Использование беспламенных горелок и теплообменных аппаратов новой конструкции для эффективного сжигания топлива

шнЕРШвштурснтБЕШШЕтишшэнЕРШявФФЕшашшшЬ 11

УДК 662.61

Использование беспламенных горелок и теплообменных аппаратов новой конструкции для эффективного сжигания топлива

Д. Л. Астановский,

ООО «<ФАСТ ИНЖИНИРИНГ», президент, кандидат технических наук Л. З. Астановский,

ООО «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ», вице-президент П. В. Кустов,

ООО «<ФАСТ ИНЖИНИРИНГ», начальник конструкторского отдела

Представлен разработанный способ эффективного сжигания топлива с глубокой рекуперацией тепла отходящих дымовых газов и поддержанием заданной адиабатической температуры горения на основе использования теплообменных аппаратов и беспламенной горелки новой конструкции. Показаны результаты испытания беспламенной горелки на экспериментальном стенде.

Ключевые слова: газообразные углеводороды, каталитический реактор, беспламенная горелка, адиабатическая температура горения, теплообменный аппарат, рекуперация тепла, энергосбережение.

Для удовлетворения нужд потребителей тепловой энергии, отличающихся различными требованиями к температуре теплоносителя, а также учитывая разнообразие сжигаемого топлива, требований по энергосбережению и защите окружающей среды, особое внимание уделяется выбору технологии сжигания топлива и камер сгорания (горелок).

Традиционно применяемые горелки для сжигания топлива и теплообменные аппараты для рекуперации и утилизации тепловой энергии по ряду причин не могут в значительной мере способствовать энергосбережению и защите окружающей среды. Как правило, отходящий дымовой газ имеет температуру 140-200 °С и выше, и огромное количество сбрасываемого в окружающую среду дымового газа означает потери тепловой энергии. Сжигание топлива на факельных горелках при температуре горения, превышающей 1100-1200 °С, приводит к образованию вредных компонентов СО, NOх и др., которые сбрасываются с отходящими дымовыми газами в окружающую среду [1, 2].

Для целого ряда потребителей тепла, таких как газовые турбины, трубчатые печи, каталитические реакторы, подогреватели нефтепродуктов и др., имеет место ограничение температуры дымового газа (продуктов сгорания), поступающих на теплопо-требление. Данные ограничения обусловлены жаропрочностью применяемых материалов и особенностями проведения технологических процессов, например, коксообразования при подогреве нефтепродуктов и др. Как правило, понижение температуры продуктов сгорания, используемых в качестве теплоносителя, осуществляют путём подачи избыточного воздуха на горение. В процессе сжигания топлива, независимо от коэффициента избытка воздуха, для окисления потребляется только стехиомет-

рическое количество подаваемого воздуха, а остальная его часть идёт на разбавление продуктов сгорания. При этом адиабатическая температура горения в факеле горелки (до разбавления) остаётся высокой и составляет 1800-2100 °С в зависимости от вида сжигаемого топлива, что приводит к образованию большого количества вредных компонентов (СО и N0^ в продуктах сгорания [1, 2]. Чем выше коэффициент избытка воздуха, тем больше количество сбрасываемого в окружающую среду горячего дымового газа, потерь тепла, потребление топлива для нагрева избыточного воздуха и ниже КПД установки.

Использование традиционных факельных и других типов горелок не обеспечивает полного сжигания топлива, в результате чего несгоревшие углеводороды выбрасываются в атмосферу вместе с отходящим дымовым газом [1]. Факельные горелки, как правило, имеют ограничения по температуре поступающего на них воздуха, что в ряде случаев не позволяет в полной мере утилизировать тепло отходящих дымовых газов. Разработанные в настоящее время каталитические горелки имеют ограничения по температуре получаемого теплоносителя (не более 1000 °С) [3]. После факельных горелок имеет место неравномерное поле температур в продуктах сгорания. Кроме того, факельные горелки имеют ограничения по производительности.

