САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ ДЛЯ ПОРИСТЫХ РАДИАЦИОННЫХ ГОРЕЛОК
|
1. Введение 3
2. Методы испытаний 14
2.1. Методики самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и 14
анализа пористых материалов
2.2. Методики изучения эксплуатационных характеристик инфракрасных горелок 18
2.3. Методика определения экологических характеристик продуктов сгорания 23
инфракрасных горелок
3. Экспериментальные результаты 29
3.1. Влияние пористости реакционной шихты на параметры поровой структуры и 18 прочность продуктов синтеза
3.2. Влияние начальной температуры синтеза на параметры поровой структуры и 21 прочность продуктов синтеза
3.3. Влияние состава исходной шихты на параметры поровой структуры и 24
прочность продуктов синтеза
4. Разработка процесса горения газовоздушной смеси в пористых матрицах- 45 излучателях. Исследование характеристик эмиссии загрязняющих веществ при работе пористых излучающих горелок. Зависимости параметров эмиссии СО и
NOx от условий организации процесса.
5. Заключение 51
Список литературы 52
2. Методы испытаний 14
2.1. Методики самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и 14
анализа пористых материалов
2.2. Методики изучения эксплуатационных характеристик инфракрасных горелок 18
2.3. Методика определения экологических характеристик продуктов сгорания 23
инфракрасных горелок
3. Экспериментальные результаты 29
3.1. Влияние пористости реакционной шихты на параметры поровой структуры и 18 прочность продуктов синтеза
3.2. Влияние начальной температуры синтеза на параметры поровой структуры и 21 прочность продуктов синтеза
3.3. Влияние состава исходной шихты на параметры поровой структуры и 24
прочность продуктов синтеза
4. Разработка процесса горения газовоздушной смеси в пористых матрицах- 45 излучателях. Исследование характеристик эмиссии загрязняющих веществ при работе пористых излучающих горелок. Зависимости параметров эмиссии СО и
NOx от условий организации процесса.
5. Заключение 51
Список литературы 52
Целью дипломной работы является исследование процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза пористых Ni-Al материалов с определением оптимальных характеристик структуры для использования материалов в качестве излучателей инфракрасных газовых нагревателей. Основной мотивацией создания новых инфракрасных газовых нагревателей является разработка и внедрение перспективного теплотехнического оборудования для нужд малой распределенной энергетики.
Газовые горелки широко применяются в бытовых и промышленных котлах, используемых для нужд отопления и горячего водоснабжения, производства пара и пр. В зависимости от архитектуры газовые котлы могут обладать различным тепловым КПД. При температуре уходящих газов выше 50 - 60°Степловой КПД котлов составляет не более100% по низшей калорийности топлива, т.е. < 90% по высшей калорийности. Высшая калорийность топлива, в отличии от низшей, включает в себя теплоту конденсации водяного пара(40,66 кДж/моль), объемное содержание которого в продуктах стехиометрического горения метана составляет 18,4%, пропана - 15,0%.Например, высшая калорийность метана составляет Н$ = 37,78 МДж/м’, а низшая Hi = 34,02 МДж/м3 (эталонный газ G20 при температуре 10 °C и атмосферном давлении 101325 Па, ГОСТ Р 54826-2011).
Повысить КПД котла до 98 - 99% по высшей калорийности топлива можно за счет отбора тепла продуктов сгорания до достижения ими температуры, при которой происходит конденсация водяного пара, что реализовано в так называемых конденсационных или конденсатных котлах (рисунок 1.1).
Уходящие газы
Ж СО2. СО. NOX
Конденсация
Н2О +8%
90% КПД до 99%
Рисунок 1.1 - Принцип повышения КПД газовых котлов
Конденсационный котёл отличается от обычного тепловым режимом работы - температура прямой и обратной воды у обычного котла составляет 80/60 °C, а у конденсационного 50/30 °C. Следовательно, для низкотемпературной системы отопления конденсационного котла необходимо использовать конвертеры большей площади или устраивать систему теплых полов. Стоимость такой системы отопления выше чем у традиционной, однако в долгосрочной перспективе экономический эффект от использования конденсационных котлов покроет дополнительные издержки и снизит совокупную стоимость владения помещением.
