5. Новые технологии обеспечения энергоэффективности
5.1. Беспламенное сжигание (беспламенное окисление)
Общая характеристика
В последнее время получает распространение такая прогрессивная технология, как использование рекуперативных и регенеративных горелок в сочетании с методами объемного сжигания, обеспечивающими относительно однородное распределение температуры пламени (технология HiTAC – «высокотемпературное сжигание в воздушной атмосфере» – или беспламенное сжигание46). Данная технология отличается отсутствием резких пиков температуры, характерных для традиционных методов сжигания, а также существенно увеличенным объемом зоны горения.
Технология беспламенного сжигания представляет собой предельное развитие методов разнесения горения и обеспечения рециркуляции газов в камере сгорания. Принцип действия регенеративных горелок представлен на рис. 5.1.
Рисунок 5.1: Принцип действия регенеративных горелок
[277, ADEME]
Существует два типа горелок HiTAC – однопламенные или двухпламенные. В однопламенной горелке имеется одно сопло для подачи топлива, окруженное воздушными соплами и отверстиями для удаления дымовых газов. Пламя формируется вдоль оси топливного сопла во время «холодных» и «горячих» периодов. Поскольку топливо подается через одну и ту же форсунку, пламя все время находится практически в одном и том же положении.
Вдвухпламенной системе HiTAC имеется пара регенеративных горелок, между которыми осуществляется постоянное переключение с относительно высокой частотой. Горелки размещаются в стенках камеры сгорания и работают поочередно. В то время, когда через одну горелку удаляются дымовые газы, отдавая тепло регенератору (аккумулятору тепла), воздух, поступающий в камеру через действующую горелку, подогревается за счет ранее накопленного в ней тепла. Система клапанов обеспечивает переключение потоков воздуха и дымовых газов с заданной частотой. При этом пламя «перемещается» от одной горелки к другой. Как правило, в камере сгорания используется несколько пар горелок, функционирующих таким образом.
Вкамеру сгорания поступает воздух, подогретый до высоких температур за счет тепла продуктов сгорания (>1000ºC). В традиционных системах такой подогрев привел бы к крайне высокой локальной температуре пламени и, как следствие, к интенсивному образованию NOx. Однако в
46 В литературе на русском языке под «беспламенным сжиганием» чаще понимается беспламенное каталитическое сжигание на поверхности, а не объемное сжигание с относительно однородным распределением температуры, о котором идет речь в данном случае. (Прим. пер.)
325
системах беспламенного (объемного) сжигания газообразное топливо и воздух вдуваются в камеру раздельно на высоких скоростях. Геометрия горелок и камеры сгорания в сочетании с высокими скоростями газов приводят к интенсивной циркуляции в камере и, в частности, к притоку продуктов сгорания к действующей горелке. Это приводит к снижению локальных концентраций O2 и пиковых температур пламени (двух основных факторов образования NOx).
Высокая температура воздуха горения (>1000°C), подогретого в рекуперативной или регенеративной горелке обеспечивает надежное воспламенение и стабильность этого режима горения. При этом реакции горения происходят во всем объеме камеры, и пламя практически невидимо для невооруженного глаза. Одной из основных характеристик этого процесса является относительная однородность температуры и химического состава внутри камеры.
Принцип беспламенного (объемного) окисления может быть реализован при высокотемпературном сжигании (потребность технологического процесса – 800°C) и в отсутствие предварительного подогрева воздуха. В этом случае необходима дополнительная система воспламенения.
Экологические преимущества
По данным испытаний, КПД при использовании горелок HiTAC на 35% превышает величины, достигаемые с использованием традиционных струйных горелок. Еще одним преимуществом систем HiTAC является более высокий коэффициент теплопередачи вследствие более однородного распределения температур. При испытаниях использовался сжиженный нефтяной газ (пропан). Распределение производимой энергии для горелок HiTAC и традиционных горелок представлено на рис. 5.2.
Рисунок 5.2: Распределение производимой энергии для традиционных систем сжигания и горелок HiTAC (по данным испытаний)
[17, Åsbland, 2005]
Благодаря интенсивной циркуляции продуктов сгорания технология беспламенного сжигания позволяет значительно снизить выбросы NOx (<200 мг/Нм3 при содержании кислорода 3%). Как показано на рис. 5.3, использование этой технологии позволяет избежать резких пиков температуры в камере сгорания. Кроме того, на том же рисунке представлены области, соответствующие различным процессам горения в зависимости от температуры и концентрации кислорода.
326
Рисунок 5.3: Условия беспламенного горения
Отсутствие пиков температуры при беспламенном сжигании позволяет достигать больших средних температур в печах без локального перегрева футеровки вблизи горелок. В результате интенсивность передачи тепла к обрабатываемой продукции может быть значительно увеличена,
ауровень шума – существенно снижен. Результатом таких условий сжигания является:
•энергосбережение в объеме 9–40%;
•сокращение выбросов NOx на 6–80%.
Воздействие на различные компоненты окружающей среды
Данных не предоставлено.
Производственная информация
Преимущества использования технологии HiTAC в печах включают:
•высокий КПД использования энергии и, как следствие, сокращение выбросов CO2;
•меньшие колебания температуры в процессе работы печи;
•меньший объем выбросов NOx и CO;
•меньший уровень шума при работе печи;
•отсутствие потребности в дополнительных энергосберегающих устройствах;
•меньший размер газоходов для дымовых газов;
•более равномерное распределение температуры в объеме печи;
•лучшие условия теплопередачи;
•повышение качества продукции и производительности;
•удлинение срока службы печи и трубопроводов.
Втехнологии HiTAC используется предварительный подогрев воздуха до очень высоких температур перед высокоскоростным вдуванием в печь. Режим беспламенного объемного горения обеспечивает полное сгорание топлива при очень низких уровнях кислорода. Результатом является более медленное и длительное горение, более низкая максимальная температура горения и более равномерное распределение температур, чем в традиционных печах. Это приводит, в частности, к сокращению выбросов NOx. Пламя в таких печах имеет характерный бледнозеленый цвет.
327
Кроме того, данная технология сжигания использует раздельное вдувание воздуха и топлива в печь. Это также обеспечивает лучшие условия функционирования печи и вносит вклад в экономию топлива.
При промышленном применении технологии HiTAC’s топливные и воздушные сопла расположены на некотором расстоянии друг от друга. Топливо и горячий воздух вдуваются непосредственно в печь при высоких скоростях. Это создает условия для интенсивного перемешивания газов вблизи горелки и снижения парциального давления кислорода. Стабильность горения топлива, вдуваемого в зону с низким парциальным давлением кислорода, поддерживается в том случае, если температура предварительно подогретого воздуха превышает температуру воспламенения топлива.
В промышленных печах с использованием высокоэффективной регенерации тепла может быть достигнута температура воздуха горения 800–1350°C. Современные регенеративные теплообменники с высокой частотой переключения способны обеспечить утилизацию до 90% отходящего тепла, что создает условия для значительного энергосбережения.
Применимость
Нагревательные печи, потенциально пригодные для внедрения технологии беспламенного сжигания с использованием регенеративных горелок, широко применяются в нескольких отраслях европейской промышленности. Это, в частности, черная металлургия, производство кирпича и черепицы, цветная металлургия, а также литейное производство. Во время подготовки настоящего документа рассматривались также возможности применения данной технологии в небольших стекольных печах. При этом на одну только черную металлургию приходится 5,7% потребления первичной энергии в странах ЕС. Затраты на приобретение энергии составляют значительную часть производственных затрат в перечисленных отраслях.
Данная технология не всегда применима к уже существующим производственным линиям, поскольку конструкция печи должна допускать установку регенеративных горелок. Кроме того, горелки HiTAC весьма чувствительны к чистоте атмосферы: если в печи утилизируется технологический газ со значительным содержанием пыли, применение таких горелок может оказаться невозможным.
Экономические аспекты
Недостатком данной технологии является значительный объем капитальных инвестиций, необходимых для внедрения регенеративных горелок. Тем не менее, во многих случаях период окупаемости не превышает 3–5 лет. Важными факторами, которые должны учитываться при экономических оценках, являются повышение производительности печи и сокращение выбросов оксидов азота.
Мотивы внедрения
Важными факторами является повышение производительности печи и сокращение выбросов оксидов азота.
Примеры
На металлургическом предприятии SSAB Tunnplåt AB в г. Бурленге (Швеция) была установлена одна пара регенеративных горелок HiTAC в нагревательной печи с шагающим балочным подом. В печи общей производительностью 300 т/ч осуществляется подогрев стальных слябов; в качестве топлива используется тяжелый мазут. В регенеративном режиме каждая из двух горелок переключается между режимами сжигания топлива и всасывания отходящих газов с интервалом
60 с.
Горелки HiTAC установлены в зоне предварительного подогрева печи, где ранее не было установлено никаких горелок. За зоной предварительного подогрева расположена основная зона нагрева (зона 2). Мощность новых горелок составляет около 10% общей мощности горелок, установленных в зоне 2. Мощность каждой горелки HiTAC составляет около 2 МВт. Всего в печи установлено 119 горелок.
328