автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка и исследование электроозонатора для повышения эффективности сжигания печного топлива в котельных АПК

На правах рукописи

Г Г О 01

Драгин Валерий Александрович

- 2 .Ци II)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛНГРООЗОНАТОРА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЖИГАНИЯ ПЕЧНОГО ТОПЛИВА В КОТЕЛЬНЫХ АПК.

Специальность 05. 20. 02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Краснодар 2000

Работа выполнена в Кубанском государственном аграрном университете

Научный руководитель: кандидат технических наук

профессор АндрейчукВ.К.

Научный консультант: кандидат технических наук

доцент НормовД.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Ксенз Н.В. кандидат технических наук доцент Будько Н.П.

Ведущее предприятие АО «Кубаньэнерго»

Защита состоится «_»_2000 г.

в 12 часов на заседании диссертационного совета К 120. 23. 07. Кубанский государственного аграрного университета по адресу: г. Краснодар, ул. Калинина, 13, электрофак, зал заседаний совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного аграрного университета.

Автореферат разослан «_»_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук доцент „ ,, /Г; , СтрижковИ.Г.

О О

Общая характеристика работы.

Индустриализация и постоянное стремление человека к дальнейшему развитию привели к большому росту потребления энергии. Это вызывает соответствующее увеличение производства энергии, однако, несмотря на постоянное увеличение производства и продолжающееся улучшение энергетической техники, эффективность многих технологических процессов чрезвычайно низкая, так как технологи в России, разрабатывая соответствующие процессы, зачастую не ставили во главу угла вопросы экономии топлива. Такому подходу объективно способствовали неоправданно низкие цены на органическое топливо, например, нефть, стоила 32 руб. за одну тонну, в то же время на мировом рынке ее цена в июне 1987 составляла 110 долларов за м3, в связи с этим отечественные процессы зачастую более энергоемкие, чем зарубежные.

Потребность нашей страны в топливо-энергетических ресурсах в настоящее время оценивается в размере более 2 млрд. тонн условного топлива в год.

Во всей цепочке энергокомплекса от добычи топлива до практического применения тепловой и электрической энергии, по мнению специалистов, коэффициент полезного использования топливо -энергетических ресурсов составляет 44%, в сельскохозяйственном производстве эта цифра значительно ниже, так как большинство котельных, используе-

мых на селе, это котельные малой мощности. По статистическим данным в аграрном секторе нашей страны ежегодно сжигается около 52 млн. тонн условного топлива на котельных, КПД которых составляет менее 60%.

Все это приводит к необходимости изыскания путей повышения эффективности сжигания органического топлива. Одним из путей решения вопроса является сжигание топлива в озоно-воздушной смеси. Отечественные и зарубежные исследования показали, что озон способствует увеличению полноты сгорания и уменьшению количества выбрасываемых в атмосферу вредных веществ. В то же время недостаточно изучено влияние озона на сжигание отдельных видов органического топлива, не определены оптимальные условия сжигания печного топлива в озоно-воздушной смеси. Выпускаемые промышленностью электроозонаторы имеют невысокую производительность при существенных габаритах, что затрудняет их использование в котельных АПК. Поэтому возникла необходимость в разработке озонирующего устройства для котельных АПК и повышения эффективности процесса сжигания печного топлива.

Актуальность таких разработок обусловлена не только объективным ходом совершенствования техники, но и необходимостью энергосбережения и охраны окружающей среды.

Целью работы является разработка и исследование конструктивных и режимных параметров элетроозонатора, а также выявление оптимальных параметров процесса горения печного топлива в озо-но-воздушной смеси для повышения эффективности сгорания топлива и снижения токсичности продуктов реакции.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Разработать генератор озона, обеспечивающий высокую производительность по озону, имеющий несложное конструктивное исполнение, небольшие габариты и достаточно простое обслуживающее оборудование.

2. Установить влияние добавки озона в воздушную смесь на процесс горения печного топлива и выход токсичных веществ, содержащихся в отходящих газах котла.

3. Оптимизировать процесс горения печного топлива по параметрам озоно-воздушной смеси.