Для стимулирования владельцев недвижимости использовать конденсационные котлы в мировой практике существуют различные системы поощрений и ограничений. Например, в Канаде существует система правительственных поощрений Government of Canadaeco ENERGY Retrofit-Homesgrants. Здесь, за модернизацию системы отопления посредством установки конденсатного котла выделяется грант на сумму до 790 долларов, а за установку геотермальной системы отопления - 2500 долларов.
Во многих странах минимальный уровень теплового КПД котлов регламентируется стандартами. В странах ЕС существует долгосрочная программа Европейской Комиссии «2020 climate&energypackage» - снижение на 20% уровня эмиссии парниковых газов, достижение 20%-говклада в энергетику возобновляемых источников энергии и 20%-ое увеличение энергоэффективности (20% cutingreenhousegasemissions (from 1990 levels), 20% ofEUenergyfromrenewables, 20% improvementinenergyefficiency). Для реализации этой программы 26 сентября 2015 года была принята Директива ErP - TheEnergyRelatedProductsDirective. По правилам ЕгР после 26 сентября 2015 года разрешено использовать и продавать котлы с мощностью менее 400 кВт только конденсационного типа. Также ЕгР устанавливает требование сертифицировать котлы мощностью до 70 кВт по стандартам Energyefficiencylabel, предполагающем присваивать классы эффективности. Здесь класс эффективности «А» означает, что КПД по высшей калорийности более 90%. Класс эффективности «А+» означает КПД выше 100%. Для этого котёл должен быть оснащен системами использования энергии возобновляемых ресурсов: солнечные панели и/или тепловые насосы.
В США существует программа добровольной сертификации Energy Star (U.S. EnvironmentalProtectionAgency (ЕРА). Лэйбл Energy Star присваивается газовым бытовым котлам до 66 кВт, если они удовлетворяют следующим условиям: рейтинг AFUE > 90% для северных Штатов; рейтинг AFUE > 95% для южных Штатов. Здесь AFUE,AnnualFuelUtilizationEfficiency - аналог коэффициента полезного действия, измеряемый по методике «Federaltestmethod 10 CFR 430». Основное отличие от КПД в том, что рейтинг AFUE определяется при тестировании котла в условиях, максимально приближенных к реальным особенностям круглогодичной эксплуатации, в том числе с учётом не самых оптимальных режимов работы установки.
Важным аспектом при разработке новых теплотехнических устройств является обеспечение заданных экологических параметров газообразных продуктов сгорания. Здесь контролируется два параметра - эмиссия монооксида углерода (СО, угарный газ) и оксидов азота (NOx, включая NO и NO2), нормативы по концентрации которых заложены в основу современных экологических стандартов. Монооксид углерода -бесцветный токсичный газ без запаха и вкуса, обладающий способностью вступать в соединения с гемоглобином крови. Безопасная концентрация СО в атмосферном воздухе составляет менее Ippm , головные боли и ухудшение самочувствия могут происходить при нахождении более 6 часов при концентрации СО на уровне 9 ррш. Оксиды азота в продуктах горения представлены в основном NO и NO2. NO образуется по высокотемпературному механизму Зельдовича, который заключается в окислении азота при температурах выше 1300 °C. По сравнению с монооксидом углерода, вдыхание NO не оказывает значительного негативного воздействия на организм человека. NO слабо растворим в воде и практически не ухудшает процессы переноса кислорода гемоглобином крови, однако возможно ухудшение самочувствия у детей или лиц с ослабленным здоровьем. Основное негативное воздействие оксидов азота связано с участием в формировании тропосферного озона. Механизм образования озона протекает через следующие стадии. NO реагирует со свободными радикалами, которые образуются в атмосфере посредством фотохимического воздействия ультрафиолетового излучения на летучие органические вещества, с образованием NO2. В свою очередь, посредством фотохимической реакции NO2 реагирует с кислородом воздуха с образованием озона и NO. Таким образом, каждая молекула NO может производить озон множественное количество раз, пока присутствующие в воздухе летучие органические вещества не разложатся на простые составляющие с короткими цепочками и не утратят способность участвовать в фотохимических реакциях. Растворяясь в воде NO2 образует растворы кислот (азотная кислота HNO3 и азотистая кислота HNO2), что является основным фактором формирования кислотных дождей. Взаимодействие озона, оксидов азота, летучих органических веществ приводит к формированию фотохимического смога, оказывающего крайне негативное воздействие на окружающую среду урбанизированных территорий. Уменьшение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания обеспечивается за счёт: снижения температуры горения ниже 1300 °C, уменьшения времени пребывания продуктов сгорания при высокой температуре, использования топлив с низким содержанием атомарного азота, сжигания топлива в кислороде вместо воздуха, использования катализаторов и сорбентов и пр.
