CC BY
58
3/Н (64) май 2008 г. ЭКСПОЗИЦИЯ
Основными видами жидкого топлива для промышленных печей являются мазут и тяжелые остатки, получаемые в процессе переработки нефти [1].
При сжигании мазута в промышленных печах персонал как мазутных хозяйств, так и цехов, где установлены печи, сталкивается с рядом проблем, которые влияют на надежность работы оборудования, приводят к перерасходу топлива, загрязнению окружающей среды и снижению технико-экономических показателей промышленного предприятия в целом.
СЖИГАНИЕ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧАХ ВОДОМАЗУТНОЙ ЭМУЛЬСИИ
С ДОБАВЛЕНИЕМ ПРИСАДКИ
М.Ф.ШАГЕЕВ
Т.Н.ЮСУПОВА
Г.В.РОМАНОВ
А.Ф.ШАГЕЕВ
Б.Я.МАРГУЛИС
Казанский государственный энергетический университет
Институт органической и физической химии, Казанский НЦ РАН г. казань
Институт органической и физической химии, Казанский НЦ РАН
ОАО «НИИнефтепромхим»
ОАО «НИИнефтепромхим»
Жесткие рабочие условия в печах требуют применения для 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 высоковязкого мазута (М100 и М200) к транспортировке на топливное хозяйство промышленных предприятий, его перерабатывают, так как при температуре ниже температуры застывания в нефтепродукте образуются кристаллические структуры, придающие ему свойство твердого тела [2]. Специальной термообработкой можно уменьшить прочность структур и снизить вязкость мазута.
Введение присадок позволяет значительно снизить температуру застывания (до 15-210С) и повысить текучесть мазута [3, 4], но эта мера не сможет решить большинства проблем, имеющихся в мазутном хозяйстве.
Из-за распространенной на 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 ►
Первичный Вторичный воздух воздух
Рис. 1. Принципиальная схема организации процесса сжигания мазута: 1 - топка;
2 - горелка; 3 - форсунка; 4 - зона подогрева топлива; 5 - зона горения; 6 - зона дожигания. Fig.1. Principal Diagram for organization of furnace oil burning process: 1 - hearth; 2- burner;
3 - injector; 4 - fuel heating zone; 5 - burning zone; 6 - afterburning zone.
BURNING WATER BASED FURNACE OIL EMULSION IN INDUSTRIAL FURNACES WITH AN ADDITIVE
The principal types of liquid fuel for industrial furnaces are furnace oil and heavy residues obtained from the process of oil refining [1].
When furnace oil is burnt in industrial furnaces the personnel of both the oil furnace facility and the shops where the furnaces are installed are confronted with a number of problems which affect the reliability of the equipment operation, which lead to excessive use of fuel, pollution and reduce the technical and economic performance of the enterprise at large.
Severe operating conditions in the furnaces require the use for their stacks of expensive high alloy austenic steels with specially treated surface and high velocities of material movement for the purpose of intensifying heat transfer. Average values of allowable thermal stress in many respects depend on uniform distribution of thermal load throughout the whole surface of the stacks which is achieved through the optimal arrangement of the pipe coil, its convenient location in the hearth, by improving the burner design and methods of fuel combustion as well as the quality of liquid fuel itself. It is necessary to reduce the exhaust of toxic combustion products into the atmosphere, primarily, all the sulfur and nitrogen oxides as well as soot and heavy metals. No less relevant to the burning process is the reduction of viscosity and the temperature of furnace oil congelation.
In order to prepare high viscosity furnace oils (M100 and M200) for transportation to a fuel facility of industrial enterprises, they are refined, since at the temperature below the setting temperature, this petroleum product develops crystalline structures which impart the property of a solid body to it [2]. Special heat treatment may reduce the strength of the structures and decrease the viscosity of the furnace oil. The introduction of additives allows the setting temperature to be significantly reduced (down to 15-210C) and the fluidity of furnace oil to be increased [3, 4], however this measure cannot deal with the majority of problems that exist at a fuel facility.
