Методы исследования процесса горения газообразования топлива в теплоэнергетических установках

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

УСТАНОВКАХ

Ю.Б. АЛЕКСАНДРОВ, А.В. ТАНЕЕВА, В.Ф. НОВИКОВ

Казанский государственный энергетический университет

В данной работе разработан метод исследования процесса горения газообразного топлива в теплоэнергетических установках промышленных предприятий. Выявлен диапазон устойчивой работы газогорелочного устройства, найдены новые закономерности процесса горения газообразного топлива. Создана компьютерная программа для расчета устойчивости горения газообразного топлива и составления рабочих карт газогорелочных устройств. Разработана методика газохроматографического анализа, на основе которой был определен состав продуктов горения и представлен на трехмерной модели.

Развитие энергетической отрасли промышленности неизбежно сопровождается увеличением потребления топлива, что приводит к повышению степени загрязнения окружающей среды в санитарно-защитной зоне промышленных предприятий.

Основным элементом теплоэнергетических установок (котельные, нагревательные, термические и пиролизные печи и др.) является газогорелочное устройство, от конструктивных особенностей и режима работы которого зависит производительность печи и концентрации загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух с продуктами горения от этих установок.

При сжигании топлива в газогорелочных устройствах может происходить проскок и отрыв пламени. Проскок пламени внутрь горелки приводит к неполному окислению токсичных компонентов продуктов горения и к синтезу новых, зачастую более токсичных соединений. Отрыв пламени от огневого кратера горелки приводит к его погасанию. В этом случае произойдет выброс невоспламененной газообразной смеси топлива в атмосферу с концентрациями, в сотни раз превышающими санитарно-гигиенические нормы.

Для нахождения оптимального режима работы газогорелочного устройства, отвечающего наименьшему значению химического недожога и исключающего проскок и отрыв пламени, необходимо знать расходные и регулировочные характеристики этого устройства, а также качественный и количественный состав газообразного топлива и продуктов его горения.

С целью решения этой задачи нами была разработана методика, которая основана на нахождении рабочих характеристик газогорелочного устройства с последующим химическим анализом продуктов горения газообразного топлива в области устойчивого горения. По этому методу анализы продуктов горения проводятся совместно колористическим и хроматографическим методами, что позволяет проводить дополнительную идентификацию хроматографических пиков.

Для проведения исследования процессов горения по разработанному методу нами создана экспериментальная лабораторная установка, позволяющая определять кинетические закономерности работы газогорелочных устройств и производить отбор проб для химического анализа продуктов горения

© Ю.Б. Александров, А.В. Танеева, В. Ф. Новиков Проблемы энергетики, 2006, № 9-10

газообразного топлива, что дает возможность детально исследовать кинетику процесса горения путем измерения концентрационных полей в различных сечениях топочного пространства.

На рис. 1 показана схема экспериментальной лабораторной установки, на которой в газогорелочном устройстве 20 сжигалась смесь пропан-бутана с воздухом в различных соотношениях. Это газогорелочное устройство имеет широкий диапазон регулирования по коэффициенту избытка (расхода) воздуха, благодаря искусственной стабилизации посредством создания кольцевого пилотного пламени у корня факела, что расширяет диапазон устойчивой работы по отрыву до значений коэффициентов избытка воздуха а > 2,5 и приводит к экономии топлива и уменьшению образования оксидов азота при горении [1].

Рис.1. Схема экспериментальной лабораторной установки: 1 - вентиль регулирования расхода газа; 2 - ротаметр РМ-41УЗ (на обводной газовой магистрали); 3 - ротаметр РМ-0,25 ГУЗ; 4, 5, 9 - «^»-образные манометры; 6 - нагнетатель расхода воздуха (системный ресивер); 7 - вентиль регулирования расхода воздуха; 8 - диафрагма; 10 - ручка шиберной заслонки; 11 - аспиратор; 12 - капсула с сорбентом или индикаторная трубка; 13 - термометр; 14 - водоохлаждаемое пробоотборное устройство; 15 - сборник конденсата; 16 - потенциометр; 17 - термопара;

18 - экспериментальная печь; 19 - запальное отверстие; 20 - газогорелочное устройство

Расход газа замерялся ротаметрами 2, 3 и регулировался вентилем 1. Воздух нагнетался в газогорелочное устройство системным ресивером 6 и его расход замерялся «^»-образным манометром 5 по перепаду давления до и после диафрагмы 8. Давление в газовом и воздушном трактах газогорелочного устройства замерялось «^»-образными манометрами 4, 9. Температура газа в экспериментальной печи 18 замерялась термопарой 17, подсоединенной к потенциометру 16. Продукты горения газообразного топлива с целью химического анализа отбирались посредством водоохлаждаемого пробоотборного устройства 14 с конструкцией, не оказывающей каталитического действия в зоне отбора пробы.