Согласно пп. 6.6.1 ГОСТ Р 54826-2011 (Котлы газовые центрального отопления. Котлы типа С номинальной тепловой мощностью не более 70 кВт) концентрация монооксида углерода в сухих неразбавленных воздухом продуктах сгорания должна быть не более 0,10%, что составляет 1000 ррш. Согласно пп. 6.6.2, в зависимости от предельного содержания NOx в сухих неразбавленных воздухом продуктах сгорания, котлы подразделяют на 5 классов, высший из которых, пятый: предельная концентрация NOx< 70 мг/(кВт ч), что приблизительно равно 40 ррш или 78 мг/м3.
В Европе одни из самых строгих стандартов экологии устанавливает NordicEcolableWhiteSwan (Белый лебедь). Газовые горелки характеризуются по эмиссии, приведенной к 3% концентрации кислорода в продуктах горения:
1. СО< 49 ррш или 61 мг/м3 или 60 мг/кВт ч (пересчёт на 0% Ог: СО< 57 ррш, 71 мг/м3),
2. NOx< 35 ррш или 71 мг/м3 или 70 мг/кВт ч (пересчёт на 0% Ог: NOx< 41 ррш, 83 мг/м3).
В США на уровне муниципалитетов могут устанавливаться требования к эмиссии газовых котлов. Например, SouthCoastAirQualityManagementDistrict в документе AmendRule 1111 «ReductionofNOxEmissionsFromNaturalGas-Fired, Fan-TypeCentralFumaces» устанавливает предел по NOx в 14 нг/Дж, что приблизительно равно 27 ррш или 53 мг/м3. Данное правило распространяется на второй по величине урбанизированный район США - Большой Лос- Анджелес. Так, в зависимости от типа котла, в период с 1 апреля 2015 по 1 октября 2018 года будет запрещено производить и продавать, а также проводить техническое обслуживание и установку имеющихся котлов (a personshallnotmanufacture, supply, sell, offerforsale, orinstall, foruseintheSouthCoastAirQualityManagementDistrict) с большей эмиссией NOx.
Аналогичное требование по эмиссии NOx отражено в документе «Requirement for NOx Emission Regarding Domestic Gas-Combustion Boiler», который выпущен Clean Air Alliance of China. Это экспертная организация, объединяющая ключевые университеты Китая и институты Академии наук, а также администрации ряда провинций и крупных городов.
Таким образом, для возможности выходить на рынки в любой точке мира необходимо разрабатывать горелки для котлов конденсационного типа, характеризующиеся выбросами СО не более 57 ppm и NOx не более 27 ppm, приведенных к сухим неразбавленным воздухом продуктам сгорания.
В России в настоящий момент существенно более низкие требования по экологичности котлов, а также не предъявляется требований к минимальному уровню их энергоэффективности. Однако, с текущего года реализуется Стратегия научно-технологического развития Российской Федерации (утверждена Указом Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642«О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»), где одним из направлений, которые позволят получить научные и научно-технические результаты и создать технологии, являющиеся основой инновационного развития внутреннего рынка продуктов и услуг, является переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии. Стоит ожидать, что в скором времени вопросы модернизации теплотехнического оборудования перейдут в практическую плоскость, что повышает актуальность целей и задач моей дипломной работы.
Основная функция котла - охладить продукты сгорания на теплообменниках, в которых нагревается теплоноситель. Так как в конденсационных котлах происходит конденсация пара с образованием влаги (имеющей кислотную среду ввиду реакции с NOx), необходимо использовать теплообменники из современных коррозионностойких сталей. Уменьшить объём теплообменников можно за счёт снижения температуры уходящих газов. Этого можно достичь, заменяя факельную горелку на инфракрасную.
