Курсовая работа (т): Разработка рациональных методов сжигания газа

Разработка рациональных методов сжигания газа

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Естественнонаучный институт

Кафедра «Техносферная безопасность»

Курсовая работа по дисциплине:

«Теория горения и взрыва»

Разработка рациональных методов сжигания газа

Выполнил: А.П. Строкова

Проверил Профессор: В.Д. Катин

г.

Введение

Горение считается первым сложным техническим процессом, освоенным человечеством. В истории прогресса техники процесс горения занимал и продолжает занимать приоритетное место, являясь основой современной теплоэнергетики, многих технологических производств, транспорта и быта[1].

С возникновением научного мышления горение стало объектом наблюдения, изучения и исследования виднейших ученых. Вопросами горения занимались древнегреческие мыслители Гераклит, Эмпедокл и Аристотель, считавшие огонь одним из элементов, образующих Вселенную[2].

При горении приходится иметь дело с химическими реакциями, протекающими одновременно с процессами аэродинамики и диффузии, с тепло- и массообменом. Эти процессы происходят и в малых, и в больших огневых установках, а многие из открываемых закономерностей действительны в равной степени, как для пламени газовой горелки бытовой плиты, так и для мощных газогорелочных устройств, промышленных печей и котлов, ракетных двигателей. Поэтому исследования в области горения ведутся в настоящее время во многих институтах, лабораториях и на промышленных предприятиях.

Особое значение приобрели в последние десятилетия исследования горения газовоздушных смесей. Горючие газы стали одним из основных и наиболее экономичных видов топлива во многих отраслях народного хозяйства. Поэтому для наиболее рационального их использования необходимо правильно применять законы, управляющие горением.

Исходя из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что проблема горения очень актуальна в наши дни, это связано не только с тем, что процессы горения изучены не достаточно глубоко, но и с тем, что при горении выделяются вредные вещества (NО, S, CO), которые пагубно воздействуют на организм человека. [2]

Целью моей курсовой работы является разработка методов снижения выбросов загрязняющих веществ, при горении различных газов (пропан).

.       
Основы теории диффузионного и кинетического горения

1.1    Особенности топочного процесса горения

В общей классификации химических реакций процесс горения может рассматриваться как окислительно-восстановительная реакция, которой присущи дополнительно следующие особенности. [2]

·        Чрезвычайно малая длительность времени пребывания газов в топке (0,01-0,1 с) и соответственно малое время на образование смеси, способной реагировать. За короткое время должно осуществиться образование горючей смеси путем перемешивания до молекулярного уровня молей реагентов (воздух и топливо), расстояние между которыми имеет приблизительно такой же порядок, что и масштаб потока (например, для камер сгорания ГТУ 0,15-1,35 м).

·        Существование нижнего и верхнего концентрационных пределов, без которых реакция горения не может иметь место (например, 5-15 % для метана).

·        Существование минимальной температуры, ниже которой горение не может начаться (750°С для метана).

·        Высокая температура реакции горения (1350-2000 °С), значительно превышающая температуру, допускаемую для современных металлов и сплавов, в связи с чем возникает проблема тепловой защиты стенок топочной камеры.

·        Необходимость существования зоны прямой стабилизации, в которой скорость потока примерно равна нормальной скорости распространения пламени (0,3 м/с для метана). В противном случае пламя будет снесено по потоку вперед или назад.

Конструкция топочного устройства должна обеспечить авторегулируемый коэффициент несмешения. Если бы на всех режимах в топочном устройстве осуществлялось одинаковое и полное смешение топлива с воздухом, то работа его была бы устойчивой при увеличении избытка воздуха только до = 1,35, как это имеет место, например, в инжекционных горелках. В конкретных условиях различных химических производств это приводило бы к частым погасаниям факела. Конструкция топочного устройства, например теплогенератора, должна обеспечить устойчивое горение при больших избытках воздуха в зоне горения.

Реакция горения сопровождается выделением лучистой энергии, которая зависит от механизма горения, состава и состояния промежуточных и конечных продуктов реакции и др., в связи с чем расчет лучистых потоков необходим как для определения температуры стенок, так и для расчета процесса горения.

Топочный процесс из-за сложной аэродинамики, многостадийности и многоканальности химических реакций, высоких температур и быстротечности трудно поддается экспериментальному исследованию.

Конечно, значение для топочного процесса перечисленных особенностей и степень их изученности разные. Самой важной, на наш взгляд, и самой сложной задачей в создании математического описания топочного процесса является объяснение механизма образования горючей смеси и расчет времени горения.

Самой сложной задачей в области конструирования является создание топочного устройства - реактора, который бы оптимальным образом удовлетворял требованиям, предъявляемым к химическим реакторам, и перечисленным особенностям, которые кратко сводятся к обеспечению:

а) возможности осуществления высокотемпературного процесса;

б) полного выгорания;

в) необходимых концентрационных пределов горючего;

г) нагрева горючей смеси до температуры воспламенения;

д) стабилизации фронта горения;

е) авторегулируемого коэффициента несмешения в огневой зоне.

.2      Определение времени сгорания и среднего времени пребывания продуктов горения в топочном объеме

Время макросмешения. Так как нас интересует полное время τ смешения молей всех размеров, то для вычисления τ следует принять наибольший масштаб турбулентности. Такой величиной является масштаб турбулентности Прандтля, который математически определяется как максимальное расстояние между частицами, у которых еще сохраняется корреляция:

Время микросмешения. Корреляционный анализ пульсации в турбулентном потоке показывает, что, начиная с определенного малого рас- стояния между двумя частицами (точками) и до самого их сближения, коэффициент корреляции R становится равным единице. На этом расстоянии исчезают градиенты скорости, а вместе с ними и турбулентное перемешивание. Все процессы переноса в этих частицах осуществляются в основном по механизму молекулярной диффузии. Тейлор определил этот размер как минимальный масштаб турбулентности, который вычисляется по формуле:

.3     
Определение безразмерного времени горения

Таким образом, перемешивание в топке осуществляется в два этапа: макросмешение турбулентной диффузией и микросмешение молекулярной диффузией. Одновременно с последним процессом протекает горение. Скорость нормального горения принята в качестве масштаба молекулярных процессов. Ею же учитывается и химизм процесса. Обработка опытных данных, о которой сказано ниже, показала, что нормальная скорость является хорошим масштабом для обобщения результатов испытаний. Можно утверждать, что моли минимальных масштабов выгорают с поверхности со скоростью нормального распространения пламени или со скоростью, пропорциональной ей. Суммарное время сгорания складывается из времени макро- и микросмешения и определяется по формуле:

.4      Характеристика диффузионного, кинетического и диффузионно-кинетического способов горения газов

При диффузионном принципе сжигания (α₁ = 0) процессы горения и смешения развиваются параллельно. Так как процессы смешения протекают значительно медленнее процессов горения, то скорость и полнота сгорания определяются скоростью и полнотой смешения газа и воздуха. Смешение газа с воздухом при этом принципе сжигания может протекать либо путем медленной молекулярной диффузии, либо путем турбулентной диффузии, включающей в себя и молекулярную как конечную стадию. Соответственно этому различаются скорости горения и структура диффузионного пламени (рис. 1.1) [2]

