Эффективность использования газового топлива и окислительной смеси при их увлажнении

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.

1. Сорока, 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.

2. 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.

3. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: справ. изд. в 4 т. / под ред. В. П. Глушко. М.: Наука, 1979–1981. 4 т.

4. Продукты сгорания природного газа при высоких температурах / И. Н. Карп [и др.]. Киев: Техника, 1967. 382 с.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Guillet, R. Vapor Pump and Condensing Heater / R. Guillet // Gas Wärme Int. 1991. Vol. 40, No 6. Р. 248–252.

9. Guillet, R. Wet Way Combustion: Energy Efficiency, Environmental Protection / R. Guillet // Paris: Elsevier, 2000. 137 p.

10. 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.

11. 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.

12. Подавление оксидов азота дозированным впрыском воды в зону горения топки котла / В. И. Кормилицын [и др.] // Теплоэнергетика. 1990. № 10. С. 73–78.

13. 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.

14. Физический энциклопедический словарь / гл. редактор А. М. Прохоров. М.: Сов. энцикл., 1984. 944 с.

15. Burner System Using Entrained Hot Pyrolysis Gas from Biomass / A. Al-Halbouni [et al.] // Heat Processing. 2015. No 4. P. 69–74.

16. 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.

17. 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.

18. Сорока, Б. С. Интенсификация тепловых процессов в топливных печах / Б. С. Сорока. Киев: Наук. думка, 1993. 417 с.

19. 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.