energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2019-62-6-547-564energy-1824Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGЭффективность использования газового топлива и окислительной смеси при их увлажненииEfficiency of the Use of Humidified Gas Fuel and Oxidizing MixtureСорокаБ. С.SorokaB. S.

Адрес для переписки Сорока Борис Семенович – Институт газа Национальной академии наук Украины, ул. Дегтяревская, 39, 03113, г. Киев, Украина Тел.: +38 044 455-59-98    boris.soroka@gmail.com

Address for correspondence: Soroka Boris S. – The Gas Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, 39 Degtyarevskaya str., 03113, Kyiv, Ukraine. Tel.: +38 044 455-59-98     boris.soroka@gmail.com

 

boris.soroka@gmail.comВоробьевН. В.VorobyovN. V.Институт газа Национальной академии наук УкраиныУкраинаThe Gas Institute of the National Academy of Sciences of UkraineUkraineИнститут газа Национальной академии наук Украины; Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»УкраинаThe Gas Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine; National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”Ukraine201929112019626547564Copyright © Сорока Б.С., Воробьев Н.В., 20192019Сорока Б.С., Воробьев Н.В.Soroka B.S., Vorobyov N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/1824

Проведена оценка влияния увлажнения компонентов горения (воздуха-окислителя и в отдельных случаях – горючего) на энергетическую эффективность использования различных видов топлива, в том числе в условиях замещения природного газа альтернативными газовыми топливами – коксодоменной и природно-доменной смесями. Выполнены расчеты экономии топлива для замещения природного газа (NG) влажным технологическим газом (доменным (BFG), коксовым (COG), их смесями) с учетом реальных технологических параметров (на примере конкретного металлургического комбината). Все расчеты произведены в рамках авторской методологии замещения топлив, учитывающей 1-е и 2-е начала термодинамики. При условии сохранения потока полезно использованной полной энтальпии, как основного требования предложенной методологии, и учета соответствующего КПД использования топлива выполнен анализ возможности экономии или возникновения перерасхода NG. Проведен расчет потребного потока теплоты сгорания природного газа в зависимости от содержания влажного доменного газа в смесях NG + BFG для случаев замены NG технологическими газами. Установлено, что наличие влаги в топливоокислительной смеси всегда снижает КПД топочной камеры или энергетического процесса и агрегата. Для повышения КПД высокотемпературной печи (котла) необходимо обеспечить подогрев компонентов горения при утилизации теплоты уходящих продуктов сгорания. Показано, что КПД топливоиспользующей системы может быть существенно повышен при срабатывании потенциала (избыточной полной энтальпии) рабочего тела (продуктов сгорания). Дополнительные преимущества обусловлены тем, что располагаемая теплота продуктов сгорания с влажным воздухом в полном диапазоне температур – от теоретической температуры горения до температуры окружающей среды, – рассматриваемая по условиям равновесия, в том числе с учетом теплоты конденсации, возрастает с увеличением влагосодержания исходных компонентов горения: воздуха-окислителя и/или газового топлива.

The influence of hydration of the components of combustion (air-oxidizer and – in some cases – fuel) including hydration in the conditions of substitution of natural gas by alternative gas fuels, viz. by coke blast furnace mixture and natural blast furnace mixture – on energy efficiency of the use of different fuels has been determined. Calculations of fuel saving for substitution of natural gas (NG) by wet process gas (blast furnace gas (BFG), coke gas (CG), their mixtures) were performed taking into account real technological parameters (on the example of a specific metallurgical plant). All the calculations were performed within the framework of the author’s methodology on fuel substitution grounded on the 1st and the 2nd laws of thermodynamics. The analysis of possibility for saving or overspending NG is performed in the conditions of preservation of the flow of the used total enthalpy (as the main requirement of the methodology that had been proposed) and of taking into account the corresponding efficiency of fuel use. The calculation of the required heat flow of natural gas combustion depending on the content of wet blast furnace gas in NG + BFG mixtures for the cases of NG substitution by process gases has been carried out. It is established that the presence of moisture in the fuel-oxidation mixture always reduces the efficiency of the combustion chamber or the energy process and the unit. In order to increase the efficiency of a high-temperature furnace (boiler), it is necessary to provide heating of combustion components when utilizing the heat of the outgoing combustion products. It is shown that the efficiency of the fuel-using system can be significantly increased when the potential (excess total enthalpy) of the working fluid (combustion products) is activated. There are additiоnal benefits due to the fact that the existing heat of products of combustion with humid air in a full range of temperatures – from the theoretical combustion temperature to ambient temperature under conditions of equilibrium, including account of the heat of condensation – increases with increasing moisture content of the initial components of combustion, viz. air-oxidizer and/or fuel gas.

