16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/351/9037051.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 19 (351) октябрь 2018 года

Проблема «лишнего» топлива и ее решение

Тема номера К. т. н. Игорь ДУБРОВИН, К. т. н. Евгений ДУБРОВИН, доцент Станислав СИЛАЕВ

Энергетические установки всех видов и типов, сжигающие углеводородное горючее, являются основными антропогенными источниками загрязнения окружающей среды.

Ежесекундно энергетические установки сбрасывают во внешнюю среду тысячи тонн различных продуктов сгорания, в составе которых обязательно присутствует и недогоревшее топливо.

Очевидно, что сброшенное углеводородное горючее не было использовано по прямому назначению, то есть для получения полезной энергии, потому что в зону горения оно было подано сверх требуемой нормы, а значит, количество этого компонента реакции окисления было превышено, в результате чего топливо и оказалось «лишним».

Откуда же появляется «лишнее» топливо и можно ли устранить причины его появления?



Об избытках воздуха

Традиционно компоненты реакции окисления (топливо и воздух) подаются в зону горения раздельно, где смешиваются и образуют топливно-воздушную горючую смесь.

К сожалению, такая схема подачи горючего и окислителя в зону горения не учитывает целого ряда постоянно меняющихся во времени качественно-количественных характеристик топлива, таких, как структура и размеры топливных капель, различие молекулярного строения топливных углеводородов, виды углеводородных соединений и типы химических межмолекулярных связей. Именно эти характеристики подаваемого на горение топлива оказывают существенное влияние на качественно-количественные характеристики процесса сгорания или качество организации реакции окисления углеводородных соединений в зоне горения.

Использование общепринятой раздельной схемы подачи топлива и воздуха позволяет приготавливать неоднородную или, говоря научным языком, гетерогенную топливно-воздушную горючую смесь, сжигание которой во всех случаях сопровождается нехваткой, а в отдельных случаях и отсутствием окислителя и / или горючего в одних локальных зонах горения и их избытком в других. Так, в начальной зоне горения наблюдается значительный избыток (перерасход) воздуха и недостаток горючего, в то же время в конечной зоне горения, наоборот, ощущается недостаток воздуха и избыток топлива. Именно по этой причине для обеспечения устойчивого сгорания гетерогенной (неоднородной) горючей смеси с переменными и быстро изменяющимися по времени параметрами топлива в зону горения приходится постоянно подавать и поддерживать большее, чем требуется для протекания реакции окисления, количество окислителя – атмосферного воздуха.
В то же время хорошо известно, что оптимальное или теоретическое соотношение горючего и окислителя в приготовленной топливно-воздушной смеси должно быть 1:10‑11, или составлять 1 кг (одна часть, или доля) топлива на 10‑11 кг (десять-одиннадцать частей, или долей) воздуха. В действительности же количество затрачиваемого на горение воздуха превышает теоретическое значение и отражается через численное значение коэффициента избытка воздуха (a), которое, помимо всего прочего, определяется видом сжигаемого топлива и способом подачи воздуха (самовсасыванием или принудительным). При сжигании жидкого нефтяного топлива численное значение коэффициента a для атмосферных ЭУ принимается в пределах от 1,3‑1,5, в то же время a для ЭУ с турбонаддувом достигает значения 5,0 и более.

В реальных условиях эксплуатации фактическое значение коэффициента a значительно больше, чем указано выше, что обусловлено его умышленным завышением в два, три раза и более. При высоких значениях коэффициента a огромная масса / объем воздуха за относительно короткий период транзитом проходит через зону горения и, не участвуя при этом в реакции окисления, нагревается до высоких температур и далее сбрасывается в окружающую среду, значительно увеличивая при этом массу / объем дымовых (выхлопных) газов даже при постоянных или сниженных расходах топлива.



О «лишнем» топливе

Наличие избытков воздуха в различных локальных зонах горения, как известно, приводит к увеличению разности (градиента) температур в объеме горения, и, как следствие, к перерасходу топлива, потребляемого для нагрева избыточного, абсолютно бесполезного для протекания процесса горения, воздуха. В энергетическую установку это топливо подается сверх требуемой нормы и тратится главным образом на нагрев и перегрев излишков воздуха, именно поэтому затраченное на нагрев лишнего воздуха (читай, на подогрев атмосферы) топливо можно с уверенностью называть «лишним». В то же время нехватка окислителя в той или иной локальной зоне горения вызывает химический и механический недожоги, результатом чего является получение продуктов пиролиза: сажи, копопи, бенз(о)пирена.

