Моделирование кислородного сжигания природного газа в жаротрубных котлах

V.V. Shaposhnikov1, , E.V. Kocharyan1, , R.V. Bezuglov2, ,

В настоящее время энергетический сектор генерирует порядка 75 % техногенных выбросов парниковых газов в мире. Его трансформация является необходимым условием для предотвращения негативных последствий изменения климата. Достижение углеродной нейтральности и сокращение глобальных выбросов углекислого газа (СО 2 ) до нуля к 2050 г. является международно признанным решением, которое позволит ограничить повышение средней глобальной температуры планеты в пределах 1,5 °C и тем самым предотвратить необратимые изменения климата [1]. В этом контексте достижение поставленных глобальных целей требует трансформации технологий производства энергии.

В целях декарбонизации энергетического сектора технологии улавливания и хранения СО₂, а также исследования в данной области активно развиваются [2]. Одним из направлений таких исследований являются технологии улавливания СО 2 после сжигания топлива. При традиционном сжигании в качестве окислителя используется воздух, поэтому отделение CO 2 от дымовых газов – достаточно сложный процесс из-за его низкой концентрации в продуктах сгорания, состоящих главным образом из азота. В связи с этим перспективным направлением является так называемое кислородное сжигание топлива (oxyfuel сombustion) – одна из вариаций технологий улавливания CO₂ после сжигания топлива и снижения вредных выбросов в окружающую среду.

Актуальность темы исследования

Использование кислорода вместо воздуха при сжигании топлива или воздуха, обогащенного кислородом, позволяет получить дымовые газы с высоким содержанием СО2, что существенно снижает затраты по его дальнейшему преобразованию. При реализации метода необходимо обеспечить рециркуляцию части дымовых газов, вводя их в зону горения так, чтобы создать необходимые температурные условия и проектные режимы циркуляции продуктов сгорания. Интенсивные исследования условий эффективного сжигания различных топлив и образования при этом вредных выбросов, ведущиеся в последние годы [3, 4], нацелены на поиск методов и механизмов организации и управления процессами горения в промышленных печах, больших энергетических котлах тепловых электростанций [5–7]. При этом необходимо продолжать такие исследования и для малой энергетики ввиду большой распространенности подобного оборудования и глобального тренда на развитие распределенной энергетики.

Постановка задачи исследования

В качестве объекта исследования был выбран трехходовой водогрейный жаротрубно-дымогар-ный котел (модель UNIMAT UT-L50 производства фирмы BOSCH), номинальной теплопроизводи-тельностью 11 200 кВт. Основные характеристики котлоагрегата приведены в таблице.

Характеристики котла UNIMAT UT-L50

Characteristics of the UNIMAT UT-L50 boiler

Величина	Обозначение	Размерность	Значение
Номинальная нагрузка	Q ном	МВт	11,2
Температура воды на входе в котел	t вх	°C	70
Расход воды через котел	G к	м3/ч	492,4
Диаметр жаровой трубы (внутренний)	D т	мм	1380/16,5
Длина жаровой трубы	L т	мм	4930
Длина дымогарных труб (2-й ход)	^ 2х	мм	4930
Диаметр труб (внутренний) (2-й ход)	вн ^ 2x	мм	60/3
Количество труб (2-й ход)	П 2х	шт.	184
Длина дымогарных труб (3-й ход)	^ Зх	мм	5220
Диаметр труб (внутренний) (3-й ход)	вн иЗх	мм	88,9/3,2
Количество труб (3-й ход)	П зх	шт.	55

Основной вид топлива – п ри родный га з .

И с с л е дов ание кисл ородног о с ж ига н ия пр иродного газа производилось при з а м е ще ни и в оз д ух а чис тым к ис л ородом в ди а па з оне от 0 до 10 0 % потре бнос т и в не м на н ом ин а л ьн ой те пл оп роиз в о-дительности котла – 11 200 кВ т. Ос нов но й за да че й яв лял ось опре дел е н ие в х о де ра с че тов з а в ис имости КП Д обор уд о ва н ия , т е м пе ра т уры у х одя щи х газов, объема выбросов СО₂, N O _x , Н₂О от объемной доли кислорода в топливо- в озд у ш н ой с ме с и.

Научная новизна исследования

В на с тояще е в ре м я те х нол о гии к исл ородного сж и га н и я п рирод ного га з а в эне рге тиче ски х ко тл ах н а х од ятс я в Р Ф на с т а ди и пре дв а ри те л ь ны х научных разрабо ток и л и о п ытны х обра з цов . Д анных о ре зу л ьта тах на т ур н ых ис сл е дов ани й и ли р е з у л ьтатов а нал из а ре жи м ов ра боты ж а ротру бных в од огре й ны х котл ов при кисл ородном с ж игани и природного га з а в по тока х О₂/СО₂ и влиянии такой т е х н ол оги чес кой с х ем ы на технол огиче ские и э кол ог иче с к ие х а ра к те ристи ки обор у дов а н ия, на в ери ф и ц иров анны х м одел я х в открыт ой пе ча ти РФ не оп у б ликов аны. П ри это м иде и по орга ни з ац и и сжигания топлива в среде , об огаще нн о й к исл ор одом , п ри нц ип иа л ь но пров е ре ны и а декв а т ны, что подтверждается рядом эксперим ен тов и публикаций [6, 8–10].

В настоящей работе приведены результаты расчетов на разработанной авторами математической модели жаротрубного водогрейного котла, учитывающие сжигание природного газа в смеси воздуха с кислородом. Создание адекватных моделей и анализ режимов работы энергетического оборудования, используемого на котельных, в условиях нестандартных топливных смесей и окислителя, позволит подобрать наиболее эффектив- ные режимы работы оборудования с точки зрения снижения экологического воздействия на окружающую среду.

Методология исследования

В основу методики расчета объекта исследования (трехходового водогрейного жаротрубнодымогарного котла) положен Нормативный метод теплового расчета котельных агрегатов [11], разработанный ЦКТИ. Заложенные в его основе подходы и методы подтверждены многочисленными экспериментальными и теоретическими материалами научно-исследовательских, наладочных и котлостроительных предприятий РФ. Особенности расчета жаротрубных котлов были учтены в модели с учетом имеющихся рекомендаций [12]. Кроме того, была использована модель, созданная с помощью Системы автоматического проектирования физических инженерных расчетов (САПФИР), разработанной АО «ИТЦ «ДЖЭТ». Принципиальная расчетная схема модели приведена на рис. 1.

Программный комплекс САПФИР построен по объектно-ориентированному принципу. В данном комплексе расчетные схемы объектов моделирования создаются из стандартных элементов, что позволяет адекватно моделировать тепловые схемы и конструктивные особенности современных котлов.

При моделировании режима работы котла в режиме замещения воздуха чистым кислородом из дымового тракта рециркулировали часть отходящего газа в топку посредством канала для рециркуляции отходящего газа. Оставшуюся часть дымовых газов выпускают из топки через дымовую трубу. Процент рециркуляции определяется из условия компенсации объема продуктов сгорания в стандартном режиме горения (окислитель – воздух).

Рис. 1. Принципиальная расчетная схема в ПО «САПФИР» Fig. 1. The basic design scheme in the software “SAPPHIRE”

При этом состав дымовых газов, направляемых на рециркуляцию в части соотношения «пар – СО2», принимался также исходя из стандартного режима работы (возможная конденсация пара, содержащегося в отходящих газах, не учитывалась). Рассматриваемый котел является газоплотным, поэтому в математической модели присосы воздуха по элементам были приравнены к нулю.

Результаты

В результате проведенных расчетов получены зависимости температуры уходящих газов, КПД оборудования, объема выбросов СО 2 , NO x , Н 2 О от объемной доли кислорода в топливо-воздушной смеси (рис. 2–5).

Анализ результатов исследования показывает, что с повышением доли замещения воздуха кисло-

Рис. 2. Зависимость объемных концентраций компонентов дымовых газов от доли замещения воздуха кислородом

Fig. 2. Dependence of the volume concentrations of flue gas components on the proportion of oxygen replacement of air

Рис. 3. Зависимость адиабатной температуры горения от доли замещения воздуха кислородом Fig. 3. Dependence of the adiabatic combustion temperature on the proportion of oxygen substitution of air

Рис. 4. Зависимость КПД котлоагрегата от доли замещения воздуха кислородом

Fig. 4. Dependence of boiler efficiency on the proportion of oxygen replacement of air

Рис. 5. Зависимость удельного расхода условного топлива на выработку тепловой энергии от доли замещения воздуха кислородом

Fig. 5. Dependence of the specific consumption of conventional fuel for the production of thermal energy on the proportion of air replacement with oxygen

родом уменьшается расход уходящих газов. Как отмечалось ранее, это требует организации рециркуляции дымовых газов в топку для поддержания номинальных значений скорости дымовых газов в конвективных поверхностях нагрева котла. Рециркуляция дымовых газов приводит к снижению адиабатной температуры горения топлива в топке. Из рис. 3 видно, что ее уменьшение нелинейно зависит от процента замещения кислородом воздуха. При работе на чистом кислороде адиабатная температура горения топлива снижается до значения около 1630 °C (при работе на чистом воздухе она равна 2017 °C).

При увеличении доли кислорода наблюдается повышение КПД котлоагрегата на 5,7 % (см. рис. 4). Это приводит к уменьшению удельного расхода условного топлива на выработку тепловой энергии. Максимальное снижение составляет 9,1 гут/Гкал∙ч по сравнению с работой котла на стандартном окислителе – воздухе (см. рис. 5). Данный эффект возникает в связи с трехкратным снижением объема удаляемых в атмосферу продуктов сгорания (около 70 % из них используются повторно для организации рециркуляции дымовых газов в топку котла), и соответствующим снижением потерь с уходящими газами.