Инфракрасные горелки (другие равнозначные наименования: пористая горелка, радиационная горелка, излучающая горелка) перспективны к использованию в теплоэнергетических устройствах для малой распределенной энергетики и по сравнению с факельными горелками имеют ряд преимуществ. Во-первых, вся энергия инфракрасного потока мгновенно передаётся нагреваемому телу, при этом теплообмен пропорционален разности абсолютных температур горелки и теплопринимающего тела, возведенных в четвертую степень. Во-вторых, газообразные продукты сгорания, образующиеся в радиационных горелках, имеют пониженную температуру, что позволяет достигать заданного КПД установки при существенно меньшем объёме теплообменников конвективной части устройства. Снижение температуры продуктов сгорания также позволяет избежать образования оксидов азота по высокотемпературному механизму Зельдовича.
Инфракрасные горелки характеризуют величиной удельной мощности, выражаемой в размерности кВт/м2 или Вт/см2. Существующие решения обеспечивают диапазон работы от 15 до 50 Вт/см2. При удельной мощности менее 15 Вт/см2 сложно обеспечить приемлемые экологические характеристики горелки по выбросам СО. При удельной мощности более 50 Вт/см2 может происходить отрыв пламени от излучающей поверхности с резким ухудшением радиационного КПД. Радиационный КПД горелки, определяемый как отношение величины энергии, перешедшей в тепловое излучение, к общему количеству тепла, полученного от сгорания подводимого газа, находится в сильной зависимости от конфигурации пористого излучателя и способа сжигания газа в горелке (рисунок 1.2). Радиационный КПД горелок, в которых окисление углеводородов кислородом воздуха происходит над поверхностью пористого излучателя, невысок, порядка 20-30%, так как теплообмен между продуктами горения и пористым телом ограничен. Основным способом повышения радиационного КПД инфракрасной горелки является интенсификация теплообмена пламени с излучателем, что достигается организацией процесса горения под внешней поверхностью пористого излучателя. В простейшем случае используют излучатели, имеющие профилированную поверхность, где горение происходит в углублениях рельефа поверхности - здесь радиационный КПД достигает 40%. Более эффективной конфигурацией является размещение над поверхностью излучателя высокопроницаемых структур, как-то сеток или высокопористых ячеистых материалов. В данном случае пламя стабилизируется в объеме под внешней излучающей поверхностью, что позволяет получить максимально возможный радиационный КПД устройств.
Рисунок 1.2 - Зависимость радиационного КПД различных горелок от величины удельной мощности. Кривая 1 -открытое пламя. Кривая 2 -горелкаиз вспененной керамики [1]. Кривая 3 - пористая горелка из металлических сеток [2]. Кривая 4 - горелка из металлических волокон [3].
Форма излучателя инфракрасной горелки функционально значима. Ключевой интерес в настоящее время представляет создание осесимметричных горелок (рисунок 1.3), что позволит существенно уменьшить объем топочного пространства за счет увеличения объемного тепловыделения вплоть до 40 Вт/см3 (например, объёмное тепловыделение открытых пламён составляет 0,67 - 1Вт/см3 [4]). Немаловажным преимуществом данного решения является возможность избежать режима работы горелки, при котором происходит проскок пламени в смесительную камеру, известный как flashback. Например, для метано-воздушной смеси нормальная скорость распространения пламени составляет примерно 50см/с. При этом скорость движения смеси через стенку излучателя при стехиометрическом горении составляет5-15 см/с для удельных мощностей 15-50 Вт/см2 соответственно. Для инфракрасных горелок плоской
Газовые горелки широко применяются в бытовых и промышленных котлах, используемых для нужд отопления и горячего водоснабжения, производства пара и пр. В зависимости от архитектуры газовые котлы могут обладать различным тепловым КПД. При температуре уходящих газов выше 50 - 60°Степловой КПД котлов составляет не более100% по низшей калорийности топлива, т.е. < 90% по высшей калорийности. Высшая калорийность топлива, в отличии от низшей, включает в себя теплоту конденсации водяного пара(40,66 кДж/моль), объемное содержание которого в продуктах стехиометрического горения метана составляет 18,4%, пропана - 15,0%.Например, высшая калорийность метана составляет Н$ = 37,78 МДж/м’, а низшая Hi = 34,02 МДж/м3 (эталонный газ G20 при температуре 10 °C и атмосферном давлении 101325 Па, ГОСТ Р 54826-2011).
