Озонирование топочного пространства печей нагрева | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 9 июля, печатный экземпляр отправим 13 июля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №48 (338) ноябрь 2020 г.

Дата публикации: 26.11.2020

Статья просмотрена: 31 раз

Библиографическое описание:

Давыдов, П. С. Озонирование топочного пространства печей нагрева / П. С. Давыдов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 48 (338). — С. 35-37. — URL: https://moluch.ru/archive/338/75545/ (дата обращения: 30.06.2022).



Перекачка высоковязких и высокозастывающих нефтей и нефтепродуктов с подогревом является, в настоящее время, самым распространенным способом трубопроводного транспорта этих продуктов. На основе технических характеристик подогревателя нефти НУС-0,1 проведены сравнительные оценки энергозатрат для различных составов смеси топливо — окислитель: газ — воздух, газ — кислород, газ — воздух — с добавлением озона.Использование чистого кислорода или кислородно-воздушной смеси в путевых подогревателях не оправдано с экономической точки зрения. В тоже время, интенсификация процесса горения углеводородного топлива добавками озона в печах нагрева, является новым перспективным способом повышения эффективности эксплуатации топочных устройств. Для этого достаточно производительности серийно выпускаемых озонаторов.

Ключевые слова: перекачка высоковязких нефтей, подогреватели нефти, интенсификация горения, кислород, озон, озонатор, энергопотребление нагревателя, эффективность топочного устройства.

В целях реализации технологии «горячей» перекачки нефти трубопроводным транспортом, разработано множество подогревателей, отличающихся различными техническими характеристиками [1].

Одним из путей повышения эффективности эксплуатации топочных устройств, наряду с совершенствованием конструкций топочных камер и горелок, является реализация современных методов интенсификации горения в топочных камерах. Доказано, что наряду с кислородом, окислителем в топочных процессах может выступать озон, в качестве небольшой добавки [2].

На основе устьевого нагревателя НУС-0,1 проведем сравнительные оценки энергозатрат для различных составов смеси топливо-окислитель: газ — воздух, газ — кислород, газ — воздух — с добавлением озона. Нагреватель НУС-0,1 применяется для нагрева нефти и нефтяной эмульсии на устьях скважин при их транспортировании в системах внутрипромыслового сбора [3]. В расчетах используются следующие технические характеристики НУС-0,1: полезная тепловая мощность — 100 кВт; расход природного газа — 13,7 м 3 /ч. Считаем, что работа НУС-0,1 обеспечивается вентиляторной горелкой. Вентиляторные горелки характеризуются высоким КПД и имеют более широкий диапазон настроек, в отличие от инжекционных.

Для определенности будем рассматривать следующий состав природного газа: метан (CH 4 ) — 94 %; этан (C 2 H 6 ) –2 %; бутан (C 4 H 10 )– 1 %; пропана (C 3 H 8 ) — 2 %, а также азота — 0,5 % и 0,5 % углекислого газа. При этом в процессе горения азот и углекислый газ участия не принимают. Если углеводородные составляющие природного газа обозначить как C m H n , то уравнение химической реакции окисления, можно представить в виде [4]:

C m H n + (m + n/4) O 2 = m CO 2 + (n/2) H 2 O (1)

Система уравнений (1) отражает процесс полного горения природного газа, когда в продуктах сгорания выходящих в атмосферу горючие вещества отсутствуют. При этом углерод и водород соединяются вместе и образуют углекислый газ и пары воды. В соответствии с выбранным составом природного газа и техническими характеристиками НУС-0,1, общая потребность в кислороде, как окислителя реакций горения углеводородных составляющих природного газа, определяется, согласно (1), значением в 28,9755 м 3 за 1 час работы топочного устройства. Поскольку содержание кислорода в воздухе не превышает 21 %, то для полного сгорания природного газа в течение часа потребуется 137,979 м 3 воздуха. Полный объем газо-воздушной смеси составит V 0 =151,679 м 3 /ч.

Интенсификация процесса горения углеводородного топлива добавками озона в печах нагрева, является перспективным способом повышения эффективности эксплуатации топочных устройств.

Озон O 3 состоит только из атомов кислорода и представляет собой аллотропную модификацию кислорода, подобно тому, как алмаз и графит являются аллотропными модификациями углерода. Своей высокой активностью озон обязан, прежде всего, атомарному кислороду, который он легко отдает при диссоциации молекулы в химической реакции [5].

Последние исследования показывают, что устойчивый положительный эффект интенсификации горения достигается при концентрации озона 90÷200 мг/м 3 . При окислении природного газа в озоно-воздушной среде увеличивается выход двуокиси углерода CO 2 на 20 ÷ 25 % и снижается содержание угарного газа CO на 35 % [6].