Традиционно для каталитического сжигания топлива перед подачей газовоздушной смеси на катализатор воздух и топливо смешивают в смесителях. При этом образуется взрывоопасная смесь, которая может воспламениться до поступления в слой катализатора. Применяемые в настоящее время кожухо-трубные и пластинчатые теплообменные аппараты для рекуперации тепла, в том числе для подогрева воздуха, теплофикационной воды, получения пара и

др., имеют неравномерное распределение тепло-обменных сред по теплообменным поверхностям [2, 4-6]. Это приводит к образованию застойных зон и температурным перекосам, что, в свою очередь, вызывает повышенные механические напряжения в сварных швах и основном металле элементов конструкции теплообменных аппаратов, приводящие к их разрушению. Возникает необходимость применять кожухотрубные аппараты с компенсатором на корпусе, с У-образными теплообменными трубками, с «плавающими» трубными досками и т. д. Как правило, такие аппараты имеют высокую металлоёмкость и повышенное гидравлическое сопротивление.

Решение вопросов сокращения потерь тепла из-за большого избытка воздуха, подаваемого на горение, высокой температуры сбрасываемых отходящих дымовых газов и недоокисления части подаваемого топлива является важной задачей энергосбережения.

Новые технические решения

ООО «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ» созданы беспламенные горелки [7, 8] и теплообменные аппараты принципиально новой конструкции [7, 9, 10], на основе использования которых разработана технология эффективного сжигания топлива с глубокой рекуперацией тепла отходящих дымовых газов и поддержанием заданной адиабатической температуры горения [7, 11].

Схема беспламенной горелки конструкции «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ» представлена на рис. 1. В верхней части горелки концентрично установлены две перфорированные обечайки, кольцеобразное пространство между которыми заполнено зернистым материалом (катализатором). В зернистом слое установлены спиралеобразные перегородки, обеспечивающие равномерное распределение окислителя по спиралеобразным каналам от периферии к центру. На входе в каждый спиралеобразный канал размещены перфорированные трубки, через которые в зернистый слой подаётся топливо. Смешение топлива с окислителем и процесс окисления осуществляются в зернистом слое.

В отличие от традиционно применяемых каталитических горелок в горелке новой конструкции смешение топлива и окислителя осуществляется в зернистом слое катализатора. Такая конструкция обеспечивает безопасность при эксплуатации и исключает возможность образования взрывоопасной газовоздушной смеси. Конструкция беспламенной горелки предусматривает предварительный разогрев зернистого материала (катализатора) факельной горелкой. Для этой цели в нижней части горелки размещена факельная горелка с запальным устройством для розжига. Конструкция каталитической камеры сгорания обеспечивает беспламенное горение даже бедных смесей топлива в слое катализатора. При этом продукты сгорания имеют одинаковую температуру по всему объёму. Количество воздуха, подаваемого в горелку, соответствует стехиометрическому количеству (или близко к нему), необходимому для полного сгорания топлива. Коэффициент избытка воздуха

Продукты сгорания

Рис. 1. Схема беспламенной горелки новой конструкции

при этом равен 1,00-1,05. В горелку был загружен разработанный экструдированный катализатор окисления углеводородов цилиндрической формы, представляющий собой носитель, изготовленный из глинозема, прокаленного при температуре 1400 °С, с нанесенным на него оксидом никеля.

В разработанной технологии эффективного сжигания топлива для глубокой рекуперации тепла отходящих дымовых газов и нагрева топлива используются теплообменные аппараты радиально-спи-рального типа нового поколения, которые успешно эксплуатируются в различных отраслях промышленности как в России, так и за рубежом. Теплообменный аппарат новой конструкции представляет собой цилиндрический корпус, в котором вдоль оси установлены теплообменные блоки с теп-лообменными поверхностями, сформированными из теплообменных элементов, образующими щелевые каналы для потоков теплообменных сред - радиаль-но-спиральные и аксиальные. В сечении, перпендикулярном оси аппарата, теплообменные элементы, формирующие теплообменную поверхность, имеют форму спирали Архимеда (рис. 2).

Теплообменные аппараты нового поколения не имеют ограничений, присущих традиционно используемым кожухотрубным, пластинчатым и другим типам теплообменных аппаратов. Они компактны, имеют максимальную удельную поверхность теплообмена в единице объёма цилиндрического аппарата и позволяют проводить процесс теплообмена газовых и жидкостных потоков практически любой требуемой производительности в одном аппарате в широ-

Рис. 3. Теплообменная поверхность после полутора лет эксплуатации на жесткой воде в системе ГВС

На рис. 4 представлен вариант принципиальной схемы эффективного сжигания топлива с утилизацией тепла отходящих дымовых газов и поддержанием заданной адиабатической температуры горения.

Рис. 2. Теплообменный аппарат конструкции «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ»

ком диапазоне перепадов давления и температуры теплообменной среды [7, 9, 10]. Спиралеобразная форма теплообменных элементов и их гофрированная поверхность обеспечивают максимальную удельную поверхность в единице объёма цилиндрического аппарата и надежную компенсацию элементов при температурных удлинениях.

Теплообменные элементы аппаратов конструкции «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ» полностью разгружены от термических расширений, не имеют местных концентраций напряжений ни в основном металле, ни в сварных швах и могут быть успешно использованы на требуемый перепад давления и температуры теплообменной среды, при глубоком вакууме и высоком давлении, в широком диапазоне температур. Ограничения по температуре применения зависят только от используемых материалов для изготовления теплообменных элементов и корпуса аппарата.

Теплообменные аппараты новой конструкции по сравнению с традиционно применяемыми аппаратами имеют практически идеальное равномерное распределение теплообменных сред по щелевым каналам. Это преимущество исключает застойные зоны, а также выпадение солей жесткости (накипи) на теп-лообменной поверхности (рис. 3). Мощность тепло-обменного аппарата новой конструкции может быть от нескольких ватт в микротеплообменниках до десятков тысяч киловатт. В теплоэнергетике тепло-обменные аппараты новой конструкции могут эффективно использоваться в качестве паровых и водогрейных котлов, рекуператоров тепла отходящего дымового газа для нагрева воздуха, подаваемого в горелки котлов, для газовых турбин, конденсаторов, сухих градирен, подогревателей воды, воздуха и природного газа, в системах отопления и горячего водоснабжения и т. д.

500 °С

Нагреваемая среда

950 °С

550 °С

Приемник тепла

^10

1000°С

Горелка

500 °С

Воздух

200 °С

Теплообменники

20 °С

Природный газ

140 °еСГ Дымосос

Дымовой газ

Рис. 4. Вариант принципиальной схемы эффективного сжигания топлива

Природный газ (или другое топливо) и воздух с добавленной к нему частью отходящего дымового газа, предварительно нагретые дымовым газом, выходящим из приёмника тепла, поступают на горелку, где происходит каталитическое окисление топлива. Заданная адиабатическая температура горения топлива поддерживается количеством рециркулирующего дымового газа. Дымовой газ после горелки направляется в приёмник тепла, где охлаждается, отдавая тепло потребителю, после чего проходит последовательно подогреватели окислителя и топлива. Охлажденный дымовой газ частично дозируется в воздух, а оставшаяся его часть сбрасывается в атмосферу.

В разработанной технологии эффективного сжигания топлива требуемая адиабатическая температура горения обеспечивается дозированием дымовых газов в воздух, подаваемый на горелку. Беспламенная горелка конструкции «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ» может эффективно работать при низком содержании углеводородов в топливно-воздушных

смесях и при подаче практически стехиометрическо-го количества воздуха, необходимого для полного сжигания топлива. Разбавление воздуха дымовым газом приводит к снижению концентрации кислорода в окислителе (смесь воздуха с дымовым газом), что, в свою очередь, снижает адиабатическую температуру горения топлива. Чем ниже концентрация кислорода в окислителе, тем ниже адиабатическая температура горения топлива. Таким образом, регулируя количество подмешиваемого в воздух дымового газа, можно регулировать и поддерживать требуемую адиабатическую температуру горения топлива.

