CC BY
24
УДК 662.6: 543.812
Как утилизировать обводнённое топливо
Евдокимов А.А., Кисс В.В. evdokimov@bk.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики.
Институт холода и биотехнологий
При сжигании обводнённого (до 30-40%) котельного топлива можно утилизировать не более 60% углеводородов. Остальная масса нефтепродуктов выбрасывается с дымовыми газами, загрязняя атмосферу. Чтобы избежать загрязнения атмосферы, обводнённое топливо необходимо предварительно обезвоживать. Разработанная авторами станция обезвоживания обводнённых нефтепродуктов поможет решить эту проблему и получить хорошую прибыль.
Ключевые слова: сжигание обводнённого котельного топлива, загрязнение атмосферы, станция обезвоживания нефтепродуктов.
Сторонники использования обводнённого котельного топлива аргументируют это тем, что затраты на испарение воды, содержащейся изначально в топливе, компенсируются полностью при последующей утилизации теплоты конденсации её паров в поверхностных теплообменниках, где дымовые газы охлаждаются до температуры ниже чем 100оС. Такой довод имеет смысл, если в котельном топливе не содержится серы. Но для высокосернистых сортов нефти, добываемых в России, присутствие серы в мазутах оказывается весьма значительным, и при их сжигании образуется много кислотообразующих окислов серы. При конденсации воды, содержащейся в дымовых газах, окислы серы, взаимодействуют с ней с образованием сильных кислот. По этой причине теплообменные поверхности кожухотрубчатых и пластинчатых теплообменников, предназначенных для утилизации теплоты конденсации водяных паров, подвергаются интенсивной коррозии и быстро выходят из строя.
Учитывая тот факт, что к повсеместной замене теплообменного оборудования котельных установок теплоэнергетический комплекс (ТЭК) пока не готов, мы попытались определить, как влияет влагосодержание топлива на теоретическую температуру горения и на его приведённую теплотворную способность, если конденсация водяных паров недопустима.
1. В процессе сжигания обводнённого топлива тепловой эффект реакции горения (О, Дж) расходуется на испарение балластной воды (Х^шт) и увеличение энтальпии (от II до 12) газообразных продуктов реакции:
О - ХШГ = 12 - II, (1)
где т - масса обводнённого топлива, кг; Х - массовая доля воды в топливе; г - теплота парообразования Дж/кг.
При полном сгорании углеводородов, содержащихся в обводнённом топливе, тепловой эффект процесса рассчитывают по формуле:
О = т(1-Х)д, (2)
где я - теплотворная способность безводного топлива, Дж/кг.
Разность энтальпий газообразных продуктов при теоретической температуре горения (Т0) и начальной температуре исходной смеси (Т0) определим как
12 - 11 = М-Ср- (Т0 - То), (3)
где М - общая масса реагирующих веществ, кг; Ср - теплоёмкость продуктов горения, Дж/(кг-К).
Тогда, с учетом выражений 1 - 3 получаем уравнение теплового баланса
т(1-Х)я - Хтг = МСр(Т0 - То), (4)
в котором теплоёмкость продуктов горения Ср можно определить, зная их влагосодержание (У)
Ср = Ссух- (1 - У ) + Свп-У, (5)
где ССУХ - теплоёмкость сухих дымовых газов, а СВП - теплоёмкость водяных паров, Дж/кг-К.
Разделив обе части уравнения 4 на М, получим новое уравнение Я- т(1-Х)/М - гХт/М = (Т0 - То)[Ссух(1 - У ) + Сш-У], (6)
решая которое, можно найти теоретическую температуру горения обводненного нефтепродукта
Я- т(1-Х)/М - гХт/М
Т0=- + То . (7)
Ссух(1 - У) + СвпУ
Чтобы решить уравнение 7, достаточно знать массовые доли балластной воды в исходной смеси (УВ =Х-т/М) и углеводородов [УТ = т-(1-Х)/М], а в дымовых газах - абсолютное влагосодержание (У).
2. Процесс горения обводнённых предельных углеводородов можно описать уравнением:
СпН2п+2 +Ш2О+ [п+ 0,5(п+1)]02 = ПСО2+ [к+п+1] Н2О + Ор, (8)
где Ор -теплота сгорания углеводородов, кДж/моль,
к - число молей воды, приходящееся на моль обводнённых углеводородов.
Эквимолярные массы (в к.е.) исходных продуктов из уравнений 8, 1 и 2: углеводородов - 14п+2,
воды (не участвующей в реакции) (14п+2)-Х/(1-Х),
кислорода - 48п+16,
обводнённого топлива (14п+2)/(1-Х).
Для полного сгорания топлива воздух в топку подают с избытком. Коэффициент избытка воздуха (с учётом флегматизирующего действия паров воды, изначально присутствующих в зоне горения) поддерживают ~ 1.2. Тогда количества присутствующих веществ можно определить из выражения:
СnH2n+2+kH2O+132[n+0,5(n+1)]O2 = nCO2+[k+n+1]H2O+0,2[n+0,5(n+1)]O2+Qр
(9)
Чтобы обеспечить требуемый избыток кислорода [mО = 1,2-(48п+16)], в топку необходимо подавать воздуха (mвОЗд) с массовой долей в нём кислорода 0,2312:
mвoзд=1,2•(48n+16)/0,2312= ~ 83,045(3п+1). (10)
Тогда общую массу исходных продуктов можно определить условием:
М = m + mВОЗД= (14п+2)/(1-х) + 83,045(3п+1). (11)
Масса продуктов реакции та же (М). Общее количество водяных паров в них ^в) складывается из балластной (14п+2)-Х/(1-Х), реакционной 18-(п+1) и влаги, поступающей в топку вместе с воздухом [83,045^-(3п+1)], где d -абсолютное влагосодержание воздуха, которое принимают ~ 5г/кг). Тогда: mВ=(14n+2)•Х/(1-Х)+18•(n+1)+0,005•83,045(3n+1)=
=(1 4п+2>х/(1-х)+ 1 9,2457п+18,4152. (12)
Результаты расчётов количества веществ, присутствующих в зоне горения, тепловых эффектов от сжигания топлива и затрат на испарение балластной воды, теплоёмкости дымовых газов и теоретической температуры горения обводнённого топлива с различным влагосодержанием (Х) и различной
молекулярной массой (спщп+2) представлены в таблице 1.
При расчёте приняты: теплоёмкость воды Св = 4,19 кДж/кг, теплоёмкость воздуха при постоянном давлении Свозд ~ 1,05 кДж/кг, теплота парообразования воды гв = 2257 кДж/кг, теплоёмкость «сухих» дымовых газов Ссдг= ~ 1,05 кДж/кг q - теплотворная способность безводного топлива (мазут) ~ 40 МДж/кг
3. Приведённую теплотворная способность обводнённого топлива можно рассчитать, учитывая как уменьшение доли углеводородов, так и теплопотери на нагревание и испарение балластной воды:
q* = (1 - Х)•q - Х-[(100 - 20)С + г], (13)
где 100оС - температура кипения воды, 20оС - исходная температура обводнённого топлива.
Подставляя численные значения д, Св, г в уравнение 13 и проводя необходимые преобразования, получаем формулу для определения расчётной теплотворной способности обводнённого углеводородного топлива при полном его сгорании
q* = 40 - 42,5922^Х (МДж/кг). (14)
Из таблицы 1 следует, что эффективность использования обводнённого топлива даже при условии полного его сгорания значительно ниже его доли в топливе.
4. Однако на практике при сжигании топлива с обводнённостью ~ 40% температура в зоне горения не превышает 1000оС. Тепловой эффект реакции оказывается в 1,6 - 1,7 раза ниже ожидаемого. Это означает, что в таких условиях, когда концентрация водяных паров в зоне горения достигает концентрации горючего вещества, эффект флегматизации становится весьма значительным, и доля сгоревшего топлива уже не превышает 59 - 63 %.
Таблица 1.
