К.т.н. М.Б. Раяк, к.т.н. Г.Я. Бернер, к.т.н. М.Г. Кинкер

На современном этапе развития энергетики проблемы экологии приобретают приоритетное значение. Известно, что Интернациональным энергетическим агентством (IEA) поставлена задача к 2050 году использовать в качестве энергоносителя до 80% возобновляемые источники энергии и вдвое сократить выброс в атмосферу углекислого газа СО2 как показателя эмиссии вредных веществ. Поэтому совершенствование систем и устройств для сжигания различных видов топлива направлено на повышение КПД и как следствие на снижение эмиссии вредных веществ в атмосферу. Достигается это в том числе путём усовершенствования горелок для сжигания таких видов топлива как газ и жидкое топливо, а во-вторых, за счёт интенсификации теплообмена в энергетических установках.

В связи с этим многие зарубежные фирмы на основе экспериментальных исследований разрабатывают горелки для сжигания топлива с пониженной эмиссией оксидов азота NOx и окиси углерода СО. В частности в г. Эссене в Институте «Gaswarme Institut e.v. Essen» была выполнена подобная работа, которая позволила дать рекомендации для существенного снижения эмиссии азотистых веществ N2 при сжигании различных видов топлива [1]. Эти исследования проводились с использованием топлива как с теплотворной способностью меньше 3 кВт.ч/м3, так и с теплотворной способностью до 8 кВт.ч/м3. При этом объём в м3 в этих величинах условно рассчитывался по содержанию в топливе азота N2. Исследования проводились в двух вариантах процесса горения: 1) при непрерывном поступлении воздуха к горящему пламени в диффузионной горелке, и 2) при беспламенном горении. В первом варианте при сжигании низкокалорийного топлива с теплотворной способностью всего 1,4 кВт.ч/м3N и с температурой несколько выше 500оС избыток воздуха при температуре 27оС составлял лишь 1,2. Для интенсификации процесса горения при экспериментальном исследовании к топливу добавлялся аммиак NH3. Экспериментами было установлено, что в топочном пространстве образуется зона интенсивной рециркуляции горючего газа, поступающего из сопла с топливом, что позволяет повысить температуру его горения до максимальной. В результате за счёт оптимальной конструкции топки, обеспечивающей эффективное перемешивание воздуха с горючими газами и повышение температуры горения с помощью таких диффузионных горелок с пламенем под девизом „Blauer Engel“ - «голубой ангел» удаётся резко снизить эмиссию оксидов азота NOx в атмосферу. Так, например, во время эксперимента при подаче к топливу аммиака NH3 в объёме 5000 ppm за счёт оптимизации топочного объёма было обеспечено снижение эмиссии оксида азота NOx с 1200 ppm до 180 ppm, то есть на 88 %.

При исследовании процесса беспламенного сжигания топлива по второму варианту было установлено, что если зона рециркуляции остаётся стабильной, то достигается интенсивное смешивание воздуха и горючих газов. В результате сжигание газо-воздушной смеси происходит при температуре около 1000оС, в то время как в первом варианте она была на 250оС ниже. Это обеспечивает более полное сжигание топлива и как следствие заметное снижение эмиссии оксидов азота NOx. Так, например, при подаче к топливу аммиака NH3 в объёме 5000 ppm за счёт оптимизации топочного пространства удалось снизить эмиссию NOx c 180 ppm до 120 ppm, то есть на 70 %. При этом стоит подчеркнуть, что при беспламенном сжигании топлива эмиссия оксидов азота существенно ниже, чем при диффузионном его сжигании. Авторы работы [1] подчёркивают, что применение описанной инновационной технологии двухступенчатой подачи первичного и вторичного воздуха для горения низкокалорийных газов позволяет повышать КПД теплового процесса и одновременно улучшать экологию окружающего пространства.

