Влияние окиси углерода в составе продуктов сгорания на лучистый теплообмен в топках трубчатых печей

УДК 536.3.535.34 А. М. Абдуллин

ВЛИЯНИЕ ОКИСИ УГЛЕРОДА В СОСТАВЕ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ НА ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН В ТОПКАХ ТРУБЧАТЫХ ПЕЧЕЙ

Ключевые слова: теплообмен, спектр, продукты сгорания, спектральная полоса поглощения.

В рамках S6 - приближения метода дискретных ординат проанализировано влияние окиси углерода в составе продуктов сгорания на лучистый теплообмен. Установлено, что влияние окиси углерода незначительное, но в области факела это влияние возрастает из-за увеличения светимости факела.

Keywords: heat transfer, spectrum, combustion products, spectral absorption band.

Within S6 - approximation method of discrete ordinates analyzed the effect of carbon monoxide in the composition of the combustion products to the radiant heat exchange. It was established that the carbon monoxide slight effect, but this effect flame area increases due to increased flame luminosity.

Эффективность работы трубчатых печей зависит от многих факторов, в том числе и от способа сжигания топлива. Системы сжигания топлива в трубчатых печах оснащают, как правило, газовыми горелками универсального применения. Можно выделить целый ряд комбинированных газомазутных горелок с механическим распылением топлива. Применяются также газомазутные инжекционные горелки, обеспечивающие хорошее перемешивание инжектируемого атмосферного воздуха с топливом, панельные горелки беспламенного сжигания топлива и другие [1].

При оптимальном режиме работы трубчатых печей топливо сгорает с минимальным коэффициентом избытка воздуха а = 1,05 ^1,08 , а в дымовых газах отсутствуют вредные компоненты. При полном сгорании топлива в дымовых газах отсутствуют водород, окись углерода, метан, а количество кислорода составляет 1-2%.

Полнота сгорания природного газа и потери тепла от химического недожога зависят от степени выгорания метана. Горение метана может быть неполным, что обусловлено не только содержанием окиси углерода и других продуктов неполного сгорания топлива, но и наличием в дымовых газах метана, не успевшего сгореть в топке.

В качестве топливного газа в трубчатых печах часто используют производственные газы с преимущественным составом пропан-бутановой смеси, а также водородосодержащие газы. При этом следует иметь в виду, что теплота сгорания производственных газов в несколько раз больше теплоты сгорания природного газа, а водородосодержащие газы сгорают с большой скоростью.

В составе дымовых газов присутствуют продукты полного сгорания Н2О ,С02 и в небольшом количестве окись углерода СО и другие газы из-за химического недожога топлива. По данным работы [2] объемное содержание окиси углерода в составе дымовых газов составляет величину порядка 0,7%, что согласуется и с данными других работ [3]. Однако в области факела содержание окиси углерода в несколько раз больше (рис.1), соответственно концентрации других

излучающих газов меньше. Это в значительной степени может повлиять на светимость и спектральный состав излучения факела. При одинаковых температурах светящийся факел дает более интенсивное излучение, чем несветящийся. Продукты сгорания топлива охлаждаются быстрее, теплоотдача трубчатому экрану возрастает.

сэ2 -----

—

Wrf^

1

OD ___' \

О С':2 0,4 0:б С':и уЯ. Рис. 1 - Массовые концентрации излучающих газов

Представляет интерес влияние окиси углерода в составе продуктов сгорания на интенсивность теплообмена и спектральный состав излучения в радиантных камерах трубчатых печей. Объектом исследования является радиантная камера прямоугольной формы (рис.2), боковые поверхности которой образованы трубчатым экраном с известной температурой Тн и футеровкой с температурой Тф .

Топливо подается на горелки, расположенные в один ряд на своде камеры. Продукты сгорания отводятся через дымоходы на поде камеры радиации.

Лучистый теплообмен моделируется в рамках 8б-приближения метода дискретных ординат. Интегрально-дифференциальное уравнение переноса излучения приближенно заменяется системой дифференциальных уравнений относительно интенсивностей излучения вдоль определенного количества соответствующим образом выбранных направлений:

в мо

= ал'ьл- (°Л+Р) 'тД+тП ?

4ТТ т'=1

Таблица 1 - Средние параметры спектральных полос при Т=1200К

№ Газ Длина волны Л Центр полосы Ы0, см-1 Ширина полосы Ды ,см-1 Средний по полосе коэффициент поглощения а, -2 -1 см •атм

1 н2о 1,5 мкм 6666 552 5,15

2 СО 2,35 мкм 4258 344 0,49

3 н2о + С02 2,7 мкм 3750 595 23,09

4 С02 4,3 мкм 2350 483 676,50

5 СО 4,67 мкм 2143 480 59,25

6 н2о 6,3 мкм 1600 595 48,13

7 Н20 10 мкм 1000 807 16,05

8 С02 15 мкм 667 1318 44,83

Граничные условия к уравнению (1) имеют

вид:

г N0 Г1 п

1т, Л = £1ЬЛ + П т>=1[| 0,-^1] 1т,,лОт,

при х =0, > 0 .

г N0 Г1 I! 'т, Л = £ 'ьЛ + Пт?=1[| 0,Цт'|] 'т', Л°т'

при х=Н и < 0 . На других границах у = 0 и у=Ь используются аналогичные условия.

Оператор [ |А,Б| ] обозначает

наибольшую из величин А и Б. Алгоритм численного решения системы уравнений (1) с граничными условиями (2) и (3) приведен в работе [4].

В расчетах использовалась спектральная модель широкой полосы, которая включает

спектральные полосы Н20,002 и окиси углерода СО [5]. Окись углерода СО имеет две спектральные полосы с центрами на длине волны 2,35мкм и 4,67мкм. Основные параметры спектральных полос излучающих газов при температуре Т=1200К приведены в табл.1. пектральные полосы Л = 4,3мкм СО2 и Л = 4,67мкм СО перекрываются. Поэтому в расчетах область перекрывания выделялась как отдельная спектральная полоса с коэффициентом линейного поглощения:

а = асРс + аС0РС0 , где ас , аС0 - коэффициенты линейного поглощения

СО2 и СО, РС,РС0- парциальные давления этих газов.

Результаты расчетов представлены на рис.3.

1 и й А

ч\

'Д Л

0 0.2 04 0:б 0,8 уЛ,

Рис. 3 - Распределение плотности лучистого потока (кВт/м2) к поверхности нагрева (1) и футеровке(2) . Сплошная линия - с учетом СО , штриховая - без учета СО

Как следовало ожидать, влияние окиси углерода на расчетные характеристики лучистого

теплообмена незначительное. Это влияние на общий лучистый поток тепла к трубчатому экрану составляет менее 1% , хотя в области факела оно больше и находится в пределах 2%. Это можно объяснить увеличением светимости факела под влиянием окиси углерода.

Литература

1. Н.Р.Ентус, В.В.Шарихин, Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - М: Химия, 1987. - 304с.

2. А.В.Садыков, Н.Г.Смолин, Вестник Казан. технол. унта, 15, 8, 121-125 (2012).

3. А.С.Иссерлин, Основы сжигания топлива: Справочное пособие. - Л: Недра, 1987. - 336с.

4. А.М.Абдуллин, Вестник Казан. технол. ун-та, 17, 4, 103-105 (2014).

5. А.М.Абдуллин, Вестник Казан. технол. ун-та, 16, 12, 67-73 (2013).

© А.М. Абдуллин - канд. техн. наук, доцент кафедры физики НХТИ КНИТУ, Amabdullin@gmail.ru

© A. M. Abdullin - candidate. tehn. Associate Professor, Department of Physics Nizhnekamsk Institute of Chemical Technology KNRTU, Amabdullin@gmail.ru.