CC BY
12
УДК 66.063.2
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И МОДЕРНИЗАЦИЯ УСТАНОВКИ ПОЛУЧЕНИЯ МОТОРНЫХ И КОТЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ СУРГУТСКОГО ЗСК. СООБЩЕНИЕ 5. ЭФФЕКТИВНАЯ УТИЛИЗАЦИЯ ЖИДКИХ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ (ВЭР) ПРОДУКТА КУБОВОГО
ОСТАТКА КОЛОННЫ К-1
Х.Н. ЯСАВЕЕВ*, А.Г. ЛАПТЕВ**, О.П. ШИНКЕВИЧ**,
А.М. КОНАХИН**, Е.Е. КОСТЫЛЕВА**
* ЗАО НПО Нефтехимпроект ** Казанский государственный энергетический университет
Дана оценка физических свойств кубового продукта К-1. Выполнено аппаратурное оформление станции утилизации вторичных энергоресурсов (СУ ВЭР). Выполнены расчеты газовых выбросов при сжигании КП в котлах типа Е-75-40ГМ. Выбрана схема хранения и транспортирования котельного топлива. Проведено обоснование выбора электротехнической части СУ ВЭР.
Статья является продолжением ряда сообщений, посвященных математическому моделированию процесса получения моторных и котельных топлив (сообщение 1) и модернизации аппаратурного оформления промышленной установки (сообщения 2, 3, 4).
В результате перегонки кубового остатка К-1 в ректификационной вакуумной колонне К-5 установки моторных топлив (УМТ) Сургутского завода стабилизации конденсата (ЗСК) (сообщение 4) остается тяжелый остаток, содержащий парафины, который можно использовать в качестве вторичных энергоресурсов (ВЭР). Эффективная утилизация этого остатка на месте производства отработана недостаточно, транспортировка затрудняется тем, что он имеет высокую вязкость. Поэтому актуальной задачей является разработка технологии и аппаратурного оформления утилизации жидких ВЭР с получением дополнительной энергии (пар, горячая вода, электроэнергия).
Предложенная технология утилизации кубового продукта (КП) производится путем сжигания КП в котлах с получением пара, который, в свою очередь, направляется на турбоагрегаты, соединенные с электрогенераторами. Конечный продукт утилизации - электроэнергия - может быть использована как для собственных нужд, так и для поставки в единую электросеть района расположения станции утилизации КП (в дальнейшем - СУ ВЭР). Представлены результаты эскизной проработки СУ ВЭР. Рассмотрены возможные технические решения по вопросам хранения и транспортировки КП.
Одними из наиболее важных и сложных в решении данной задачи является вопрос загрязнения атмосферы района, где предполагается расположение СУ ВЭР, выбросами продуктов сжигания КП в котлах. Такими продуктами при сжигании топлива являются оксиды азота и углерода. Предложены конкретные решения этой проблемы.
© Х.Н. Ясавеев, А.Г. Лаптев, О.П. Шинкевич, А.М. Конахин, Е.Е. Костылев Проблемы энергетики, 2004, № 3-4
Оценка физико — химических свойств КП
В результате предварительных опытных исследований физико-химических свойств КП были получены следующие данные.
Свойства смеси (кубовый продукт вакуумной колонны К-5) при температуре 342,8 °С:
3
• плотность пара 2,43 кг/м ;
• плотность жидкости 699,5 кг/м3;
-3
• коэффициент поверхностного натяжения жидкости 4,56-10 Н/м;
• коэффициент динамической вязкости пара 8,4-10-6 Па-с;
_4
• коэффициент динамической вязкости жидкости 9,375-10 Па-с.
Дополнительные эксперименты по определению физико-химических
свойств КП показали следующие параметры:
• температура застывания 42±2 °С;
• условная вязкость при t = 80 °С 2,79 °ВУ;
• условная вязкость при t = 100 °С 1,92 °ВУ;
• условная вязкость при t = 120 °С 1,5 °ВУ.
Состав КП как топлива следующий:
азот N = отсутствует;
углерод Ср = 85,96 ± 0,1 %;
водород Нр = 13,18 ± 0,2 %;
сера Sр = отсутствует;
вода Wр = отсутствует.