Due to the technology of unloading, storing and keeping in the hot reserve which is commonly practiced by industrial enterprises, the furnace oil becomes saturated with water. A certain amount of water may settle down. The water finds its way through furnace oil piping, and through those, makes its way to the burners of the industrial furnaces (a principal diagram for organization of furnace oil burning process is shown in Fig.1). As a result of deteriorating burning conditions for the furnace oil, the flame becomes unstable, the furnace oil does not burn down completely, the amount of hazardous substances in the combustion products increases, the furnaces and their ancillary equipment become less reliable. A small amount of moisture in the furnace oil in a finely dispersed state facilitates the burning process, though the heat released by burning fuel is less. The normal content of moisture in the furnace oil is 0.3-1.5% [5].
It is possible to improve the operating reliability and the economic performance of the furnaces und-
ЭКСПОЗИЦИЯ 3/Н (64) май 2008 г.
er operating conditions by uniformly distributing water throughout the whole mass of the furnace oil, i.e. by creating water based furnace oil emulsion from the fuel (WBFOE). However, this emulsion, by itself, is rather unstable and does resolve the issue of burning water based furnace oils, therefore when producing the WBFOE (the proportion was developed by the Organic and Physical Chemistry Institute of the Kazan Research Center, Russian Academy of Sciences) it is required to introduce additives (developed at OAO «NNneftepromkhim»), i.e. surface active materials (SAM), which make WBFOE more stable, up to the extent acceptable in industrial application. The quality of the resulting fuel is determined, to a great extent, by its dispersion, i.e. the size of dispersion phase particles (water). The higher the dispersion is and the smaller the drops of water are, the more stable the emulsion is and the higher its quality.
When dispersing the furnace oil in water, such systems take shape whose dispersion medium can be either water (see Fig. 2), or petroleum product (see Fig 30). Of practical value is the product depicted in Fig .3, it can be regarded as stable fuel. The furnace oil, whose composition includes significant amounts of high melting paraffins, when dispersed in water, produces suspensions. The archeological properties of the water based furnace oil emulsion depend on the concentration of the inner phase. When concentrations are small, the interaction between particles of the dispersion phase is not great, as the viscosity of the system is not much dependent on the concentration and is determined only by the dispersion medium. When the concentration becomes higher, the interaction between the particles (drops) increases, which leads to a more intensive increase of the viscosity. The maximum changes in viscosity are observed in the range, close to critical one. [2, 6, 7].
The technology of modifying the furnace oil with additives is mainly determined by their structure and the ability to dissolve in fuel [3, 4, 8].
Fine dispersion of WBFOE particles and their uniform distribution in the flow cause the active surface of the reaction to increase, the heating and evaporation of the particles to become easier and help make combustion quicker and more complete [9 - 14]. The process of mixing and decomposing WBFOE proceeds more favorably, if air is supplied to the base of the flame. The length of the flames on all the burners must be the same and adjusted such that the upper part of the flames does not reach the surface of the screens. Long and widely dispersed flames of the liquid burners which, when furnace oil is burnt, touch the surface of the furnace stacks, create huge local overheated areas, which produces the over burning of the metal and results in scale, while the deposits inside the stacks may cause bulges, deformation and even burnouts. When the temperature of the stack surface is low, dispersed long flames, when burning furnace oil, cause soot to be produced and heat transfer to be reduced. These issues, in the case of WB-FOE being burnt with additives, become less relevant as research has shown that the presence of small drops of water, 0.8-3 mm in size, improves the burning; when water changes into vapor, this is accompanied by the bursting and fragmentation of the furnace oil drops which facilitates burning. Given fine distribution of water in furnace oil, carbonization of the burners lessens, as well as this has a catalytic effect on the process of burning down the soot particles.
Table 1 illustrates the change of some of the operating performance characteristics of the electric power plant, depending on the content of water in fuel. The optimal quantity of water in the emulsion is 10-20%. The maximum saving of fuel amounting to 3-5% is ensured when there is 12-17% of water in the fuel. Increased fuel consumption, due to evaporation (up to 1.3% at 20% of water), is made up for by higher efficiency factor of the electric power plant (up to 5.0%). This is what brings about the overall saving of the fuel. The optimal water content, as it has to be pointed out, also reduces heat loss with gas emissions (to 40%), as well as brings down the average temperature of gases in the chamber (by 2.0-3.5%) and beyond the combustion chamber (to 30-35%). The rationally organized process of burning the WBFOE with a water content of 10-15% and additives of up to 1.5%, is reasonable from the environmental point of view, as this technique is an effective method of protecting the atmospheric air from pollution [15 - 17]. The presence
горелкам промышленных печей (принципиальная схема организации процесса сжигания мазута представлена на рис. 1). В результате ухудшаются условия сжигания мазута, факел становится нестабильным, выгорание мазута - неполным, увеличивается количество вредных веществ в продуктах сгорания, снижается надежность 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% [5].
Повысить надежность работы и экономичность 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 (пропорция разработана в Институте органической и физической химии Казанского НЦ РАН) необходимо добавлять присадки (разработанные в ОАО «НИИнефтепромхим»), т.е. поверхностно-активные вещества (ПАВ), повышающие степень устойчивости ВМЭ до приемлемых в промышленном использовании. 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 (см. рис. 2), либо нефтепродукт (см. рис. 3). Практическую ценность представляет продукт, изображенный на рис. 3, его можно рассматривать как стабильное топливо. Мазут, имеющий в своем составе значительные количества высокоплавких парафинов, при диспергировании в воде образует суспензиию.
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.
Рис. 2. Прямая водомазутная эмульсия Fig. 2. Direct Water Furnace Oil Emulsion
При повышении концентрации взаимодействие частиц (капель) увеличивается, что приводит к более интенсивному увеличению вязкости. Наиболее значительное изменение вязкости наблюдается в областях, близких к критическим [2, 6, 7].
Технология обработки мазута присадками в основном определяется их структурой и способностью растворяться в топливе [3, 4, 8].
Мелкое распыление частиц ВМЭ и равномерное их распределение в потоке приводит к увеличению активной поверхности реакции, облегчает нагрев и испарение частиц и способствует быстрому и полному горению [9-14]. 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. При сжигании ВМЭ с присадками данные проблемы становятся менее актуальными, т.к. исследованиями установлено, что в присутствии небольших капелек воды размером 0,8-3 мм 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 вода оказывает каталитическое влияние на процесс догорания сажевых частиц.
В таблице 1 приведено изменение 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 ►
Рис. 3. Обратная водомазутная эмульсия Fig. 3. Reverse Water Furnace Oil Emulsion
3/Н (64) май 2008 г. ЭКСПОЗИЦИЯ
ростом КПД установки (до 5,0%). Это и обеспечивает общую экономию топлива.
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 10-15% и присадками до 1,5% целесообразен с экологической точки зрения, так как этот прием является эффективным методом защиты воздушного бассейна от загрязнений [15-17]. Наличие воды в топливе уменьшает содержание вредных выбросов с продуктами сгорания в атмосферу. Уровень содержания в мазуте 10-15% воды позволяет снизить эмиссию NOx на 30-35% в промышленных печах. Происходит также более глубокое выгорание топлива, уменьшаются золовые отложения по газовому тракту и, как следствие, повышается надежность работы промышленных печей.
Переход на сжигание ВМЭ приводит к снижению концентраций оксидов азота в продуктах сгорания, что следует рассма-триваеть в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха по сравнению с режимами сжигания неэмульгированного мазута.
Об обеспечение полного сгорания топлива можно судить по концентрации СО в продуктах сгорания, при сжигании ВМЭ она практически приближается к нулю [7], к тому же отсутствует чёрный дымовой факел на выходе из дымовой трубы.
Для улучшения экологической составляющей на промышленных предприятиях рекомендуется при изготовлении ВМЭ применять сточные воды, очищенные от механических примесей.
