьких витратах палива, втратиq_ззбільшуються. Це пов’язано зі зниженням температурного рівня в топковій камері, що визначається відносним збільшенням втрат теплоти від зовнішнього охолодження при зменшенні витрат палива.

Підвищення об’ємної густини тепловиділення призводить до підвищення температурного рівня в топці і зниженню q_з внаслідок зменшення часу перебування газів в об’ємі топки і неможливості в зв’язку з цим завершення реакції горіння.

Оптимальна величина q_v, при котрійq_з має мінімальне значення, залежить від виду палива, способу його згорання і конструкції топки. Для сучасного топкового обладнання втрати теплоти внаслідок хімічної неповноти згорання палива складають 0...2 % приq_v на рівні 0,1...0,3 МВт/м³.

При проектуванні нових агрегатів втрата теплоти внаслідок хімічної неповноти згорання може бути прийнята по рекомендаціям.

При проведенні ЕА для визначення енергетичної ефективності пристроїв для спалювання палива і топки в цілому необхідно визначити втрати внаслідок хімічної неповноти згорання палива, КВП, коефіцієнт надлишку повітря і об’ємну густину тепловиділення в топці по результатам вимірів. Далі проводиться зіставлення їх з аналогічними характеристиками, які містяться в технічній доку-ментації на обладнання, що використовується. Крім того проводиться зіставлення з характеристиками найбільш енергоефективного сучасного обладнання. Після цього проводиться розробка та обгрунтування Е33.