Сжигание топлива при адиабатической температуре горения не выше 1200 °С практически исключает в отходящих дымовых газах CO и NOK [8]. При этом глубокая рекуперация тепла отходящих дымовых газов обеспечивает снижение расхода топлива, количественное сокращение отходящих дымовых газов и значительное уменьшение вредных выбросов в окружающую среду (CO, NOK). В связи со стехио-метрической подачей воздуха при горении топлива в составе отходящего дымового газа практически отсутствует кислород. Это позволяет использовать сбрасываемый дымовой газ после его охлаждения в качестве инертного газа для продувок трубопроводов и аппаратов и как средство пожаротушения.

Экспериментальные исследования беспламенной горелки новой конструкции

Исследования горелки новой конструкции проводились на экспериментальном стенде для определения оптимальных режимов эксплуатации в диапазоне температур 600-1200 °С. Схема экспериментального стенда представлена на рис. 5.

При проведении экспериментов измерялись расход топлива, расход окислителя (воздух с подмешанным азотом), температура продуктов сгорания на выходе из горелки, количество несгоревших углеводородов, концентрация кислорода, количество СО и NOK в продуктах сгорания и аэродинамическое сопротивление зернистого слоя горелки. В качестве топлива использовался природный газ, в окислитель вместо охлаждённого дымового газа к воздуху подмешивался азот. Расход окислителя (смеси воздуха и инертного газа) измерялся ротаметром РС 7. Расход топлива (природного газа) измерялся расходомером топлива NPM-G4. Температура и концентрация измеряемых компонентов в продуктах сгорания измерялись на выходе из горелки портативным анализатором дымовых газов Testo 350XL. Аэродинамическое сопротивление зернистого слоя измерялось U-образным манометром.

В результате проведённых исследований было установлено, что конструкция горелки обеспечивает устойчивое бесшумное, беспламенное горение топлива в зернистом слое катализатора в диапазоне адиабатических температур горения топлива 6001200 °С. Сжигание топлива проводилось при коэффициенте избытка воздуха равном 1,00-1,05. При повышении адиабатической температуры горения топлива от 600 до 1200 °С содержание несгоревших углеводородов снижалось. Влияние объёмной скорости на содер-

Рис. 5. Схема экспериментального стенда: 1 — горелка; 2 — расходомер окислителя; 3 — расходомер топлива; 4 — воздуходувка; 5, 6 — регулировочные вентили

жание несгоревших углеводородов в продуктах сгорания показано на рис. 6. При температурах более 800 °С в диапазоне объёмных скоростей 5000-40000 ч-1 несгоревшие углеводороды в продуктах сгорания практически отсутствовали.

На рис. 7 показана зависимость содержания СО и NOх в продуктах сгорания от адиабатической температуры горения топлива. Как следует из данного рисунка, при адиабатических температурах горения до 800-900 °С содержание СО и NOх в продуктах сгорания практически равно нулю. При температуре 1100 °С и более наблюдался рост их концентрации, но

шнЕРШЁштурснтБЕШШЕтитшэнЕРШввФФЕшашшшЬ 15

го поколения для рекуперации тепла отходящих дымовых газов, а также применение энергосберегающего способа сжигания топлива с поддержанием заданной адиабатической температуры горения позволяют значительно сократить потребление топлива и практически исключить в отходящих дымовых газах вредные компоненты (СО и N0^, а также обеспечить требуемую температуру продуктов сгорания перед потреблением тепловой энергии.

Изготовление теплообменных аппаратов и каталитических реакторов новой конструкции освоено рядом машиностроительных заводов России по лицензии ООО «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ». Применение технологии эффективного сжигания топлива с беспламенными горелками и тепло-обменными аппаратами новой конструкции позволит в значительной мере обеспечить решение вопросов энергосбережения и защиты окружающей среды.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по государственному контракту от 05.04.11 г. №16.513.11.3012.