Для озонирования топочного пространства печей нагрева не требуется использование мощных промышленных озонаторов. В тоже время, необходимо определить характеристики озонатора достаточные для обеспечения озонирования топочного пространства нагревателя устьевого НУС-0,1 с точки зрения повышения эффективности его работы. Для этого воспользуемся техническими характеристиками современных озонаторов [7,8] и сопоставим их выходные характеристики с потребностями необходимыми для эффективного функционирования нагревателя устьевого НУС-0,1. Результаты представлены на рисунке 1.

Видно, что потребляемая мощность в зависимости от производительности озонатора имеет нелинейную зависимость и резко растет, начиная с производительности по озону более 30 г/ч. Кроме этого, уровень потребляемой мощности озонаторов P оз различен в зависимости от производителя.

Исходя из экспериментальных данных по необходимой концентрации озона в озоно - воздушной смеси печи нагрева, в расчетах принималось среднее значение концентрации ρ = 150 мг/м 3 . Для расхода природного газа в объеме 13,7 м 3 /ч, подаваемого в топочное пространство нагревателя устьевого НУС-0,1 и потребного расхода воздуха в объеме 137,979 м 3 /ч, полный объем газо воздушной смеси составит V 0 =151,679 м 3 /ч. Таким образом, потребная масса озона, необходимая для обеспечения концентрации 150 мг/м 3 , составит:

m = ρ V 0 = 150 10– 3 *151,679 ≈ 23 г/ч (2)

Производительность озонаторов

Рис. 1. Производительность озонаторов

Как видно из рисунка 1, требуемой производительностью по выработке озона в 23 г/ч обладает озонатор с потребляемой мощностью P оз не более 0,3 ÷ 0,4 кВт. Учитывая общее энергопотребление нагревателя, включая работу вентиляторной горелки, находим общую потребляемую мощность P общ ≈ 0,65 ÷ 0,75 кВт, то есть не более 0,65 ÷ 0,75 % от полезной тепловой мощности нагревателя P=100 кВт. Если исходить из данных по удельным энергозатратам на получение 1 кг озона 13÷16 кВт ч [9], то затраты энергии на получение требуемого количества озона m=23 г за 1 час работы озонатора составят: (13 ÷ 16) *23/1000≈0,3÷ 0,37 кВт ч, что согласуется с предыдущими расчетами.

Таким образом, за счет использования озоно - воздушной смеси процесс горения природного газа можно значительно интенсифицировать: добиться более полного использования топлива и снизить выброс вредных веществ в атмосферу. Для этого достаточно производительности серийно выпускаемых отечественных озонаторов с энергозатратами не более 0,3 % ÷ 0,4 % от полезной тепловой мощности нагревателя устьевого НУС-0,1.

Литература:

1. Коршак, А.А., Шаммазов, A. M. Основы нефтегазового дела. Учебник для ВУЗов, — Уфа: ООО «ДизайнПолиграфСервис», 2002. — 544 с.

2. Нормов, Д.А., Федоренко, Е.А., Драгин, В. А. Повышение эффективности сжигания печного топлива в малых котельных электроозонированием: монография/ Д. А. Нормов, Е. А. Федоренко, В. А. Драгин — Краснодар: КСЭИ. 2011. — 140 с.

3. Нагреватель устьевой НУС-0,1 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://montagenergo.com/main-podogrev.html, свободный (Дата обращения: 10.09.2020 г.).

4. Хзмалян, Д.М., Каган, Я. А. Теория горения и топочные устройства. Учеб.пособие для студентов ВУЗов, — М.: «Энергия», 1976.- 488с.

5. Филиппов, Ю. В. Электросинтез озона / Ю. В. Филиппов, В. А. Вобликова, В. И. Пантелеев. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. — 237 с.

6. Андреев, С.А., Петрова, Е. А. Оценка энергозатрат на озонирование топочного пространства водогрейных котлов. / С. А. Андреев, Е. А. Петрова // Электроинтенсификация и автоматизация сельского хозяйства, Вестник № 2–2015. — С.33–36.

7. Озонаторное оборудование. Компания Эконау [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.ekonow.ru/catalog/ozonatory-vozdukha/promyshlennyj-ozonator-ozonovaya-pushka-oz-a5.html, свободный (Дата обращения: 12.09.2020 г.).

8. Озонаторное оборудование. НПО «ЭКОЗОН» [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.ecozon.pro/, свободный (Дата обращения: 10.09.2020 г.).

9. Самойлович, В. Г. Аргументы «за» и «против» использования воздуха или кислорода для промышленного производства озона / В. Г. Самойлович, Л. Ю. Абрамович // Первая всероссийская конференция «Озон и другие экологически чистые окислители»: материалы конф. — М., 2005. — С. 144–154.

Основные термины (генерируются автоматически): природный газ, печ нагрева, полезная тепловая мощность, вентиляторная горелка, перспективный способ повышения эффективности эксплуатации, различный состав смеси, топочное устройство, трубопроводный транспорт, углеводородное топливо, углекислый газ.


Похожие статьи

Интенсификация горения углеводородного топлива добавками...

Предлагается реализация автономного режима работы топочного устройства на основе озоно-воздушной смеси за счет тепловой энергии от

Библиографическое описание: Давыдов, П. С. Интенсификация горения углеводородного топлива добавками озона в печах нагрева / П. С...

Способы повышения эффективности энергоустановок на базе...

Дальнейшее повышение эффективности использования теплоты топлива направлено на утилизацию выхлопных газов, передающих теплоту теплоносителю, не участвующему в цикле и не требующему затрат мощности для повышения давления.

Сжиженный природный газ: перспективы развития

 Ключевые слова: сжиженный природный газ, экономическая целесообразность, запасы газа

Природный газполезное ископаемое, которое является одним из важнейших

Он является исходным сырьём для получения различных органических веществ, например...

Топочные устройства для горячей перекачки нефтей с озоновым...

Перспективным способом повышения эффективности функционирования печей нагрева, представляет собой возможность добавления озона в

Для этого рассмотрим процесс горения природного газа с участием озона в топочных устройствах, отмеченных выше.

Методы повышения тепловой и экологической эффективности...

Способы повышения эффективности энергоустановок на базе ГТД. Приводной двигатель должен работать на природном газе или дешевом жидком топливе, при этом иметь ресурс в несколько. Данный способ реализуем в случае, когда температура отработавших в турбине...

Эффективность использования природного газа в г. Хабаровске

Природный газ в качестве источника энергии является наиболее экологически чистым, в природе имеются значительные его запасы, что позволяет назвать природный газ топливом 21 века. В ближайшее десятилетие ожидается рост спроса на газ...

Анализ применения природного газа в качестве моторного...

Статья посвящена оценке применения природного газа в качестве моторного топлива в

Дозирование газа осуществляется регулируемым дросселем дозатора 4, который в режиме

Результаты испытаний оказались вполне положительными. Мощность упала всего на 4...

Математическая модель оптимизации режима горения...

Смесь газа с теоретически необходимым для полного сгорания воздухом называют

В блочно-структурной схеме управление процессом горения газа в топке осуществляется сигналами

Если учесть что в паровых котлах используется природный газ — метан, то расход воздуха...

Существующие способы повышения энергоэффективности на...

Рекуператор устанавливается на пути отходящих газов, например, из печи в дымовую трубу.

Во многих случаях наряду с повышением тепловой эффективности оборудований

На данный момент имеется несколько путей повышения эффективности работы трубчатых...

Похожие статьи

Интенсификация горения углеводородного топлива добавками...

Предлагается реализация автономного режима работы топочного устройства на основе озоно-воздушной смеси за счет тепловой энергии от

Библиографическое описание: Давыдов, П. С. Интенсификация горения углеводородного топлива добавками озона в печах нагрева / П. С...

Способы повышения эффективности энергоустановок на базе...

Дальнейшее повышение эффективности использования теплоты топлива направлено на утилизацию выхлопных газов, передающих теплоту теплоносителю, не участвующему в цикле и не требующему затрат мощности для повышения давления.

Сжиженный природный газ: перспективы развития

 Ключевые слова: сжиженный природный газ, экономическая целесообразность, запасы газа

Природный газполезное ископаемое, которое является одним из важнейших

Он является исходным сырьём для получения различных органических веществ, например...

Топочные устройства для горячей перекачки нефтей с озоновым...

Перспективным способом повышения эффективности функционирования печей нагрева, представляет собой возможность добавления озона в

Для этого рассмотрим процесс горения природного газа с участием озона в топочных устройствах, отмеченных выше.

Методы повышения тепловой и экологической эффективности...

Способы повышения эффективности энергоустановок на базе ГТД. Приводной двигатель должен работать на природном газе или дешевом жидком топливе, при этом иметь ресурс в несколько. Данный способ реализуем в случае, когда температура отработавших в турбине...

Эффективность использования природного газа в г. Хабаровске

Природный газ в качестве источника энергии является наиболее экологически чистым, в природе имеются значительные его запасы, что позволяет назвать природный газ топливом 21 века. В ближайшее десятилетие ожидается рост спроса на газ...

Анализ применения природного газа в качестве моторного...

Статья посвящена оценке применения природного газа в качестве моторного топлива в

Дозирование газа осуществляется регулируемым дросселем дозатора 4, который в режиме

Результаты испытаний оказались вполне положительными. Мощность упала всего на 4...

Математическая модель оптимизации режима горения...

Смесь газа с теоретически необходимым для полного сгорания воздухом называют

В блочно-структурной схеме управление процессом горения газа в топке осуществляется сигналами

Если учесть что в паровых котлах используется природный газ — метан, то расход воздуха...

Существующие способы повышения энергоэффективности на...

Рекуператор устанавливается на пути отходящих газов, например, из печи в дымовую трубу.

Во многих случаях наряду с повышением тепловой эффективности оборудований

На данный момент имеется несколько путей повышения эффективности работы трубчатых...

Задать вопрос