[设计]天然气燃烧新技术

[设计]天然气燃烧新技术 天津城设管理职业技术学院 毕业设计论文 目:天然气燃烧新技术 作者:李干 系别:能源机电系 专业:城市燃气工程技术 学号:080401024 指导教师:李军 2011年3月 目录 内容摘要 ???????????第3页 正文 一、天然气目前的现状???????? 第4页 二、天然气的燃烧方式?????????第5、6页 1、扩散式燃烧??????????第5页 2、大气式燃烧?????????第5页 3、预混式燃烧?????????第6页 三、目前天然气燃烧利用方式的特点?????????第6页 四、天然气燃烧新技术?????????????第6、7页 五、总结????????????????第8页 参考资料??????????????????第9页 内容摘要 我国经济快速增长,各项建设取得巨大成就,但也付出了巨大的资源和环境代价,经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐,环境污染问题反应强烈。节能减排势在必行。建设节约型和环境友好型社会的主体,应从多方面着手,积极主动开展工作,全面完成各项节能减排任务,促进能源与环保协调发展,走可持续发展的新型工业化道路。 天然气是一种公认的清洁、高效、优质能源，在化工、电力、城市燃气等工业和民用领域正得到广泛的应用。随着西气东输全面实施，我国的天然气工业将进入一个快速发展阶段。 然而天然气燃烧热之高，污染排放物少，但是在正常的燃烧条件下仍排放大量的NOX、CO以及SO2.研究表明，天然气催化燃烧技术不仅可以提高燃烧率，而且可以有望从根本上改善天然气燃烧的污染物排放问题。 催化燃烧可以使燃料在较低的温度下实现完全燃烧，对改善燃烧过程、降低反应温度、促进完全燃烧、抑制有毒有害物质的形成等方面具有极为重要的作用，是一个环境有好的过 程，启用用领域不断扩展，已广泛的应用在生产与日常生活的诸多方面 天然气燃烧新技术 我国经济快速增长,各项建设取得巨大成就,但也付出了巨大的资源和环境代价,经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐,环境污染问题反应强烈。节能减排势在必行。建设资源节约型和环境友好型社会的主体,应从多方面着手,积极主动开展工作,全面完成各项节能减排任务,促进能源与环保协调发展,走可持续发展的新型工业化道路，因此必须采用清洁能源。 天然气作为未来的主要能源，具有许多其他能源所不具备的优势: 1 (天然气是最清洁的燃料。天然气燃烧后生成二氧化碳和水，与煤炭和重油比较，燃烧天然气产生的有害物质大幅度减少，如以天然气代替燃煤，可减少氮氧化物排放量 80 — 90 ,，一氧化碳排放量可减少 52 ,，并基本杜绝二氧化硫的排放和城市酸雨的产生。 2 (天然气更经济实惠，比液化石油气便宜约 50 ,左右。 3 (天然气热效高，在同样压力下，天然气在燃烧时较相同体积的大部分其他矿物燃料释放出更高的热值。 4 (天然气还具有安全的特点，燃烧时不会产生一氧化碳等有毒气体，不会危害人体健康，密度比空气轻，即使泄泄露，也是往上空飘散，不易形成爆炸源。 然而我国国民经济持续快速增长，工业化进程明显加快，石油和化学工业发展迅速，形成了巨大的能源需求，旧有能源体系已无法适应新形势的需要，由此产生的资源、环境和安全，节能减排问题越来越受到社会关注。天然气作为一种非常重要的化工生产原料，天然气安全及其减少其燃烧对环境造成的污染越来越受到关注 目前我国燃气燃烧的方式主要有三种:扩散式燃烧、大气式燃烧、预混式燃烧。 (1)、扩散式燃烧 将管口喷出的燃气进行燃烧，如果燃气中不含氧化剂，则燃烧所需的氧气将依靠扩散作用从周围大气获得。这种燃烧方式称为扩散式燃烧 在层流状态下，扩散燃烧依靠分子扩散作用是周围氧气进入燃烧区;在紊流状态下，则依靠紊流扩散作用来获得燃烧所需要的氧气。由于分子扩散进行的比较缓慢，因此层流扩散燃烧的速度取决于氧的扩散速度。燃烧的化学反应进行得很快，因此火焰焰面厚度很小 (2)、大气式燃烧 1855年本生创造出一种燃烧器，他能从周围大气中吸入一些空气与燃气预混，在燃烧时形成不发光的蓝色火焰，这就是实验室常用的本生灯。预混式燃烧的出现使燃烧技术得到很大的发展。 扩散式燃烧容易产生煤烟，燃烧温度也相当低，但当预先混入一部分燃烧所需空气后，火焰就变得清洁，燃烧得以强化，火焰温度也提高了。因此部分预混式燃烧得到了广泛的应用。在习惯上又称大气式燃烧 本生火焰是部分预混层流火焰的经典例子，它由内锥和外锥组成。在内锥表面火焰向内传播，而未燃的燃气空气混合物则不断地从锥内向外流出。在气流的法向分速度等于法向火焰传播速度之初便出现一个稳定的焰面，其形状近似于一个圆锥面，颜面内侧有一层很薄的浅蓝色燃烧层，因此内锥又称蓝色锥体 由于一次空气量小于燃烧所需要的空气量，因此在蓝色椎体上仅仅进行一部分燃烧过程。所得的中间产物穿过内锥面，其外部按扩散方式与空气混合面燃烧。一次空气系数越小，外锥就越大 (3)预混式燃烧 完全预混式燃烧是在部分预混式燃烧的基础上发展起 来的，它虽然出现的较晚。但因为在技术上比较合理，很快便得到了广泛的应用 进行完全预混式燃烧的条件是: 第一、 燃气和空气在着火前预先按化学当量比混合均匀 第二、 设置专门的火道，使燃烧区内保持稳定的高温 在以上条件下，燃气-空气混合物到达燃烧区后在瞬间燃烧完毕。火焰很短甚至看不见，所以又称无焰燃烧 完全预混式燃烧火道的容积热强度很高，并且能在很小的过剩空气系数下达到完全燃烧，因此燃烧温度较高 完全预混式可燃物的燃烧速度极快，但火焰稳定性差。 完全预混式燃烧过程的热强度与火道有很大的关系。正确设计的货到不仅提高了燃烧稳定性，增加了燃烧强度，而且高温火道对迅速燃尽也起了很大的作用 天然气燃烧利用方式主要是借助燃烧器进行燃烧。燃烧器的种类很多。按一次空气系数分类可分为1、扩散式燃烧器，燃气与空气不预混，一次空气系数等于0;2、大气式燃烧器，燃气与一部分空气预先混合，一次空气系数为0.2~0.8;3、预混式燃烧器，燃气与空气完全预混，一一次空气系数大于1. 对燃烧器的技术要求主要有以下几个方面 一、 燃烧比较完全。 二、 燃烧稳定。当燃气压力、华白指数和燃烧势在正常范围内波动时，不 发生回火和脱火现象 三、 燃烧效率较高。 四、 再而顶压力下，燃烧器能达到所要求的热负荷 五、 结构紧凑、金属消耗少、调节方便、工作无噪声 扩散式燃烧器燃烧稳定，不会回火，运行可靠;结构简 400帕单，制造方便;操作简单，容易点火;可利用低压燃气，燃气压力为200-或者更低时，仍能正常工作;不需要鼓风。然而其燃烧强度低，火焰长，需要较大的燃烧室;容易产生不完全燃烧。为使燃烧安全，必须供给较多的过剩空气; 由于过剩空气系数较大，燃烧温度低。其适用于沸水器、热水器、纺织业中的加热设备及小型采暖锅炉，用作点火器和指示性燃烧器。 大气式燃烧器通常利用燃气引射一次空气，故属于引射式燃烧器。根据燃气压力的不同，它又可分为低压引射和高(中)压引射器，前者多用于民用后者多用于工业装置。 大气式燃烧器比扩散式燃烧器火焰短、火力强、燃烧温度高;可以燃烧不同性质的燃气，燃烧比较完全、燃烧效率比较高、烟气中CO含量比较少;可应用低压燃气，由于空气依靠燃气吸入，所以不需要送风设备;适应性强，可以满足较多工艺的需求。然而由于只预混了部分空气，而不是全部燃烧所需的空气，故火孔热强度、燃烧温度虽比自然引风扩散式燃烧器高，但仍受限制，仍不能满足某些工艺的要求;当热负荷较大时，多火孔燃烧器的结构比较笨重。适用范围广，在家庭及公用事业的燃气用具如家用灶、热水器、沸水器及食堂灶用得最广，在小型锅炉及工业炉上也有应用 完全预混式燃烧器有混合装置及头部两部分组成。根据燃烧器使用的压力、混合装置及头部结构的不同，完全预混式燃烧器按压力可分为加压混合和采用引射作为混合装置;按头部结构分为无火道头部结构、有火道头部结构、用金属或陶瓷稳焰器做成的头部结构。 完全预混式燃烧器燃烧完全，化学不完全燃烧较少;过剩空气少，当用于工业炉直接加热工作时，不会引起工件过分氧化;燃烧温度高，容易满足高温工艺要求;火道式无焰燃烧器燃烧强度大，因而可缩小燃烧室容积。设有火道，容易燃烧低热值燃气;不需鼓风，节省鼓风设备。然而完全预混式燃烧器为保证燃烧稳定，要求燃气热值及密度要稳定;发生回火的可能性大，调节范围比较小。为防止回火，头部结构比较复杂和笨重;热负荷大的燃烧器，结构庞大和笨重。故每个燃烧器的热负荷一般不超过2300千瓦。噪音大，特备是高压和高负荷时更是如此。主要应用在工业加热装置上。 然而能源的过度消耗导致了日益严重的环境污染。天然气是重要的化石清洁能源。然而天然气燃烧热之高，污染排放物少，但是在正常的燃烧条件下仍排放大 及SO2.研究表明，天然气催化燃烧技术不仅可以提高燃烧率，而量的NOX、CO以 且可以有望从根本上改善天然气燃烧的污染物排放问题 催化作用与燃烧技术的结合已有很长的历史，但现代催化燃烧技术是近几十年来对环境与节能的要求日益迫切的形势下应运而生的一门新兴技术。20世纪50~60年代，汽车尾气净化技术和有机废气催化焚烧技术的发展为研究共进料情况下燃起催化氧化积累了大量实验依据和数学模型。20世纪90年代初期，各国政府对空气质量法规中排放的进一步紧缩，史为高温催化燃烧技术的研究提供了新的动力。从20世纪70年代中期开始，被催化燃烧技术所带来的经济效益和环境效益所吸引。各大企业和科研部门针对该技术的应用和基础理论展开了全球性的研究竞赛，特别是在21世纪初，新兴的石油化学工业以及精细化学工业的蓬勃发展，推动了催化作用基础理论的研究，大大的深化了对催化剂和催化的本质的认识。催化燃烧技术不仅在消除污染、环境保护方面显示出独特的优势，而且在能源利用的节省方面也甚为有效。 催化燃烧可以使燃料在较低的温度下实现完全燃烧，对改善燃烧过程、降低反应温度、促进完全燃烧、抑制有毒有害物质的形成等方面具有极为重要的作用，是一个环境有好的过程，启用用领域不断扩展，已广泛的应用在生产与日常生活的诸多方面 催化燃烧是典型的气--固相催化反应，它借助催化剂降低了反映的活化性，使其在较低的起燃温度200~300摄氏度下进行无焰燃烧，有机物质氧化发生在固体催化表面，同时产生CO2和H2O，并放出大量的热量。引起氧化反应温度低，所以大大的抑制了空气中的N2形成高温NOX.而且由于催化剂有选择性催化作用，有可能限制燃料中含氮化合物的氧化过程，使其多数形成分子氮。 与传统的火焰燃烧相比催化燃烧有大量的优势: (1)起燃温度低，能耗少，燃烧易达稳定，甚至到起燃温度后无需外接传热就能完成氧化反应 (2)净化效率高，污染物(如NOX及不完全燃烧产物等)的排放水平较低 (3)适应氧浓度范围大，噪音小，无二次污染。且燃烧缓和，运转费用低，操作管理也很方便 天然气催化燃烧可以分为三大类:第一类是扩散催化燃烧。燃气未经预混从平面燃烧器后端达到催化剂表面，淹没过期从四周扩散到催化剂表面。使燃气在催化剂表面催化燃烧，热量从表面辐射出去燃烧温度一般小于600摄氏度。目前，市场上的催化燃烧炉灶和部分正在开发的催化燃烧红外辐射加热器属于此类燃烧方式;第二类是预混贫燃绝热催化燃烧。使用蜂窝状催化剂。天然气与空气经过预混和预热在绝热反应器中的蜂窝状催化剂上发生表面催化燃烧和气相燃烧，燃烧温度高达1200~1300摄氏度，应用于燃气轮机;第三类是预混辐射催化燃烧。催化剂可以是管、平面或蜂窝状。天然气与空气经过与混在催化燃烧其中发生表面催化和气相反应，燃料能量转换为红外辐射能量传出。催化燃烧红外辐射加热器的燃烧方式可以采用第一类和第三类催化燃烧 天然气按一定比例与空气混合，在催化剂表面进行无焰燃烧，避免气相燃烧发出的可见光而造成的能量损失，其能量大部分转化为红外射线，可以用于物体干燥加热，称为催化燃烧红外辐射加热。红外辐射加热以电磁波的形式传递热量，不需要任何媒介，热损失小。当被加热分子受到某种频率的红外线照射时，辐射源的辐射能谱与被加热物分子产生共振吸收，加速分子内部的热运动，从而达到升温加热的目的。目前市场受红外加热设备一般是电红外，可以发射全波段的红外光谱并得到广泛应用，缺点是一次性投资和运作成本高，能源利用率低，而能源短缺不可回避，发展节能技术是资源节约型社会发展的战略性选择，天然气红外加热技术由此应运而生，并已经在工业和民用燃烧设备上得到广泛应用。如涂装工业可用于汽车、自行车、缝纫机和家用等的漆膜干燥，纺织工业活性染料印花的干燥、塑料制革工业树脂干燥和皮革干燥以及农业生产谷物油料干燥和种子处理等实践证明，天然气红外辐射加热比传统的对流加热和红外加热具有投资省、效率高、运行成本不低和污染少等优点。 天然气催化燃烧红外辐射加热技术利用其体燃烧在催化剂表面均匀燃烧，克服了非催化天然气红外辐射加热技术的缺点，比非催化天然气红外技术具有更高的能量转化率和能源利用率 催化燃烧在环境友好工程中的应用 (1)催化燃烧应用在燃气轮机发电领域 美国在20世纪末最后十年里，天然气电厂以每年6000MW装机容量的速度逐年递增。随着‘‘西气东输’’世纪工程的启动，我国天然气发电领域也逐步与世界接轨，因此对该领域中存在的应用技术问题的探究已是刻不容缓。天然气燃烧中的环境问题是由于天然气的热值较高，似的燃烧室温度高达1800摄氏度，助 燃空气中的N2，发生高温氧化，造成NOX污染。它以催化燃烧代替传统的获赔燃烧方式，燃烧室温度被降至1500摄氏度以下，能够有效的抑制热效应NOX，生成反映的发生。工业领域对催化燃烧技术的兴趣还在于，催化剂能够稳定贫燃火焰，进行高温燃比燃烧，增大了燃料的利用率;另外，催化剂促进的无焰燃烧，产生的热流温度适中，无需冷却空气进行稀释，可直接驱动燃气轮机发电不仅能够降低对环境的破坏，还大大的提高了燃气轮机的效率 推广催化燃烧技天然气催化技术燃烧红外辐射加热技术克服了一半天然气红外辐射加热燃烧温度高、容易回火、NOX、CO2和UHC排放量高等缺点。目前，催化燃烧技术的研究与应用进入了一个快速发展的阶段，它的作用也越来越被人们所重视。催化燃烧技术也在许多领域得到了运用。例如汽车及其他机动车辆由于引入了催化技术、节省了燃料，加盟很低了废弃物的排放，使环境污染的程度大大降低。催化技术也成功应用于家用燃气的催化燃烧，水泥熟料的煅烧，但进一步的研究仍是非常必要的。 催化燃烧领域的应用广泛，意义之大，在未来的社会发展美中，它具有举足轻重的地位，对节能降耗，合理利用资源和保护环境上都具有重要的推动作用。因此，大力推进催化燃烧技术的研究工作，积极术的应用，对社会的发展和环境的保护具有深刻积极的影响 参考文献 1、《燃气燃烧与应用》(第三版) 同济大学、哈尔滨建筑大学、重庆建筑大学、北京那个建筑工程学院编 中国建筑工程出版社 2、《燃气应用技术》 普理查德等 中国建筑工业出版社，1983 3、《燃气供应》 詹淑慧 中国建筑工业出版社 2004 《天然气催化燃烧理论与应用》 张世红、何林、孙巍 北京建筑工程学院， 4、 北京 5、《催化燃烧技术的应用进展》 田凌燕、蔡烈奎、汪军平、王华 克拉玛依石油公司 炼油化工研究所 新疆 克拉玛依