В связи с энергетическим кризисом ряд исследователей Университета в г.Бохуме «Ruhr-University Bochum» и Института «Gaswarme-Institut» в г.Эссене подчёркивают, что низкокалорийные виды топлива не потеряют своего значения, поскольку техника их сжигания всё время совершенствуется. В таблице 1 представлены данные по составу ряда газов и по их теплотворной способности [2]:

Таблица 1

Следует отметить, что не следует пренебрегать применением газов сточных вод или торфяных газов. В ряде стран центральной и восточной Европы используют эти газы в качестве энергоносителя. Так, например, в Польше за последние 10 лет до 3,5 млрд м3 такого газа было использовано в качестве дополнительного альтернативного источника энергии в небольших тепловых установках. Однако состав этих газов меняется, и иногда в них содержится сероводород, который вызывает коррозию оборудования. В целом применение низкокалорийных газов считается рентабельным, если в их составе содержится не менее 38 % метана СН4. При этом следует также иметь в виду, что выбросы от сгоревших низкокалорийных газов необходимо дополнительно очищать от вредных соединений для достижения требуемых предельно допустимых концентраций. Вместе с тем такие газы целесообразно использовать в небольших газовых турбинах мощностью до 250 кВт. При этом достигается эффективная полнота сгорания и низкое содержание оксидов азота NOx и угарного газа СО в выбросах. В связи с этим были разработаны горелки для низкокалорийных газов, работающих в таких газовых турбинах. Особенность конструкции горелок состоит в том, что воздух подаётся в центральный распределитель, а газовые сопла располагаются вокруг него. В топочной камере обеспечивается рециркуляция горючих газов. Вторичный воздух поступает на дожигание топлива, что позволяет обеспечить низкую эмиссию NH3 и CO в выбросах до 10 ppm. Испытания выполнялись газовой турбины COSTAIR марки MGT Т100 мощностью Qth=350 кВт. В состав всей энергетической системы входили генератор, компрессор, топочная камера, сама турбина и рекуперативный теплообменник, с помощью которого воздух, поступающий на горение, нагревался до 550оС. В экспериментах было установлено, что оптимальная работа турбины достигалась при содержании метана СН4 в низкокалорийных газах в пределах 13 - 20 %. При этом эмиссия оксида азота NOx в атмосферу естественно возрастает с увеличением содержания метана в горючем газе, а эмиссия угарного газа СО резко падает при содержании метана в пределах от 12 до 14 %. Всё это позволяет сделать вывод о том, что низкокалорийные газы с низким содержанием метана можно успешно использовать в энергетических установках.

Важное значение при конструировании всех горелочных устройств придаётся вопросу предварительного образования газо-воздушной смеси. В Италии были проведены исследования конструкций трёх конструкций горелок с предварительным смешиванием газа и воздуха [3]. Испытанию подверглись как так называемая диффузионная горелка, так и горелки с «лучистым» то есть беспламенным, инфракрасным сжиганием газа. В качестве второго типа исследовались две горелки: одна горелка в форме цилиндра из жаропрочной стали с мельчайшими щелевидными отверстиями, а вторая - в виде цилиндрического «чулка» из металлической жаропрочной сетки. Исследователи указывают на то, что с помощью таких горелок повышается устойчивость сжигания газа при изменении коэффициента избытка воздуха и расширяется предел регулирования. Натурные исследования на бытовых котлах фирмы Riello мощностью 26 кВт показали, что инфракрасные газовые горелки имеют и другие существенные преимущества по сравнению с диффузионными горелками. Прежде всего они устойчиво работают при минимальном коэффициенте избытка воздуха, соответствующем образованию углекислого газа СО2 в выбросах не более 8,5 %, в то время как в диффузионных горелках эта величина соответствует значению СО2 - 9,5%. Более того эмиссия оксидов азота NOx снижается до 40 - 50 мг/кВт.ч, а эмиссия угарного газа СО - до 10 мг/кВт.ч, в то время как при использовании диффузионных горелок эти значения составляют 120 мг/кВт.ч по оксидам азота NOx и 80 мг/кВт.ч по угарному газу СО. Следующее преимущество «лучистых» горелок по сравнению с диффузионными состоит в том, что их применение позволяет уменьшить размеры топочного пространства. Известно, что длина пламени диффузионных горелок должна быть меньше, чем длина топки. Между тем при использовании «лучистых» горелок с инфракрасным сжиганием газа требуемые размеры топки могут быть лишь немного больше, чем размеры самой горелки с предварительным подмешиванием воздуха. Наконец, ещё одним преимуществом этих горелок является их практически бесшумная работа. Исследования также показали, что цилиндрические горелки в виде «чулка» из жаропрочной, стальной сетки генерируют более интенсивную тепловую «плотность» на единицу поверхности, чем горелки в виде цилиндра со щелевидными отверстиями. Так у первого типа горелок эта «плотность» составляет 2,3 - 2,5 МВт/м2, а у второго лишь 1,3 - 1,77 МВт/м2. Кроме того горелки с цилиндрическим „чулком“, например мощностью 8 кВт, обеспечивают более полное сжигание газа, и поэтому при их применении эмиссия угарного газа СО уменьшается на 10 мг/кВт.ч. Следует при этом, однако, иметь в виду, что с увеличением мощности горелок весьма заметно возрастает эмиссия вредных газов в атмосферу. В работе [3] указывается, что сетки для „чулка“ таких горелок изготавливаются из хромоалюминиевой стали, температура плавления которой составляет 1500оС, в то время как процесс горения происходит при температуре 1300оС. Такими горелками оборудовано большинство котлов фирмы Riello мощностью до 1050 кВт. Аэродинамическое сопротивление таких горелок в котлах составило 350 миллибар/м2.

