УДК 67

ПОВЫШЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ТОПЛИВНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПУТЕМ ОБОГАЩЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ВОЗДУХА КИСЛОРОДОМ

Мищенко Михаил Валерьевич1, Маслов Вадим Александрович2, Дзюбенко Олег Леонидович3
1Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж), старший преподаватель 24 кафедры 2 факультета, кандидат технических наук
2Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж), старший преподаватель 24 кафедры 2 факультета, кандидат технических наук
3Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж), старший преподаватель 24 кафедры 2 факультета, кандидат педагогических наук

Аннотация
За последние два десятилетия производство кислорода возросло как минимум в три раза. Практически весь кислород, производимый в промышленных объемах, является продуктом разделения атмосферного воздуха. Наиболее интересным нам представляется способ получения кислорода с применением мембранных технологий. Учитывая неоспоримые преимущества способа мембранного разделения, таких как низкие капитальные затраты, низкие эксплуатационные затраты, быстрый запуск и остановка процесса, непрерывность процесса разделения, легкость управления степенью обогащения продукта без переделки оборудования, простая доработка схемы, можно смело говорить о перспективности мембранного способа производства кислорода из атмосферного воздуха с целью экономии топлива.

Ключевые слова: мембранный способ производства кислорода из атмосферного воздуха


IMPROVING THE ECONOMIC EFFICIENCY OF THE PROCESSES OF FUEL THERMAL POWER PLANTS BY ENRICHING THE AIR WITH OXYGEN TECHNOLOGY

Mishchenko Mihail Valerevich1, Maslov Vadim Aleksandrovich2, Dzyubenko Oleg Leonidovich3
1Air Force Engineering University (Voronezh), Senior Lecturer, Department №24 of 2nd faculty, Ph.D.
2Air Force Engineering University (Voronezh), Senior Lecturer, Department №24 of 2nd faculty, Ph.D.
3Air Force Engineering University (Voronezh), Senior Lecturer, Department №24 of 2nd faculty, PhD

Abstract
Over the past two decades, increased production of oxygen at least three times. Virtually all of the oxygen produced in industrial scale, is a product of air separation. The most interesting to us is a way to get oxygen using membrane technology. Given the undeniable advantages of membrane separation, such as a low capital cost, low operating costs, fast starts and stops, the continuity of the separation process, the ease of controlling the degree of enrichment of the product without altering the hardware, a simple revision of the scheme, it is safe to talk about the prospect of membrane process of the production of oxygen air to fuel economy.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Мищенко М.В., Маслов В.А., Дзюбенко О.Л. Повышение экономической эффективности процессов топливных теплоэнергетических установок путем обогащения технологического воздуха кислородом // Современные научные исследования и инновации. 2011. № 7 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2011/11/5024 (дата обращения: 02.06.2017).

Значительный рост потребления кислорода, получаемого путем разделения атмосферного воздуха, в первую очередь связан с переходом сталеплавильной промышленности на кислородное дутье. За последние два десятилетия производство кислорода возросло как минимум в три раза [1]. В ряде технологических процессов получения тепловой энергии сопровождающихся сжиганием топлива, применение воздуха обогащенного кислородом, связанное с увеличением температуры горения, уменьшением выхода продуктов сгорания, весьма перспективно, и, в конечном счете, позволяет значительно снизить расход топлива. Возможная экономия топлива в различных процессах с применением воздуха обогащенного кислородом: при получении расплава стекла – 15%, при вытяжке проволоки – 22%, при отжиге стекла – 30% [2].

Дело в том, что горение топлива сопровождается отводимыми газами, состоящими из различных компонентов. Среди них, во-первых, продукты сгорания и, во-вторых, азот из подаваемого воздуха и избыток кислорода. Азот и избыточный кислород являются пассивными элементами в процессе горения, поэтому часть топлива служит только для нагрева этих компонентов отводимого газа. Эта потеря энергии не является неизбежной, если азот и избыток кислорода выводятся из процесса горения. Энергию, связанную с этими двумя отводимыми компонентами газа, можно назвать «устранимыми потерями энергии».

Отводимый газ содержит также CO2 и H2O, являющиеся неизбежным результатом процесса горения. Энергию, связанную с этими компонентами, можно назвать «неустранимыми потерями энергии».

По данным экспериментальных исследований [3] полезная энергия производимая при сжигании топлива составляет всего 40…52%, а устранимые потери весьма велики и достигают 40…45%, в то время как неустранимые потери обычно не превышают 12% от полного потока энергии выделяющегося в ходе химической реакции горения. Очевидно, что разработка мер по исключению устранимых потерь энергии является обязательным мероприятием при оптимизации технологических процессов сопровождаемых сжиганием топлив.

Теплотехническими предпосылками эффективности применения воздуха обогащенного кислородом для сжигания топлив являются [4]:

-       уменьшение удельного (на единицу массы топлива) выхода дымовых газов, что ведет к снижению потерь теплоты с уходящими газами, а также позволяет упростить конструкцию и снизить капитальные затраты на теплоутилизирующее оборудование и  коммуникации подачи окислителя и эвакуации дымовых газов;

-       повышение температуры горения, что позволяет интенсифицировать внешний теплообмен и дает возможность реализации высокотемпературных процессов при использовании топлив, имеющих низкую жаропроизводительность, таких как доменный, генераторный газ и др.;

-       повышение удельной и агрегатной производительности установок.

Известны три основных способа использования воздуха, обогащенного кислорода: подмешивание кислорода в дутьевой воздух, подача кислорода непосредственно в факел или под него и применение горелок с высокой степенью саморециркуляции для обеспечения стабилизации температурного режима.

Условием экономически эффективного использования воздуха, обогащенного кислородом, является относительное снижение удельного расхода топлива на единицу продукции h, который определяется эмпирической зависимостью, где с – объемная доля кислорода в дутьевом воздухе, в долях от целого. При этом в случае h>1 наблюдается перерасход топлива, а при h<1 его экономия относительно процесса горения в среде атмосферного воздуха (когда с=0,21).

Несложно подсчитать, что обогащение кислородом дутьевого воздуха до 40% позволит сэкономить почти 20% топлива, что заметно увеличит эффективность извлечения энергии в процессе его сжигания.

Не вызывает сомнений, что экономическая целесообразность при использовании обогащенного кислородом воздуха для сжигания топлив будет существенно расширяться с увеличением масштабов использования данного оптимизированного процесса горения. При этом значительно возрастающие потребности в кислороде для обогащения им дутьевого воздуха требуют обратить особое внимание на уменьшение себестоимости самого кислорода. Очевидно, что даже незначительное снижение затрат на производство кислорода в данных условиях его потребления выльется в значительную экономию ресурсов. Экономические затраты на производство кислорода складываются главным образом из энергетических затрат, большое значение имеют и капитальные вложения при строительстве кислороддобывающих установок.

Практически весь кислород, производимый в промышленных объемах, является продуктом разделения атмосферного воздуха. Подавляющее большинство установок используют способ низкотемпературной ректификации жидкого воздуха (криогенный способ), с применением циклов низкого и среднего давления, использование цикла высокого давления, учитывая его малую производительность и высокую стоимость оборудования, крайне ограничено специфическими областями. В основе криогенного способа глубокое охлаждение атмосферного воздуха и использование различных температур кипения кислорода (90 К) и азота (77 К), являющихся основными его компонентами. Затраты энергии в данном случае обусловлены прежде всего работой по изменению агрегатного состояния атмосферного воздуха (ожиженю), что необходимо для осуществления тепломассообменного процесса ректификации жидкого воздуха, в основе которого лежат два обратимых процесса – испарение и конденсация.

Незначительная часть установок (в основном зарубежных) использует адсорбционный способ разделения воздуха. Данный способ основан на изменении поглотительных свойств адсорбентов по целевому компоненту смеси при изменении температуры и давления. Технологически он представляет собой непрерывное чередование циклов адсорбции (поглощения) и десорбции (регенерации адсорбента) и позволяет получать кислород высокой (до 99,99% и более) чистоты. Энергетические затраты складываются из затрат на сжатие и нагрев технологического воздуха с целью обеспечения смены циклов.