Повысить КПД котла до 98 - 99% по высшей калорийности топлива можно за счет отбора тепла продуктов сгорания до достижения ими температуры, при которой происходит конденсация водяного пара, что реализовано в так называемых конденсационных или конденсатных котлах (рисунок 1.1).
Уходящие газы
Ж СО2. СО. NOX
Конденсация
Н2О +8%
90% КПД до 99%
Рисунок 1.1 - Принцип повышения КПД газовых котлов
Конденсационный котёл отличается от обычного тепловым режимом работы - температура прямой и обратной воды у обычного котла составляет 80/60 °C, а у конденсационного 50/30 °C. Следовательно, для низкотемпературной системы отопления конденсационного котла необходимо использовать конвертеры большей площади или устраивать систему теплых полов. Стоимость такой системы отопления выше чем у традиционной, однако в долгосрочной перспективе экономический эффект от использования конденсационных котлов покроет дополнительные издержки и снизит совокупную стоимость владения помещением.
Для стимулирования владельцев недвижимости использовать конденсационные котлы в мировой практике существуют различные системы поощрений и ограничений. Например, в Канаде существует система правительственных поощрений Government of Canadaeco ENERGY Retrofit-Homesgrants. Здесь, за модернизацию системы отопления посредством установки конденсатного котла выделяется грант на сумму до 790 долларов, а за установку геотермальной системы отопления - 2500 долларов.
Во многих странах минимальный уровень теплового КПД котлов регламентируется стандартами. В странах ЕС существует долгосрочная программа Европейской Комиссии «2020 climate&energypackage» - снижение на 20% уровня эмиссии парниковых газов, достижение 20%-говклада в энергетику возобновляемых источников энергии и 20%-ое увеличение энергоэффективности (20% cutingreenhousegasemissions (from 1990 levels), 20% ofEUenergyfromrenewables, 20% improvementinenergyefficiency). Для реализации этой программы 26 сентября 2015 года была принята Директива ErP - TheEnergyRelatedProductsDirective. По правилам ЕгР после 26 сентября 2015 года разрешено использовать и продавать котлы с мощностью менее 400 кВт только конденсационного типа. Также ЕгР устанавливает требование сертифицировать котлы мощностью до 70 кВт по стандартам Energyefficiencylabel, предполагающем присваивать классы эффективности. Здесь класс эффективности «А» означает, что КПД по высшей калорийности более 90%. Класс эффективности «А+» означает КПД выше 100%. Для этого котёл должен быть оснащен системами использования энергии возобновляемых ресурсов: солнечные панели и/или тепловые насосы.
В США существует программа добровольной сертификации Energy Star (U.S. EnvironmentalProtectionAgency (ЕРА). Лэйбл Energy Star присваивается газовым бытовым котлам до 66 кВт, если они удовлетворяют следующим условиям: рейтинг AFUE > 90% для северных Штатов; рейтинг AFUE > 95% для южных Штатов. Здесь AFUE,AnnualFuelUtilizationEfficiency - аналог коэффициента полезного действия, измеряемый по методике «Federaltestmethod 10 CFR 430». Основное отличие от КПД в том, что рейтинг AFUE определяется при тестировании котла в условиях, максимально приближенных к реальным особенностям круглогодичной эксплуатации, в том числе с учётом не самых оптимальных режимов работы установки.