Теоретичбская температура горения и теплотворная способность обводнённых углеводородов (СпН2п+2)
п Х Масса угл-ов в топливе, кг Масса воды в топливе, кг Масса сухого воздуха, кг Масса воды в воздухе, кг Общая масса воды, ШВ, кг Масса влажного воздуха, кг Общая реакционная масса, М, кг Доля воды в дымовых газах,У Ср, кДж кг Доля углеводородов Ух = ш-(1-Х) М Доля балластной воды, Х-ш УВ =- М ЧУх -ГУв МДж Те, ОС Ч*, МДж кг Ожидаемый коэффициент использования топлива
15 0,1 212 23,56 3820 19,10 330,66 3839 4075 0,081 1,14 0,0520 0,0058 2067 1833 35,74 0,8935
15 0,2 212 53,00 3820 19,10 360,10 3839 4104 0,088 1,15 0,0517 0,0130 2039 1793 31,48 0,7870
15 0,3 212 90,86 3820 19,10 397,96 3839 4142 0,096 1,16 0,0512 0,0219 1999 1743 27,22 0,6805
15 0,4 212 141,13 3820 19,10 448,23 3839 4192 0,107 1,17 0,0506 0,0337 1948 1684 22,96 0,5740
15 0,5 212 212,00 3820 19,10 519,10 3839 4263 0,122 1,19 0,0500 0,0497 1888 1606 18,70 0,4675
20 0,0 282 0,00 5066 25,33 403,33 5091 5373 0,075 1,13 0,0525 0 2100 1878 40,00 1,0000
20 0,1 282 31,33 5066 25,33 434,66 5091 5404 0,080 1,14 0,0522 0,0058 2075 1840 35,74 0,8935
20 0,2 282 70,50 5066 25,33 473,83 5091 5444 0,087 1,15 0,0518 0,0130 2043 1796 31,48 0,7870
20 0,3 282 120,86 5066 25,33 524,19 5091 5494 0,095 1,16 0,0513 0,0220 1999 1743 27,22 0,6805
20 0,4 282 188,00 5066 25,33 591,33 5091 5561 0,106 1,17 0,0507 0,0338 1952 1688 22,96 0,5740
20 0,5 282 282,0 5066 25,33 685,33 5091 5655 0,122 1,19 0,0500 0,0500 1887 1605 18,70 0,4675
25 0,1 352 39,11 6311 31,56 538,67 6343 6734 0,080 1,14 0,0523 0,0058 2079 1843 35,74 0,8935
25 0,2 352 88,00 6311 31,56 587,56 6343 6783 0,087 1,15 0,0519 0,0130 2047 1800 31,48 0,7870
25 0,3 352 150,86 6311 31,56 650,42 6343 6846 0,095 1,16 0,0514 0,0220 2013 1755 27,22 0,6805
25 0,4 352 234,67 6311 31,56 734,23 6343 6930 0,106 1,17 0,0508 0,0339 1956 1692 22,96 0,5740
25 0,5 352 352,00 6311 31,56 851,55 6343 7047 0,121 1,19 0,0500 0,0500 1887 1605 18,70 0,4675
30 0,1 422 46,89 7557 37,79 642,68 7595 8064 0,080 1,14 0,0523 0,0058 2079 1843 35,74 0,8935
30 0,2 422 105,50 7557 37,79 701,29 7595 8122 0,087 1,15 0,0520 0,0130 2051 1803 31,48 0,7870
30 0,3 422 180,86 7557 37,79 776,65 7595 8198 0,095 1,16 0,0515 0,0220 2011 1754 27,22 0,6805
30 0,4 422 281,33 7557 37,79 887,12 7595 8298 0,107 1,17 0,0509 0,0339 1960 1695 22,96 0,5740
30 0,5 422 422,00 7557 37,79 1017,79 7595 8439 0,121 1,19 0,0500 0,0500 1887 1605 18,70 0,4675
Результаты выполненного анализа показывают, что сжигание обводнённого топлива, кроме прямых теплопотерь, приводит к интенсивному загрязнению атмосферного воздуха, поскольку до 40% углеводородов не сгорает, а теряется с дымовыми газами.
Мы изучили проблему образования обводнённых нефтепродуктов [1], способы их обезвоживания [2] и нашли интересное высокотехнологичное её решение [3]:
• На первой ступени отмывки нефтеналивного и нефтетранспортного оборудования для извлечения нефтяного остатка мы используем не специально приготовленные моющие растворы, а продукты, образовавшиеся от предыдущей промывки [5]. Это позволяет не только резко снизить водопотребление, но и вернуть образующиеся эмульсии в производственный цикл без их полного разделения.
• Образующийся при отмывке углеводородный слой, представляющий собой сильно обводнённые высоковязкие нефтепродукты, мы предварительно нагреваем до температуры 140-145оС (при давлении свыше 0,5 МПа) в автоклаве, что позволяет снизить вязкость смеси и значительно ускорить процесс её расслаивания [6].
