Энергетические и экологические эффекты использования постпроцессовых газов в нагревательных печах
1.Введение.
Газовые продукты некоторых технологических процессов являются носителями большого количества химических процессов. К таким газам можно зачислять [1] доменный и конверторный газы (в черной металлургии), колошниковый газ (в цветной металлургии) и примерно: газы из процессов рафинации и дистиляции, горючие газы из нефтехимических процессов, очистительный газ в установках синтеза аммиака и послереакционный газ в производстве формальдегида (в химической промышленности).
Химическая энергия постпроцессовых газов должна быть использована. В противном случае постпроцессовые газы являются затруднительными отходами, чаще всего сгораемыми в т.н. факелах. Перед сгоранием в факелах эти газы требуют очистки, а нередко дополнительного обогащения другими газами высшей теплотворности. Полезное использование постпроцессового газа может привести к субституции значительного количества определенного, применяемого до сих пор основного топлива, напр. нефтяного газа, коксового или смешанного газа. При низкой калорийности постпроцессового газа, основное топливо замещают смесью высокого и среднекалорийного газа и одного или больше постпроцессовых газов. Среднекалорийные постпроцессовые газы теплотворностью выше 8 МJ/м3 (180 МJ/ кмоль) могут замещать основное топливо без дополнительного обогащения другим топливом. В нагревательных печах субституция основного топлива постпроцессовыми газами сводится к обеспечению в условиях субституции тех же технологических условий, какие были в основном процессе (перед субституцией). Условия эти требуют сохранения перед и после субституции топлива такого самого распределения температур газов сгорания в печи.
Использование горючих постпроцессовых газов, кроме энергетической экономии (химической энергии топлива) приводит к уменьшению эмиссии вредных продуктов процесса сгорания. Эффекты использования постпроцессовых газов были определены путем сравнения эксплуатационных результатов после их утилизации с результатами т.н. базового процесса (до использования постпроцессовых газов).
Оценка экологических эффектов была ограничена до анализа эмиссии NOx и СО2.
2. Энергетические эффекты
При постоянной полезной мощности печи энергетические эффекты использования постпроцессовых газов хорошо определяет показатель относительной экономии химической энергии топлива [2]:
w = 1 - E/Eo (1)
при чем: Е, Е0 - химическая энергия сгораемого в печи топлива перед и после использования постпроцессовых газов.
При определении значения Е необходимо учесть ограничения, возникающие из условий субституции базового топлива топливом субституционным (постпроцессовый газ и обогащенное топливо). Общие условия субституции приведены в [3]. Из них видно, что применяемое до сих пор топливо можно заменить другим, если при сгорании обеих получается то же самое значение следующих параметров:
- калориметрической температуры сгорания;
Ткал.о = Ткал. (2)
- теплоемкость газов сгорания;
РоRо = PR, (3)
при чем: Р - количество сгораемого топлива,
R - удельная теплоемкость топлива,
- эмиссионная способность газов сгорания;
Индексом "о" обозначены параметры касающиеся применения базового топлива.
На основании зависимости (3) можно определить предел субституции базового топлива субституционным топливом, содержащим постпроцессовый газ и обогащенное топливо. Предел субституции можно определить молярной энергией постпроцессового газа в субституционном топливе.
Выполнение условия (2) можно получить соответствующим рекуперационным подогревом воздуха сгорания и субституционного топлива. Дискриминантом этого подогрева может быть единичное приращение энтальпии субстрактов процесса сгорания (воздуха и газового топлива) на единицу сгораемого субституционного топлива.
Выполнение условия (1) можно получить путем применения карборирующих веществ (напр. гарное масло, мазут или смола).
Обсуждаемые условия субституции топлива зависят от количества утилизированного постпроцессового газа и от его теплотворности Ниа. Количество газа в настоящей работе принято определять отношением ZЕ использованной химической энергии топлива сгораемого в базовом процессе.
На рис.1. представлены результаты многовариантных расчетов обсуждаемых условий субституции.
В расчетах принято, что максимальное значение дг соответствует исключительному подогреву воздуха на DТмакс.=1000К. В качестве базового топлива принято смешанный газ (доменный+коксовый), обогащающим топливом был коксовый газ. Состав постпроцессовых газов был определен на основании статистического анализа промышленных горючих отходовых газов.
3. Экологические аспекты
При сгорании топлива всегда получаются вредные для окружающей среды отходовые продукты. Оценку влияния использования отходовой энергии на эмиссию вредных веществ можно произвести при помощи показателей относительной редукции эмиссии вредных веществ.
(i=CO2 , NOx)
причем: mi, moi - эмиссия i-того вредного вещества до и после использования постпроцессовых газов. Теоретический показатель может принимать как положительные (при уменьшении эмиссии) так и отрицательные (при увеличении эмиссии) значения.
Эмиссия двуокиси углерода зависит от количества сгораемого топлива и его рода. Концентрацию окислов азота можно определять из равновесного состава соответствующих химических реакций или из условия термодинамического равновесия напр. минимизируя свободную энтальпию. В работе был использован второй метод [1] определения концентрации NOx в газах сгорания. Доля NOx в газах сгорания (при постоянном значении отношения избытка воздуха) зависит от рода топлива и температуры подогрева субстрактов процесса сгорания.
В расчетах СО2 и NOX принято выполнение условий субституции топлива обсужденных в пункте 1. При определении значения mCO2o, mNOxo учтена необходимость сгорания неиспользованного постпроцессового газа в факеле. Принято при этом, что в случае если этот газ имеет калориметрическую температуру ниже 1400 оС при его сгорании в факеле требуется его обогащение топливом с высшей теплотворностью.