Для исследований состава газообразного топлива и продуктов горения нами была выбрана газовая хроматография, а в качестве детектора выбран детектор по теплопроводности (ДТП), так как он обладает рядом преимуществ: простой и не дорогостоящий; универсальный (возможность анализа практически любых веществ, кроме газа-носителя); высокая линейность до сравнительно больших концентраций; хорошая воспроизводимость и стабильность работы и показаний. Пороговая чувствительность детектора по теплопроводности составляет 10-3% об., что может быть недостаточным для анализа с требуемой величиной погрешности.

Для увеличения чувствительности детектора нами был применен термодесорбер, который монтируется на испаритель хроматографа и предназначен для ввода газообразных проб в хроматографическую колонку путем термодесорбции летучих компонентов, накопленных в капсуле с сорбентом, через которую заранее прокачивался исследуемый газ.

Благодаря применению термодесорбера, чувствительность детектора по теплопроводности увеличивается до 10-4 % об. (на порядок), что расширяет возможности его применения при газовом анализе и увеличивает количество определяемых компонентов.

При подготовке термодесорбера к вводу очередной пробы в хроматографическую колонку приходится разбирать его с целью замены капсулы с пробой, при этом происходит прерывание газового потока в детектирующей системе. Это приводит к выходу детектирующей системы из строя в результате перегрева ее чувствительных элементов, например спирали ДТП. Чтобы избежать перегрева указанной спирали и вывода ее из строя при подготовке очередной пробы, можно отключать хроматограф, что приводит к потере времени, связанной с выходом хроматографа на стационарный режим.

Для исключения прерывания потока газа-носителя во время дозировки пробы с помощью термодесорбера газовая схема хроматографа нами была усовершенствована путем добавления дополнительной газовой магистрали и двухходового крана (рис.2). Данная схема защищена патентом России на полезную модель [2]. Кран предотвращает прерывание газового потока в детектирующей системе при подготовке термодесорбера к отбору пробы, что исключает выход детектирующей системы из строя, который может происходить из-за перегрева ее чувствительных элементов в результате попадания атмосферного воздуха на спирали детектора.

По данной схеме (рис.2) хроматограф работает следующим образом. Газ-носитель из магистрали 1, 3 с постоянным расходом поступает в

аналитический модуль 19, а от магистрали 2 - в насадку термодесорбера 5.

Двухходовой кран 6 имеет два положения ручки: «работа» и «отбор пробы».

При положении ручки крана 6 «отбор пробы» ведется подготовка насадки термодесорбера к вводу пробы в хроматографическую колонку 12, при этом кран открывает проход газа-носителя от магистрали 3 через штуцер 7 и перекрывает подачу газа-носителя от канала 8 (от термодесорбера 5).

При положении ручки двухходового крана «работа» осуществляется ввод пробы в хроматографическую колонку 12, при этом кран 6 открывает проход газа-носителя от канала 8 через штуцер 7 и перекрывает его подачу от магистрали 3.

В хроматографической колонке 12 анализируемая проба разделяется на компоненты и поступает в измерительную камеру 16 детектора по теплопроводности 15. В сравнительную камеру 18 подается «чистый» газ-носитель из колонки 11. Таким образом, в ДТП производится сравнение теплопроводностей «чистого» газа-носителя и газа-носителя, содержащего разделенные в колонке 12 компоненты пробы, которые затем выводятся в атмосферу через каналы 17.

Рис.2. Усовершенствованная газовая схема хроматографа «Кристаллюкс-4000М» при подключении термодесорбера: 1, 2, 3 - магистрали подвода газа-носителя с установленными на них регуляторами расхода; 4, 9 - испаритель; 5 - термодесорбер; 6 - двухходовой кран; 7, 10, 13, 14 - штуцеры; 8 - канал, соединяющий испаритель и двухходовой кран; 11, 12 - насадочные хроматографические колонки; 15 - детектор по теплопроводности; 16 - измерительная камера детектора; 17 - выход газа-носителя в атмосферу; 18 - сравнительная камера детектора;

19 - аналитический модуль хроматографа

Обработку полученных результатов по устойчивости горения, в ходе проведения испытаний газогорелочного устройства (поз. 20, рис. 1), производили при помощи разработанной нами компьютерной программы [3, 4].