Литература

1. Винтовкин А. А., Ладыгичев М. Г., Гусовский В. Л., Калинова Т. В. // Горелочные устройства промышленных печей и топок (Конструкции и технические характеристики) / Справочник. - М.: Интермет Инжиниринг, 1999. - 560 с., ил.

2. Справочник азотчика: Физико-химические свойства газов и жидкостей. Производство технологических газов. Очистка технологических газов. Синтез аммиака. 2-е изд. - М.: Химия, 1986. - 512 с., ил.

3. Брайнин Б. И., Ведешкин Г. К., Гольцев А. В., Евстигнеев А. А., и др. / Разработка опытно-промышленной каталитической камеры сгорания энергетической ГТУ // Газотурбинные технологии. -2010. - № 8. - С. 2-6.

4. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1960. - 832 с., ил.

5. Добряков Т. С., Мигай В. К., Назаренко В. С., Надыров И. И., Федоров И. И. Воздухоподогреватели котельных установок. - Л.: Энергия, 1977. - 184 с., ил.

6. Зингер Н. М., Тарадай А. М., Бармина Л. С. Пластинчатые теплообменники в системах теплоснабжения. - М.: Энергоатомиздат, 1995. - 256 с., ил.

7. Астановский Л. З., Астановский Д. Л. Эффективное сжигание топлива в газотурбинных установках / Авиадвигатели XXI века. Материалы конф. - М.: ЦИАМ, 2010. - СD.

8. Астановский Д. Л., Астановский Л. З. Эффективное сжигание топлива в беспламенных горелках с поддержанием заданной адиабатической температуры горения // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2012. - № 3. - С. 19-22.

9. Астановский Д. Л., Астановский Л. З. Высокоэффективный теплообменный аппарат конструкции «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ» // Химическая техника. - 2005. - № 10. - С. 10-13.

10. Астановский Д. Л., Астановский Л. З. Использование теплообменных аппаратов новой конструкции в теплоэнергетике // Теплоэнергетика. - 2007. - № 7. - С. 46-51.

11. Патент РФ № 2347977 от 09.07.2007 г. F 23 С 9/00. Способ сжигания топлива / Астановский Д. Л., Астановский Л. З. и Вертелецкий П. В.

The using of flameless burners and new heat exchangers for effective fuel combustion D. L. Astanovsky,

FAST ENGINEERING Ltd., President, Ph.D.

даже при этих температурах содержание СО и N0х в продуктах сгорания на порядок ниже чем в факельных горелках [1].

Выполненные исследования подтвердили возможность поддержания заданной адиабатической температуры горения топлива в диапазоне 6001200 °С путём разбавления воздуха, подаваемого в горелку, инертным газом. Наиболее эффективно горелка новой конструкции может быть применена в технологических процессах при использовании в качестве инертного газа продуктов сгорания и подогрева окислителя и топлива отходящим дымовым газом.

Применение беспламенных горелок для окисления углеводородов и теплообменных аппаратов ново-

L. Z. Astanovsky,

FAST ENGINEERING Ltd., Vice-presdient

P. V. Kustov

FAST ENGINEERING Ltd., Head of design department

Traditionally used burners for gas hydrocarbon oxidation and heat exchangers used for heat recuperation are considered.

Designed by FAST ENGINEERING Ltd. process of effective fuel combustion with deep heat waste flue gases recuperation and supporting of defined adiabatic combustion temperature on the basis of using new design heat exchangers and flameless burner is presented. The results of flameless burner on the pilot unit testing are shown.

Keywords: gas hydrocarbons combustion, catalytic reactor, flameless burner, adiabatic combustion temperature, radialspiral type heat exchanger, heat recuperation, energy saving

СВЕТОДИОДНЫЕ СВЕТИЛЬНИКИ

G€llOMRST€R о

• Снижают энергопотребление в 5 раз.

• Отсутствует пульсация светового потока.

• Оптимальное сочетание цены и качества.

• Окупаются за 12 месяцев.

www.pk-agromaster.ru

RU.AB75.H01812

8 (8552) 54-45-75 8 (85556) 2-39-08 8 917-260-72-82