Авторы: Мищенко М. В., Маслов В. А., Дзюбенко О. Л.
Источник: Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации» — 2011, № 7.
Мищенко М. В., Маслов В. А., Дзюбенко О. Л. Повышение экономической эффективности процессов топливных теплоэнергетических установок путем обогащения технологического воздуха кислородом. 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.
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]:
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 η, который определяется эмпирической зависимостью, где с — объемная доля кислорода в дутьевом воздухе, в долях от целого. При этом в случае η>1 наблюдается перерасход топлива, а при η<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.
| 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:
Можно с уверенностью утверждать, что мембранный способ производства кислорода из атмосферного воздуха с целью экономии топлива весьма перспективен.