Актуальность темы. Использование в качестве топлива попутных газов нефтепереработки, состав и теплотехнические свойства которых меняются во времени, вносит значительные помехи в организацию экономичного и безопасного его сжигания с минимальным выходом токсичных продуктов сгорания и обеспечения соответствия характеристик факела требованиям технологических процессов. В этих условиях в настоящее время рекомендуется использовать горелочные устройства с регулируемыми параметрами. Используя такие горелки, можно обеспечить наивыгоднейший тепловой режим независимо от нагрузки или рода топлива. Однако, такое решение проблемы ведет к значительному удорожанию и усложнению тепловых агрегатов. Вместе с тем, регулирование топочных процессов и повышение эффективности сжигания углеводородных газов переменного состава можно осуществить посредством изменения их температуры, что позволяет влиять на работу всех горелок одного или группы тепловых агрегатов не изменяя их конструкции.
Целью работы является изучение возможности регулирования топочных процессов и повышения эффективности использования углеводородных газов переменного состава посредством изменения их температуры при сжигании в горелках с нерегулируемыми параметрами.
Научная новизна основных положений работы заключается в том, что автором впервые:
- установлены зависимости энтальпии, теплоты сгорания, вязкости, удельных объемов газа, теоретически необходимого для горения воздуха, продуктов сгорания и других основных топливных характеристик от плотности углеводородных газов;
- разработан метод оценки воспламенения углеводородных газов сложного состава по плотности газовой смеси;
- разработан метод оценки теплообмена в топке котельного агрегата, позволяющий свести все факторы, влияющие на распределение температуры в камере сгорания к одному параметру.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученные результаты позволяют корректировать топочные процессы посредством изменения температуры сжигаемого газа с целью повышения эффективности использования топлива, достижения требуемых характеристик факела и снижения экологического ущерба от выбросов вредных веществ с продуктами сгорания. Отдельные результаты работы уже реализованы в ОАО «Орскнефтеоргсинтез» и используются при эксплуатации промышленных паровых котлов.
Автор защищает:
- разработанные приемы регулирования топочных процессов и практические рекомендации по организации регулирования процесса сжигания углеводородных газов переменного состава;
- метод оценки воспламенения углеводородных газов сложного состава по плотности газовой смеси;
- метод оценки теплообмена в топке котельного агрегата по одному параметру.
Апробация работы. Основные результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались или были представлены на: Всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых по энерго- и ресурсосбережению, нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии (6-9 декабря 2005 года, г. Екатеринбург); XXVI Российской школе по проблемам науки и технологий (27-29 июня 2006 года, г. Миасс); 7-й Всероссийской научно-технической конференции по актуальным проблемам состояния и развития нефтегазового комплекса России (29-30 января 2007 года, г. Москва); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по проблемам теплоэнергетики (17-19 апреля 2007 года, г. Челябинск); XXVII Российской школе по проблемам науки и технологий (26-28 июня 2007 года, г. Миасс); Всероссийской студенческой олимпиаде, научно-практической конференции и выставке студентов, аспирантов и молодых ученых по энерго- и ресурсосбережению, нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии (11-14 ноября 2008 года, г. Екатеринбург); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по проблемам теплоэнергетики (21-23 апреля 2009 года, г. Челябинск).
Основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе в одном источнике, рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 132 наименований, приложения. Она содержит 146 страниц, 39 рисунков и 2 таблицы по тексту.
Проведенный комплекс исследований позволяет сделать следующие основные выводы:
1. Установлены зависимости энтальпии, теплоты сгорания, вязкости, удельных объемов газа, теоретически необходимого для горения воздуха, продуктов сгорания и других основных топливных характеристик от плотности углеводородных газов, что создает основу для упрощения методик расчета как горелочных устройств, так и теплообмена в котлах и печах за счет перехода от индивидуальных зависимостей компонентов сложных смесей к одной характеристике всей смеси - плотности.
2. Разработан метод оценки условий воспламенения топливо-воздушной смеси по степени приближения безразмерной плотности отвода теплового потока ~ к критическому значению с~кр, показывающий, что с увеличением плотности смеси предельных углеводородов р температура в реальном топливном процессе удаляется от критических условий воспламенения и время индукции реакций самовоспламенения уменьшается, то есть, устойчивость процесса воспламенения возрастает.
3. Разработан метод оценки теплообмена в топке котельного агрегата позволяющий свести все факторы, влияющие на распределение температуры в топке к одному параметру В = (Ъ2 + Ъ ')/Ь . Соотношение между средними значениями параметров конвективного переноса Ъг, турбулентного перемешивания Ъ2 и лучистого переноса Ъ3 Ъ,:Ъ:Ъ для предельных углеводородов составляет 23,9%:0,8%:75,3%, для непредельных - 26,5%:0,8%:72,7%, что полностью отвечает современным представлениям о вкладе каждого механизма в общий теплоперенос. Получены зависимости параметра В от плотности сжигаемого газа р, показывающие, что с увеличением плотности сжигаемого газа для предельных углеводородов температура топочной среды в реальном топочном процессе растет, для непредельных углеводородов этиленового ряда - падает.
4. Получены экспериментальные данные по регулированию топочных процессов посредством изменения температуры газа переменного состава, сжигаемого в горелках с нерегулируемыми параметрами, подтверждающие обоснованность изменения температуры топлива в зависимости от его плотности и указывающие на необходимость уменьшения температуры газа при уменьшении его плотности и наоборот.
5. Разработаны практические рекомендации по организации регулирования процесса сжигания углеводородных газов переменного состава посредством изменения температуры газовой смеси. Полученные результаты позволяют корректировать топочные процессы с целью повышения эффективности использования топлива, достижения требуемых характеристик факела и снижения экологического ущерба от выбросов вредных веществ с продуктами сгорания. Отдельные результаты работы уже реализованы и используются при эксплуатации промышленных паровых котлов.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