Рис 1.1

газ горение воспламенение взрыв

На рис. 1.1, а приведена упрощенная схема свободного ламинарного факела, возникающего за счет взаимной молекулярной диффузии газа и воздуха. Внутри конусного ядра 1 находится чистый газ, вытекающий из трубки при ламинарном режиме течения. В зоне 2 образуется смесь, состоящая из газа и продуктов горения, а в зоне 3 - смесь из продуктов сгорания и окружающего воздуха. Граница 4 между зонами 2 и 3 представляет собою гладкий конусный фронт пламени, к которому снаружи диффундируют молекулы воздуха, а изнутри - молекулы газа. Образовавшиеся во фронте пламени продукты горения диффундируют навстречу газу, интенсивно нагревая его в предпламенной зоне, и частично вытесняются в окружающий факел воздух. Нагрев газа раскаленными продуктами, не содержащими кислорода, приводит к частичному термическому распаду углеводородов и образованию сажистых частиц, придающих пламени яркую светимость. Достоинствами такого сжигания являются высокая устойчивость пламени при изменении тепловых нагрузок от нуля до максимально возможных по условиям отрыва величин, сравнительное постоянство температуры по всей высоте (длина пламени), возможность распределения пламени по большим поверхностям любых форм, компактность горелок и простота их изготовления. [2] Характерными особенностями этого способа сжигания являются также значительная высота пламени, низкая интенсивность горения, неизбежность пиролитических процессов при сжигании углеводородных газов, недопустимость омывания пламенем теплообменных поверхностей, необходимость создания значительных топочных объемов, обеспечивающих свободное развитие пламени, и наличие в отходящих газах продуктов незавершенного горения. По этим причинам смешение газа и воздуха за счет молекулярной диффузии применяется только в топках, которые не нуждаются в высоких объемных теплонапряжениях и где может быть обеспечено свободное развитие пламени (например, в топках секционных и некоторых водотрубных котлов). Однако и в этих случаях необходимо дробить газовый поток на тонкие струи и направлять их для интенсификации смешения и горения под углом к потоку воздуха. [2]

Значительная интенсификация горения достигается применением естественной и искусственной турбулизации смешивающихся потоков. На рис. 5.1, б показана упрощенная схема свободного турбулентного факела, построенная на основании химического анализа проб, отбираемых из различных участков горящей струи 2. В отличие от ламинарного факела здесь нет четкого конусного фронта горения: он размыт и в той или иной мере разрушен пульсациями на отдельные частицы. Анализами устанавливается наличие ядра чистого газа 1, зоны сравнительно медленного горения 2 с преобладающим содержанием в ней газа, размытой зоны наиболее интенсивного горения 3 с наиболее высоким содержанием продуктов сгорания и горящей зоны 4 с преобладанием в ней воздуха. При этом четких границ между указанными зонами нет, и они непрерывно смещаются в зависимости от степени турбулизации потока. [2]

Сжигание газа по диффузионному принципу получило широкое распространение в топках промышленных котлов и печей. При этом для интенсификации процесса горения используется как естественная (за счет повышения скоростей), так и искусственная турбулизация воздушного и газового потоков. Последняя наиболее часто решается закруткой воздушного потока направляющими лопатками и выдачей в этот поток под различными углами тонких струй газа. Диффузионное горение может быть переведено в кинетическое или промежуточное, если создать условия, при которых процессы смешения будут несколько опережать процессы горения. В практике это достигается устройством дополнительного участка смешения между турбулентным завихрителем и туннелем или амбразурой. [2]

.       
Анализ инновационных разработок в области горения

2.1    Патент на полезную модель

31990 РФ, МПК7 В 01F 3/06. Устройство для сжигания жидкого топлива / В.Д. Катин, И.В. Вольхин (РФ); ДВГУПС (РФ) [3]

№ 2003111684184; Заявлено 25.04.2003; Опубл. 10.09.2003, Бюл. № 25. - 2 с.: 1 ил.

Полезная модель относится к устройствам для сжигания жидкого топлива, подтоварных вод и обводненных мазутов с последующей утилизацией тепла продуктов сгорания в топливоиспользующих агрегатах.

Решаемая задача заключается в повышении эффективности сжигания жидкого топлива.

Устройство для сжигания жидкого топлива и водомазутных смесей содержит последовательно соединенные трубопровод подачи жидкого топлива, фильтр, насос, диспергатор, форсунку, топку, теплоиспользующий агрегат и дымовую трубу, связанную с агрегатом через дымоход.