Расчет в программе ведется по следующим формулам.

Скорость выхода газовоздушной смеси из газового тракта горелки находится по формуле

W =

где Vр - объем газа поступающего в горелочное устройство, м /с; Уд - объем воздуха поступающего в газогорелочное устройство, м3/с; ¥ - суммарная площадь газового кратера и кольцевой щели (пилотного стабилизатора) газогорелочного устройства, м2.

Коэффициент избытка (расхода) первичного воздуха находится по формуле

а =

Д

В

3/ 3.

где Vд - действительный расход воздуха, м /м расход воздуха на сжигание 1 м3 газа, м3/м3; Уд

Vт - теоретически необходимый - объем воздуха, поступающего в

Т

г Г100 ^ N ( 1 ^

а = - 1 х

^ Ь У ) 1 ^ >1

газогорелочное устройство, м3/с; Vр - объем газа, поступающего в горелочное устройство, м3/с.

При разработке компьютерной программы были найдены новые закономерности процесса горения газообразного топлива. При совместном решении (1) и (2) постоянный расход газа в координатах а - W подчиняется линейной зависимости

Vр х

W = —— ---------------------------------------------------------------—,

р

точку схода лучей постоянного расхода газа (РГ) определили по формуле (3) при W = 0:

а 1=- ^ •

Коэффициент избытка (расхода) воздуха, соответствующий нижнему и верхнему пределам воспламеняемости, определяется по формуле

где Ь - нижний и верхний пределы воспламеняемости газов в смеси, об. %.

Процентное соотношение компонентов горючего газа определяли хроматографическим методом. При соотношении в смеси газа С3Н8 - 25,29 % и С4Н10 - 74,71 % получили следующие результаты: нижний предел

воспламеняемости для пропан-бутановой смеси Ьд =1,852 %, верхний Ьв =8,753 %; теоретически необходимое количества воздуха для горения Vт =29,134 м3/м3; коэффициенты избытка (расхода) воздуха, соответствующие нижнему и верхнему пределу воспламеняемости, вычисленные по формуле (5), имеют следующие значения: ад =1,82; ад =0,36.

На основе проведенных расчетов разработанная нами компьютерная программа составила рабочую карту газогорелочного устройства (рис.3).

На рисунке видно, что характер кривых отрыва (I), проскока (II) и погасания пламени (III) свидетельствует о снижении его устойчивости по мере увеличения содержания в смеси первичного воздуха. При этом максимальная устойчивость пламени соответствует не стехиометрическим соотношениям газа и воздуха, а некоторым недостаткам последнего [5]. Область устойчивого горения ограничена линиями: отрыва пламени от горелочного устройства (I), проскока пламени в горелку (II), погасания пламени при недостатке кислорода в зоне горения (III) и линией появления желтых язычков пламени (IV).

На рабочей карте нанесены лучи постоянного расхода газа. При значении V т , соответствующего сжигаемой смеси пропан-бутана, были получены координаты точки схода лучей постоянного расхода газа, вычисленные по формуле (4): а1 =-0,03432; W = 0. Для природного газа стандартного компонентного состава координаты точки схода лучей постоянного расхода газа

будут следующими: аI ~ - 0,1; W = 0.

Рис. 3. Рабочая карта газогорелочного устройства: I - кривая отрыва пламени; II - кривая проскока пламени; III - линия погасания пламени; IV - линия появления желтых язычков пламени; РВ - линия постоянного расхода воздуха (РВ1<РВ2); РГ - линия постоянного расхода

газа

Процесс сжигания газообразного топлива в координатах а - W может протекать по двум схемам: при постоянном расходе воздуха и изменении расхода газа, и при постоянном расходе газа и изменении расхода воздуха (рис.4).

-0,03432 0,0 0.1 0,2 0.3 ц

Рис. 4. Процесс сжигания газообразного топлива в координатах а-№ © Проблемы энергетики, 2006, № 9-10

Процесс сжигания газообразного топлива с постоянным расходом воздуха и изменением расхода газа, как это видно на рис. 4, происходит по линии постоянного расхода воздуха (РВ 1), причем точка А 1, находящаяся на пересечении луча постоянного расхода газа (РГ 3), дает координатные значения величин скорости газовоздушной смеси Wа и коэффициента избытка (расхода) воздуха а а . При увеличении расхода газа от значения, соответствующего лучу РГ 3 до РГ 5 точка А 1 будет менять свои координаты по линии РВ 1 до значения точки А 2. При уменьшении расхода газа от значения соответствующего лучу РГ 3, до РГ 2 точка А 1 будет менять свои координаты по линии РВ 1 до значения точки А 3.

При сжигании газообразного топлива с постоянным расходом газа и изменением расхода воздуха процесс проходит по линии постоянного расхода газа (РГ 3), причем точка В 1, находящаяся на пересечении линии постоянного расхода воздуха (РВ 1), дает значения координат скорости газовоздушной смеси Wв и коэффициента избытка (расхода) воздуха ав. При увеличении расхода воздуха от значения, соответствующего линии РВ 1, до РВ 2 точка В 1 будет менять свои координаты по линии РГ 3 до значения точки В 2. При уменьшении расхода воздуха от значения, соответствующего линии РВ 1, до расхода воздуха, равного нулю, точка В 1 будет менять свои координаты по линии РГ 3 до значения точки В 3, а затем процесс будет направлен вертикально вниз до точки с координатами W = 0; а = 0. Величина С показывает скорость выхода газовой смеси при отсутствии подачи первичного воздуха в газогорелочное устройство.

Нанесение на рабочую карту газогорелочного устройства линий постоянного расхода газа и воздуха позволяет упростить понимание проведения эксперимента, а также дает возможность находить численные значения расхода воздуха и газа непосредственно с рабочей карты, построенной в координатах а - W, без вычислений и пересчетов по формулам (1) и (2), что дает возможность использовать ее как номограмму.

Согласно разработанной нами методике, после проведения исследования рабочих характеристик газогорелочного устройства проводим химический анализ продуктов горения газообразного топлива в области устойчивого горения. Эти анализы проводим по лучу постоянного расхода газа и при изменении расхода воздуха совместно колористическим, при помощи индикаторных трубок, и хроматографическим методами.

При работе на хроматографе использовали насадочную колонку длиной 2 м х 4 мм, заполненную Цеолитом СаА 5А (первая колонка). Вторая насадочная фторопластовая колонка, с внутренним диаметром й = 4 мм и длиной 1,8 метра, была заполнена Полисорбом-1 с фракцией 0,1-0,25 мм. Для работы с детектором по теплопроводности использовали газ-носитель - гелий. С целью уменьшения тепловых флуктуационных шумов был выбран режим анализа с равными температурами испарителей, колонок, детектора и одинаковыми расходами газа-носителя через рабочие и сравнительные камеры детектора.

Для каждой пробы вычисляли приведенное значение высоты пика компонента:

Ипр = Н х М ,

где Н - среднее значение высоты пика компонента, мм; М - масштаб ослабления выходного сигнала.

Объемную долю определяемого компонента

где К - градуировочный коэффициент; г - поправочный коэффициент, учитывающий различия в параметрах состояния вводимых в хроматограф газовых смесей при градуировке и при анализе.

Коэффициент г вычисляли по формуле

р х Т

= ,

Ра х Ггр’ ^

где Ргр - атмосферное давление при градуировке, кПа; Ра - атмосферное давление при анализе, кПа; Т гр - температура газа в кране-дозаторе (температура воздуха в помещении) при градуировке, К; Та - температура газа в кране-

дозаторе (температура воздуха в помещении) при анализе, К.

Колористический метод измерения концентраций компонентов, входящих в состав продуктов горения газообразного топлива, основан на изменении окраски массы наполнителя индикаторных трубок при взаимодействии с определенным веществом в анализируемой пробе и измерении длины прореагировавшего слоя. Длина слоя, изменившего окраску, является функцией и мерой содержания определяемого компонента и объема отобранной на анализ пробы. Значение содержания определяемого компонента в анализируемой пробе определяли по шкале, нанесенной на индикаторную трубку.

Обработку результатов измерений газовых проб, полученных при помощи индикаторных трубок, проводили по следующим формулам.

Массовую концентрацию определяемого компонента в отобранной пробе при рабочих условиях рассчитывали по формуле

С1 + С 2 + С3 +•• + Сп С ср =—-----2-----3--------п,

^ п

где С1, С2, С3, Сп - результаты единичных измерений, мг/м3; п - число измерений.

Содержание определяемого компонента при рабочих условиях

рассчитывали по формуле

С

С пр = .

Градуировочный коэффициент К рассчитывали по формуле 293 х

К =------—--------^,

(273 + ¿) х 101,3

где * - температура газа в момент определения концентрации, °С; АР - разрежение (избыточное давление) в точке отбора пробы, кПа.

Сходимость результатов измерений находили по формуле

С - С

----мин х 100 < й н ,

С ср

где С макс и С мин - максимальное и минимальное измеренные значения массовой концентрации, полученные в ходе п-измерений, мг/м3; йн - норматив контроля,

(йн = 20 %).

Данные анализа по основным компонентам продуктов горения газообразного топлива, найденные нами хроматографическим методом и индикаторными трубками, сведены в таблицу.

Таблица

Состав продуктов горения газообразного топлива в зависимости от коэффициента избытка (расхода) воздуха, % об.

Компоненты Коэффициент избытка (расхода) воздуха

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4

Оксид углерода 14,92 11,80 9,11 6,54 4,30 2,56 1,10 0,10 — — —

Диоксид углерода 1,90 2,80 3,90 5,10 4,59 8,06 9,47 8,70 7,75 7,10 6,59

Водород 24,22 16,88 11,39 7,32 4,46 1,78 0,09 1,2-10-3 — — —

Пары воды 8,19 12,40 15,40 17,33 18,13 18,30 17,90 17,14 16,19 14,87 14,04

Азот 50,78 56,11 60,21 63,70 68,51 69,29 70,89 72,26 73,02 73,52 73,50

Кислород 0,53 1,79 3,02 4,50 5,85

Оксиды азота — — — — 4,6-10-3 5,310-3 5,8-10-3 7,3-10-3 8,610-3 8,3-10-3 7,5-10-3

Пропилен — — — 1,8-10-3 1,110-3 0,410-3

Этилен — — — 3,9-10-3 2,2-10-3 0,910-3 0,2-10-3 0,110-3 — — —

Ацетилен — — — 7,8-10-3 1,110-3 1,9-10-3 — — — —

Результаты химического анализа состава продуктов горения газообразного топлива, согласно данным таблицы, представлены в разработанной нами трехмерной модели, изображенной на рис. 5.

СгНг

С2Н4

Рис. 5. Химический анализ продуктов горения газообразного топлива в зависимости от коэффициента избытка воздуха а и заданного расхода газа РГ 2

В основе этой модели (плоскость Х-У) лежит карта газогорелочного устройства (рис. 3). Концентрации компонентов, входящих в продукты горения газообразного топлива, определялись при постоянном расходе газа (РГ 2) и

изменении расхода воздуха. Поэтому график химического состава продуктов горения располагается в плоскости сечения луча постоянного расхода газа (РГ 2). Если таких плоскостей сечения (лучей постоянного расхода газа) будет несколько, то компоненты будут образовывать плоскости в трехмерном пространстве.

Представление результатов анализа состава продуктов горения газообразного топлива на трехмерной модели позволяет обеспечить наглядность экспериментальных данных для нахождения оптимальных режимов работы газогорелочного устройства.

Выводы

1. Разработан метод исследования процесса горения газообразного топлива, предусматривающий использование компьютерно-хроматографического модуля и смежные способы анализа.

2. Найдены новые закономерности процесса горения газообразного топлива, на основе которых было проведено исследование разработанного нами газогорелочного устройства.

3. Создано программное обеспечение для расчета устойчивости горения газообразного топлива, которое позволяет получать результаты по расходным и регулировочным характеристикам газогорелочных устройств, что дает возможность использовать его в научных и практических целях.

4. Разработана трехмерная модель, объединяющая результаты

исследования по устойчивости горения газообразного топлива с данными химического анализа состава продуктов горения.

Summary

In the given job the method of research of process of burning gas of fuel in heat power installations of the industrial enterprises is developed. The range of steady job of the device for burning gas was revealed, the new laws of process of burning of gas fuel are found. The computer program for account of stability of burning gas of fuel and drawing up of working maps burning gas of devices is created. The technique for the analysis gas chromatograph is developed, on the basis of which, the structure of products of burning was determined and is submitted on three-dimensional model.

Литература

1. Патент РФ 2216689. Горелочное устройство / Зиганшин М.Г., Белов А.В., Александров Ю.Б. - Заяв. 29.07.02; Опубл. 20.11.03.

2. Патент РФ на полезную модель 52484. Хроматограф / Александров Ю.Б., Гиззатуллин А.Р., Александров Б.В., Новиков В.Ф. - Заяв. 08.08.05; Опубл. 27.03.06.

3. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 6767. Расчет устойчивости горения газообразного топлива в горелочных устройствах / Александров Ю.Б. - Опубл. 15.08.06.

4. Извещение о государственной регистрации в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов» № 50200601525. Расчет устойчивости горения газообразного топлива в горелочных устройствах / Александров Ю.Б. - Дата регистр. 23.08.06.

5. Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н., Вигдорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа. - Л.: Недра, 1990. - 762 с.

Поступила 30.06.2006