Введення зволоженого дуттєвого повітря і спалювання природного газу

В водогрійних газотрубних котлах зниження температури продуктів спалювання може призвести до роботи котла в конденсаційному режимі, що значно скорочує термін його експлуатації. Радіаційна складова тепловіддачі продуктів спалювання водогрійного котла значно більша, ніж жаротрубного. Тому введення вологи в топку водогрійного котла має позитивний тепловий ефект, пов’язаний з променевою поведінкою трьохатомних газів, а також з дисоціацією води при температурах, більших, ніж 1700 К, з утворенням сильнодіючого окисного радикалу ОН.

Вплив вологи і продуктів її дисоціації на термодинамічні і кінетичні параметри процесу спалювання в залежності від кількості і способу введення вологи в свою чергу впливають на процес утворення токсичних речовин в продуктах спалювання.

При спалюванні всіх видів органічного палива, без винятку, в топках котлів утворюються окисли азоту, з яких Мінздравом в якості забруднювачів атмосферного повітря нормуються окис NO і двоокис азоту NO2, які є основними забруднювачами повітряного басейну при спалюванні природного газу (оксиди азоту NOх складають близько 98 % від загальної кількості токсичних речовин у продуктах спалювання).

Введення вологи в зону горіння при спалюванні природного газу впливає на теплообмінні процеси в топці котлів, реакції окислення палива, зокрема вуглеводнів, процес утворення токсичних речовин і зміну динаміки цього процесу. Наявність реакцій, в яких беруть участь радикали високотемпературної дисоціації молекулярної вологи, у відповідних проміжках часу процесу горіння впливає на швидкість розповсюдження вуглеводневого полум'я, що впливає на кінетику утворення оксидів азоту.

Волога, внесена з початковими продуктами в процес горіння, може бути розділена на вологу, яка бере участь в хімічному процесі окислення пального, тобто ту, що розпадається в ході високотемпературної дисоціації на кисень і водень ще до початку горіння з подальшим утворенням гидроксила ОН і пероксидного радикала НО2, які є сильними окислювачами, що ініціюють прискорення процесів горіння вуглеводнів, наприклад доокислення СО по реакції:

СО+ОН → СО2 + Н2О, а також вологу, яка не бере участь в хімічних процесах горіння, тобто надмірну, ту, що виконує тільки роль баласту і відводить із зони горіння теплоту.

При введенні вологи з дуттєвим повітрям максимальна температура факелу знижується на 70 – 90 К, що в димогарних котлах знизило б нижню межу температури зворотної води до 323 К (50 °С). В умовах водотрубної топки зниження максимальної температури навіть на 150 К не викличе негативного ефекту в роботі котла. В той же час введення вологи в дуттєве повітря не змінить фактично геометрію факела і аеродинамічний режим топки. Незначне збільшення (0,05) коефіцієнта надлишку повітря, викликане максимальним зволоженням повітря і відповідно недостатньою кількістю кисню ( - 0,7 %) при Тпов ≈ 300 К, що не впливає на режим горіння палива.

Введення вологи в водотрубну топку збільшує кількість трьохатомних газів, які в кінцевому рахунку дещо покращать радіаційну тепловіддачу до екранних труб при одночасному зниженні максимальної температури горіння природного газу за рахунок збільшення баластної складової – вологи в повітрі.

При дисоціації води на О2 і Н2 з подальшим утворенням сильних окислювачів – радикалів ОН, НО2, які інтенсифікують процес горіння вуглеводнів, у т.ч. і СО, маємо зниження температури факела за рахунок ендотермічності розпаду Н2О. В топці при введенні зволоженого дуттєвого повітря і спалювання природного газу маємо декілька чинників, що впливають на ефективність спалювання палива:

1. Підвищення ефективності:

• Введення трьохатомних газів підвищує світимість продуктів спалювання, що інтенсифікує радіаційну теплопередачу на екрани;

• Дисоціація води при Т > 1850 К інтенсифікує процес спалювання вуглеводів за рахунок утворення сильнодіючих окислюючих радикалів.

2. Зниження ефективності:

• Введення вологи, як баласту, зменшує температуру факелу і, відповідно, ефективність теплопередачі.

• Дисоціація води при Т > 1850 К представляє собою ендотермічну реакцію, що обумовлює зменшення теплового ефекту горіння.

При подачі води або пари в зону горіння в енергетичних установках відбувається пониження температури горіння, що супроводжується зниженням утворення оксидів азоту.

Представлена залежність відношення концентрації оксидів азоту при подачі пари парNOxM і без подачі пари в зону горіння, від паропаливного коефіцієнта m (який є відношенням кількості пари G, що подається в зону горіння, до кількості спалюваного палива Вр).

     Позитивний ефект від введення пари в зону горіння супроводжується зниженням ККД котлоагрегата, підвищенням температури газів, що відходять, перевитратою палива. Залежність перерахованих чинників від кількості пари, що подається Головним чинником впливу на роботу котла, теплообмінні процесі в топці тощо, є введення вологи з дуттєвим повітря після повітряпідігрівача. Волога, як і повітря (при α>1,0), є баластом, який застосовується для зниження максимальних температур в топках котлів. Функція Т/Тmax характеризує відношення максимальної фактичної температури фронту полум'я до максимально можливої для даної паливоповітряної суміші при α = 1,0. Аргумент Gб/В є відношенням масової витрати баласту (пара або надмірне повітря), що вводиться в зону горіння, до витрати палива.

Використання теплоутилізатора в комплексі з котлом знімає проблему зниження ККД. При найнесприятливішому з економічної точки зору режимі зволоження повітря (Т = 320 К) КВП комплексу котел + теплоутилізатор складе не менше 103 % по Qрн.

Блок економайзер – повітряпідігрівач в комплексі з котлом дає змогу збільшити КВП на 11-13 % при роботі теплоутилізатора в конденсаційному режимі та на 4-5 % при роботі теплоутилізатора в режимі конвективного теплообміну в доконденсаційній області при номінальному навантаженні котла.