Таблица 3.1. Структура описания систем и методов в главах 2 и 3

3.1. Сжигание

Введение

Сжигание или горение представляет собой сложную последовательность экзотермических химических реакций между топливом и окислителем, происходящих с выделением тепловой и световой или только тепловой энергии, и сопровождающихся свечением или пламенем.

В случае полного сгорания все горючие вещества, содержащиеся в топливе, вступают в реакцию с окислителем с образованием соединений – продуктов сгорания. На практике сгорание никогда не бывает полным. Так, при сжигании углерода (угля) или его соединений (углеводородов, древесины и т.д.) в отходящих газах присутствует как элементарный углерод (сажа), так и продукты неполного сгорания (CO и др.). Кроме того, при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха часть азота окисляется с образованием различных оксидов азота (NOx), способных оказывать воздействие на окружающую среду [122, Wikipedia_Combustion, 2007].

Установки по сжиганию топлива

Установки по сжиганию, обсуждаемые в настоящем разделе, представляют собой устройства или установки, производящие тепловую энергию для отопления или использования в определенном технологическом процессе на основе сжигания топлива (в т.ч. отходов). К устройствам подобного рода относятся, в частности:

•котлы для производства пара или горячей воды (см. также раздел 3.2)

•источники тепловой энергии, необходимой для различных технологических процессов, например, дистилляции сырой нефти, парового крекинга в нефтехимическом производстве или парового риформинга при производстве водорода;

•печи или установки, в которых исходные материалы нагреваются с целью создания условий для химических превращений при повышенной температуре, например, цементные печи или плавильные печи в металлургии.

Во всех перечисленных случаях возможно влиять на затраты энергии как посредством управления параметрами энергопотребляющих процессов, так и посредством управления процессом сжигания. Подходы, которые могут применяться на стороне энергопотребляющих процессов, зависят от особенностей конкретного процесса и обсуждаются в Справочных документах для соответствующих отраслей.

Потери энергии при сжигании топлива

Тепловая энергия, выделяющаяся при сжигании топлива, передается рабочему телу. Потери энергии, имеющие место при сжигании, могут быть классифицированы следующим образом [125, EIPPCB]:

•потери с отходящими газами. Уровень этих потерь зависит от температуры отходящих газов, состава используемого топлива и воздуха (окислителя), а также степени зашлакованности поверхностей нагрева;

129

•потери, связанные с неполным сгоранием, в результате которого часть химической энергии топлива не преобразуется в тепловую энергию. Неполное сгорание приводит, в частности, к появлению CO и углеводородов в отходящих газах;

•потери, связанные с теплопроводностью и излучением. При производстве пара уровень этих потерь зависит, главным образом, от качества теплоизоляции котла (парогенератора) и паропроводов;

•потери, связанные с наличием несгоревшего топлива в твердых остатках сгорания, в частности, с присутствием непрореагировавшего углерода в зольных остатках и золе уноса котлов;

•потери, связанные с продувкой котлов, используемых для производства пара.

Помимо потерь тепла, необходимо принимать во внимание энергопотребление вспомогательного оборудования (например, систем транспортировки топлива, угольных мельниц, насосов и вентиляторов, систем золоудаления, систем очистки теплопередающих поверхностей и т.д.).

Выбор технических методов, используемых при сжигании топлива

Технические методы (технологии), применяемые при производстве тепловой энергии на крупных топливосжигающих установках (с тепловой мощностью, превышающей 50 МВт) с использованием различных видов топлива (например, биомассы или торфа, жидкого или газообразного топлива), подробно обсуждаются в Справочном документе по крупным топливосжигающим предприятиям (далее – LCP BREF). Приводимые в указанном документе рекомендации могут применяться и для меньших установок (поскольку предприятие с общей тепловой мощностью, превышающей 50 МВт, может состоять из нескольких блоков).

Для удобства читателя в табл. 3.2 приведена сводка методов повышения энергоэффективности при сжигании, рекомендуемых LCP BREF28 и настоящим документом. Во избежание дублирования информации рекомендации, приводимые в LCP BREF, не воспроизводятся в настоящем документе. Однако в настоящем документе приводятся дополнительные рекомендации по некоторым методам, описанным в LCP BREF. Следует отметить, что в LCP BREF методы, которые следует рассматривать при определении НДТ, классифицированы по виду используемого топлива. Применимость методов может зависеть от условий конкретного производства.

Если сжигание топлива играет важную роль в конкретных отраслях КПКЗ (например, при плавке металлов), применимые технические методы обсуждаются в Справочных документах для соответствующих отраслей.

28 Ссылки приводятся согласно версии LCP BREF от июля 2006 г.

130

131

Таблица 3.2: Сводка методов повышения энергоэффективности при сжигании топлива, предлагаемых Справочными документами по крупным топливосжигающим установкам (LCP BREF) и энергоэффективности

[236, Fernández-Ramos, 2007]

132

Вопросам энергоэффективности паровых систем специально посвящен раздел 3.2, хотя его тематика до некоторой степени пересекается с темами настоящего раздела.