Важным аспектом при разработке новых теплотехнических устройств является обеспечение заданных экологических параметров газообразных продуктов сгорания. Здесь контролируется два параметра - эмиссия монооксида углерода (СО, угарный газ) и оксидов азота (NOx, включая NO и NO2), нормативы по концентрации которых заложены в основу современных экологических стандартов. Монооксид углерода -бесцветный токсичный газ без запаха и вкуса, обладающий способностью вступать в соединения с гемоглобином крови. Безопасная концентрация СО в атмосферном воздухе составляет менее Ippm , головные боли и ухудшение самочувствия могут происходить при нахождении более 6 часов при концентрации СО на уровне 9 ррш. Оксиды азота в продуктах горения представлены в основном NO и NO2. NO образуется по высокотемпературному механизму Зельдовича, который заключается в окислении азота при температурах выше 1300 °C. По сравнению с монооксидом углерода, вдыхание NO не оказывает значительного негативного воздействия на организм человека. NO слабо растворим в воде и практически не ухудшает процессы переноса кислорода гемоглобином крови, однако возможно ухудшение самочувствия у детей или лиц с ослабленным здоровьем. Основное негативное воздействие оксидов азота связано с участием в формировании тропосферного озона. Механизм образования озона протекает через следующие стадии. NO реагирует со свободными радикалами, которые образуются в атмосфере посредством фотохимического воздействия ультрафиолетового излучения на летучие органические вещества, с образованием NO2. В свою очередь, посредством фотохимической реакции NO2 реагирует с кислородом воздуха с образованием озона и NO. Таким образом, каждая молекула NO может производить озон множественное количество раз, пока присутствующие в воздухе летучие органические вещества не разложатся на простые составляющие с короткими цепочками и не утратят способность участвовать в фотохимических реакциях. Растворяясь в воде NO2 образует растворы кислот (азотная кислота HNO3 и азотистая кислота HNO2), что является основным фактором формирования кислотных дождей. Взаимодействие озона, оксидов азота, летучих органических веществ приводит к формированию фотохимического смога, оказывающего крайне негативное воздействие на окружающую среду урбанизированных территорий. Уменьшение концентрации оксидов азота в продуктах сгорания обеспечивается за счёт: снижения температуры горения ниже 1300 °C, уменьшения времени пребывания продуктов сгорания при высокой температуре, использования топлив с низким содержанием атомарного азота, сжигания топлива в кислороде вместо воздуха, использования катализаторов и сорбентов и пр.
Согласно пп. 6.6.1 ГОСТ Р 54826-2011 (Котлы газовые центрального отопления. Котлы типа С номинальной тепловой мощностью не более 70 кВт) концентрация монооксида углерода в сухих неразбавленных воздухом продуктах сгорания должна быть не более 0,10%, что составляет 1000 ррш. Согласно пп. 6.6.2, в зависимости от предельного содержания NOx в сухих неразбавленных воздухом продуктах сгорания, котлы подразделяют на 5 классов, высший из которых, пятый: предельная концентрация NOx< 70 мг/(кВт ч), что приблизительно равно 40 ррш или 78 мг/м3.
В Европе одни из самых строгих стандартов экологии устанавливает NordicEcolableWhiteSwan (Белый лебедь). Газовые горелки характеризуются по эмиссии, приведенной к 3% концентрации кислорода в продуктах горения:
1. СО< 49 ррш или 61 мг/м3 или 60 мг/кВт ч (пересчёт на 0% Ог: СО< 57 ррш, 71 мг/м3),
2. NOx< 35 ррш или 71 мг/м3 или 70 мг/кВт ч (пересчёт на 0% Ог: NOx< 41 ррш, 83 мг/м3).
В США на уровне муниципалитетов могут устанавливаться требования к эмиссии газовых котлов. Например, SouthCoastAirQualityManagementDistrict в документе AmendRule 1111 «ReductionofNOxEmissionsFromNaturalGas-Fired, Fan-TypeCentralFumaces» устанавливает предел по NOx в 14 нг/Дж, что приблизительно равно 27 ррш или 53 мг/м3. Данное правило распространяется на второй по величине урбанизированный район США - Большой Лос- Анджелес. Так, в зависимости от типа котла, в период с 1 апреля 2015 по 1 октября 2018 года будет запрещено производить и продавать, а также проводить техническое обслуживание и установку имеющихся котлов (a personshallnotmanufacture, supply, sell, offerforsale, orinstall, foruseintheSouthCoastAirQualityManagementDistrict) с большей эмиссией NOx.
