Підвищення ефективності робочого процесу струменево-нішевих пальників за рахунок домішок водню
Вантажиться...
Дата
2024
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Кобилянська О.О. Підвищення ефективності робочого процесу струменевонішевих пальників за рахунок домішок водню – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 «Теплоенергетика». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2024.
Підготовка здійснювалася на кафедрі теплової та альтернативної енергетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України. Дисертацію присвячено дослідженню закономірностей процесу горіння традиційних вуглеводневих палив при додаванні водню в умовах струменевонішевого стабілізатора полум’я, робочий процес якого визначає ефективність універсальних дифузійно-кінетичних промислових пальникових пристроїв. В роботі представлені рекомендації щодо адаптації струменево-нішевого стабілізатору для спалювання традиційних газоподібних палив у суміші з воднем. За результатами широкого промислового впровадження пальникових пристроїв струменево-нішевого типу розроблено рекомендації стосовно оцінки емісійних показників модернізованого вогнетехнічного устаткування. Отримані результати є продовженням робіт із вдосконалення робочого процесу пальників, які реалізують струменево-нішеву технологію горіння. В роботі показана актуальність теми, яка підкреслює необхідність переходу до безвуглецевих технологій спалювання палив. Так, поступове заміщення традиційних палив альтернативними є важливою задачею на найближчий період та має супроводжуватися науково-обґрунтованими рекомендаціями. У вступі наводиться обґрунтування актуальності теми дослідження, сформульовано мету та задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет, наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів, показано особистий внесок здобувача та висновки. Представлено відомості щодо апробації результатів досліджень та напрямки їх потенційного використання. Описано загальний обсяг дисертаційної роботи та її структуру. В першому розділі відображено актуальність даної тематики. Проаналізовано перспективи використання альтернативних газів, таких як: сланцевий газ, шахтний метан, спалювання біогазу, газифікація, використання водню, аміаку. Розглянуто основні особливості водню як палива. Способи виробництва, зберігання та транспортування водню. Теоретичний вплив спалювання водню на екологічні показники. Показано основні аспекти, які треба враховувати при спалюванні суміші водню з природним газом. Проаналізовано результати попередніх досліджень спалювання водню і встановлено основні фактори впливу водню на процес горіння, в порівнянні зі спалюванням природного газу, а саме: вплив на нормальну швидкість горіння, межі займання, геометрію факела, температури горіння. Окрема увага присвячена дослідженню впливу додавання водню до палива на емісію шкідливих компонентів. В ході досліджень авторами показано, що додавання водню призводить до підвищення температури в зоні горіння, а отже і до зростання викидів токсичних оксидів азоту. Натомість викиди СО та СО2 зменшуються. Однією з найбільш ефективних вітчизняних технологій горіння є Струменевонішева технологія, яка має широку географію та номенклатуру ефективно модернізованого газоспалювального устаткування. В контексті основних переваг технології, спалювання сумішного газу з воднем постає перспективним напрямком розвитку вже існуючих науково-технічних рішень. Для проведення досліджень розроблено експериментальний стенд, який дозволяє проводити багатоваріантні досліди, визначати вплив геометричних та режимних параметрів системи на характеристики робочого процесу пальників. Застосування теплової моделі стабілізації горіння забезпечує теоретичне обґрунтування технічних рішень щодо покращення надійності та ефективності експлуатації вогнетехнічного устаткування. Отримані результати дозволяють розробити комплексні рекомендації, щодо спалювання суміші традиційних палив з воднем з ціллю покращення робочих та екологічних показників паливоспалювального устаткування. В другому розділі наведено схему лабораторного стенду, детально представлено методику проведення експерименту і обробки отриманих даних при спалюванні традиційних паливних газів та їх суміші з воднем в умовах струменевонішевої системи. В розділі особливу увагу приділено опису конструкції стенда та наведено вимірювальне обладнання, яке використовувалось під час досліджень. В методиці проведення досліджень описано умови проведення вимірювань та особливості підготовки апаратури до вимірювань. Так, в ході експерименту фіксувались: тиск та температура повітря на вході у вимірювальну ділянку; витрати та температури пальних газів; температура продуктів згоряння по довжині факела та на виході з високотемпературної ділянки; емісійні характеристики СНС, в тому числі CO, CO2 та NOx, витрати компонентів горіння на зривних режимах та режимах запалювання суміші. Емісійні показники вимірювались за допомогою газоаналізаторів Testo-330 1LL та ОКСИ 5М-5Н. В розділі наведено методику обробки експериментальних даних та методику тарування звужуючих пристроїв вимірювання витрати з використанням сопла Вітошинського, наведено порядок обробки результатів вимірювань. Окрема увага приділена оцінці похибок вимірювання, а саме: похибці вимірювання емісійних характеристик СНС та похибці вимірювання швидкості потоку повітря. В третьому розділі наведено результати експериментального дослідження процесу горіння природного газу та пропан-бутану в суміші з воднем. Наведені фотографії факела, які наглядно показують, що додавання водню кардинально змінює структуру факела спалюваної суміші, що пояснюється підвищенням реакційної здатності палива. Результати вимірювання температур у відкритому факелі показало збільшення температури в усті пальника при додаванні водню більше 50% на 35…40°С і для чистого водню на 100-120°С у порівнянні з природним газом. Також додавання водню призводить до збільшення значення гідродинамічного параметра q, що характеризує далекобійність струменів, що важливо врахувати при адаптації пальників СНТ до спалювання водневмісних палив. В роботі досліджено вплив домішок водню на стабілізаційні характеристики спалювання природного газу в об’ємному співвідношенні 30%, 50% та 70% по водню. Показано, що додавання водню значно розширяє межі зриву. Коефіцієнт регулювання пальника при цьому суттєво підвищується. Також було проведено дослідження впливу домішки водню в об’ємному співвідношенні 50% на 50% за різної теплової потужності на розподіл температур. Показано, що додавання водню локально підвищує температури горіння суміші. Експериментально досліджено вплив домішки водню на рівень емісії оксидів азоту та вуглецю у продуктах спалювання сумішевих палив. Встановлено закономірності утворення СО та NOx в залежності від геометричних та режимних параметрів стабілізатора. Так, результати обробки експериментальних даних показали, що викиди оксидів азоту збільшуються приблизно на 65% при потужності пальника 20 кВт і становлять СNOx=57 ppm. Підвищення потужності пальника до 30 кВт призводить до збільшення емісії шкідливих газів на 20%. В свою чергу, для потужності пальника N=20 кВт емісія оксидів вуглецю майже втричі менше (а для випадку N=30 кВт – в 1,7 раза менше), ніж для природного газу без додавання водню. Для пропан-бутану підвищення концентрації оксидів азоту у продуктах згоряння не перевищує 40% і проявляється в більшій мірі у перехідних режимах роботи. Різниця між викидами СО з додаванням водню і для чистого пропан-бутану має майже однакову картину. Тобто, за умов проведення досліджень водень майже не впливає на екологічні характеристики спалювання пропан-бутану. В розділі було проведено стехіометричний розрахунок викидів СО2 у випадку заміщення метану воднем на 50% за об’ємом. Результати розрахунків показали зниження емісії СО2 на 23,0%. Також проведено теоретичний розрахунок викидів СО2 за ГКД 34.02.305-2002, в результаті розрахунку встановлено, що зниження викидів у випадку заміщення природного газу воднем на 50% за об’ємом складає – 24,0%. Представлені теоретичні результати корелюються з характеристикою отриманою за результатами газового аналізу. В роботі наведені приведені показники концентрації оксидів азоту, які використовуються при проведенні екологічного аудиту пальникових пристроїв. Надані рекомендації щодо адаптації конструкції струмінево-нішевого стабілізатору до спалювання сумішних палив в пальниках СНТ. В четвертому розділі наведено результати енергоекологічної оцінки паливоспалюючого устаткування. Так, за результатами аналізу емісійних показників модернізованого вогнетехнічного обладнання потужністю 0,5–60 МВт отримано дані для оцінки емісійних показників котлів малої та середньої потужності залежно від основних впливових факторів, а саме: від типорозміру агрегату, коефіцієнта надлишку повітря й навантаження котла, а також враховано вплив введення газів рециркуляції у топковий простір на рівень концентрації оксидів азоту. Так, введення 12-14% продуктів згоряння у топковий простір котла майже в 2,5 раза зменшує вміст оксидів азоту у відхідних газах. Показано, що зменшення оксидів азоту на один відсоток рециркуляційних газів становить величину CNOx=2...8%. Пальники СНТ мають на 1/3 вищу ефективність схеми рециркуляції в порівнянні з іншими газоспалювальнимим системами. Запропоновано методологічний підхід щодо екологічної оцінки котельного устаткування модернізованого на базі СНТ з використанням підходу компенсації впливів. Представлені результати є важливим етапом досліджень стосовно подальшого поглиблення уявлення процесів емісії шкідливих оксидів при спалюванні вуглеводневих палив у суміші з воднем. Результати дисертаційної роботи використані підприємством НВО «СНТ» при проєктуванні промислового газопальникового устаткування. Результати теплотехнічного налагодження водогрійних котлів КВ-Г-6,5, КВН-3,9, НИИСТУ-5, КВ-ГМ-20, ПТВМ-30 і ПТВМ-50, а також парових котлів типу ДКВР є технічною базою для узагальнення еколого-теплотехнічних показників паливоспалювального устаткування модернізованого на основі СНТ. Запропоновані методичні засади екологічного аудиту низки об’єктів паливоспалювального устаткування.
Опис
Ключові слова
пальникові пристрої, мікроструминні пальники, стабілізатор, котли, водень, характеристики горіння, «бідний» зрив, енергетичні характеристики, термодинамічний аналіз, тепловий стан, методологія, димові гази, оксиди азоту, очищення повітря, енергоефективність, burners, microjet burners, stabilizer, boilers, hydrogen, combustion characteristics, "poor" failure, energy characteristics, thermodynamic analysis, heat state, methodology, flue gases, nitrogen oxides, air purification, energy efficiency
Бібліографічний опис
Кобилянська, О. О. Підвищення ефективності робочого процесу струменевонішевих пальників за рахунок домішок водню : дис. … д-ра філософії : 144 Теплоенергетика / Кобилянська Ольга Олександрівна. – Київ, 2024. – 137 с.