альтернативное газовое топливовлажный воздух (газ)доменный газзамещение топливкоксовый газполная энтальпиятеоретическая температура горенияэкономия (перерасход) природного газатермодинамический анализalternative gas fuelmoist air (gas)blast furnace gasfuel substitutioncoke gastotal enthalpytheoretical combustion temperaturenatural gas saving (overspending)thermodynamic analysisReferencesСорока, Б. С. Влияние климатических факторов на теплотехнические характеристики, энергетическую эффективность и оценка экологических последствий сжигания газового топлива / Б. С. Сорока // Альтернативная энергетика и экология. 2017. № 4–6. C. 116–129.Soroka B. S. (2017) Climate Factors Influence on Heat Engineering Characteristics Energy Efficiency and Evaluation of Environmental Consequences of Gas Fuel Combustion. Al'ternativnaya Energetika i Ekologiya = Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), (4–6), 116–129 (in Russian). https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.04-06.116-129.Сорока, Б. С. Влажное горение – современное направление экологически чистого сжигания топлива и решения проблемы устойчивого развития энергетики / Б. С. Сорока // Альтернативная энергетика и экология. 2018. № 25–30. С. 96–117.Soroka B. S. (2018) Wet Combustion – the Modern Trend of Environmentally Friendly Fuel Combustion and of Solution the Problem of Sustainable Development the Power Engineering, Al'ternativnaya Energetika i Ekologiya = Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), (25–30), 96–117 (in Russian). https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.25-30.096-117.Термодинамические свойства индивидуальных веществ: справ. изд. в 4 т. / под ред. В. П. Глушко. М.: Наука, 1979–1981. 4 т.Glushko V. P., Gurvich L. V., Veits I. V., Medvedev V. A., Khachkuruzov G. A., Yungman V. S. [et al.]. (1979–1981) Thermodynamic Properties of Individual Substances. 4 Volumes. Moscow, Nauka Publ. (in Russian).Продукты сгорания природного газа при высоких температурах / И. Н. Карп [и др.]. Киев: Техника, 1967. 382 с.Karp I. N., Soroka B. S., Dashevskii L. N., Semernina S. D. (1967) Combustion Products of Natural Gas at High Temperatures. Kiev, Tekhnika Publ. 382 (in Russian).Gillan, L. Open Cycle Used for Gas Turbine Power Generation / L. Gillan, V. Maisotsenko // Proceedings of the ASME Turbo Expo 2003, Collocated with the 2003 International Joint Power Generation Conference. Volume 3: Turbo Expo 2003. Atlanta, Georgia, USA. June 16– 19, 2003. ASME, 2003. P. 75–84. https://doi.org/10.1115/GT2003-38080.Gillan L., Maisotsenko V. (2003) Open Cycle Used for Gas Turbine Power Generation. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2003, Collocated with the 2003 International Joint Power Generation Conference. Volume 3: Turbo Expo 2003. Atlanta, Georgia, USA. June 16–19, 2003. ASME, 75–84. https://doi.org/10.1115/GT2003-38080.Maisotsenko, V. The Maisotsenko Cycle for Power Generation, Waste Energy Recovery, and Water Reclamation / V. Maisotsenko, L. Gillan, A. Kozlov // Clean Energy Supercluster Forum. Engines and Energy Conversion Laboratory, Colorado State University, IDALEX-GTI, Oct. 25, 2010. P. 1–41.Maisotsenko V., Gillan L., Kozlov A. (2010) The Maisotsenko Cycle for Power Generation, Waste Energy Recovery, and Water Reclamation. Clean Energy Supercluster Forum. Engines and Energy Conversion Laboratory, Colorado State University, IDALEX-GTI, Oct. 25, 2010, 1–41.Носач, В. Г. Повышение эффективности использования природного газа в теплоэнергетике с помощью термохимической регенерации / В. Г. Носач, А. А. Шрайбер // Промышленная теплотехника. 2009. Т. 31, № 3. С. 42–50.Nosach V. G., Schreiber A. A. (2009) Improving the Efficiency of Use of Natural Gas in Power System with the Help of Thermochemical Regeneration. Promyshlennaya Teplotekhnika = Industrial Heat Engineering, 31 (3), 42–50 (in Russian).Guillet, R. Vapor Pump and Condensing Heater / R. Guillet // Gas Wärme Int. 1991. Vol. 40, No 6. Р. 248–252.Guillet R. (1991) Vapor Pump and Condensing Heater. Gas Warme International, 40 (6), 248–252.Guillet, R. Wet Way Combustion: Energy Efficiency, Environmental Protection / R. Guillet // Paris: Elsevier, 2000. 137 p.Guillet R. (2000) Wet Way Combustion: Energy Efficiency, Environmental Protection. Paris, Elsevier. 137.Soroka, B. A Decentralized Heat-Supply System Employing Submerged-Combustion Burners: Thermodynamic Analysis and Way of Improvement Furnaces / B. Soroka // Industrial Heat Engineering, 2001. Vol. III, No 3–4. P. 92–99.Soroka B. (2001) A Decentralized Heat-Supply System Employing Submerged-Combustion Burners: Thermodynamic Analysis and Way of Improvement Furnaces. Industrial Heat Engineering, III (3–4), 92–99.Сорока, Б. С. Моделирование процессов переноса и образования вредных выбросов при сжигании природного газа с воздухом, увлажненным в цикле Майсоценко / Б. С. Сорока, В. А. Згурский // Современная наука – исследования, идеи, результаты, технологии. 2013. Т. 12, № 1. C. 403–409.Soroka B., Zgurskii V. (2013) Simulation of Transfer Processes and of Pollutants Formation by Combustion the Natural Gas with Air Humidified by Means of Maisotsenko Cycle. Sovremennaya Nauka – Issledovaniya, Idei, Rezul'taty, Tekhnologii = Modern Science: Research, Ideas, Results, Technology, 12 (1), 403–409 (in Russian).Подавление оксидов азота дозированным впрыском воды в зону горения топки котла / В. И. Кормилицын [и др.] // Теплоэнергетика. 1990. № 10. С. 73–78.Kormilitsin V. I., Lyskov M. G., Novikov V. M., Kudryavtsev N. Yu. (1990) Suppression of Nitrogen Oxides by Batched Injection of Water into the Combustion Zone of the Boiler Furnace. Teploenergetika = Thermal Engineering, (10), 73–78 (in Russian).Термическое уравнение состояния реальных газов для широкой области параметров состояния, включая критическую область / А. Б. Каплун [и др.] // Теплофизика и аэромеханика. 2008. Т. 15, № 3. С. 383–393.Kaplun A. B., Kidyarov B. I., Meshalkin A. B., Shishkin A. V. (2008) Thermal Equation of State of Real Gases for a Wide Range of State Parameters, Including the Critical Area. Teplofizika i Aeromekhanika = Thermophysics and Aeromechanics, 15 (3), 359–368. https://doi.org/10.1134/s0869864308030013.Физический энциклопедический словарь / гл. редактор А. М. Прохоров. М.: Сов. энцикл., 1984. 944 с.Prokhorov A. M. (eds.) (1984) Physical Encyclopedic Dictionary. Moscow, Sovetskaya Entsiklopediya Publ. 944 (in Russian).Burner System Using Entrained Hot Pyrolysis Gas from Biomass / A. Al-Halbouni [et al.] // Heat Processing. 2015. No 4. P. 69–74.Al-Halbouni A., Giese A., Leicher J., Goerner K., Schillingmann D., Schillingmann H., Huewelmann C. (2015) Burner System Using Entrained hot Pyrolysis Gas from Biomass. Heat Processing, (4), 69–74.White, D. L. Gas Calorimetry / D. L. White // Gas Engineering Handbook. New-York: The Industrial Press, 1966. Section 6, Chapter 8. P. 6/42–6/46.White D. L. (1966) Gas Calorimetry. Gas Engineering Handbook, Section 6, Chapter 8. NewYork, The Industrial Press, 6/42–6/46.Soroka, B. Development of Combined Power and Environmental Fundamentals of Natural Gas Substitution for Alternative Combustible Gases / B. Soroka // International Journal of Energy for a Сlean Environment (IJECE). 2013. Vol. 14, No 2–3. P. 91–114.Soroka B. (2013) Development of Combined Power and Environmental Fundamentals of Natural Gas Substitution for Alternative Combustible Gases. International Journal of Energy for a Clean Environment (IJECE), 14(2-3), 91-114.https://doi.org/10.1615/interjenercleanenv.2014006741.Сорока, Б. С. Интенсификация тепловых процессов в топливных печах / Б. С. Сорока. Киев: Наук. думка, 1993. 417 с.Soroka B. S. (1993) Intensification of Thermal Processes in Fuel Furnaces. Kiev, Naukova Dumka Publ. 417 (in Russian).Сорока, Б. С. Экономия природного газа при его замене технологическими газами для отопления средне- и высокотемпературных печей. Ч. 1: Влияние характеристик низкокалорийных газов на расход топлива в печах / Б. С. Сорока, Н. В. Воробьев, А. И. Бершадский // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2016. № 1. С. 11–22.Soroka B. S., Vorob'ev N. V., Bershadskii A. I. (2016) Natural Gas Saving by Replacement the Latter with Process Gases for Heating Mediumand High-Temperature Furnaces. Part 1. Influence of Characteristics of Low-Calorie Gases on Fuel Consumption in Furnaces. Energotekhnologii i Resursosberezhenie [Energy Technologies and Resource Saving], (1), 11–22 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.