Пока еще не получил достаточного распространения но все же используется мембранный способ разделения воздуха. Развитие данного нового способа разделения основанного на селективных свойствах полупроницаемых мембран связано, прежде всего, с синтезом новых полимерных пленок, сложной композиционной и асимметричной структуры, характеризующихся высокими значениями проницаемости и селективности по целевому компоненту – кислороду. Разделение на мембране достигается за счет различия в скоростях проницания через материал мембраны различных компонентов смеси. При этом движущей силой процесса является разность химических потенциалов веществ по обе стороны мембраны, что на практике выражается в создании на ней перепада давления. Энергия, потребляемая воздухоразделительными установками мембранного типа, расходуется на сжатие воздуха [5]. При этом рабочий диапазон давлений в мембранных аппаратах находится в области низкого давления (0,6…0,8 МПа), что значительно снижает стоимость установки. Допустимые рабочие температуры современных полимерных полупроницаемых мембран эквивалентны температуре окружающей среды (до +50°С) [6], что не требует принятия дополнительных (кроме стандартных систем охлаждения компрессорного оборудования) мер по охлаждению технологического воздуха.

Современный уровень развития мембранной технологии газового разделения позволяет сделать вывод о конкурентоспособности мембранного по отношению к другим способам разделения воздуха. На правомерность этого утверждения указывают результаты сравнительного анализа основных способов разделения атмосферного воздуха по энергетическому критерию. Сравнительные данные об энергетических затратах приведены в таблице 1.

 

Таблица 1

Сравнительный анализ энергетических затрат при осуществлении разделения атмосферного воздуха различными способами

 

Способ

Содержание кислорода в смеси, %

Энергетические затраты на получение 1 тонны эквивалентно чистого кислорода, МДж

Криогенный

50

1440

Криогенный с конденсацией

90

3940

Адсорбционный

90

1980

Мембранный

37,5

750

 

Важно отметить, что энергетическая эффективность мембранного способа разделения проявляется только при низкой (до 40%) концентрации продукционного кислорода [5], которой как показывает математический анализ вполне достаточно для осуществления экономически оправданного процесса оптимизированного сжигания топлив. Принимая во внимание неоспоримые преимущества способа мембранного разделения, такие как:

-       низкие капитальные затраты (за счет отсутствия сложных аппаратов работающих в условиях высоких давлений и криогенных температур),

-       низкие эксплуатационные затраты (благодаря экономичности мембранного способа и отсутствию агрегатов имеющих малый ресурс),

-       быстрый запуск (выход на рабочий режим) и остановка процесса,

-       непрерывность процесса разделения (отсутствие необходимости отогрева с целью восстановления эксплуатационных параметров),

-       легкость управления степенью обогащения продукта без переделки оборудования,

-       простая доработка схемы (благодаря модульности аппаратов), и др.,

можно с уверенностью утверждать, что мембранный способ производства кислорода из атмосферного воздуха с целью экономии топлива весьма перспективен.


Библиографический список
  1. Дытнерский Ю. И., Брыков В. П., Каграманов Г. Г. Мембранное разделение газов. – М.: Химия, 1991.
  2. Дубяга В. П., Перепечкин Л. П., Каталевский Е. Е. Полимерные мембраны.- М.: Химия, 1981.
  3. Казарян Т. С., Седых А. Д., Гайнуллин Ф. Г., Шевченко А. И. Мембранная технология в решении экологических проблем газовой промышленности.- М.: Недра, 1997.
  4. Албул В. П., Ипполитов В. А. Газокислородные источники энергии и фактор экономии газа // Газовая промышленность. – 1992. – №6. – С.24-29.
  5. Лэсей Р. Е., Лоеб С. Технологические процессы с применением мембран: Пер. с англ. Под ред. к.х.н. Мазитова Ю. А.- М.: Мир, 1976.
  6. Отчет по НИР №4400/301121 “Исследование путей построения системы одновременного получения кислорода и азота из атмосферного воздуха с использованием криогенной и мембранной технологии” (Шифр “Мочес”): Под ред. д.т.н. Баркова Б. В., отв. исп. к.т.н. Моргун М. А. – М.: ВАТУ, 2001.

 



Все статьи автора «Дзюбенко Олег Леонидович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: