CC BY
38
УДК 621.181
СЖИГАНИЕ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛАХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧАХ ВОДОМАЗУТНОЙ ЭМУЛЬСИИ С ПРИСАДКОЙ СНПХ-9777
А.Ф. ШАГЕЕВ*, М.Ф. ШАГЕЕВ**, Т.Н. ЮСУПОВА***, Г.В. РОМАНОВ***, Е.С. ОХОТНИКОВА***, Б.Я. МАРГУЛИС*, Э.А. АХМЕТОВ**, Э.М. ХАЙРИЕВА**
*ОАО «НИИнефтепромхим» **Казанский государственный энергетический университет ***Институт органической и физической химии Казанского НЦ РАН
Рассмотрена проблема использования обводненного мазута в энергетических котлах и промышленных печах. Предложен вариант повышения надежности и экономичности работы котлов и печей при использовании водомазутной эмульсии с присадкой СНПХ-9777.
Ключевые слова: мазут, нефтяное топливо, водомазутная эмульсия.
Основными видами жидкого топлива для энергетических котлов и промышленных печей являются мазут и тяжелые остатки, получаемые в процессе переработки нефти [1].
При сжигании мазута в энергетических котлах и промышленных печах персонал как мазутных хозяйств, так и цехов, где установлены котлы и печи, сталкивается с рядом проблем, которые влияют на надежность работы оборудования, приводят к перерасходу топлива, загрязнению окружающей среды и снижению технико-экономических показателей предприятия в целом.
Жесткие рабочие условия в котлах и печах требуют применения для котельных и печных труб дорогих высоколегированных аустенитных сталей, специальной обработки поверхности и высоких скоростей движения сырья в целях интенсификации теплопередачи. Средние значения допускаемой теплонапряженности во многом зависят от равномерного распределения тепловой нагрузки по всей поверхности труб, что достигается оптимальной компоновкой трубчатого змеевика, удачным его размещением в топке, совершенствованием конструкции горелок и методов сжигания топлива, а также качеством самого жидкого топлива. Необходимо сокращение выбросов в атмосферу токсичных продуктов сгорания - прежде всего оксидов серы и азота, а также сажи, тяжелых металлов. Не менее актуальным для осуществления процесса сжигания является снижение вязкости и температуры застывания мазута.
Для подготовки высоковязких мазутов (М100 и М200) к транспортировке на топливное хозяйство ТЭС или промышленных предприятий его перерабатывают, так как при температуре ниже температуры застывания в нефтепродукте образуются кристаллические структуры, придающие ему свойство твердого тела. Специальной термообработкой можно уменьшить прочность структур и снизить вязкость мазута.
Введение присадок позволяет значительно снизить температуру застывания (до 15-21 °С) и повысить текучесть мазута, но эта мера не сможет решить большинства проблем, имеющихся на мазутном хозяйстве.
Из-за распространенной на ТЭС и промышленных предприятиях технологии разгрузки, хранения и поддержания в горячем резерве мазут насыщается водой. Некоторое количество воды может отстаиваться. Вода попадает в мазутопроводы и через них - к горелкам энергетических котлов или промышленных печей (принципиальная схема организации процесса сжигания мазута показана на рис. 1). В результате ухудшаются условия сжигания мазута, факел становится нестабильным, выгорание мазута - неполным, увеличивается количество вредных веществ в продуктах сгорания, снижается надежность котлов и печей и обслуживающего их оборудования. Наличие небольшого количества влаги, находящейся в мазуте в мелкодисперсном состоянии, способствует процессу горения, хотя теплота сгорания топлива снижается. Нормальное содержание влаги в мазуте 0,3-1,5% (ГОСТ 10585-99).
Рис. 1. Принципиальная схема организации процесса сжигания мазута: 1 - топка; 2 - горелка;
3 - форсунка; 4 - зона подогрева топлива; 5 - зона горения; 6 - зона дожигания
Повысить надежность работы и экономичность котлов и печей в условиях эксплуатации можно за счёт равномерного распределения воды по всей массе мазута, т.е. создать из топлива водомазутную эмульсию (ВМЭ). Но сама по себе эта эмульсия весьма неустойчива и не решает проблемы сжигания обводненных мазутов, поэтому при изготовлении ВМЭ необходимо добавлять присадки СНПХ-9777 [2], повышающие степень устойчивости ВМЭ до приемлемых в промышленном использовании [1]. Качество получившегося топлива определяется в большей степени его дисперсностью, т.е. размерами частиц дисперсной фазы (воды). Чем выше дисперсность и меньше капельки воды, тем устойчивее эмульсия и выше ее качество.
При диспергировании мазута в воде образуются системы, дисперсионной средой которых может быть либо вода (рис. 2), либо нефтепродукт (рис. 3). Практическую ценность представляет продукт, изображенный на рис. 3, его можно рассматривать как стабильное топливо. Мазуты, имеющие в своем составе значительные количества высокоплавких парафинов, при диспергировании в воде образуют суспензии.
Рис. 2. Прямая водомазутная эмульсия Рис. 3. Обратная водомазутная эмульсия
Реологические свойства водомазутной эмульсии зависят от концентрации внутренней фазы. При малых концентрациях взаимодействие между частицами дисперсной фазы невелико - вязкость системы слабо зависит от концентрации и определяется только вязкостью дисперсионной среды. При повышении концентрации взаимодействие частиц (капель) увеличивается, что приводит к более интенсивному увеличению вязкости. Наиболее значительное изменение вязкости наблюдается в областях, близких к критическим [1, 3, 4].
Технология обработки мазута присадками в основном определяется структурой их и способностью растворяться в топливе [1, 5].
Мелкое распыление частиц ВМЭ и равномерное их распределение в потоке приводят к увеличению активной поверхности реакции, облегчают нагрев и испарение частиц и способствуют быстрому и полному горению [6-9]. Наиболее благоприятно процесс смешения и разложения ВМЭ протекает в случае подвода всего воздуха для горения к основанию факела. Длина факелов всех горелок должна быть одинаковой и отрегулирована так, чтобы верхняя часть факелов не достигала поверхности экранов. Длинные и широко рассеянные факелы жидкостных горелок при сжигании мазута, касающиеся поверхности печных труб, создают большие местные перегревы, что приводит к пережогу металла и образованию окалины, а при наличии отложений внутри труб могут возникнуть отдулины, деформация и даже прогары. При низкой температуре поверхности труб рассеянные длинные факелы при сжигании мазута вызывают сажеобразование и снижение теплопередачи. Данные проблемы при сжигании ВМЭ с присадками становятся менее актуальными, т.к. исследованиями установлено, что в присутствии небольших капелек воды размером 0,8-3 мкм горение улучшается; превращение воды в пар сопровождается разрывом и дроблением капель мазута, что благоприятствует горению. При мелкодисперсном распределении воды в мазуте уменьшается закоксование горелок, также она оказывает каталитическое влияние на процесс догорания сажевых частиц.
В таблице приведены изменения некоторых характеристик работы энергоустановки в зависимости от содержания воды в топливе. Оптимальное количество воды в эмульсии составляет 10-20%. Наибольшая экономия топлива 3-5% обеспечивается при 12-17% воды в топливе. Некоторое повышение расхода топлива на испарение (до 1,3% при 20% воды) компенсируется ростом КПД установки (до 5,0%). Это и обеспечивает общую экономию топлива.
Таблица
Влияние содержание воды в топливе на характеристики энергоустановки [8]
Показатель
Содержание воды, % масс.
0 5 10 20 30
Увеличение КПД, % - 3,8 5,0 4,2 3,0
Экономия топлива, % - 0,5-1,8 2,0-3,5 3,0-5,0 0-0,5
Расход топлива на испар.
и диссоциацию воды, % - 0,3 0,7 1,3 2,0
Потери тепла с
отходящими газами, % 26,0 18,0 15,5 17,0 12,0
Температура в камере
сгорания, ° С 1290 1280 1270 1240 1200
Температура за
камерой сгорания, °С 475 325 300 310 290
При оптимальном содержании воды следует отметить также снижение потерь тепла с отходящими газами (до 40%), а также уменьшение средней температуры газов в камере (на 2,0-3,5%) и за камерой сгорания (до 30-35%).
Рационально организованный процесс сжигания ВМЭ с содержанием воды 1015% и присадок СНПХ-9777 до 1,5% целесообразен с экологической точки зрения, так как этот прием является эффективным методом защиты воздушного бассейна от загрязнения [10]. Наличие воды в топливе уменьшает содержание вредных выбросов с продуктами сгорания в атмосферу. Содержание в мазуте 10-15% воды позволяет снизить эмиссию NOx на 30-35% в энергетических котлах и промышленных печах. Происходит также более глубокое выгорание топлива, уменьшаются золовые отложения по газовому тракту и, как следствие, повышается надежность работы энергетических котлов и промышленных печей.
Переход на сжигание ВМЭ приводит к снижению концентраций оксидов азота в продуктах сгорания, которые рассматриваются в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха, по сравнению с режимами сжигания неэмульгированного мазута.
Об обеспечении полного сгорания топлива свидетельствует концентрация СО в продуктах сгорания, при сжигании ВМЭ она практически приближается к нулю [4], к тому же отсутствует чёрный дымовой факел на выходе из дымовой трубы.
Выводы
Для улучшения экологической составляющей на ТЭС и промышленных предприятиях рекомендуется при изготовлении ВМЭ применять сточные воды, очищенные от механических примесей.
Об экономичности сжигания ВМЭ с присадками СНПХ-9777 судят по коэффициенту избытка воздуха. Для его нахождения отбирают пробы топочных газов. Места отбора проб рассредоточивают по всему газовому тракту (около горелок, в нескольких местах топки, в конвекционной шахте).
Окончательное решение о качестве ВМЭ с присадками СНПХ-9777 и применении ее на ТЭС и промышленных предприятиях определяется экологической и технико-экономической оптимизацией.
Summary
The Considered problem of the use the fuel oil in energy caldrons and industrial stove. The Offered variant of increasing to reliability and economy of the work caldrons and stoves when use the emulsions of water in fuel oil with additive SNPH-9777.
Key words: Mazut, fuel oi, emulsion of water in fuel oil.
Литература
1. Шагеев М.Ф., Юсупова Т.Н., Романов Г.В., Шагеев А.Ф., Маргулис Б.Я. Сжигание в промышленных печах водомазутной эмульсии с добавлением присадки // Экспозиция. Нефть. Газ. №3/Н (64). 2008. С.43 - 46.
2. Маргулис Б.Я., Лебедев Н.А., Хлебников В.Н. и др. Способ получения активной основы эмульгатора инвертных эмульсий и эмульгатор инвертных эмульсий. Патент №2296614,оп.БИ № 10 10.04.2007.
3. Булгаков Б.Б. и др. О применении водомазутной эмульсии для сжигания в котельных установках // Энергетическое хозяйство. 1995. № 6. С. 48-50.
4. Корягин В.А. Сжигание ВТЭ и снижение вредных выбросов. СПБ.: Наука.
1995.
5. Назмеев Ю.Г. Мазутные хозяйства ТЭС. - М.: Изд-во МЭИ, 2002.
6. Батуев С.П., Корягин В.А. Особенности хранения и подготовки к сжиганию обводненного жидкого топлива в мазутном хозяйстве // Промышленная энергетика. 1987. № 5. С. 35-37.
7. Шевелев К.В. Влияние влажности ВТЭ на эффективность их сжигания // Промышленная энергетика. 1987. № 7. С. 38-40.
8. Карпинский Ю.И., Колосов В.В., Суменков В.М. Влияние свойств ВТЭ на эффективность их использования в энергоустановках. Владивосток, 1990. 25 с.
9. Френкель Л.И., Павлов А.В. Получение и использование водотопливной эмульсии в котельных установках // Судостроительная промышленность, 1989. Вып.9. С.20-25.
10. Корягин В.А., и др. / Исследование содержания вредных веществ в продуктах сгорания ВТЭ // Промышленная энергетика. 1988. №4. С.45-48.
Поступила в редакцию 17 ноября 2008 г.
Шагеев Альберт Фаридович - директор НПВЦ технических средств ОАО «НИИнефтепромхим» (ОАО «НИИНПХ»). Тел.: (843) 238-55-40. E-mail: shageevalbert@rambler.ru.
Шагеев Марат Фаридович - канд. тех. наук, доцент кафедры Промышленной теплоэнергетики Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: (843) 519-42-56. E-mail: m_f_sh@rambler.ru.
Юсупова Татьяна Николаевна - д-р хим. наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института органической и физической химии им. А. Е.Арбузова КазНЦ РАН (ИОФХ КазНЦ РАН). Тел.: (843) 273-18-62. E-mail: ganeeva@iopc.knc.ru.
Романов Геннадий Васильевич - д-р хим. наук, профессор, академик РАЕН, член-кор-нт АНРТ, заведующий отделом Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН (ИОФХ КазНЦ РАН). Тел.:(843) 273-18-62.
Охотникова Екатерина Сергеевна - стажер-исследователь Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН (ИОФХ КазНЦ РАН). Тел.: 896005000517. E-mail: kateika07 @ya.ru.
Маргулис Борис Яковлевич - канд. хим. наук, заведующий отделом, старший научный сотрудник, ОАО «НИИнефтепромхим» (ОАО «НИИНПХ»). Тел.: (843) 273-14-62. E-mail: borism2@rambler.ru.
Ахметов Эдуард Адгамович - канд. техн. наук, доцент кафедры Промышленной теплоэнергетики Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: (843) 519-42-56. E-mail: axmetovite@mail.ru.
Хайриева Эльвира Мусавировна - студентка Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 89172634188, 89047688569; 519-42-56. E-mail: elvira_88kgeu@mail.ru.