Аналогичное требование по эмиссии NOx отражено в документе «Requirement for NOx Emission Regarding Domestic Gas-Combustion Boiler», который выпущен Clean Air Alliance of China. Это экспертная организация, объединяющая ключевые университеты Китая и институты Академии наук, а также администрации ряда провинций и крупных городов.
Таким образом, для возможности выходить на рынки в любой точке мира необходимо разрабатывать горелки для котлов конденсационного типа, характеризующиеся выбросами СО не более 57 ppm и NOx не более 27 ppm, приведенных к сухим неразбавленным воздухом продуктам сгорания.
В России в настоящий момент существенно более низкие требования по экологичности котлов, а также не предъявляется требований к минимальному уровню их энергоэффективности. Однако, с текущего года реализуется Стратегия научно-технологического развития Российской Федерации (утверждена Указом Президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642«О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации»), где одним из направлений, которые позволят получить научные и научно-технические результаты и создать технологии, являющиеся основой инновационного развития внутреннего рынка продуктов и услуг, является переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии. Стоит ожидать, что в скором времени вопросы модернизации теплотехнического оборудования перейдут в практическую плоскость, что повышает актуальность целей и задач моей дипломной работы.
Основная функция котла - охладить продукты сгорания на теплообменниках, в которых нагревается теплоноситель. Так как в конденсационных котлах происходит конденсация пара с образованием влаги (имеющей кислотную среду ввиду реакции с NOx), необходимо использовать теплообменники из современных коррозионностойких сталей. Уменьшить объём теплообменников можно за счёт снижения температуры уходящих газов. Этого можно достичь, заменяя факельную горелку на инфракрасную.
Инфракрасные горелки (другие равнозначные наименования: пористая горелка, радиационная горелка, излучающая горелка) перспективны к использованию в теплоэнергетических устройствах для малой распределенной энергетики и по сравнению с факельными горелками имеют ряд преимуществ. Во-первых, вся энергия инфракрасного потока мгновенно передаётся нагреваемому телу, при этом теплообмен пропорционален разности абсолютных температур горелки и теплопринимающего тела, возведенных в четвертую степень. Во-вторых, газообразные продукты сгорания, образующиеся в радиационных горелках, имеют пониженную температуру, что позволяет достигать заданного КПД установки при существенно меньшем объёме теплообменников конвективной части устройства. Снижение температуры продуктов сгорания также позволяет избежать образования оксидов азота по высокотемпературному механизму Зельдовича.
Инфракрасные горелки характеризуют величиной удельной мощности, выражаемой в размерности кВт/м2 или Вт/см2. Существующие решения обеспечивают диапазон работы от 15 до 50 Вт/см2. При удельной мощности менее 15 Вт/см2 сложно обеспечить приемлемые экологические характеристики горелки по выбросам СО. При удельной мощности более 50 Вт/см2 может происходить отрыв пламени от излучающей поверхности с резким ухудшением радиационного КПД. Радиационный КПД горелки, определяемый как отношение величины энергии, перешедшей в тепловое излучение, к общему количеству тепла, полученного от сгорания подводимого газа, находится в сильной зависимости от конфигурации пористого излучателя и способа сжигания газа в горелке (рисунок 1.2). Радиационный КПД горелок, в которых окисление углеводородов кислородом воздуха происходит над поверхностью пористого излучателя, невысок, порядка 20-30%, так как теплообмен между продуктами горения и пористым телом ограничен. Основным способом повышения радиационного КПД инфракрасной горелки является интенсификация теплообмена пламени с излучателем, что достигается организацией процесса горения под внешней поверхностью пористого излучателя. В простейшем случае используют излучатели, имеющие профилированную поверхность, где горение происходит в углублениях рельефа поверхности - здесь радиационный КПД достигает 40%. Более эффективной конфигурацией является размещение над поверхностью излучателя высокопроницаемых структур, как-то сеток или высокопористых ячеистых материалов. В данном случае пламя стабилизируется в объеме под внешней излучающей поверхностью, что позволяет получить максимально возможный радиационный КПД устройств.