Сам по себе переход на кислородное сжигание природного газа не приводит к снижению массового расхода выбрасываемого CO 2 . Однако из-за существенного снижения количества азота в составе дымовых газов объемная концентрация углекислого газа в них возрастает с 9,5 до 33,5 % (см. рис. 2). При работе на чистом кислороде дымовые газы представляют собой практически двухкомпонентную смесь из водяных паров и углекислого газа (концентрация прочих газов менее 1 %). Это дает возможность относительного простого и экономичного получения CO 2 высокой степени чистоты путем конденсации водяных паров из уходящих газов. Данный подход – замещение чистого воздуха воздухом, насыщенным кислородом, а также практически чистым кислородом при окислительно-восстановительных реакциях, коими являются реакции горения и газификации, – был апробирован ранее авторами данного исследования, в частности, при использовании доли в 21, 40 и 95 % кислорода в агенте (обогащенный воздух) при газификации твердых отходов [13]. Аналогично данному исследованию в [13] увеличение удельной доли кислорода и, соответственно, уменьшение доли азота в агенте положительно влияет на продукты выхода реакции, уменьшается доля балласта – генераторный газ получается более чистым.

Отдельно отметим, что снижение адиабатной температуры горения топлива приводит к снижению образования оксидов азота NO x , на борьбу с которыми в энергетических котлах тратятся значительные усилия (разработка специальных горелочных устройств, режимная наладка и т. д.).

Сравнение результатов

Верификация разработанной математической модели с реальными данными, полученными в ходе режимно-наладочных испытаний котла модели UNIMAT UT-L50 при сжигании природного газа в воздухе, показала достаточную сходимость в части температур теплоносителей и КПД. Максимальное отклонение основных параметров не превышала 1,0 %.

Результаты расчетов с использованием модифицированной модели с учетом фактически нового окислителя, состоящего из газов рециркуляции и кислорода, подаваемого в котел, качественно совпадают с данными исследований других авто- ров. Так, снижение адиабатной температуры в топке при увеличении доли кислорода и, соответственно, объема рециркулируемых дымовых газов получены в результате моделирования аналогичных процессов в работах авторов [6, 10]. Данный эффект можно объяснить увеличением доли СО2, который подавляет повышение температуры. Увеличение КПД котла и соответствующее ему снижение удельного расхода топлива на выработку энергии также наблюдалось в ходе численного моделирования в работах [6, 7]. Это объясняется тем, что расход уходящих газов значительно снижается из-за почти полного исключения азота из их состава.

Таким образом, полученные в настоящей работе результаты можно считать адекватными, в достаточной мере отражающими процессы, происходящие в жаротрубном котле.

Практическая значимость

Высокие затраты на получение кислорода, необходимого для организации процесса сжигания топлива в потоках О 2 /СО 2 , даже без учета капитальных затрат на реконструкцию котлов при переводе на кислородное сжигание в настоящее время является экономически нецелесообразным. Однако за рубежом ведутся активные разработки по внедрению кислородного сжигания как при модернизации действующих, так и при создании новых котлов. Считается, что в перспективе реализация кислородного сжигания будет экономически приемлемой, особенно с активным введением экологических налогов. Кроме того, существующие горелки не приспособлены для работы при подаче окислителя, полностью состоящего из кислорода, без ввода газов рециркуляции. Этот вопрос также требует дополнительных исследований по определению оптимального места ввода рециркулируемых дымовых газов. Однако даже частичное замещение воздуха кислородом (на 20–30 %) уже приводит к заметному повышению КПД (около 2 %) и снижению вредных выбросов. Поэтому более перспективным в настоящее время видится поиск технологий частичного повышение содержания кислорода в воздухе и применение их для организации кислородного сжигания.

Выводы

В данной работе рассмотрены результаты математического моделирования сжигания природного газа для жаротрубного котла UNIMAT UT-L50 в воздухе и в смеси воздуха с рециркулируемым потоком углекислого газа, обогащенного кислородом. Исследование кислородного сжигания природного газа проводилось при замещении воздуха чистым кислородом в диапазоне от 0 до 100 % потребности в нем. Получены зависимости КПД оборудования, температуры уходящих газов, объема выбросов СО2, NOx, Н2О от объемной доли кислорода в топливо-воздушной смеси. Сделаны выводы о наиболее эффективных режимах работы оборудования исходя из экологических и энергетических критериев. Преимуществом такой схемы сжигания топлива является возможность относительно экономичного улавливания CO2 после процесса сжигания, повышение КПД теплоэнергетического оборудования и снижение объе- мов выбросов. Существенной проблемой на сегодняшний день является высокая стоимость и энергоемкость процесса получения кислорода, необходимого для организации такой схемы работы оборудования, поэтому более перспективным является частичное повышение содержания кислорода в воздухе при использовании его в качестве окислителя.