Для решения поставленной задачи авторы предлагают участок трубопровода подачи жидкого топлива, примыкающий к теплоиспользующему агрегату проложить в канале дымохода.

Рисунок 2.1 Устройство для сжигания жидкого топлива

.2     
Патент 41117 РФ, МПК7 F43 D 17/00. Комбинированная горелка

С.Н. Дьяченко, В.Д. Катин (РФ); ДВГУПС (РФ). [3]

№ 2004110550/22; Заявлено 07.04.2004; Опубл. 10.10.2004, Бюл. № № 28. - 1 с.: 1 ил.

Полезная модель предназначена для использования в энергетической промышленности.

Решаемая задача заключается в разработке комбинированной горелки с максимальной скоростью теплообмена, обеспечивающей минимальный объем высокотемпературной зоны, что приводит к снижению эмиссии оксидов азота при сохрани высокого КПД.

Комбинированная горелка содержит воздушный коллектор с амбразурой, по оси которого расположен топливопроводящий узел с соплами.

Для решения поставленной задачи авторы предлагают топливопроводящий узел выполнить с возможностью перемещения в диапазоне расположения сопел на высоте 1/3-2/3 высоты амбразуры. Использование полезной модели позволяет снизить эмиссию оксидов азота на 15-25 %.

Рисунок 2.2 Комбинированная горелка

.3     
Патент 66009 РФ, МПК8 F 23 D 14/02. Двухпоточная газовая горелка

В.Д. Катин, И.В. Вольхин, М.Н. Кофанов, А.И. Агошков (РФ); ДВГУПС (РФ). [3]

№ 2007113460/22; Заявлено 10.04.2007; Опубл. 27.08.2007, Бюл. № 24. -1 с.: ил.

Полезная модель относится к устройствам для сжигания газов в топках теплонапряженных технологических установок, и может быть использована в нефтехимической, энергетической, металлургической промышленности. Решаемая задача заключается в создании двухпоточной газовой горелки, позволяющей снизить уровень эмиссии оксидов азота в окружающую среду за счет понижения температуры горения в топочном пространстве.

Двухпоточная газовая горелка содержит корпус с патрубком подачи газа, выполненный в виде усеченного конуса, ориентированного меньшим основанием к выходу, патрубок подачи воздуха расположенный тангенциально к корпусу, кольцевой коллектор, цилиндрическое сопло, расположенное внутри корпуса, глушенное со стороны выхода и соединенное с патрубком подачи газа, в стенках которого выполнены отверстия, с расположенными внутри винтовыми каналами, при этом оси отверстий направлены под острым углом к радиальным плоскостям и к образующим сопла в сторону выхода и в направлении вращения воздушного потока в корпусе.

Рисунок 2.3. Двухтопочная газовая горелка

.4      Патент 2288404 РФ, МПК7 F23C 99/00. Способ сжигания топлива

В.Д. Катин, Н.Г. Пайметов, А.И. Старовойт; ДВГУПС (РФ).

№ 2005114853/06; Заявлено 16.05.2005; Опубл. 27.11.2006, Бюл. № 33. - 4 с.: 1 ил.

Изобретение относится к области нефтепереработки и может быть использовано при сжигании газообразного топлива в топках технологических печей двух- и многоярусной компоновкой горелочных устройств.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении его экологической эффективности за счет снижения концентрации оксидов азота в продуктах сгорания.

Способ сжигания топлива включает подачу в первую зону горения топлива и воздуха с коэффициентом избытка α₁<1, отвод продуктов сгорания во вторую зону горения с одновременной подачей в нее горючего газа и воздуха с коэффициентом избытка α₂>1.

Для решения поставленной задачи авторы предлагают в качестве топлива, подаваемого в первую зону горения использовать пропанбутановый газ.