Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

В связи с высокими темпами развития мировой экономики потребность в тепловой и электрической энергии неизбежно возрастает. Изданный Правительством Российской Федерации документ «Энергетическая стратегия России на период до 2030 г.» от от 13 ноября 2009 г., ставит перед собой цель – создание инновационного и эффективного энергетического сектора страны. Вместе с тем важной проблемой является неэффективное использование отбросных газов нефтепереработки. на предприятиях нефтяной промышленности в качестве основного топлива используется смесь углеводородов с достаточно высокой теплотой сгорания, так называемый топливный газ. В то же время, отбросной газ, например отдувочный газ процессов нефтепереработки, содержащий кроме горючих компонентов высокое количество балластных примесей, практически выбрасывается в атмосферу [1]. Как следствие актуальной становиться проблема использования композиционных топлив: смеси основного топлива с отбросным газом.

В отличие от природного газа, компонентный состав попутного нефтяного газа может сильно различаться в разные периоды времени на одном и том же нефтяном месторождении [2]. Сжигание смесей представляет большие сложности как с позиции проектирования топочных камер и топливосжигающих устройств, так и проведения пуско-наладочных работ и режимно-наладочных испытаний энергетического оборудования. Расчеты процессов горения становятся более трудоемкими, а в некоторых случаях менее точными. Применение расчетных таблиц для обработки теплотехнических испытаний котлов и печей, сжигающих композитные топлива, приводит к существенным неточностям в определении КПД.

В последние годы широкое распространение при теплотехнических испытаниях котлов получила методика, разработанная проф. М.Б. Равичем [3]. В отличии от методики описанной в источнике [4], здесь не требуется выполнять трудоемкие работы по определению состава и теплоты сгорания топлива, облегчается обработка результатов испытаний.

Для исследования эффективности и безопасности процессов сжигания композиционного топлива рассмотрена смесь топливного и отдувочного газов в различных соотношениях. Проведен пересчет состава и теплоты сгорания для смеси, а так же построен график зависимости теплоты сгорания топлива от соотношения в его составе топливного и отдувочного газов (рис. 1).

Анализ значений теплоты сгорания показывает значительные изменения в составе топливной смеси, так теплота сгорания меняется от 21,425  до 5,796 МДж/м3, т.е. в несколько раз.

Количество продуктов сгорания определяется по известному составу топлива с использованием нормативного метода расчета[4]. Теоретический объем воздуха, необходимого для полного сгорания единицы топлива рассчитывается по формуле (1):

,, (1)

где m – число атомов углерода; n – число атомов водорода.

Теоретический объем азота в продуктах сгорания по формуле (2)

,. (2)

Теоретический объем водяных паров при сжигании газового топлива рассчитывается по формуле (3)

, . (3)

Объем трехатомных газов рассчитывается по формуле (4):

, . (4)

Рис. 1. График зависимости теплоты сгорания топлива от соотношения в его составе топливного и отдувочного газов

Рис. 2. График зависимости объемов продуктов сгорания топливной смеси от соотношения в её составе топливного и отдувочного газов

Для того чтобы наглядно проанализировать изменение объема продуктов сгорания в зависимости от соотношения газов в составе топлива построены графики, отображенные на рис. 2.

Определив состав продуктов сгорания, можно установить обобщенные характеристики продуктов сгорания смеси газов (tmax – жаропроизводительность, P – максимальное теплосодержание сухих продуктов горения, R – максиальное теплосодержание влажных продуктов горения, В – соотношение объёмов сухих и влажных продуктов полного сгорания ). Они подвергаются незначительным колебаниям при изменении состава топлива и его теплоты сгорания.

Обобщённые теплотехнические характеристики топливных смесей определяются в соответствии с методикой М.Б. Равича [3] по формулам (5-10):

– соотношение объёмов сухих и влажных продуктов полного сгорания, м3/м3:

, (5)

где VRO2, VO.N2, VO.H2O– теоретические объёмы продуктов сгорания, м3/м3;

– жаропроизводительность, т.е. максимальная температура горения, развиваемая при полном сгорании топлива без избытка воздуха и предварительного нагрева топлива и воздуха, °С:

(6)

где сСO2, сSO2, сH2O, сN2– средние объёмные удельные теплоёмкости диоксида углерода, сернистого газа, водяного пара и азота соответственно в температурном диапазоне от 0°С до tmax, кДж/(м3·град.);

– удельная энтальпия сухих (hс.г) и влажных продуктов сгорания (hг), кДж/м3:

; , (7)

где Qi – низшая теплота сгорания газообразного топлива, кДж/м3;

– максимальная объёмная доля углекислого газа в сухих продуктах сгорания, водяных паров в сухих и влажных продуктах сгорания, %:

(8)

(9)

(10)

В результате составлена новая расчетная таблица обобщенных характеристик продуктов сгорания смеси топливного и отдувочного газов в различных соотношениях (таблица).

Теплотехнические характеристики композиционного топлива

Рис. 3. Графические зависимости теплотехнических характеристик (tmax, P,R) от соотношения в его составе топливного и отдувочного газов

Рис. 4. Графические зависимости отношения объемов сухих и влажных продуктов горения от соотношения в его составе топливного и отдувочного газов

На рис. 3 и 4 отображены графические зависимости теплотехнических характеристик от соотношения в его составе топливного и отдувочного газов.

Далее можно рассчитать потери теплоты с уходящими газами (q2) и теплоты вследствие химической неполноты сгорания (q3).

Таким образом, в связи с непостоянным составом топливных смесей и с их значительными отличиями от традиционных видов топлива бала проведена корректировка действующих методик расчета в части создание новых таблиц применительно к топливным смесям и определения новых теплотехнических характеристик сжигаемых смесей на основе отбросных газов. Таким образом, становится возможным более точное определение КПД котельного агрегата по методу обратного баланса применительно к работе топливосжигающего оборудования.