Об экономичности сжигания ВМЭ с присадками судят по коэффициенту избытка воздуха. Для его нахождения отбирают пробы топочных газов. Места отбора проб рассредоточивают по всему газовому
Показатель Содержание воды, % масс.
0 5 10 20 30
Увеличение КПД, % - 3,8 5,0 4,2 3,0
Экономия топлива, % - 0,51,8 2,03,5 3,05,0 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, 0С 1290 1280 1270 1240 1200
Температура за камерой сгорания, 0С 475 325 300 310 290
тракту (около горелок, в нескольких местах топки, в конвекционной шахте).
Окончательное решение о качестве ВМЭ с присадками и применении ее на промышленных предприятиях определяется экологической и технико-экономической оптимизацией. ■
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шарихин В.В., Ентус Н.Р, Коновалов А.А., Скороход А.А. Трубчатые печи нефтегазопереработки и нефтехимии: Учебное пособие. - Москва; Изд-во «Сенсоры. Модули. Системы», 2000.
2. Губин В.Е., Губин В.В. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. М.: Недра.-1982, 296 с.
3. Тертерян РА. Депрессорные присадки к нефтям, топливам и маслам. М.:Химия.
- 1990, 236 с.
4. Энглин Б.А. Применение жидких топлив при низких температурах. М.: Химия.
- 1980. - 207 с.
5. ГОСТ 10585-99. Топливо нефтяное. Мазут. Технические условия. Изд-во стандартов.
6. Булгаков Б.Б. и др. О применении во-домазутной эмульсии для сжигания в котельных установках// Энергетическое хозяйство. 1995. - № 6. - с. 48-50.
7. Корягин В.А. Сжигание ВТЭ и снижение вредных выбросов. СПБ.: Наука.-1995 г
8. Назмеев Ю.Г. Мазутные хозяйства ТЭС.
- М.: Изд-во МЭИ, 2002.
9. 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.
10.Шевелев К.В. Влияние влажности ВТЭ на эффективность их сжигания// Промышленная энергетика. 1987. - № 7. - с. 38-40.
11.Cunnigham FA. T. S., e.a. Water in oil combustion as a technique for burning extra heavy fuel in large power station boilers// Combustion in Engineering. - 1983. - v. 2. - p. 147-154.
12.Карпинский Ю.И., Колосов В.В., Сумен-ков В.М. Влияние свойств ВТЭ на эффективность их использования в энергоустановках. Владивосток, 1990 г. 25 с.
13.Френкель Л.И., Павлов А.В. Получение и использование водотопливной эмульсии в котельных установках// Судостроительная промышленность. - 1989, -вып.9, - с.20-25.
14.Беликов А.Н., Абрамов А.К. Водомазут-ные эмульсии - эффективное топливо для отопительных котельных// Водоснабжение и санитарная техника.-1983.
- №10. - с.20-21,
15.Корягин В.А., и др./ Исследование содержания вредных веществ в продуктах сгорания ВТЭ// Промышленная энергетика, 1988. - №4, - с.45-48.
16.Холл М. Уменьшение загрязняющих выбросов в атмосферу при сжигании водо-мазутных эмульсий// Энергетические машины и установки.- 1976 - т. 98, сер. А. №4. - с.1-12.
17.Юсуфова В.Д. и др. Уменьшение вредных выбросов в атмосферу при сжигании во-домазутных эмульсий в паровом котле// Промышленная энергетика, - 1984. - №7.
- с.34-35.
of water in fuel cuts back on the content of hazardous exhaust with combustion products in the atmosphere. The water content of 10-15% in the furnace oil allows NOx emission to be reduced by 30-35% in industrial furnaces. Also fuel burns down more completely, soot build-up reduces in the gas piping and, as a consequence, the operating reliability of the industrial furnaces improves.
Transition to burning WBFOE leads to reduced concentrations of nitrogen oxides in the combustion products, which is considered within a wide range of water surplus coefficients, compared to un-emulsiffed furnace oil burning modes. The fact that the fuel burns down completely is evidenced by CO concentration in the combustion products, as, when WBOFE is burnt, this concentration virtually approximates zero [7], while, at the same time, there is no black smoke plume at the exit from the stack.
To improve the environmental performance, it is recommended that the industrial enterprises should use the affluent cleaned from mechanical impurities, when producing WBFOE.
The economy of burning WBFOE with additives is to be judged by the air surplus coefficient. For it to be determined, samples of hearth fumes are taken. Points of sampling are to be distributed throughout the whole fume piping (in the vicinity of the burners, in several locations within the hearth, in the convection shaft).
Final decision as to the quality of the WBFOE with additives and its use by industrial enterprises is made based on the environmental as well as technical and economic optimization.
SOURCES
1. Sharikhin V.V., Entus N.R., Konovalov A.A., Skorok-hod A.A. Tubular Furnaces for Oil and Gas Processing and Petroleum Chemistry: manual. - Moscow: Sensors. Modules. Systems» Publishers, 2000.
2. Gubin V.E., Gubin V.V. Pipeline Transportation of Oil and Petroleum Products. M.: Nedra.-1982.
3. Terteryan R.A. Dispersion Additives for Petroleum, Fuels and Oils. M.:Chemistry. - 1990.
4. Englin B.A. Application of liquid fuels at low temperatures. M.: Chemistry. - 1980.
5. GOST 10585-99. Petroleum Fuel. Furnace Oil. Technical Specifications. Standards Publishers.
6. Bulgakov B.B. and others. On the Use of Water Based Furnace Oil Emulsion For Burning in Boiler Installations// Energy Infrastructure. 1995. - No. 6.
7. Koryagin V.A. Burning Water Based Fuel Emulsions and Reduction of Noxious Emissions. St.P.: Science.-1995.
8. Nazmeev Yu.G. Furnace Oil Facilities and Fuel Emulsion Systems. - M.; Moscow energy Institute Publishers, 2002.
9. Batuev S.P., Koryagin V.A. Special Features of Storage and Preparation for Burning of the Water Based Liquid Fuel in a Furnace Oil Facility //Industrial Energy.
- 1987.- No.5.
10. Shevelev K.V., Effect of Water Based Fuel Emulsions Moisture on the Efficiency of their Combustion// Industrial Energy. 1987.- No.7.
11. Cunnigham FA T.S., e.a. Water in oil combustion as a technique for burning extra heavy fuel in large power station boilers// Combustion in Engineering. - 1983.
12. Karpinsky Yu.I.., Kolosov V.V., Sumenkov V.M. Effect of the Water Based Fuel Emulsions Properties on the Efficiency of their Use in the Electric Power Plants. Vladivostok, 1990.
13. Frenkel L.I., Pavlov A.V. Production and Use of Water Based Fuel Emulsion in Boiler Units// Ship Building Industry. - 1989, - issue 9.
14. Belikov A.N., Abramov A.K. Water Based Furnace Oil Emulsions as Efficient Fuel for Heating Boiler Ro-oms//Water Supply and Sanitary Equipment.- 1983.
- No.10.
15. Koryagin V.A., and others/ Investigating the Content of Noxious Materials in the Combustion Products of the Water Based Fuel Emulsions// Industrial Energy, 1988. No.4.
16. Hall M. Reducing Pollutants Exhausted into the Atmosphere in the Burning of Waster Bases Furnace Oil Emulsions// Energy Machines and Installations.- 1976
- v. 98, ser.A. No.4.
17. Yusufova V.D. and others. Reducing Noxious Emissions into the Atmosphere in the Burning of Water Based Furnace Oil Emulsions in a Steam Boiler// Industrial Energy, - 1984.
Таблица 1. Влияние содержания воды в топливе на характеристики энергоустановки [12]
Table 1. Effect of the Water in Fuel Content on the Performances of the Electric Power Plant [12]