Подобные беспламенные газовые горелки марки MatriX-Gasbrenner полусферической формы, выполненные из сетки, изготовленной из жаропрочной легированной стали, используются в частности в бытовых водонагревателях фирмы Viessmann [4]. В этих горелках происходит инфракрасное сжигание газа при полном сгорании, что позволяет уменьшить эмиссию в атмосферу оксидов азота NOx и угарного газа CO ниже предельно допустимых концентраций.

Несмотря на заметные преимущества горелок беспламенного типа с инфракрасным сжиганием топлива продолжается совершенствование также и диффузионных горелок. Так, например, французской фирмой Cuenod [5] на основе многолетнего опыта разработан целый ряд горелок для различных видов топлива мощностью от 14,5 до 45000 кВт с низким выделением оксидов азота. В газовых горелках это обеспечивается за счёт внутренней рециркуляции воздуха. При этом часть воздуха, подаваемого вентилятором к горелке, с помощью автоматической системы RHP снова засасывается в вентилятор и направляется к пламени. В результате этого температура пламени снижается и становится меньше того температурного предела, при котором образуются оксиды азота. При этом процесс горения замедляется, а дожигание оставшейся части газа происходит в более удалённой зоне пламени, не переходя этот критический предел. Другим существенным фактором эффективного сжигания газа является, безусловно, оптимальное дозирование смеси его с воздухом. С этой целью в газовых горелках фирмы Cuenod используется автоматическая система AGP, создающая оптимальное соотношение смеси газа и воздуха, при которой обеспечивается стабильность состава газо-воздушной смеси и полное сгорание углерода. Для этого применяется регулятор числа оборотов дутьевого вентилятора, так называемая «система Variatron». В горелках, работающих на жидком топливе, внутренняя рециркуляция горючих газов выполняется ещё и с целью газификации жидкого топлива. При таком режиме горения на расстоянии в несколько десятков сантиметров от сопла горелки образуется так называемое Free Flame - «свободное пламя». В результате снижается концентрация не только оксидов азота, но и концентрация твёрдых частиц пылеобразной гари. В выбросах котлов, работающих с такими горелками, содержание угарного газа СО снижается до 100 мг/кВт.ч, а содержание оксидов азота NOx не превышает 80 мг/кВт.ч.