• Отсепарированный углеводородный слой в процессе дросселирования мы перегреваем, что позволяет компенсировать потери тепла на испарение воды в отгонном плёночном аппарате специальной конструкции [8].
• Образующиеся на всех стадиях отмывки и обезвоживания водяные пары мы собираем, конденсируем и направляем для споласкивания отмытого оборудования и подпитки моющих растворов [7].
Всё это позволяет отказаться от использования природной воды, как рабочего тела (за исключением компенсации неучтённых потерь), и полностью исключить загрязнение водоёмов, почв и атмосферы нефтепродуктами.
Опытный образец станции обезвоживания нефтепродуктов (СОНеф) [7] был изготовленный в виде пилотной установки с учётом всех перечисленных выше технических решений и успешно прошёл испытания в условиях действующей промывочно-пропарочной станции [4]. А технико-экономический расчёт показал, что затраты на создание СОНеф окупятся через 1,5 - 2 года.
При отмывке нефтеналивного и нефтетранспортного оборудования на железнодорожном транспорте, танкерном флоте и в топливных парках теплоэнергетического комплекса только в России, Казахстане и Украине ежедневно образуется около 100 тысяч тонн обводнённых нефтепродуктов [3]. Сведениями о промышленных масштабах их обезвоживания перед сжиганием мы не располагаем. Почему ни нефтетранспортники, ни теплоэнергетики не спешат внедрять природозащитные энергосберегающие технологии?
Сегодня, не боясь ни экологического, ни отраслевого контроля, им легче добавлять никем не учтённые обводнённые нефтепродукты к товарному топливу и получать «бонусную» прибыль. Никто не штрафует руководство ТЭЦ и котельных за то, что они ежедневно выбрасывают в атмосферу 10-20 тыс. т. углеводородов, а удорожание коммунальных услуг и товаров первой необходимости безропотно компенсируют налогоплательщики.
Список литературы:
1. Евдокимов А.А. Очистка нефтеналивного и нефтетранспортного оборудования. Проблемы и решения // Экология и промышленность России. - М.: Изд. ЗАО «Калвис». - 2010, № 2, с. 7 - 9.
2. Евдокимов А.А. Краткий анализ методов и средств обезвоживания вязких нефтепродуктов // Экология и промышленность России. - М.: Изд. ЗАО «Калвис». - 2010, № 3, с. 20-23.
3. Евдокимов А.А. Обводнённые нефтеотходы - значительный энергетический ресурс России. // Экология и промышленность России. - М.: Изд. ЗАО «Калвис». - 2012, ноябрь, с. 19-21.
4. Иоффе О.Б., Евдокимов А.А. Результаты испытаний пилотной установки обезвоживания вязких нефтепродуктов // Экология и промышленность России. - М.: Изд. ЗАО «Калвис». - 2010, № 2, с. 22 - 25.
5. Патент РФ № 2262396. Способ очистки поверхности от углеводородных загрязнений. А.А. Евдокимов, В.А. Евдокимов, Е.А. Евдокимов. БИ № 29, 2005 г.
6. Патент РФ № 2315803 Способ обезвоживания нефтепродуктов А.А. Евдокимов. БИ № 3, 2008
7. Патент РФ № 2327504. Станция обезвоживания нефтепродуктов. А.А. Евдокимов, О.Б. Иоффе, В.И. Матвеев. БИ №18, 2008 г.
8. Патент РФ № 2300408. Отгонный плёночный аппарат. А.А. Евдокимов, БИ № 16, 2007 г
How to utilize the watered fuel
Evdokimov A.A., Kiss V.V. evdokimov@bk.ru
Saint-Petersburg National Research University of Information Technologies,
Mechanics and Optics. Institute of Refrigeration and Biotechnologies
It is possible to utilize not more than 60% hydrocarbons when we try to burn watered about 30-40% viscous fuel. The rest hydrocarbons are evacuated with fume gases (smoke fumes) polluting atmosphere. To avoid atmosphere pollution it is necessary at first to dehumidify the watered fuel. Made by us the watered oil products dehumidification refinery will help to decide the problem and to receive a good profit.
Keywords: burning watered viscous fuel, atmosphere pollution, oil products dehumidification refinery.