По мнению авторов, возникновение «лишнего» топлива, а также выброс продуктов пиролиза являются следствием использования раздельной схемы подачи топлива и воздуха и заложены в способе приготовления топливно-воздушной горючей смеси. К сожалению, раздельная схема приготовления сегодня по‑прежнему широко применяется во всех типах топливо­сжигающих установок, вызывая выброс огромного количества углеводородного топлива в окружающую природную среду.



Что показывают расчеты

Количество выбрасываемого из дымовой или выхлопной трубы любой топливосжигающей установки «лишнего» топлива нетрудно определить.

Для примера рассчитаем количество «лишнего» дизельного топлива для отечественного городского автобуса ЛИАЗ-5293 с турбированным дизельным двигателем ЯМЗ-5362, декларируемый расход топлива которого в смешанном цикле составляет 27 л дизтоплива на 100 км пробега.

Для выполнения расчета необходимо учесть следующее:

• все расчеты производятся на 100 км пробега;

• процесс сгорания топлива в цилиндрах организован правильно;

• единицы измерения количеств дизтоплива и воздуха – килограммы.

С учетом плотности дизельного топлива, равной 850 кг / кубометр, расход топлива автобусом ЛИАЗ-5293 на 100 км пробега составит 22,95 кг / 100 км ( (27 л: 1000 куб. м / л) × 850 кг / куб. м).

При турбинном наддуве воздуха в дизель коэффициент избытка воздуха составляет не менее 5,0, то есть на окисление одного килограмма дизельного топлива в цилиндры двигателя нагнетается около 50 кг атмосферного воздуха. Таким образом, фактическое количество воздуха, подаваемое в цилиндры двигателя ЯМЗ-5362 турбиной компрессора, равно 1147,5 (50 × 22,95) кг и более. Между тем, оптимальным или требуемым, соотношением топлива и воздуха, как указывалось выше, является соотношение, равное 1,0:11,0, и для сжигания 22,95 кг топлива достаточно всего лишь ~252,5 (11 × 22,95) кг атмосферного воздуха. При этом на нагрев и перегрев избыточного воздуха, равного ~895 (1147,5‑252,5) кг, сверх основного расхода в камеру сгорания подается около ~2,5 кг / ч (или более 11,1 %) топлива. (Расчеты выполнены по формулам:

P = [Q × 0,36 × (Tвых – Tвх)]: 4,19, где P – требуемая для нагрева теплота в кДж; Q – расход воздуха в кг / час; (Tвх – Tвых) – перепад температур на входе и выходе камеры сгорания дизеля (температура нагрева атмосферного воздуха от +15° С до +1500° С); Вл = P: QРН, где Вл –топливо, подаваемое в камеру сгорания двигателя сверх требуемой нормы, или «лишнее» топливо, в кг; QРН – теплотворная способность дизельного топлива 44 800 кДж / кг; транспортное средство – автобус ЛИАЗ-5293 с турбодизелем ЯМЗ-5362.) Очевидно, что это горючее, подаваемое за час в камеру сгорания двигателя сверх нормы, представляет собой не что иное, как «лишнее» топливо.

В зоне горения под воздействием высоких температур все «лишнее» топливо, изменяясь качественно и не меняясь количественно, термически трансформируется и в газообразном и жидком состоянии из камеры сгорания двигателя поступает в выхлопную трубу, а далее – в окружающую природную среду. После перевода килограммов в литры получается, что при работе двигателя автобуса ЛИАЗ-5293 с турбодизелем ЯМЗ-5362 за 100 км пробега в окружающую природную среду сбрасывается около 3,0 л ( (2,5 кг: 850 кг / кубометров) × 1000 кубометров / л) «лишнего» топлива. Это означает, что при среднемесячном пробеге автобуса ЛИАЗ-5293 с турбодизелем ЯМЗ-5362, равным 8000‑10  000 км (80‑100 раз по 100 км) в окружающую природную среду только с одного автобуса сбрасывается 240‑300 л дизельного топлива (!).