4. Произвести производственную проверку, внедрить разработанную технологию в котельных АПК и дать ее технико-экономическую оценку.

Научная новизна. Разработаны и исследованы электроозонаторы, содержащие электроды, выполненные из различных металлов. Получены математические модели, описывающие влияние конструктивных и режимных параметров на процесс обра-

зования озона. Конструкция защищена патентом Российской Федерации.

Выявлено влияние добавки озона на содержание оксида углерода, диоксида углерода, кислорода, окислов азота в отходящих газах, а также недожог топлива. Выявлены математические зависимости содержания в отходящих газах: оксида углерода (СО), диоксида углерода (ССЬ), кислорода (Ог), окислов азота (Ж)х), недожога топлива (СпНт) от количества печного топлива, воздуха, озона, участвующих в процессе горения.

В результате проведенных исследований определено оптимальное количество озона на 1 кг. печного топлива, для различных условий сжигания топлива.

Практическая ценность и реализация результатов исследования. Использование озонатора на котле ТАУ-1,5 теплопроизводительностью 6,7 гКал/час позволило получить экономию топлива порядка 5-8%. Токсичность газов отходящих в атмосферу снижена на 10-20%, что подтверждено актом внедрения технологического процесса повышения, эффективности сгорания печного топлива на котлах типа ТАУ-1,5 в МУП "Северские тепловые сети", Северского района Краснодарского края.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях ГАУ в 1999 и 2000 гг. и на краевой конференции молодых ученых в

2000 г. (г. Краснодар).На международной научно-технической конференции «Энергосберегающие технологии в сельском хозяйстве» 2000 г. , г. Москва, ВИЭСХ. На научно-технической конференции 2000 г., г. Зерноград, АЧГАА.

Публикация результатов работы. Результаты исследований опубликованы в 9 печатных работах, в том числе получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Объем 145 страниц, из них 134 основного текста, 41 рисунков, 5 таблиц и 5 приложений. Список литературы представлен 113 наименованиями, в том числе 10 иностранных источников.

Содержание работы.

Введение содержит краткое обоснование актуальности диссертационной работы на базе анализа состояния энергетического хозяйства АПК.

В первой главе приведен краткий обзор научных исследований по использованию озона для интенсификации процесса сжигания органического топлива, обзор конструкций озонирующих устройств и методов определения концентрации озона в воздухе, а также показано, с точки зрения теории процесса горения органического топлива, за счет каких резервов может быть увеличена эффективность сгорания печного топлива в котельных АПК.

На основе имеющихся данных об относительных свойствах озона и использовании озона для повышения качества сгорания органического топлива, представленных в работах Бородина И.Ф., Емельянова Ю.М., Казанцева ЛИ., Ксенза Н.В., Калашникова С.А., Колесникова С.А., Криволапина И.П., Лебедева О.Н., Пурмал М.Я., Разумовского С.Д., Сидорова А.А., Соколовой М.В., Андрейчука В.К., Филиппова Ю.В. и других исследователей, можно сделать вывод, что озон в значительной степени влияет на процесс сгорания углеводородов, к которым относится печное топливо. Однако, анализ опубликованных исследований свидетельствует о том, что четкое представление о влиянии озона на процесс горения отсутствует.

В настоящее время использование электроозонаторов, выпускаемых промышленностью в малых котельных АПК, работающих на печном топливе, затруднено по целому ряду причин: сложность оборудования, требующая специально подготовленного обслуживающего персонала, большие габаритные размеры установок, сравнительно невысокая производительность, а также высокая стоимость оборудования. Этим обусловлена необходимость разработки озонатора, лишенного перечисленных недостатков и исследование влияния озонирования воздуха на процесс горения печного топлива. В выводах по главе сформулированы задачи исследования.

Во второй главе приводятся теоретические основы повышения эффективности сжигания природного газа озонированием, разрабатывается математическая модель и определяются факторы, влияющие на этот процесс. Построена электрическая схема замещения разрядного устройства электроозонатора и схема анализа процессов в неравновесных электрических разрядах, на базе которых были выявлены параметры, дающие возможность увеличить производительность озонатора. С учетом найденных возможностей разработана новая конструкция разрядного устройства и определены факторы, влияющие на ее производительность.

Степень завершенности процесса сгорания топлива определялась на основе химического анализа продуктов реакции, что позволило определить условия сгорания топлива и концентрацию вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу. В отходящих газах котла контролировалось содержание кислорода (Ог), диоксида углерода (СОг), оксида углерода (СО), водорода (Нг), недожога (CnHm), а также содержание оксидов азота (N0, ЖЬ).

Исходя из анализа работ Авдеева A.A., Еги-на Н.Л., Кадырова О.М., Льюиса Г., Пурмал М.Я., Потапенко И.А., Трембович В.И., Фрингера Е.Л., Эльбе Г., можно прийти к выводу, что основное влияние на процесс горения будет оказывать состав горючей смеси, а именно - количество печного топлива, количество подаваемого в зону горения возду-

ха и концентрации озона в нем. В зависимости от этих факторов и рассматривался процесс сгорания печного топлива.

Анализ процесса сгорания печного топлива выполнялся на основе результатов экспериментальных исследований с применением статистических методов их планирования и обработки.

Для выявления путей повышения производительности электроозонаторов была построена эквивалентная электрическая схема замещения разрядного устройства электроозонаторы пластинчатого типа рис. 1.

Рис 1. Схема разрядного устройства генератора озона.

1 - Металлический электрод.

2 - Диэлектрический барьер. 3 - Разрядный промежуток.

С« СрП

б)

Разрядное устройство электроозонатора пластинчатого типа.

а - конструктивная схема:

1 - разрядный промежуток; 2 - диэлектрический барьер;

3 - электрод.

б - схема замещения: Срп - емкость разрядного промежутка; Сб - емкость диэлектрического барьера; Ла - нелинейное сопротивление разрядного промежутка.

Кинетика синтеза и распада озона описывается уравнением обратимой химической реакции первого порядка:

к1

где - концентрация озона в %; ко - константа образования озона; кх - константа разложения озона; Р - активная мощность в разрядном устройстве,

Вт;

V - объемный расход воздуха через разрядное устройство электроозонатора 3/час.

Активная мощность разрядного устройства определяется выражением:

Р = -©иг[(и- иг)Сб -игСрп]; (2) п

где со - угловая частота тока;

иг - падение напряжения на разрядном промежутке;

Сб - Срп - соответственно емкости диэлектрического барьера и разрядного промежутка.

В то же время, рассматривая ток через разрядное устройство, как величину заряда, переносимую в единицу времени, т.е.:

(2)

где 1 - время;

% - переносимый заряд;

N - число носителей заряда; е - заряд электрона.

Таким образом, ток через разрядное устройство при горящем барьерном разряде можно представить:

2 №

1г= — (—г - иг)юСб; (3)

п X

Таким образом, активная мощность разрядного устройстьа:

2 N6

Р=-юиг[(—г-и^Св-игСрп]; (4) п I

Из выражения (4) следует, что активная мощность, как и ток, в разрядном устройстве после возникновения разряда будет определяться приложенным напряжением, емкостью диэлектрических барьеров и числом носителей элементарного заряда. Исходя из вышеизложенного, очевидно, что увеличивая число носителей элементарного заряда мы будем увеличивать ток и, соответственно, активную мощность разрядного устройства.

В настоящее время анализ процессов в неравновесных электрических газовых разрядах проводят в соответствии со схемой (2). Согласно этой схеме параметры, определяющие процессы, разде-

ляют на два класса: макроскопические и микроскопические. Макроскопические параметры характеризуют мощность разряда, распределение электрического поля Е, расход газа Ц энерговклад х, а также степень превращения в химическом процессе а, его скорость со, энергетическую эффективность т^.

Микроскопические параметры характеризуют электронную компоненту разряда (функцию распределения электронов по энергиям - ФРЭЭ, температуру электронов Те, концентрацию Пе, частоту столкновения и так далее), а также возбужденную молекулярную компоненту (функцию распределения по всем степеням свободы молекул: поступательным Т.колебательнымУ,вращательным ^электронным е).

С позиций плазмохимического процесса схема (рис. 2) предусматривает определение механизма процесса, включающего на участке "1-2" передачу энергии поля электронам. На этом участке, по всей видимости, энергия поля будет затрачиваться на ионизацию (энергия выхода электрона) молекул веществ, составляющих разрядный промежуток и разгон электронов до энергии, необходимой для ионизации молекулы кислорода. В общем виде, на базе уравнения баланса электрической энергии, затрачиваемой на ионизацию кислорода, может быть представлена в виде суммы энергий на получение свободного электрона и сообщения ему энергии ионизации молекулы кислорода:

Рис. 2. Схема анализа процессов в неравновесных электрических разрядах

Wx = WBe + Wuo2; (5)

где \¥ве - энергия выхода электрона;

\Vu02 - энергия, необходимая для ионизации молекулы кислорода.

На участке "2-3" - возбуждение молекул и на участке "3-4"- превращение возбужденных молекул. Путь "13-4" предусматривает исследование возбужденных частиц, определение каналов и эффективности их превращений.

Более упрощенный подход к определению механизма процессов представляет путь 1-4. Для этого рассматривают разрядный промежуток в виде "черного ящика" и определяют входные и выходные параметры, а затем исследуют и оптимизируют производительность, скорость, энергетику процесса в зависимости от различных факторов.

Скорость процесса, в основе которого лежит взаимодействие молекул и элементарных частиц, зависит от энергетической подготовки частиц и вступлению в реакцию, частоты и вероятности случайного контакта и активного их взаимодействия.

В общем виде уравнение скорости запишется так:

сй5Ж = -к ^(т) ВД (6) где Б - количество молекул, не успевших прореагировать к настоящему моменту времени; к - коэффициент скорости процесса; А(т) - функция, определяющая величину движущей силы процесса;

£2(т) - функция, отражающая величину активного объема, в котором протекает процесс.

Значения функций ^ и (а зависят от числа вступивших во взаимодействие молекул, таким образом, скорость процесса определяется порядком реакции, т.е. необходимым числом частиц, которые должны вступить во взаимодействие. Из кинетической теории газов известно, что число активных взаимодействий определяется выражением:

Ъ = Ъь ехр (-Еа/ЯТ) (7) где Ъ - число активных столкновений;

Ъъ - число сталкивающихся частиц;

Еа - энергия активации молекул;

Т - температура;

К - постоянная Больцмана.

Однако, увеличение температуры компонентов реакции до требуемого значения, приводящего к образованию активных центров реакции, является нецелесообразным по экономическим соображениям и техническим требованиям к озонирующему устройству. Таким образом наиболее рациональный путь - снижение энергии активации молекул, т.к. в нашем случае электрод разрядного устройства является непосредственно участвующим в процессе получения озона, то можно предположить, что снижение энергетических затрат на получение в результате вторичной эмиссии носителей заряда (в нашем случае электрона) должно положительно сказаться на процессе.

С другой стороны, число активных взаимодействий (В) зависит от вероятности ионизации нейтральных молекул, что можно представить выражением:

В = ехр (-АбЦдап) (8) где Аб - коэффициент пропорциональности; ип - потенциал ионизации; 6 - относительная плотность; Ещ - максимальная напряженность поля.

С учетом числа столкновений на единицу пути и вероятности ионизации получим зависимость определения числа молекул (п), ионизированных электроном:

п = 1/Хе ехр (-Абип8/Ет); (9) где Я,е- средняя длина пробега электрона.

В нашем случае, рассматривая процесс вторичной эмиссии с поверхности металла электрода разрядного устройства, по всей видимости, в уравнении (9) величину и„ потенциала ионизации можно заменить на работу выхода электрона \¥е. Таким образом, уравнение (9) запишется как: п = 1 /Хе ехр (-АбШе6/Ега) (10)

Рассматривая уравнение (10), можно прийти к выводу, что снижая работу выхода электрона с поверхности металла, составляющего электрод разрядного устройства, тем самым будет увеличено количество активных взаимодействий и, соответственно, количество носителей заряда в разрядном промежут-

ке. Что в свою очередь, должно сказаться на производительности всего электроозонирующего устройства.

Исходя из вышеизложенного, для обеспечения максимальной производительности разрядного устройства генератора озона необходимо в качестве электрода использовать металлы с низкой работой выхода электрона.

В разработанной нами конструкции, по всей видимости, значительное влияние на процесс озоно-образования будет оказывать материал электрода разрядного устройства. В этом случае необходимо экспериментально определить наиболее эффективный металл для производительности озонатора, а также определить влияния режимных параметров на выход озона в предложенной конструкции индуктора.

В третьей главе приведена методика и результаты экспериментальных исследований конструктивных и режимных параметров предлагаемой конструкции разрядного устройства электроозонатора.

С целью проверки правильности теоретических выводов, а также эффективности внесенного конструктивного изменения в разрядное устройство электроозонатора и влияния режимных параметров на производительность электроозонатора проведен комплекс экспериментальных исследований.

Для проведения экспериментов были разра-

ботаны и изготовлены:

* 1. Установка, позволяющая исследовать влияние конструктивных и режимных параметров на производительность электроозонатора;

2и. Несколько модификаций разрядных устройств с различным материалом электрода. Было исследовано влияние площади проводящего слоя в диэлектрическом барьере разрядного устройства, частоты и напряжения питающего сигнала на производительность электроозонатора.

В результате обработки экспериментальных данных по изучению влияния величины работы выхода электрона с поверхности металла на производительность электроозонатора было получено уравнение при 95% вероятности, адекватно описывающее полученную зависимость:

у = -579,33 - 1218,5x1 + 1557,28х2 + +1594,Зх3 + 435,48х12 + 285,61X1X2 + +57,01х2х3 - 662,41х22 -140,42X2X3 - 612,9х32 + 88,8х23 + 71,56х33; (11)

В результате эксперимента было подтверждено, что снижение работы выхода электрона с поверхности металла за счет использования металла с более низкой работой выхода электрона, приводит к изменению производительности озонатора. Зависимость производительности электроозонатора от материала электрода и, соответственно, работы выхода электрона и величины приложенного напряжения и, при частоте питающего сигнала Б = 50 Гц и расходе воздуха через разрядное устройство 1,166 л/мин.

Представлены на рис.3. Подобные кривые построены и для расхода воздуха 1,0, 1,33, 1,5 л/мин.

Как видно из рис.3 озонирующее устройство, электрод которого изготовлен из материала с наиболее низкой работой выхода электрона, имеет производительность в некоторых случаях превышающую в два раза производительность электроозонаторов, электроды которых изготовлены из металлов с более высокой работой выхода электрона. Это, по всей видимости, объясняется эффектом вторичной электронной эмиссии т.к. напряженность электрического поля недостаточна для возникновения автоэлектронной эмиссии и температура электрода имеет достаточно низкое значение для возникновения термоэлектронной эмиссии. В то же время, рассматривая возможность вторичной электронной эмиссии необходимо отметить, что она в данном случае может вызываться как ударами положительных ионов при подходе к катоду, так и ударами электронов, имеющих энергию, более энергии \¥„ работы выхода электрона.

Если рассматривать вторичную электронную эмиссию, осуществляемую с помощью положительных ионов, то при подходе к поверхности катода они могут вызвать эмиссию электронов, прежде чем будут нейтрализованы. Освобождающаяся при нейтрализации энергия \У1 и имеющаяся кинетическая энергия \¥к иона для освобождения электрона из катода, должна быть больше или равна 2 \¥а, чтобы

Рис. 3. Зависимость производительности генератора озона от материала электрода при Р=50 Гц и величине приложенного напряжения: 1 - и=9,54 кВ; 2 -и=10,0 кВ;3 -11=10,45кВ; 4 ~и=10,9кВ. Расход воздуха через разрядное устройство составлял 1,166 л/мин.

возник вторичный электрон:

- т и2 + £ 2 (12) 2

где т, и - соответственно масса и скорость

иона.

При ударе о поверхность метания электрона, предварительно разогнанного электрическим полем до необходимой скорости, также возможна вторичная электронная эмиссия. Таким образом, за счет энергии ударяющего электрона может быть вырван не один, а несколько электронов. Для осуществления описанного выше процесса электрон, разгоняемый в электрическом поле должен приобрести кинетическую энергию \¥к, превышающую или равную 2 таким образом:

\Ук = е*Е*Я>2\¥а; (13) где е - заряд электрона;

Е - напряженность электрического поля;

X, - длина свободного пробега электрона.

Вторичная эмиссия обуславливается тем, что число бомбардирующих частиц меньше, чем число вылетающих частиц (для чистых поверхностей в 1,2 -1,8 раза).

Исследовано влияние основных режимных параметров (питающего напряжения и объема воздуха, проходящего через разрядное устройство) на производительность электроозонатора. Для получения более полного представления о влиянии этих факторов на производительность по озону, для кон-

струкции имеющей алюминиевые электроды была построена диаграмма. Подобные диаграммы построены и для электроозонаторов, имеющих медные, железные и свинцовые электроды.

В четвертой главе приведена методика и результаты экспериментальных исследований влияния озонирования воздуха на эффективность сжигания печного топлива.

Для оценки полученных теоретических предпосылок, а также эффективности предложенных рекомендаций, проведен комплекс экспериментальных исследований. Опыты проводились на действующей котельной, работающей на печном топливе, на котлах ТАУ-1,5 с мощностью 6,7 гДж/ч.

Для решения постановленной задачи в качестве независимых переменных приняты параметры, по литературным данным, оказывающие значительное влияние на процесс горения: количество подаваемого в топку печного топлива - хь Ограничиваемые максимальной возможностью горелок одного котла 19,4 г/си минимальной подачей газа, при которой пламя остается устойчивым 13,8 г/с, содержание поступающего озона - х2 в пределах концентрации от 71 мг/м3 до 110 мг/м3 с целью повышения экономичности процесса. Объем воздушной смеси -хз варьировался от 4 м3/мин до 8 м3/мин.

Основными химическими соединениями, характеризующими полноту сгорания органического

топлива является оксид углерода (СО), диоксид углерода (СОг), кислород (Ог), недожог (СпНт), кроме того, нас интересовало влияние добавки озона в горючую смесь на выход окислов азота (Ж)х), по причине их особой токсичности. Таким образом, в качестве выходных параметров были приняты следующие компоненты продуктов сгорания природного газа:

-У-! - недожог (СпНт); -У4 - оксид

углерода (СО);

-У2 - углекислый газ (СОг);

-У5 - оксид азота (N0);

-Уз - кислород (О2);

-Уб - диоксид азота (КО2).

В результате обработки экспериментальных данных по стандартной методике, были получены уравнения регрессии при 95% вероятности, адекватно описывающие экспериментальные результаты исследования содержания недожога (СпНт): У1 = 981,4 - 964,0x1 - 95,7x2 - 20,0х3 + +131,Ох2 -58,0X1X2 + 123,9х3 + +56,6х1х22 + +123,Х1Х2х3. (14)

Полученное уравнение регрессии показывает, что озонирование воздушной смеси, поступающей в топку, увеличивает полноту сгорания углеводородного топлива, уменьшает химический недожог печного топлива. При количестве озона 700 мг на 1 кг печного топлива, недожог уменьшается на 14%. Полученные результаты говорят о достаточно значительном влиянии озона на процесс горения.

Содержание углекислого газа (СОг): У2 = 8,3 + 2,15x1 + 0,29хз - 0,23х12 + +0,14x^3 -0,25х22 + 0,22X1X2 + +0,1х1х2х3 + +0,29х23. (15)

Как видно из уравнения (15) озон увеличивает содержание диоксида углерода в отходящих газах, а следовательно, способствует более полному сгоранию печного топлива. Анализ уравнения показывает, что наиболее выгодным является режим работы котла, при котором на 1 кг печного топлива

<5

приходится 7,4 м воздуха и 810 мг озона, в этом случае содержание С02 составляет около 11% по объему отходящих газов.

Содержание кислорода (02): Уз = 10,34 - 2,37X1 - 0,14х2 - 0,45х3 + + 0,33 XI2 + 0,18ххх2 + 0,37х22 - 0,04х32 - 0,3х1х22 + 0,14X2X3 -

-0,25х23. (16)

Из уравнения (16) видно, что подача озона в воздушной смеси, участвующей в сгорании печного топлива, уменьшает содержание кислорода в отходящих газах котла в некоторых случаях до 12%.

Содержание оксида углерода (СО): У4 = 981,4 - 964,0x1 - 95,7X2 - 20,0х3 + +131,0х12 -58,0X1X2 + 123,9х23 + 56,6Х1Х22 + +123,2х1х2х3.

(17).

Как видно из уравнения (17) озон оказывает положительное влияние на этот процесс. При подаче 110 мг/м3 озона в топку котла, в режиме когда на 1,0

■з

кг печного топлива приходится 7,4 м воздуха, со-

держание СО подает с 289 мг/м3 отходящих газов, что составляет около 14% от первоначального содержания этого вещества.

Содержание окислов азота (N0, Ж>г):

У5(Ш) = 21,32 + 16,81x1 + 1,16x2 + +12,06х12 + 1,69X1X2 - 1,82х22 + +3,38х13 - 0,63х1х22 + 0,37х1х33 + Х23(18)

У6(М02) = 48,22 + 0,75x2 - 21,21х12 - 6,36x^2 -1,14х1хз - 1,36х22 + 5,98х13 - 3,42Х1Х22 - 1,ЗХ1Х2 + 1,36х23. (19)

Как видно из уравнений (18, 19) подача в зону горения озона незначительно увеличивает содержание окислов азота на 1,0 и 1,5%, однако в режиме когда на 19,4 г/с печного топлива приходится 0,1275 м3/с воздуха, добавка озона никак не сказывается на содержание окислов азота.

Для получения более полного представления о влиянии рассматриваемых факторов на базе полученных уравнений для фиксированных уровней подачи топлива, были построены диаграммы.

В результате анализа влияния озонирования воздушной смеси, участвующей в реакции горения печного топлива, можно сделать вывод о том, что озон повышает качество процесса и увеличивает эффективность использования этого топлива. По нашему мнению, наиболее выгодным является режим, при котором на 1 кг печного топлива расходуется 7,35 м воздуха и 810 мг озона. В этом случае в про-

дуктах реакции содержится: СО - 251 мг/м3, Ог -7,8%, С02 - 10,8%, N0 - 57 мг/м3, Ж>2 - 17 мг/м3, СпНш-1,1%.

В пятой главе описана промышленная установка для получения озона, предназначенная для малых котельных АПК и проведена технико-экономическая оценка результатов. Применение ее для повышения эффективности сжигания природного газа.

По результатам произведенных испытаний рассчитан экономический эффект применения разработанного электроозонатора на котле ТАУ-1,5 теп-лопроизводительность 6,7 гДж/ч, работающем на печном топливе. За зимний период эффективность применения одного электроозонатора составляет 40 тыс. рублей в ценах 2000 года.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана и исследована новая конструкция электроозонатора, имеющего электроды, изготовленные из алюминия. Новая конструкция позволяет повысить производительность по озону, при питании токами промышленной частоты на 40-45%.

2. Анализ проведенных исследований и полученных на их базе математических моделей процесса образования озона, позволяет установить, что максимальная производительность достигается при использовании алюминиевых электродов.

3. Электроозонаторы, электроды которых изготовлены из алюминия, имеют при тех же условиях

производительность, в два раза превышающую производительность озонаторов с медными электродами.

4. Усовершенствованная конструкция электроозонатора позволяет в значительной степени уменьшить его габаритные размеры, увеличивая при этом производительность по озону. Это дает возможность применять озонаторы в котельных АПК, не прибегая к капитальной реконструкции котлов.

5. По результатам эксперимента, была получена математическая зависимость содержания кислорода в отходящих газах, от количества поданного в зону горения озона, печного топлива, воздуха. Установлено, что озон способствует более полному участию кислорода в процессе окисления органического

л

топлива. Каждые 100 мг озона на 1 м воздуха снижали содержание кислорода в отходящих газах на 1,8%.

6. Получена математическая зависимость выхода углекислого газа в результате сжигания печного топлива от количества поданного в топку озона, печного топлива, воздуха. Установлено, что каждые 800 мг озона, приходящиеся на 1 кг печного топлива увеличивают выход СОг на 10-15%.

7. Экспериментально установлено, что добавка озона в воздушную смесь, участвующую в сжигании органического топлива, снижает недожог на 8-28% в зависимости от количества озона, приходящегося на 1 кг печного топлива и условий сгорания.

8. Выявлено влияние озона на содержание оксида углерода в отходящих газах котла. Получена математическая зависимость выхода оксида углерода в результате сжигания печного топлива от количеств озона и воздуха, участвующих в реакции. Установлено, что добавка 810 мг озона, приходящегося на 1 кг печного топлива снижает содержание СО в отходящих газах котла на 14%.

9. Исследование влияния добавки озона в воздушную смесь на содержание окислов азота в отходящих газах котла. Установлено, что 810 мг озона, приходящихся на 1 кг печного топлива, увеличивает содержание окислов азота на 1,0-1,5%.

10. В результате проведенных исследований определено оптимальное количество озона на 1 м печного топлива, позволяющее значительно улучшить процесс сжигания этого топлива в котельных АПК.

11. Эксплуатационные испытания, проведенные на котле ТАУ-1,5А теплопроизводительностью 6,7 ГДж/ч в МУП «Северские тепловые сети», подтвердили целесообразность применения озоновой добавки для сжигания печного топлива.

Экономический эффект от использования генератора озона на котле ТАУ-1,5А за зимний сезон составляет порядка 40 тыс. руб. в ценах 2000 г. Экономия топлива составила 8,0%. Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Драгин В.А. Улучшение условий сжигания печного топлива в топочном агрегате ТАУ 0 1,5А. // Материалы научной конференции факультетов механизации и электрификации «Энергосберегающие технологии и процессы в АПК»,- Краснодар: Куб.ГАУ, 2000,- С. 9 - 10.

2. Нормов Д.А., Драгин В.А. Влияние добавки озона на содержание оксида углерода при сжигании печного топлива.// Применение электротехнических устройств в АПК. Труды Куб. ГАУ- 2000. Вып.381 (409).-С. 154- 157.

3. Андрейчук В.К., Драгин В.А. Повышение экономичности использования углеводородного топлива.// Тез. докл. к науч. конф. «По итогам 1998 г. «Энергосберегающие технологии и процессы в АПК»,- Краснодар: Куб.ГАУ, 1999,- С. 3.

4. Драгин В. А., Шхалахов P.C. Высокоэффективное устройство для получения озона// Тез. док. региональной научно-практической конференции молодых ученых «Научное обеспечение сельскохозяйственного производства». - Краснодар: Куб.ГАУ, 1999,- С. 5.

5. Андрейчук В.К., Нормов ДА., Драгин В.А. Исследование влияния добавки озона на процесс сжигания печного топлива.// Сборник Возобновляемые источники энергии.. -М.: 2000

6. Нормов ДА., Драгин В.А. Снижение токсичности использования углеводородного топлива в котельных АПК.// Тез. док. четвертой научно-

практической конференции «Экология, медицина, образование». - Краснодар, 2000. - С. 42 - 43.

7. Андрейчук В.К., Нормов Д А., Драгин В.А. Повышение эффективности сгорания печного топлива.// Тез. док. Международной научно-технической конференции «Энергосберегающие технологии в сельском хозяйстве». - М.: ВИЭСХ, 2000.-С. 137- 138.

8. Драгин В.А. Методические рекомендации по ве-. дению электротеплохозяйства в органах внутренних дел Краснодарского края.// Краснодар: Тип. №1,2000.-С. 41.

9. Решение о выдачи патента на изобретение по заявке № 99101558/12(001742) от 27. 01. 99. Озонатор.// Андрейчук В.К., Нормов Д.А., Драгин В.А. и др.