Рисунок 1.2 - Зависимость радиационного КПД различных горелок от величины удельной мощности. Кривая 1 -открытое пламя. Кривая 2 -горелкаиз вспененной керамики [1]. Кривая 3 - пористая горелка из металлических сеток [2]. Кривая 4 - горелка из металлических волокон [3].
Форма излучателя инфракрасной горелки функционально значима. Ключевой интерес в настоящее время представляет создание осесимметричных горелок (рисунок 1.3), что позволит существенно уменьшить объем топочного пространства за счет увеличения объемного тепловыделения вплоть до 40 Вт/см3 (например, объёмное тепловыделение открытых пламён составляет 0,67 - 1Вт/см3 [4]). Немаловажным преимуществом данного решения является возможность избежать режима работы горелки, при котором происходит проскок пламени в смесительную камеру, известный как flashback. Например, для метано-воздушной смеси нормальная скорость распространения пламени составляет примерно 50см/с. При этом скорость движения смеси через стенку излучателя при стехиометрическом горении составляет5-15 см/с для удельных мощностей 15-50 Вт/см2 соответственно. Для инфракрасных горелок плоской
В результате выполнения дипломной работы изучен процесс самораспротсраняющегося высокотемпературного синтеза полых газопроницаемых изделий из Ni-Al сплавов цилиндрических форм с характерным размером до 1000 мм, предназначенных для применения в качестве излучателей инфракрасных горелок. Открыты возможности регулирования размера транспортных пор синтезированных материалов в пределах от 0,2 мм до 1 мм путём изменения начальных параметров реакционной шихты: плотности, состава и температуры. Показано, что в исследуемых условиях синтеза конечное изделие обладает прочностью на сжатие более 20 МПа, которая вполне обеспечивает необходимые прочностные требования по их транспортировке, монтажу и эксплуатации в составе теплоэнергетических систем. Эффективность разработанной технологии определяется ее энергосберегающим эффектом. В перспективе технология может применяться для получения широкой гаммы термостойких функционально-пористых Ni-Al изделий различного функционального назначения: основы катализаторов, теплообменников, фильтров и др.
В результате испытаний синтезированных пористых материалов в качестве излучателей инфракрасных горелок установлено, что для обеспечения самых строгих нормативов по эмиссии угарного газа и оксидов азота (СО < 57 ррш и NOx< 27 ррш) в диапазоне удельных мощностей 16¬42 Вт/см2 необходимо использовать материалы с размером пор более 470 мкм и размером элементов скелета более 1350 мкм, а также применять коэффициенты избытка воздуха 1,2 при сжигании природного газа и 1,25 при сжигании сжиженного углеводородного газа.
Все задачи, поставленные в дипломной работе выполнены в полном объеме, включающем:
1. Синтезированы и исследованы пористые материалы NiAl, определены пути регулирования структурными элементами пористых материалов - порами и элементами скелета;
2. Исследованы характеристики эмиссии загрязняющих веществ при работе пористых излучающих горелок. Определены оптимальные параметры поровой структуры матриц- излучателей, а также оптимальные режимы горения, обеспечивающие максимальный выход инфракрасного излучения при заданных параметрах экологии.
В результате испытаний синтезированных пористых материалов в качестве излучателей инфракрасных горелок установлено, что для обеспечения самых строгих нормативов по эмиссии угарного газа и оксидов азота (СО < 57 ррш и NOx< 27 ррш) в диапазоне удельных мощностей 16¬42 Вт/см2 необходимо использовать материалы с размером пор более 470 мкм и размером элементов скелета более 1350 мкм, а также применять коэффициенты избытка воздуха 1,2 при сжигании природного газа и 1,25 при сжигании сжиженного углеводородного газа.
Все задачи, поставленные в дипломной работе выполнены в полном объеме, включающем:
1. Синтезированы и исследованы пористые материалы NiAl, определены пути регулирования структурными элементами пористых материалов - порами и элементами скелета;
2. Исследованы характеристики эмиссии загрязняющих веществ при работе пористых излучающих горелок. Определены оптимальные параметры поровой структуры матриц- излучателей, а также оптимальные режимы горения, обеспечивающие максимальный выход инфракрасного излучения при заданных параметрах экологии.