Общий энергетический баланс

Нижеследующая информация применима как к процессам пламенного сжигания (с использованием горелок), так и к сжиганию в кипящем слое. Она посвящена исключительно процессу сжигания – от поступления топлива и окислителя до выброса дымовых газов.

Общая схема энергетического баланса при относительно низкотемпературном сжигании приведена на рис. 3.1.

Рисунок 3.1. Энергетический баланс топливосжигающей установки

[91, CEFIC, 2005]

Отдельные потоки энергии

Потенциальное содержание тепла во входном потоке топлива Hf определяется массовым расходом топлива, а также удельной теплотой его сгорания (количеством тепловой энергии, выделяющейся при сжигании единицы массы топлива). Теплота сгорания измеряется в МДж/кг. Высшая теплота сгорания топлива (ВТС, высшая теплотворная способность, теплота сгорания брутто) представляет собой общее количество тепла, которое можно получить после охлаждения продуктов сгорания до исходной температуры топлива. Низшая теплота сгорания топлива (НТС, теплота сгорания нетто) представляет собой общее количество тепла, образующегося при сгорании, за исключением теплоты неохлажденных продуктов сгорания, включая теплоту конденсации образовавшегося водяного пара. Как правило, НТС топлива на 5–10% ниже, чем его ВТС. (Более подробная информация об этом и некоторые характерные величины приведены в разделе 1.3.6.2).

В результате функционирования системы сжигания к технологическому процессу подводится поток тепла Hp. Этот поток состоит из явного тепла (которое проявляется в увеличении температуры), скрытой теплоты испарения (в случае частичного или полного испарения нагреваемой жидкости), а также «химической теплоты» или энергии химических связей (в том случае, если за счет теплоты, выделившейся при сгорании топлива, происходили эндотермические реакции).

Отходящее тепло Hg представляет собой теплоту дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу. Поток отходящего тепла зависит от массового расхода дымовых газов, их температуры и теплоемкости, а также скрытой теплоты конденсации водяного пара в составе дымовых газов. Массовый расход дымовых газов может быть представлен как сумма двух следующих составляющих:

•«стехиометрический поток» CO2 и H2O, образовавшихся в процессе сгорания, а также поток азота, соответствующий количеству израсходованного кислорода воздуха (этот массовый расход пропорционален Hf);

133

•поток избыточного воздуха, представляющий собой количество воздуха, поступившее в топку сверх необходимого для полного сгорания топлива согласно стехиометрической пропорции. Содержание кислорода в дымовых газах прямо пропорционально массовому расходу избыточного воздуха.

Поток тепла через стены HW представляет собой потери тепловой энергии в результате теплообмена внешних поверхностей печи или котла с окружающим воздухом. Прочите потери тепла, обозначенные как Hl, включают:

•теплоту сгорания неокислившихся или не полностью окислившихся остатков или продуктов сгорания, например, частиц углерода или газообразного CO;

•тепловую энергию, содержащуюся в твердых остатках (золе).

Вэтих условиях закон сохранения энергии может быть выражен следующим образом:

Это – универсальная формула, которая может адаптироваться к конкретным условиям, прежде всего, путем модификации членов Ha и ∑Hl :

•в зависимости от конфигурации конкретного процесса, в баланс могут включаться и другие энергетические потоки. В частности, это может иметь место в том случае, если в процессе сгорания в топку поступают или удаляются из нее дополнительные материалы, например:

o горячая зола, удаляемая из топки (при сжигании угля);

o вода, впрыскиваемая в камеру сгорания с целью сокращения выбросов;

oвоздух горения (в случае учета содержания в нем энергии).

•данное уравнение баланса (в отсутствие члена Hl) подразумевает, что сгорание топлива является полным: это предположение справедливо, если содержание частиц топлива и продуктов неполного сгорания (например, оксида углерода) в дымовых газах невелико,

что имеет место в том случае, если установка отвечает установленным нормативам выбросов29.

Энергоэффективность (КПД) установки по сжиганию топлива

Общая энергоэффективность (КПД) топливосжигающей установки определяется отношением энергии, подводимой к энергопотребляющему технологическому процессу в результате функционирования установки, к энергии, содержащейся в поступающем топливе (теплоте сгорания):

На практике могут использоваться обе формулы, однако Уравнение 3.3 может оказаться более полезным, поскольку в нем в явном виде представлены потери энергии, представляющие собой потенциал для повышения энергоэффективности. В основе стратегий повышения энергоэффективности может лежать сокращение потерь тепла через стены или с дымовыми газами.

29 На ТЭС, использующей пылеугольное топливо, содержание несгоревшего углерода в золе уноса при условиях, типичных для современных предприятий, не превышает 5%.

134