IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Отбросной водородсодержащий газ - это газ с высоким содержанием водорода (около 50% и выше), который образуется в процессе каталитического риформинга нефти. Риформинг - это разновидность крекинга нефти (от англ. "cracking"-расщепление). В свою очередь крекинг, это процесс разложения углеводородов на более летучие вещества. Процесс каталитического риформинга осуществляют при сравнительно высокой температуре и среднем давлении, в среде, образованного водородсодержащего газа. Также его получают путем паровой конверсии этанола  и газификацией угля.

Во многих источниках массовой информации очень мало затрагивается тема о сжигании этого газа не на факелах нефтеперерабатывающих заводов (рис.1), а в котельных установках в смеси с природным газом. Так как в последнее время, на основе существующих тенденций, уровень добычи нефти и природного газа снижаются, запасы их становятся все меньше и меньше, так как эти ископаемые являются не возобновляемыми ресурсами, также, очевидно, это будет выгодно как с экологической точки зрения, так и с экономической.

Смесь водородсодержащего газа с традиционным видом газового топлива (природным газом) можно отнести к так называемым, композиционным видам топлива - и механической смеси горючих, а в ряде случаев горючих и негорючих веществ. При их сжигании можно столкнуться с проблемами, так как при этом качественно и количественно изменяются характеристики горения. Поэтому данная научно-исследовательская работа посвящена решению актуальной проблемы сжигания данного вида композиционного топлива.

В ходе исследований был выполнен тепловой расчёт котла ДКВр-10-13 (рис.2), в котором в качестве топлива использовался водородсодержащий газ в различных пропорциях с природным газом (всего 10 видов композиционного топлива).

Анализ расчетов показывает, что некоторые характеристики процесса горения значительно изменяются. В частности, как видно на графике (рис.3), низшая теплота сгорания рабочей массы топлива снижается более чем в два раза, а теоретическая температура горения топлива (рис.4) в топке возрастает почти на 10% с увеличением в смеси содержания отбросного водородсодержащего газа.

Однако, при этом действительная температура на выходе из топки меняется в незначительных пределах (рис.5). Это можно объяснить тем, что при сжигании водородсодержащего газа коэффициент теплоотдачи излучением продуктов сгорания на 6% выше, чем при сжигании природного газа (рис.6).

Увеличение степени черноты топки можно связать с увеличением парциального давления водяных паров. В ходе исследования было выявлено то, что водяные пары обладают более широкими спектральными полосами излучения, по сравнению с полосами излучения диоксида углерода, которого, как очевидно, больше в смеси, где присутствуют большее количество углеводородов (рис.7).

Ввиду всего вышесказанного, а именно, в результате увеличения коэффициента теплоотдачи и некоторого увеличения коэффициента черноты топки, а так же увеличения теплопроводности продуктов сгорания (рис.8), возрастает общая интенсивность теплообмена между продуктами сгорания и радиационной поверхностью котла.

Поэтому при снижении низшей теплоты сгорания действительная температура на выходе из топки, при изменении состава смеси, практически не изменяется (рис.5). В связи с этим при сжигании водородсодержащего газа изменение конструкции топки котлоагрегата не требуется.

Кроме того, в данной работе был исследован такой параметр как кинематическая вязкость продуктов сгорания на выходе из топки (рис.9). Данный параметр также влияет на температуру продуктов сгорания. С увеличением в смеси содержания отбросного водородсодержащего газа коэффициент кинематической вязкости уменьшается, вследствие этого, как известно из курса физики, должна уменьшаться и средняя скорость движения молекул. Соответственно несколько понижается и температура продуктов сгорания, что и показано на графике действительных температур на выходе из топки (рис.5).

Также был произведен расчет теплового баланса конвективных пучков, водяного экономайзера и горелочного устройства по каждому виду смеси.

В ходе исследований было выявлено то, что при увеличении в составе смеси отбросного водородсодержащего газа диаметр сопла горелки изменяется, а именно:

- в первых 3-х смесях, начиная от 100%-го природного газа, изменение в конструкции не требуется;

- в смеси с долевым соотношением 0,6/0,4 (природный газа/отбросной водородсодержащий газ) требуется изменение давления перед горелкой;

- в остальных, где водорода значительно больше, требуется изменение конструкции горелочного устройства.

Были исследованы и пределы взрываемости смеси в разных соотношениях. Было выявлено то, что НПВ (нижний предел взрываемости (воспламеняемости)) с увеличением количества отбросного водородсодержащего в природном газе снижается на 1%, а ВПВ (верхний предел взрываемости) увеличивается почти на все 40% (для справки: 52% ВПВ - 100%-ый водородсодержащий газ).

Как видно (рис.10), интервал предела воспламеняемости увеличивается с увеличением водорода в составе смеси, а это говорит о том, при использовании этих смесей, необходимо будет принять усиленные меры по безопасной эксплуатации котла.

Тем самым, во избежание опасного концентрационного предела воспламеняемости смеси определенного состава с воздухом в помещении возможно и необходимо применение дополнительных устройств, сигнализирующих об этом превышении.

И в заключении, хотелось бы отметить, что применение отбросного водородсодержащего газа экономически выгодно для развития нашей страны в настоящее время и будет выгодно в ближайшем будущем. На основе тенденций можно сделать вывод о том, что уровень добычи нефти и природного газа снижаются, запасы их становятся все меньше и меньше, так как эти ископаемые являются не возобновляемыми ресурсами. Поэтому первостепенное значение будет отдаваться использованию различных отбросных горючих газов в качестве добавки к основным (традиционным) видам топлива, а не сжигать отбросные газы на факелах нефтеперерабатывающих заводов.

Тепловой расчет котельного агрегата, выполненный применительно к сжиганию смеси природного и отбросного газов в разных соотношениях показал, что характеристики процессов горения изменяются.

Следовательно, необходимо продолжение исследований в области сжигания отбросных газов в качестве добавки к традиционным видам топлива.

Код для цитирования: Скопировать