Учитывая, что практически все современные автобусы ЛИАЗ, а их, согласно данным Автостата РФ, на 1 июля 2017 г. в России эксплуатировалось 34  400 единиц, оснащены турбированными дизельными двигателями, среднемесячный выброс «лишнего» топлива в окружающую среду одновременно всеми автобусами данной марки с жидкостным ДВС (примем 50 % от общего количества), по самым скромным подсчетам, составляет не менее 4,2‑5,2 млн литров дизельного топлива (!). В реальных условиях количество выброса «лишнего» топлива значительно выше, поскольку фактический расход топлива автобусами ЛИАЗ превышает декларируемый, а в расчетах не учитывается городской цикл функционирования этих транспортных средств и время работы двигателя на отдельных режимах, на которых потребление топлива несколько выше.

По использованной методике можно определить количество «лишнего» топлива не только для дизельных энергетических установок, но и для газотурбинных и котельных ЭУ.

Следует отметить, что максимальное количество «лишнего» топлива появляется и, соответственно, сбрасывается в окружающую природную среду из дымовой / выхлопной трубы энергетической установки на режимах «холостого хода» и «увеличения / набора мощности», поскольку именно на этих режимах работы энергоустановок наблюдается избыток горючего и дефицит окислителя, что приводит к приготовлению обогащенной горючей смеси, сжигание которой, кроме всего прочего, вызывает наибольший химический и механический недожоги топлива.



Проблема решаема

Значительное снижение, а в отдельных случаях и полное устранение «лишнего» топлива и, соответственно, исключение его сброса в окружающую среду может быть достигнуто, например, за счет предварительного смешения компонентов горючей смеси и ее подачи в зону горения. В этом случае вместо традиционной топливно-воздушной смеси будет приготавливаться воздушно-топливная смесь с оптимальным соотношением окислителя и горючего на всех режимах работы топливосжигающей установки.

Конструктивно способ приготовления воздушно-топливной горючей смеси может быть реализован за счет внедрения и использования многофункционального универсального распылителя жидкого топлива, в основу работы которого положено эжектирование жидкого топлива атмосферным воздухом высокого давления. Смешение горючего и окислителя в этом случае происходит непосредственно во внутренней полости распылителя – таким образом, реализуется совместная схема подготовки и подачи компонентов горючей смеси в зону горения.

Многофункциональность нового технического устройства заключается в одновременном выполнении им нескольких физико-химических процессов: самовсасывания топлива, струйно-кавитационной обработки топлива на межмолекулярном уровне, газификации легких топливных углеводородов, получения мелкодисперсной (размер капель не более 5 8 мкм) топливной струи и, наконец, приготовления гомогенной (однородной) высококачественной воздушно-топливной смеси с оптимальным соотношением компонентов.

Универсальность распылителя заключается в возможности приготовления пригодной для эффективного сжигания высококачественной воздушно-топливной смеси на основе практически всех известных сегодня видов жидких и газообразных углеводородных энергоносителей (товарных топлив, сырой нефти, нефтесодержащих отходов, топливных смесей, водо-топливных и водо-нефтяных эмульсий и суспензий), независимо от их вязкости, плотности, влагосодержания и других физико-химических показателей.

Распылитель может быть использован практически в любой энергетической установке, поскольку его работа не ограничивается качеством подаваемого на горение топлива и не требует обязательного наличия топливного насоса, при этом для перехода работы установки с одного вида топлива на другой замены распылительного устройства не требуется, а необходимо изменить давление и расход воздуха, подаваемого в распылитель.
Многофункциональный универсальный распылитель жидкого топлива представляет собой струйный аппарат, рабочей средой которого является сжатый воздух, а всасываемой – жидкое или газообразное топливо.



Выводы

По мнению авторов, наличие «лишнего» топлива и его выброс в окружающую природную среду является не чем иным, как платой за использование в XXI в. устаревших технологий, в том числе и технологии приготовления и сжигания традиционно используемой горючей (топливно-воздушной) смеси.

Очевидно, что XXI в. будет веком экономии и рационального использования всех видов природных ресурсов, в том числе и энергетических, именно поэтому уже сегодня необходимо разрабатывать и широко внедрять энерго­сберегающие технологии.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 19 (351) октябрь 2018 года: