Оптимизация подготовки тяжелого жидкого топлива к сжиганию в топках котельных и других топливосжигающих установок Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 665.754

В. Р. ВЕДРУЧЕНКО В. В. КРАЙНОВ Е. С. ФЛЕК

Омский государственный университет путей сообщения

ОПТИМИЗАЦИЯ ПОДГОТОВКИ ТЯЖЕЛОГО ЖИДКОГО ТОПЛИВА К СЖИГАНИЮ В ТОПКАХ КОТЕЛЬНЫХ И ДРУГИХ ТОПЛИВОСЖИГАЮЩИХ УСТАНОВОК_

Рассмотрены направления развития методов топливоподготовки тяжелого жидкого топлива нефтяного происхождения для их эффективного сжигания в топках котлов, печей и других топливосжигающих установках. Сформированы комплексные требования к физико-химическим, энергетическим и экологическим свойствам тяжелых топлив. Предложен перечень мероприятий по оптимальной подготовке названного топлива для его эффективного сжигания.

Ключевые слова: мазуты, топливоподготовка, оптимизация, энергетические и экологические свойства, продукты сгорания, эмульгирование, барбатирование.

Поиск путей оптимизации топочною процесса в топливосжигающих установках невозможен без глубокого знания и понимания особенностей современных и перспективных топлив, применяемых в энергетике. Фундаментом для глубокого понимания процессов, протекающих при сжигании в ограниченных объемах топочных камер, должно служить изучение свойств и характеристик топлива, изменяющихся как в процессе его подготовки к сжиганию, так и в процессе самого сжигания. Именно с этих позиций ниже рассмотрены жидкие топлива и их подготовка к сжиганию.

К жидкому котельному топливу относится, в первую очередь, мазут, вырабатываемый из нефти, а также синтетический мазут (смола), получаемая из сланцев, угля, торфа, древесины и т. д. Исходные продукты производства мазута часто сами используются как топливо [1—3].

Качество отечественного мазута устанавливается ГОСТ 10585-75 (табл. 1). Часто по тем или иным причинам в топках энергоустановок сжигается специальное топливо: газотурбинное (ГОСТ 10433-75), дизельное (ГОСТ 1667-68), сланцевое масло (ГОСТ 480679), топливо мартеновских печей (ГОСТ 14298-79), керосин и печное топливо (ТУ 3800150-71).

В качестве жидкого топлива в котельных наибольшее распространение получили топочные мазуты — продукты переработки нефти. По способу производства различают прямогонные мазуты и крекинг-мазуты. В соответствии с ГОСТ 10585-75 в отопительных котельных допускается применение топочных мазутов марок 40 и 100. Кроме топочных мазутов в котельных иногда используются флотские мазуты марок Ф5 и Ф12, которые относятся к категории легких топлив. Топочные же мазуты марок 40 относятся к категории средних топлив, марок 100 — к категории тяжелых топлив [2, 3].

Мазут — одна из разновидностей остаточного жидкого топлива, получаемого при перегонке или крекинге нефти.

Оптимизация подготовки жидкого топлива перед сжиганием сводится к определению и изучению состава, химических и физических характеристик, теплотехнических показателей, а также к воздействию на характеристики топлива специальной обработкой (подогрев, ввод присадок, промывка, фильтрация, обессоливание, стабилизация и т. п.).

Основной прием оптимизации — это определение состава сжигаемого топлива, необходимого для оценки возможностей и путей его эффективного сжигания при обеспечении высокой надежности топочной камеры и минимальной генерации вредных выбросов. Другой путь — это нахождение и применение того или иного способа придания топливу необходимых для оптимизации свойств.

Как и нефть, мазуты — это сложные коллоидные системы, состоящие из углеводородов и гетероциклических соединений. Мазуты характеризуются высокими вязкостью, плотностью, содержанием высокомолекулярных веществ и твердых продуктов уплотнения смолистоасфальтового характера (асфаль-тены, карбены и карбоиды). Сера, азот и ванадий, содержащиеся в нефти, сконцентрированы в основном и мазутах. Все другие жидкие топлива — это промежуточные продукты перегонки нефти.

Жидкие топлива, включая нефть, состоят в основном из пяти элементов: углерода (С), водорода (Н), кислорода (О2), азота (Ы) и серы (Б) Соотношение С/Н в жидких топливах не постоянно и является важным энергетическим показателем.

Основными компонентами жидкого топлива являются углеводороды. В мазутах преобладают полициклические углеводороды и углеводороды ароматического, нафтенового ряда. Крекинг-остатки содержат в основном полициклические углеводороды и углеводороды непредельного ряда (олефины и ас-фальтены). Компоненты мазута при низкотемпературной прямой перегонке остаются в жидком состоянии, а при крекинге их большая часть трансформируется в твердые продукты смолисто-асфальто-

Технические требования и нормы качества мазута (ГОСТ 10585-75)

Показатель Марка

Ф5 Ф12 40 100

Вязкость условная при 50 °С, не более, °ВУ 5,0 12,0 - -

Вязкость условная при 80 °С, не более, °ВУ - - 8,0 16,0

Зольность, %, не более 0,05 0,10 0,12 0,14

Содержание механических примесей, %, не более 0,10 0,12 0,80 1,5

Содержание воды, %, не более 0,3 1,5 1,5

Содержание серы для мазута, %, не более: малосернистого сернистого высокосернистого 2,0 - 0,5 2,0 3,5 3,5

Температура вспышки, °С, не ниже: в закрытом тигле в открытом тигле 80 90 90 110

Температура застывания мазута, °С: из невысокопарафинистой нефти из высокопарафинистой нефти -5 -8 10 25 25 42

Теплота сгорания мазута (низшая) в пересчете на сухое топливо, МДж/кг (ккал/кг), не менее: малосернистый и сернистый высокосернистый 41,454 (9870) 41,454 (9870) 40,740 (9700) 39,90 (9650) 40,530 (9650) 39,90 (9650)

Плотность при 20 °С, г/см3, не более - - - 1,015

вого характера. Смолы целиком переходят в мазут. При переработке состав мазута по углеводородам изменяется в зависимости от температуры и давления [3].

Во-первых, в составе топлива нас интересуют концентрации веществ, способных в процессе сжигания преобразовываться во вредные газообразные и твердые вещества — это сера, азот, тяжелые углеводороды и т. п. Исходя из их концентрации выбирается способ сжигания и обработки топлива, очистки уходящих газов и профилактических мер по технике безопасности персонала и населения близлежащих районов.

Во-вторых, в топливе нас интересуют соотношения основных горючих компонентов, таких как углерод (С), водород (Н2) и др. Именно от соотношения С/Н зависит температура сжигания и связанная с ней и другими факторами интенсивность сажеоб-разования, влияющая на излучающие характеристики факела и позволяющая конденсироваться на частицах сажи некоторым вредным веществам (канцерогенам и т. п.).

В-третьих, в топливе нас интересуют как вещества, способные выпадать в осадок и переходить (при определенных условиях) в твердые соединения, так и сами механические примеси топлива.

Увеличение содержания серы в исходном сырье для жидкого топлива неизбежно ведет к увеличению содержания серы в самом топливе. Удаляют серу из топлива (процесс обессеривания) пока редко, так как это требует больших капитальных затрат. Облагораживание топлива весьма перспективно, а затраты на его осуществление окупаются за счет сокращения затрат на очистку от серы и уменьшения потерь металла от коррозии.

Особое место в составе топлива занимают вода и механические примеси. Наличие механических примесей и воды в топливе выше норм, установлен-

ных ГОСТами, может быть вызвано нарушением технологии добычи, а также неправильной транспортировкой, выгрузкой и хранением топлива. Механические примеси из жидкого топлива удаляются фильтрацией, а вода — в отстойниках. Если воду удалить невозможно, то топливо часто сжигается в смеси с водой (в виде эмульсий) [1—4].

При систематическом насыщении водой доставляемого на объект мазута или другого жидкого топлива единственным способом, дающим возможность удовлетворительно эксплуатировать энергоустановки, является эмульгирование. Эмульгирование производится различными устройствами механического и гидравлического типов. Действие воды особенно заметно при высоком ее содержании в топливе. Наибольший положительный эффект влияния воды на горение зависит от ее содержания и качества эмульсии, т. е. степени перемешивания этой двух-компонентной среды. При больших концентрациях вода в статических условиях образует в топливе «линзы», которые при одинаковой плотности располагаются на любом уровне [4, 5].

Заметное место в энергетике занимают и другие горючие топливные смеси. Это, в первую очередь, эмульсии смесей различных жидких топлив, водо-топливные и топливные суспензии (жидкое топливо-угольная пыль и т. п.).

Однако оптимальным все же следует считать облагораживание топлива не на объекте, а при его изготовлении на нефтеперерабатывающем заводе. Промышленное облагораживание топлива потребует значительной реконструкции нефтеперерабатывающих заводов, а также создания и широкого внедрения нового оборудования разного масштаба и назначения.

Практика показала, что любое из жидких энергетических топлив для эффективного сжигания и обеспечения надежности топочного устройства и хвосто-

Характеристика современных жидких топлив, применяемых для отопительных котельных

Параметр Топливо печное бытовое (ТПБ). ТУ 38-101-656-76 Смесь из 30% ТПБ и 70% мазута 40 Водомазутная эмульсия (ВМЭ-10)

Вязкость условная при 50 °С, °ВУ, не более - 1 27

Вязкость кинематическая при 20 °С, мм2/с, не менее 6 55 -

Температура вспышки, °С, не менее: в закрытом тигле в открытом тигле 42 Выше 100 75

Зольность, %, не более 0,02 0,05 0,14

Содержание, %, не более механических примесей воды серы азота отсутств. след. 0,5- 1,2 0,05-0,15 0,1 1,5 0,5-3,0 до 0,2 0,8- 1,5 10,0 0,5-3,5 0,2- 1,0

Температура застывания, °С, не выше - 15 4 25

Плотность при 20 °С, кг/м3 390 940 950

Теплота сгорания топлива, МДж/кг 42,0 40,5 36,3

вых поверхностей нагрева котла должно пройти цикл подготовки. Степень и режимы подготовки определяются исходя из качества топлива.

Подготовка жидкого топлива к сжиганию в общем случае сводится к следующим мероприятиям:

а) первичному подогреву с целью обеспечения вязкости, необходимой для транспортировки;

б) подаче под давлением к сжигающим устройствам;

в) подогреву до вязкости, обеспечивающей оптимальный режим работы форсунок;

г) фильтрации;

д) обработке присадками;

е) обессоливанию и стабилизации.

Таким образом, обработка топлива присадками, его обессоливание и стабилизация относятся к приемам улучшения качества топлива с целью обеспечения условий оптимального сжигания.

Рассмотрим мероприятия, представляющиеся нам наиболее важными среди перечисленных выше.

Для жидкого топлива уровень вязкости, так же как и уровень рабочего давления, определяется применяемыми способами распыления, конструкциями и особенностями форсунок, а также требованиями, предъявляемыми к качеству сжигания.

Известны два способа изменения вязкости жидкого топлива: подогрев и смешение с другим менее вязким жидким топливом.

Наиболее широкое практическое применение получил способ подогрева топлива до необходимой вязкости.

Все жидкие топлива по вязкости могут быть условно разделены на две группы. К первой группе относятся топлива, имеющие при температуре 20 °С вязкость менее 2,0 °ВУ, ко второй — более 2,0 °ВУ. Подробнее рассмотрим вторую группу топлива, как наиболее характерную для энергетики. Топлива второй группы до процесса распыления должны быть подогреты до температуры, не нарушающей их первоначальный состав и обеспечивающей вязкость, необходимую для оптимальных условий сжигания. Под вязкостью, или внутренним трением, понимается свойство жидкости оказывать сопротивление взаимному перемещению молекул под влиянием действующих сил. Вязкость является важнейшей физической константой, характеризующей эксплуата-

ционные свойства нефтяных продуктов (котельного и дизельного топлива, масла и т. д ). При различных расчетах и контроле качества нефтяных продуктов определяют кинематическую вязкость. При исследованиях свойств жидкостей определяют также и динамическую вязкость.

При значениях кинематической вязкости более 75'10-6 м2/с связь между указанными показателями вязкости определяется формулой

ВУ »0,135у( -10'

или у( »7,3ВУ 1-106

(1)

где ВУ

°ВУ; у

условная вязкость мазута при температуре кинематическая вязкость мазута при температуре t, м2/с.

Между динамической и кинематической вязкостью существует зависимость

тt =Pt V ,

(2)

где т — динамическая вязкость, нс/м2; pt — плотность жидкого топлива, кг/м3.

От вязкости топлива зависит скорость осаждения примесей и способность отстаивания воды.

Вода, механические примеси, агломераты смол и некоторых компонентов иногда уже находятся в жидком высоковязком топливе в виде стойкой эмульсин и могут значительно изменять вязкость. В определенных условиях при увеличении содержания воды вязкость нефтяных продуктов растет. Например, при t = 50oС вязкость обезвоженного топлива отличается в два раза от вязкости водотоп-ливной эмульсии со степенью обводненности от 15 до 50 %. Таким образом при сжигании водно-мазутных и других эмульсий возникают дополнительные повышенные требования к контролю вязкости [5, 6].

Наряду с вязкостью на процесс распыления влияет и поверхностное натяжение. Однако существенно изменить его значение принятым способом подогрева не представляется возможным, так как поверхностное натяжение для топлива нефтяного происхождения практически не зависит от его температуры.

Так, при увеличении температуры топлива на 30 °С (в интервале 50...100 °С) поверхностное натяже-

ние уменьшится на 4-5 %, в то время как вязкость уменьшится в 3-20 раз.

В последнее время наблюдается тенденция снижения поставок для отопительных и коммунально-бытовых котельных мазута марки 40. Сжигание тяжелых топлив в малых котлах, как правило, не эффективно. Растет перерасход топлива, увеличивается эмиссия загрязнителей окружающей среды. В связи с этим в отопительных котельных стали сжигаться и другие виды топлив; печное бытовое топливо (ТПБ); смесь печного топлива с мазутом; моторные топлива и их смеси; новое синтетическое топливо-водо-мазутные эмульсии (ВМЭ). Характеристика этих топлив дана в табл. 2.

Для отопительных котельных необходимо применять только топлива с минимальным содержанием серы.

Одно из направлений оптимизации использования топочных мазутов — сжигание их в виде водо-мазутных эмульсий, являющихся частным случаем водотопливных эмульсий [1, 2, 6].

Установлено, что ВМЭ обладают специфическими теплофизическими и теплоэнергетическими свойствами, позволяющими сжигать их в топках котлов и других энергетических установках (стационарных и транспортных дизельных) с большей эффективностью, увеличить полноту сгорания, снизить не только расход топлива, но и эмиссию загрязняющих веществ в атмосферу, дополнительно утилизировать тепловые отходы, подсланцевые и замазучен-ных воды систем топливоподготовки мазута к сжиганию [2, 6, 7].

Вода, попадающая в мазуты в процессе их транспортировки, хранения, подготовки к сжиганию вместе с замазученными водами и смывами, может использоваться как своеобразный катализатор, улучшающий полноту сгорания топлива. Установлено, что при одинаковых температурных условиях воспламенение ВМЭ происходит раньше, чем обводненного мазута [2, 6].

ВМЭ рассматривается нами как двухфазная, разбавленная, грубодисперсная, гидрофобная и термически нестабильная система, состоящая из различных по структуре капель, конгломератов таких капель, капель «чистого» мазута, отдельных глобул тяжелых углеводородов и их образований (асфаль-тенов, смолистых веществ, карбоидов) и других частиц, не полностью подвергшихся эмульгированию. Накопленный опыт приготовления ВМЭ и ее сжигания позволяет заключить, что возможно снижение эмиссии загрязняющих веществ в атмосферу: окиси углерода СО и сажи — в 2 раза, окислов азота НОх — на 30-50 % [6].

С целью практической проверки результатов теоретических исследований [6] был разработан и запатентован «Эмульсатор ОмГУПС» для приготовления ВМЭ методом барботирования мазута паром или горячей водой в условиях котельной [7]. Новая схема приготовления ВМЭ разработана на кафедре теплоэнергетики Омского государственного университета путей сообщения и внедрена в котельных Омского отделения Западно-Сибирской железной дороги [6, 7].

При испытании котла КЕ-25-14М было установлено [6], что некоторое снижение температуры в топке при сжигании ВМЭ положительно сказывается на

уменьшении выбросов ИОх в атмосферу — на 28 ррт при 75 %-ной нагрузке котла, а уменьшение недо-жогов снижает концентрацию СО в дымовых газах котла до 20 - 30 ррт.

Добавим, что в настоящее время Омский завод инновационных технологий (ЗАО «ОмЗИТ») разработал, изготовил и уже поставил потребителям несколько котлов ЬЛУАЯТ ЛККТ1КЛ, которые предназначены для сжигания низкосортных (тяжелых и легких), в том числе жидких топлив (газовый конденсат, сырая нефть).

Котлы спроектированы для работы в суровых условиях низких температур и низкого качества питательной воды. Завод заключил контракт на поставку восьми таких котлов в Ямало-Ненецкий автономный округ [8].

Библиографический список

1. Воликов, А. Н. Сжигание газового и жидкого топлива в котлах малой мощности / А. Н. Воликов. - Л. : Недра, 1968. - 160 с.

2. Тув, И. А. Сжигание обводненных мазутов в судовых котлах / И. А. Тув. - Л. : Судостроение, 1968. - 196 с.

3. Технологическое сжигание и использование топлива /

A. А. Винтовкин [и др.] - М. : Металлургия, 1998. - 286 с.

4. Ведрученко, В. Р. Особенности структуры и эксплуатационные свойства естественных и искусственных водотоплив-ных эмульсий для энергетических установок / В. Р. Ведрученко,

B. В. Крайнов, М. В. Кокшаров // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. - 2001. -№ 2. - С. 17-23.

5. Ведрученко, В. Р. Влияние химико-кинетических факторов на экологические показатели котельной установки при сжигании мазута и водомазутной эмульсии / В. Р. Ведрученко,

B. В. Крайнов, А. В. Казимиров // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технология. - 2003. - № 1 (22). -

C. 27-30.

6. Крайнов, В. В. Улучшение энергоэкологических показателей котельных установок предприятия железнодорожного транспорта сжиганием водомазутных эмульсий : автореф. дис. ... канд. техн. наук // В. В. Крайнов. - Омск : ОмГУПС, 2000. - 22 с.

7. А. с. 11097 РФ, МКИ 6В01Б3/00. Устройство для получения эмульсии / М. В. Кокшаров, В. В. Крайнов. В. Н. Кузнецов, В. В. Овсянников, А. М. Парамонов. - № ИИ 11097 и1 ; заявл. 09.02.09 ; опубл. 16.09.09, Бюл. № 9. - 2 с.

8. Омский завод инновационных технологий [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://omzit.ru/products (дата обращения: 16.01.2015).

ВЕДРУЧЕНКО Виктор Родионович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: vedruchenkovr@mail.ru КРАЙНОВ Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Теплоэнергетика».

Адрес для переписки: KrainovVV@omgups.ru ФЛЕК Екатерина Сергеевна, аспирантка, инженер кафедры «Теплоэнергетика». Адрес для переписки: Voropaeva90@list.ru

Статья поступила в редакцию 10.03.2015 г. © В. Р. Ведрученко, В. В. Крайнов, Е. С. Флек