Фирмой Cuenod разработаны также комбинированные горелки, которые предназначены для сжигания как природного или сжиженного газа, так и для дизельного топлива. Такие горелки, использующиеся в бытовых или промышленных котлах оборудованы автоматической системой плавно-двухступенчатого регулирования мощности и обеспечивают низкое содержание оксидов азота NOx в выбросах, не превышающих 80 мг/кВт.ч. Кроме того выпускаются горелки большой мощности в пределах от 300 до 45000 кВт, которые могут работать на газе, на дизельном топливе, на мазуте и в комбинации газ-дизель или газ-мазут. Этими горелками обеспечивается широкий диапазон регулирования при содержании оксидов азота в выбросах, не превышающих 120 мг/кВт.ч, а при работе на дизельном топливе и природном газе менее 80 мг/кВт.ч. Наряду с упомянутыми видами горелок фирма выпускает также специальные модификации для мусоросжигателей и горелки, работающие на альтернативных видах топлива, таких как биогаз, биодизельное топливо или растительные масла.

Представляют интерес новые конструкции газовых горелок со встроенными в них рекуперативными теплообменниками, с помощью которых происходит предварительный подогрев воздуха, поступающего для горения, который обеспечивается за счёт энергии выбрасываемых сгоревших газов. Такие устройства марки Flox разработаны фирмой WS Warmeprozesstechnik GmbH [6] и марки Recufire фирмы IBS-Industrie-Brenner-Systeme GmbH [7]. Конструктивно они представляют собой камеру, к которой подключёна трубка подачи газа, воздушный патрубок и устройство электродного зажигания газа. Воздух перед подачей его на горение предварительно подогревается в рекуперативном теплообменнике, выполненном в виде цилиндра с наружными рёбрами. Сгоревшие газы перед выбросом в атмосферу через эжектор подсасывают воздух, который нагревается в рекуператоре и поступает к горелке. В результате КПД процесса сжигания газа увеличивается на 50%. Затем горючие газы циркулируют по металлическим трубам лучистого отопления, размещённым под потолком обогреваемого помещения. Как известно, такие системы лучистого отопления применяются для высоких производственных и общественных помещений. Иногда металлические трубы комбинируются с керамическими трубами в виде коротких сегментов, что позволяет делать повороты. По данным фирм комбинация металлических и керамических труб обеспечивает равномерность распределения тепла по всему помещению. Такие системы марки Recufire выпускаются мощностью от 15 до 300 кВт. В буклете фирмы IBS [6] приводятся графические зависимости технических показателей от температуры отработанных горючих газов, удаляемых в атмосферу. Так по данным фирмы с увеличением этой температуры от 400оС до 1300оС температура нагреваемого в рекуператоре воздуха повышается от 200оС до 800оС. При этом, однако, КПД процесса горения снижается с 90% до 70 %, а экономия энергии, тем не менее, возрастает от 10 % до 50 %.

На конференции «Тепловые процессы и огнеупоры в промышленности», прошедшей в июне 2011г в Дюссельдорфе, фирма Jasper GmbH [8] представила результаты своих исследований по экономии жидкого топлива и природного газа в промышленном производстве. Этот процесс исследовался при сжигании газа в горелках марки EcoReg для печи, в которой происходит плавление алюминия. В этом исследовании изучался процесс сжигания топлива при изменении температуры сгоревших газов, удаляемых в атмосферу, от 120оС до 1430oС. Было установлено, что при содержании в этих газах до 2% кислорода при таком повышении температуры эффективность процесса горения снижается от 92 до 45 %, то есть вдвое. Иначе говоря, было подтверждено, что чем ниже температура сгоревших газов, тем выше эффективность сжигания топлива. Фирма на примере печи для плавки алюминия представила сравнение трёх вариантов использования воздуха, поступающего на горение в горелки марки EcoReg: 1) не подогретого воздуха, 2) воздуха, нагретого в рекуператоре и 3) воздуха, нагретого во вращающемся регенераторе. Результаты этих исследований представлены в таблице 2.

топливо горелка беспламенный сжигание

Таблица 2

Данные представленные в этой таблице наглядно свидетельствуют о том, что наиболее эффективным методом экономии энергии является метод подогрева воздуха, поступающего на горение, в регенераторе. Регенератор марки EcоReg представляет собой конструкцию, в которой верхняя и нижняя часть стационарные, а средняя часть представляет собой традиционный вращающийся теплообменник из пакета пластин, изготовленных из жаропрочного металла, которые нагреваются когда через них проходит поток отработанных горячих газов перед выбросом их в атмосферу. При вращении этот пакет пластин, в котором аккумулируется тепло от горячих газов, попадает в поток воздуха, который нагревается и поступает на сжигание топлива в горелку. В порядке эксперимента фирмой Jasper GmbH выполнялось сравнение эффективности работы вращающегося регенеративного теплообменника EcoReg при изменении тепловой нагрузки системы. Результаты этого сравнения приведены в таблице 3.

Таблица 3

Как видно из данных этой таблицы экономия топлива при работе такого вращающегося регенератор при изменении нагрузки остаётся стабильно высокой на уровне около 45 %. При этом эмиссия оксидов азота NOx стала менее 350 мг/м3, а эмиссия углекислого газа СО2 уменьшилась до 60%.

Наряду с этим фирмой Jspers GmbH разработана система PulsReg, которая включает в себя два регенеративных теплообменника с переключающимися клапанами. Газовые горелки в этой системе размещены внутри пакетов теплоаккумулирующих пластин. Работа системы происходит следующим образом. В то время когда через один пакет проходит отработанный горячий газ с температурой 300оС, через второй пакет движется воздух, засасываемый из печи для плавления металла с начальной температурой от 1000 до 1400оС. Через короткий промежуток времени за счёт переключения клапанов процесс идёт в противоположном направлении. В результате тепло, аккумулированное во втором пакете, передаётся первому пакету для нагревания воздуха. Такая пульсирующая система обеспечивает утилизацию энергии отработанных горячих газов, удаляемых в атмосферу. В таблице 4 показаны результаты работы такой системы PulsReg в разных температурных условиях.

Таблица 4

Как видно из данных таблицы с увеличением температуры в печи существенно возрастает и температура воздуха, нагретого в регенераторе, а также заметно повышается экономия топлива. При этом за счёт создания рециркуляции горючих газов, поступающих к горелкам, обеспечивается более полное сжигание газа. Кроме того применяется впрыскивание водяного факела в пламя. Как выяснилось, за счёт этого на 3-5% возрастает радиационный теплообмен между факелом и кладкой плавильной печи. Такие системы марки PulsReg выпускаются фирмой в широком диапазоне мощностью от 200 до 4800 кВт.

Фирмой Jaspers GmbH разработана также конструкция горелки марки MidiReg с вращающимся регенератором, обеспечивающим утилизацию энергии отработанных газов, удаляемых в атмосферу. Вся система включает в себя вращающийся регенератор и горелку, встроенную в кладку печи. Технические характеристики этой конструкции приведены в таблице 5

Таблица 5

Как видно из данных таблицы температура отработанных горячих газов достигает 1500оС, а температура нагретого в регенераторе воздуха доходит при этом до величины порядка 1300оС. За счёт работы регенеративного утилизатора тепла экономия топлива составляет более 70 %. Для уменьшения эмиссии оксидов азота NOx до величины ниже 350 мг/м3 используется, как и в других конструкциях, рециркуляция горючих газов, возвращающихся из пламени обратно к горелке. Кроме того в этой системе также применяется впрыскивание в пламя распылённой воды, что способствует интенсификации радиационного теплообмена между пламенем и кладкой печи на 3 - 5 %.

Фирмой Jaspers GmbH выпускается широкий спектр газовых горелок, предназначенных для плавильных печей. При этом в соответствии с государственными стандартами эмиссия оксидов азота NOx не должна превышать 350 мг/м3, а оксида углерода СО должна быть менее 100 мг/м3 при концентрации кислорода О2 на уровне 5 %. Высокоскоростные горелки типа HIB с подачей первичного и вторичного воздуха выпускаются мощностью от 50 до 600 кВт.

Для более производительных печей используются импульсные горелки типа RB мощностью от 200 до 6000 кВт. В этих горелках предусмотрена интенсивная рециркуляция горючих газов из пламени обратно к горелке, чем обеспечивается, как уже указывалось, повышение полноты сгорания топлива. Горелки типа HF с большим факелом предназначены для печей мощностью в пределах от 900 до 4800 кВт. Самые мощные высокотемпературные горелки типа HLN / HLR / HLS могут работать как в режиме беспламенного сжигания газа, так и с большим широким пламенем. Они выпускаются десяти типоразмеров мощностью от 1200 до 18000 кВт.

В ряде перечисленных типов горелок применяются различные приёмы для снижения эмиссии вредных газов. Так, например, один из таких приёмов состоит в том, что отработанный и охлаждённый в утилизаторе тепла газ подмешивается с подогретым воздухом. Такой приём используется в горелках типа RB и HF для газов со сравнительно небольшим содержанием азота N2. За счёт такого приёма эмиссия оксида азота NOx уменьшается до 230 мг/м3, но при этом, правда, КПД печи уменьшается на 10 %. Применяют также в горелках HLN и смешивание выходящего из регенератора газа с не подогретым воздухом. В результате парциальное давление кислорода уменьшается, а содержание NOx снижается до 230 мг/м3. При этом эффективность процесса горения не изменяется. В этих же высокотемпературных горелках часто используется впрыскивание распылённой воды в факел. Как указывалось уже выше, это способствует интенсификации радиационного теплообмена пламени и кладки печи. Но самое главное в результате использования этого метода эмиссия оксида азота снижается до 160 мг/м3.

Для печей с внутренней температурой на уровне 950 - 1050оС снижение эмиссии оксида азота на 75 % может быть достигнуто инъекцией аммиака NH3 в газ, поступающий в регенератор. В такой системе газы из регенератора с температурой 300 - 350оС в смеси с аммиаком поступают в катализатор. При этом необходим строгий контроль за концентрацией аммиака. В результате эмиссия оксида азота NOx снижается на 85% и составляет 125 мг/м3.

Анализ представленных материалов наглядно показывает, что усовершенствование устройств для сжигания как низкокалорийного, так и высококалорийного топлива направлено главным образом на максимально возможное снижение эмиссии вредных веществ в атмосферу. Это достигается за счёт использования целого ряда способов. Сюда относится, прежде всего, эффективное образование газо-воздушной смеси. Кроме того, для эффективного сжигания этой смеси необходимо создавать условия для рециркуляции горючих газов в самом топочном пространстве. Большое значение придаётся также предварительному подогреву воздуха, поступающего на горение топлива, в рекуперативных и особенно в регенеративных теплообменниках, утилизирующих энергию отработанных горячих газов, удаляемых в атмосферу. Кроме того, используется подмешивание к топливу небольших порций аммиака, а также впрыскивание воды или пара в пламя для повышения радиационного теплообмена.

Литература

1. E.Tali, S.MacLean, A.Giese „Brennerentwicklng zur Minderung der NOx-Emission von N-haltigen biogenen Produktgasen“. Fachberichte - Специальная информация.

2. J.Leicher, A.Giese, K.Gorner, V.Scherer, T.Schulzke „A Flexible Burner System for Use of

Low Calorific Gases in Micro Gas Turbines“, Материалы Конференции «Тепловые Процессы и огнеупоры в промышленности», Раздел «Энергосберегающие системы горения», Дюссельдорф 2011.

3. G.Trommer, M.Walz, Gernsheim „Was ist dran an Premix?“

Gasbrenner mit Vormischung. Журнал HLH Luftung / Klima / Heizung /Sanitar №12, 2006.

4. Информационные материалы фирмы Viessmann разделы „Vitodens“ и Vitosol.

5. Каталог горелок фирмы Cuenod 2008.

6. Буклет разработок фирмы WS Warmeprozesstchnik GmbH 2011.

7. Буклет фирмы IBS-Industri-Brenner-Systeme GmbH 2011.

Размещено на Allbest.ur