Снижение коэффициента избытка воздуха - одно из главных задач организации оптимального горения факела горелки котла.
Для оптимального горения воздуха необходимо подать его столько, сколько необходимо для самого процесса горения. «Лишний» воздух потребует дополнительного газа для его нагрева и дополнительной электроэнергии для его подачи в топку и эвакуации из газоходов котла.
Не стоит бояться «выгорания» горелки, т.к. при снижении коэффициента избытка воздуха на выработку одной единицы тепловой энергии потребуется меньшее количество газа.

Давно известный метод повышения КПД котлов (бытовых, малой мощности) до 110% основан на извлечении теплоты уходящих газов при конденсации водяных паров. Для организации данного режима в условиях ПТС необходимо:
- выполнить проект и монтаж станции нейтрализации для приема конденсата городской канализационной системой, так как мощность котельной значительно превышает 200 кВт (0,172 Гкал);
- согласовать с администрацией города отопительный график со снижением температуры до 80°С /60°С.

Эффект конденсации возникает при температуре обратной сетевой воды ниже температуры точки росы, т.е. +57°С. Чем ниже температура обратной сетевой воды, тем интенсивней происходит конденсация и тем выше КПД котла.

В целях выполнения условий п.2 необходимо решить вопрос увеличения поверхности приборов отопления на 30%.
Например:
- заменить или добавить секции батарей во всех помещениях отапливаемых котельных;
- заменить все газоходы котлоагрегатов на выполненные из нержавеющей стали или покрыть существующие пластиком или другим антикислотным покрытием;
- выполнить расчет и проект дополнительного теплообменника из нержавеющей стали с силуминовыми элементами и установить их в газоходах котлов.

В связи с вышеперечисленными финансово-затратными мероприятиями по переводу котлов в конденсационной режим, данный режим работы котельных на территории РФ распространения не получил.

Мы принимаем на себя обязательство по снижению расхода газа на выработку единицы тепловой энергии котла за счет эффективной технологии предварительного подмешивания атмосферного воздуха с природным газом, т.е. эффективного сжигания топлива в топке котла.

Котлы - утилизаторы в котельной ПТС после реконструкции котлов по переводу их из парового режима в водогрейный перестали быть элементом котлоагрегата. Котлы-утилизаторы стали элементами общекотельного оборудования.

Задачи по улучшению технико-экономических показателей котельной в целом перед нами не ставились. Однако хотелось бы отметить, что проектирование современных котлов выполняется с применением энергоэффективных мероприятий по полному сжиганию топлива в топке котла и наиболее полной теплопередачи выделившегося тепла котловой воде.

Тепло, которое по каким-либо конструктивным или эксплуатационным причинам не передалось котловой воде, уходит с отходящими газами. Энергия, получаемая котлами – утилизаторами за счет забора температуры горячих газов направляется для подогрева обратной сетевой воды.

Таким образом, противоречия между БАССПГВ и работой котла - утилизатора на примере режимно-наладочных испытаний на К№1 ОАО «Азнакаевское ПТС» не выявлено.

В любом топливе существует влага. Например, в газе ее больше, в каменном угле значительно меньше. Температура «точки росы» дымовых газов зависит от вида топлива, способа его сжигания и коэффициента избытка воздуха в дымовых газах. В нашем случае, для газообразного топлива температура «точки росы» находится в пределах 50-57°С (грубо 50- 60°С).

Для исключения сернокислой коррозии в хвостовых поверхностях котлов - утилизаторов необходимо выполнять следующие рекомендации:
- работать с минимально-допустимым избытком воздуха;
- забор воздуха в любое время года осуществлять из котельного помещения (не менее 30°С) или подогревать в калориферах.
- температура воды на входе в экономайзер должна быть выше температуры «точки росы» домовых газах на 5-10°С за счет линии рециркуляции сетевой воды.

В случае котельной г. Азнакаево температура уходящих газов за котлом- утилизатором при испытаниях установки БАССПГВ колебалось в пределах 72-93°С, что значительно выше температуры «точки росы».

Невозможно с этим согласиться. Рассмотрим показания из «Сводной таблицы результатов режимно-наладочных испытаний котла-утилизатора ДКВР-20-115 №1 котельной ОАО «АПТС» (топливо - природный газ - ПГ, газовоздушная смесь - ГВС)». Опыты 1, 2, 3 проводились на ПГ, а 4-8 на ГВС.

Рассмотрим расход газа при наиболее близких нагрузках:
1. 7, 86 Гкал/час - 1 050 нм3/час (2 опыт) - ПГ и 7,75 Гкал/час - 1 000 нм3/час (7 опыт) - ГВС;
2. 8, 23 Гкал/час - 1 120 нм3/час (3 опыт) - ПГ и 8,21 Гкал/час - 1 070 нм3/час (8 опыт) - ГВС.

Из приведенных данных видно, что:
1. расход газа меньше в ГВС, чем на чистом ПГ в обоих случаях на 50 нм3/час.
2. снижение температуры уходящих газов между 1 и 6 опытом составило 11°С, между 2 и 7 опытом - 21°С и между 3 и 8 опытом - 14°С.
3. аналогичным образом снизилась сумма потерь тепла котла на 0,69% на ГВС.

В данном случае все это не могло ни привести к повышению КПД котла на ГВС в среднем на 0,7%

На практике процесс сжигания топлива осуществляется в устройствах (топках), отличающихся весьма сложными аэромическими характеристиками. При этом ни одно современное топочное устройство не совершенно с аэродинамической точки зрения, т.е. не может обеспечить идеальное (на молекулярном уровне) смешение топлива и окислителя (воздуха). При высоких температурах и концентрациях исходных компонентов процессы смесеобразования отстают по скорости протекания от скорости химической реакции горения и тем самым тормозят процесс сжигания.

Примером такого процесса является горение предварительно не подготовленной ГВС. При этом смешение происходит уже непосредственно в топочном объеме, а время образования горючей смеси значительно превышает время протекания химической реакции - процесс турбулентной диффузии или диффузионное горение.

В случае с БАССПГВ время смесеобразования и время нагрева, наоборот, несоизмеримо меньше времени, необходимого для протекания химической реакции, т.е. скорость реакции описывается законами химической кинетики, а сам процесс горения протекает в кинетической области.

В случае работы без БАССПГВ наблюдается более худшая организация смесеобразования. В этом случае часть молекул газа, не имея контакта с молекулами окислителя, в зоне высоких температур подвергается термическому разложению с образованием более легких соединений и атомов углерода. Пиролиз газов протекает по сложной схеме преобразования.

Выделяющиеся в результате пиролиза атомы углерода имеют 4 свободные связи, отдельно не существующие, и в зонах недостатка кислорода соединяющиеся между собой, образуя твердые кристаллы графита - мельчайшие частицы сажи. В зоне активного горения они раскаляются, образуя ярко светящийся факел (желтокрасное свечение) - процесс проходит медленно, затягивается - факел получается длинным, растянутым. Некоторое количество сажи неизбежно попадает в зоны с недостатком кислорода и не сгорает, что приводит к потерям тепла с механическим недожогом. Кроме того, на поверхностях нагрева образуется жирный налет сажи, снижающий интенсивность теплообмена.

В случае с БАССПГВ при хорошем смесеобразовании, когда все молекулы горючего вступают контакт с необходимым для полного горения количеством молекул окислителя, образуется сравнительно небольшое количество углеводородных частиц, которые попадая в зону с достаточным содержанием кислорода быстро сгорают. Поэтому длина факела незначительна; при этом значительно повышается удельное тепловыделение, поскольку химическая реакция окисления горючих составляющих газа при высоких температурах протекает практически мгновенно. Укорочение длины факела не означает приближение его к устью горелки и как следствие «выгорание» горелки.

Каждая горелка в заданных пределах изменения производительности должна обеспечивать надежное горение факела без угасаний, пульсаций или отрыва от горелки.

Факел считается устойчивым, если при установившемся режиме подачи топлива он стабилизируется вблизи устья горелки и не меняет своего среднего положения в пространстве, как в случае с БАССПГВ. Это состояние факела подбирается в соответствии со скоростью распространения пламени и противодействующей ей скорости потока ГВС, вытекающей из устья горелки.

Если скорость потока ГВС превышает скорость распространения пламени, то явления «втягивание пламени в горелку», так называемого "проскока" пламени, - невозможно.

При этом если скорость истечения ГВС чрезмерно высока, то смесь не успевает в достаточной степени прогреться за счет рециркуляции продуктов сгорания к корню факела и происходит «отрыв» факела.

Устойчивое горение в широком диапазоне скоростей наблюдается лишь при малом количестве первичного воздуха в исходной горючей смеси. В этом случае источником воспламенения является диффузионный факел, возникающий при горении газа за счет вторичного воздуха с увеличением доли первичного воздуха - пределы устойчивого горения сокращаются, т.к. влияние диффузионного фронта воспламенения нивелируется. При ar = 1, т.е. когда диффузионное горение вообще отсутствует, горение смеси устойчиво лишь в очень узком диапазоне изменения скорости истечения газовоздушного потока.

Поэтому такие опасения можно понять, но не в части проскока» (в наших экспериментах при всех параметрах работы котлов скорость потока ГВС всегда превышала скорость распространения пламени), а в части «отрыва» факела (его погасания) - хотя в наших экспериментах при всех нагрузках мы этого не наблюдали никогда!

В целях 100% исключения возможности «отрыва факела» можно выполнить небольшую реконструкцию горелок с целью повышения температурного уровня в области воспламенения ГВС с закручиванием потоков, обеспечивающих подсос раскаленных продуктов сгорания к корню факела при осевой зоне.

В большинстве использующихся в настоящее время устройствах сжигания топлива оптимизация режима горения обеспечивается путем поддержания соотношения давления топлива и воздуха в соответствии с режимной картой.

Такой способ не является достаточно эффективным, т.к. он не позволяет вести учет изменения температуры и влажности воздуха, теплотворной способности, температуры газа и ряда других внешних факторов. В связи с этим при составлении режимных карт допускают наличие значительного избытка воздуха, чтобы ни при каких обстоятельствах не допустить возникновение химического недожога. В результате, в некоторых режимах количество воздуха превышает оптимальное в 1,5-2 раза, что увеличивает затраты электроэнергии на дутье и приводит к необходимости нагрева избыточного воздуха, т.е. к дополнительному расходу топлива.

Мы предлагаем иной способ регулирования, основанный на адаптированном для данного типа котлоагрегата оборудовании, с использованием газоанализаторов, не использующих при этом электрохимические методы анализа, но позволяющие с помощью контроля одного из показателей в уходящих газах поддерживать режим горения на грани химического недожога.

В нашем случае, при работе на ГВС, регулирование горения на основе контроля содержания углерода в дымовых газах есть возможность исключить «человеческий фактор» и не допускать перерасхода топлива на любых промежутках времени и производительности работы котлоагрегата.

При работе котлов необходим постоянный или периодический контроль за составом продуктов горения, позволяющий определить степень завершенности процесса сгорания (количество продуктов неполного сгорания), условия сгорания топлива (коэффициент избытка воздуха) и т.д. Для правильного ведения топочного режима необходим контроль за содержанием кислорода в выпускных газах. Только в этом случае можно быть уверенным в правильном определении a. По результатам газового анализа определяют тепловые потери котла с выпускными газами из-за химического недожога. Тепловые характеристики зависят от полноты сгорания топлива, а экологические — от степени выполнения требований нормативных документов относительно уровня выбросов дымовых газов и содержания в них оксидов углерода, азота, серы и других токсичных газов, а также утечки этих компонентов в рабочую зону помещения котельных.

Причины отклонения от исходного оптимального режима, на который котел настраивается при его пуске – это естественная разрегулировка топлевосжигающих устройств, смена вида топлива, его сорта, степени качества и т.д. В любом случае результатом является нерациональное (неоптимальное) использование топлива, например, его неполное сгорание, увеличение выбросов вредных веществ в окружающую среду. Учитывая, что малых котельных на территории РФ огромное количество, обеспечение постоянного контроля за их режимами работы становится серьезной народнохозяйственной проблемой - как в области энергосбережения, так и в области охраны окружающей среды. На котельных малой и средней мощности такой контроль часто отсутствует. Это приводит к тому, что котлы со временем начинают работать вне оптимальных режимов, когда расход топлива существенно возрастает, соответственно, увеличивается и количество вредных выбросов.

Для положительного решения данной задачи требуется разработка и внедрение энергосберегающих технологий с минимальными удельными расходами энергоресурсов. Предлагаемая нами технология предварительного подмешивания природного газа с атмосферным воздухом с целью поддержания оптимального горения позволяет за счет установки специальной автоматики для контроля за режимами горения автоматизировать данные режимы. Результатом является уменьшение удельного расхода газа в среднем на 5 м3/Гкал.

Воздух в данном случае подается не в качестве взаимозаменяемого газа (когда и ведется расчет «нового» числа Воббе), а в качестве окислителя для подготовки ГВС и оптимизации процессов горения в факеле горелки с увеличением тепловой мощности газогорелочного устройства.

Допустив, что воздух является взаимозамещающим газом, одинаковое (допускается отклонение числа Воббе до 7%) число Воббе можно достичь изменением давления газа перед газогорелочным устройством:

0н=Qн*VPr1Pr2-pr1pr2=const, т.е. все равно есть возможность использования этой же горелки.

Подмес воздуха предполагается осуществлять в несравнимо малых объемах (до 5÷20%) от объема газас получением более эффективного горения за счет исключения времени на смесеобразование в горелке, увеличения скорости протекания химических реакций и переводом части процесса теплопередачи из конвективного теплообмена в радиационный (в 4-ой степени больше конвективной), т.е. при одинаковых условиях энергия излучения превышает энергию конвекции в сотни тысяч раз.

Визуально это определяется изменением формы факела и его цветом. Факел становится укороченным и без желтых язычков. Можно выполнить упрощенный расчет:
Энергия конвекции: qK= ar*(tПС-tПГ)
Энергия радиации: qP= ar*(TПС/100)4-(TПГ/100)4, если пренебречь коэффициентами: излучения абсолютно черного цвета, степени черноты газа, поглощательной способности газа, эффективной степени черноты стенки. Где: tПС - температура теплопередающей стенки °С; tПГ - температура продуктов сгорания °С; TПС, TПГ- термодинамические температуры стенки и газа; ar - коэффициент теплопередачи.

Таким образом, эффективность теплопередачи факела и продуктов сгорания являются определяющими. Проектное количество газа горелки просто уже не нужно для выработки заданного количества тепловой энергии. Данный эффект мы увидим по фактическому снижению удельного расхода газа на единицу тепловой энергии.

При калорийности природного газа 8200Ккал и удельной характеристики 135 м. куб. на выработку одной Гкал, КПД составляет 90,33%.
При работе БАССГВ , обеспечив 5% подачи атмосферного воздуха в природный газ добиваемся от (2,2 -3)м.куб. экономии природного газа, т.е. 92,38% КПД.

При меньшем количестве сжигании природного газа и одинаковым коэффициенте Альфа в котёл поступает меньше основного атмосферного воздуха , следовательно выбросы в атмосферу NOx уменьшаются.