По величинам плотности, условной вязкости и содержанию серы КП близок к мазуту марки М40 (по ГОСТ 10585-75). Тем не менее, высокая температура застывания КП (~ 42 °С) почти в три раза выше температуры застывания мазута М40, что свидетельствует о высоком содержании парафинов. Это накладывает дополнительные требования к транспортированию и хранению КП. Температура застывания самого тяжелого высокосернистого мазута марки Н100 не превышает +22 °С, поэтому минимальная температура, при которой может храниться КП, не должна быть ниже 60 + 70 °С.
С другой стороны, температура вспышки мазута марки М40 лежит в пределах 130 °С. Это ограничивает температуру хранения и транспортирования КП по верхнему значению. Наиболее целесообразно хранить и транспортировать КП при температуре 90 + 100 °С, что приблизительно соответствует условной вязкости 2° ВУ.
Так как по основным физико-химическим показателям КП соответствует мазуту марки М40, то для теплотехнических расчетов теплообменного оборудования с достаточной точностью можно пользоваться данными физических свойств мазута М40.
Эскизная проработка станции утилизации ВЭР
В соответствии с нормами проектирования [1] было разработано ТЗ.
Режим работы СУ ВЭР полностью зависит от режима работы ректификационной колонны. Непрерывная работа - в течение одиннадцати месяцев, один месяц - на проведение всех видов ремонта. При круглосуточной работе СУ ВЭР в течение 11 месяцев в год нарабатывается 332 • 24 = 7968 часов.
При остановке работы СУ ВЭР в связи с аварийными причинами КП должен утилизироваться другими способами, например, сжиганием на специальном факеле.
В течение месяца ремонтных работ на колонне работа СУ ВЭР может обеспечиваться подачей топочного газа. В таком случае время работы СУ ВЭР составит 362 - 24 = 8688 час./год.
СУ ВЭР вырабатывает переменный электрический ток с частотой 50 Гц и напряжением 110 кВ, который через главный распределительный пункт может использоваться на заводе.
Система технического водоснабжения - оборотная с градирнями.
На СУ ВЭР используется оборудование только отечественного производства, которое должно обеспечивать соответствие нормам экологической безопасности по газовым и жидким выбросам [2-4]. Предложено использование котлов средней производительности типа Е-75-40 ГМ, обеспечивающих паром конденсационные турбины типа К-35-3,9 ОАО «КТЗ».
СУ ВЭР располагается на территории завода и обеспечивается подъездными путями железнодорожного и автомобильного транспорта.
Разработка и обоснование технических решений по сжиганию КП в котлах
К основным показателям процесса полного сгорания относят: теоретический (стехиометрический) и действительный (при а > 1) расходы окислителя (воздуха), теоретический и действительный выход и состав продуктов сгорания, коэффициенты расхода воздуха.
Расход воздуха и выход продуктов сгорания на 1 кг жидкого топлива измеряются в кубических метрах при нормальных условиях (^ = 0 °С; Р = = 0,1013 МПа).
Рассчитано, что на 1 кг КП для полного его сжигания при а = 1,03 требуется объем воздуха, приведенный к нормальным условиям, Кв = 11,47 м .
Выход продуктов горения на 1 кг КП
Продукты горения СО2 СО Н2О N2 О2
Выход, м3/кг 1,334 0,27 1,647 8,796 0,07
Концентрация,% 11 2,2 13,6 72,6 0,6
Суммарный выход продуктов горения уг = 12,12 м3/кг.
Для того чтобы достаточно точно рассчитать температуру горения КП в факеле, необходимо учитывать теплоту, затрачиваемую на процесс диссоциации продуктов полного сгорания.
Заметная диссоциация [5] СО2 начинается при температурах выше 1500 °С, а водяного пара - выше 1600 °С. При температурах, превышающих 2200 °С, диссоциации подвергаются молекулярный кислород, водород и азот.
При температуре выше 2000 °С становится заметным окисление
атмосферного азота, которое протекает по реакции
N2+0202140.
В технических расчетах при сжигании углеводородных топлив в воздухе, когда температура горения не превышает 2200 °С, выход и состав продуктов сгорания рассчитывают с учетом диссоциации только СО2 и Н2О.
Наиболее точно расчет ^теор находят графическим методом [6]. Получено, что теоретическая температура горения КП в котле, ^теор = 2120 °С, несколько выше, чем при сжигании топочных мазутов (1850 - 1950 °С). Это объясняется тем, что мазуты содержат серу и воду в своем составе.
Образование токсичных веществ при сжигании органических топлив
Продукты сгорания во всех случаях содержат азот N2, остатки кислорода О2, диоксид углерода СО2, водяные пары Н2О, а также диоксид серы 802 (при сжигании серосодержащих топлив), оксиды азота (при сжигании любых топлив) и летучую золу (при сжигании твердых топлив, промышленных и бытовых отходов, а также мазута).
Диоксид углерода и водяные пары - основные газообразные отходы при производстве теплоты - не используются. Поступая в атмосферу, они включаются в природные циклические процессы и поглощаются растительностью для синтеза органических соединений и регенерации кислорода.
Основными загрязнителями атмосферы являются золовые частицы, оксиды серы (главным образом 802 и, в меньших количествах, 803) и оксиды азота (монооксид азота N0 и небольшое количество диоксида азота N02).
Методы снижения выбросов оксидов азота в атмосферу
Фактически решение проблемы снижения выбросов N0x в атмосферу для небольших промышленных и отопительных котлов сводится к технологическим методам, т.е. к организации таких способов сжигания, которые уменьшают образование оксидов азота в топочной камере, не ухудшая при этом процесса горения и сохраняя на приемлемом уровне выбросы СО.
Поэтому речь идет, главным образом, о технологических методах подавления выбросов оксидов азота, которые состоят в изменении процесса горения за счет как режимных мероприятий, так и новых конструкторских решений.
Модернизация котлов Е-75-40ГМ с целью снижения выбросов N0-^
Анализ процессов сжигания жидких топлив в топках котлов различной конструкции с различными мероприятиями по снижению N0x в дымовых выбросах показал, что при использовании трех из четырех элементов модернизации котла и его элементов: устройства рециркуляции дымовых газов, впрыска воды в зону горения, организации двухступенчатого сжигания и нестехиометрического горения - можно снизить выход N0x с дымовыми газами по меньшей мере на 80 % об. При этом существенного повышения содержания СО в дымовых газах не будет. Естественно, несколько снизится КПД котла за счет снижения температуры горения КП. При расчете низшей теплотворной способности топлива его значение было получено на 7 % выше, чем заложенное в расчет числа котлов на СУ ВЭР (43,44 МДж/кг по отношению 40,4 Мдж/кг). Этот резерв, по-видимому, и будет использован при внедрении мероприятий по снижению выхода N0x с дымовыми газами.
Нестехиометрическое горение происходит путем перераспределения подачи жидкого топлива и воздуха между верхним и нижним ярусами горелок. Каждый ярус имеет по три горелки. Для организации нестехиометрического сжигания топлива достаточно уменьшить расход топлива в верхний ярус, соответственно увеличив подачу топлива в верхний ярус горелок.
Устройство рециркуляции дымовых газов требует установки дополнительного рециркуляционного дымососа. Рециркулируемые дымовые газы могут подмешиваться в дутьевой воздух, но наибольший эффект снижения образования окислов азота получается при вводе дымовых газов непосредственно в горелочные устройства, в их периферийные каналы.
Впрыск воды с целью снижения выхода N0x в процессе снижения жидкого топлива обычно осуществляется подачей воды в воздушные каналы горелок или в воздуховоды за регенеративным воздухоподогревателем.
Двухступенчатое сжигание жидкого топлива может быть реализовано как нестехиометрическое сжигание, рассмотренное ранее. Но также существует способ реализации двухступенчатого сжигания топлива с использованием специально созданных ВТИ малотоксичных горелок для сжигания газа и мазута [7].
Проведя анализ процессов сжигания жидких топлив, пришли к выводу, что модернизация работы котла Е-75-40ГМ с целью сжигания выбросов N0x может происходить двумя путями:
а) использования рециркуляции дымовых газов до 12 %, впрыска воды до 10 % от расхода топлива и использования нестехиометрического сжигания топлива;
б) использования рециркуляции дымовых газов, впрыска воды в зону горения и использования специальных горелок, разработанных ВТИ, обеспечивающих двухступенчатое сжигание топлива. Этот путь может быть использован в случае, если котел Е-75-40ГМ снабжается тремя мощными горелками, расположенными в один ярус (последняя разработка завода-изготовителя котла Е-75-40ГМ).
В обоих случаях достигается снижение выхода N0« по крайней мере, на
80 %.
После модернизации схемы котла Е-75-40ГМ выход N0x составляет 33
0,04 г/м дымовых газов, 0,51 г/кг топлива (исходные значения - 0,25 г/м и
2,55 г/кг соответственно).
Обоснование технических решений по хранению и транспортировке котельного топлива
На тепловых электростанциях и котельных применяются три схемы подвода жидкого топлива к форсункам: тупиковая, циркуляционная и
комбинированная (тупиково-циркуляционная) [8].
Тупиковая схема применяется, как правило, для небольших котельных, работающих на маловязких мазутах марок М20 и М40, в качестве аварийного или растопочного топлива, а также для котельных, потребляющих жидкое топливо, как основное, резервное или аварийное. Тупиковая схема недостаточно надежна в эксплуатации и имеет ряд недостатков.
К преимуществу можно отнести то, что при тупиковой схеме учет расхода топлива наиболее прост, так как ведется по одному мазутомеру перед котлами.
Циркуляционная схема применяется при сжигании высоковязких мазутов, а также когда котельная работает постоянно на мазуте и кратковременно - на газе. Основной недостаток - неизбежность слива обработанного и подогретого мазута в емкости при останове котлов, что может вызвать перегрев топлива на всасе насоса.
Комбинированная (тупиково-циркуляционная) схема применяется при работе станции на переменных нагрузках, при частых переходах с газа на мазут, а также при работе на маловязких топливах со стабильными нагрузками. Эта схема наиболее приемлема для котлов, работающих на высоковязких мазутах. Преимущества комбинированной схемы включают в себя преимущества как тупиковой, так и циркуляционной схемы.
Циркуляционная схема, в свою очередь, подразделяется на три схемы по способу подвода топлива к форсункам:
а) одноступенчатая (раздельная) схема. Эта схема с разделением контуров подачи мазута в котлы циркуляционного разогрева и перемешивания мазута в резервуарах;
б) двухступенчатая (раздельная) схема - схема с разделением контуров подачи мазута в котельную циркуляционного разогрева и перемешивания мазута в резервуарах;
в) двухступенчатая (совмещенная) схема - это схема с совмещением контуров подачи мазута в котельную циркуляционного разогрева и перемешивания мазута в резервуарах.
Как уже отмечалось, в качестве котельного топлива используется кубовый продукт, отходящий от ректификационной колонны глубокой перегонки нефти. Расход топлива составляет 60 т/ч с температурой жидкости 354,4 °С. В целях безопасности кубовый продукт перед подачей в топливное хозяйство котельной необходимо охладить до температуры подачи топлива в горелки котлов (до 100 °С).
Важнейшей характеристикой жидкого топлива, влияющей на качество распыления форсунками и на все показатели эффективности работы котельных агрегатов, является вязкость жидкости, значение которой зависит от температуры.
На рекомендуемых к установке котлоагрегатах установлены механические форсунки. Для их работы жидкое топливо должно иметь вязкость не выше 3,5 °ВУ.
По заводским данным при температуре 100 °С вязкость топлива равна 1,92 °ВУ, что обеспечивает качественное распыление механическими форсунками.
Другим фактором, влияющим на качество распыления, является давление топлива перед форсункой. Согласно [8] для механических форсунок давление жидкого топлива перед форсункой должно находиться в интервале 2,5 - 3,5 МПа.
Проведенный анализ существующих схем подготовки и подачи жидкого топлива к форсункам котлов, с учетом их преимуществ и недостатков, показал, что наиболее выгодным для использования является вариант тупиковой схемы с двухступенчатой подачей топлива в котлы как наиболее простой и, несмотря на недостатки, обеспечивающий надежную работу котлоагрегатов.
Выбор электротехнической части СУ ВЭР
Требования, предъявляемые к электрической схеме станции, подстанции, следует понимать как требования к самой установке, поскольку схема определяет основное электрическое оборудование и эксплуатационные свойства установки:
1) соответствие электрической схемы условиям работы станции, подстанции в энергосистеме, ожидаемым режимам, а также технологической схеме станции;
2) удобство эксплуатации, а именно:
• простота и наглядность схемы, минимальный объем переключений, связанных с изменением режима, доступность электрического оборудования для ремонта;
• удобство сооружения электрической части с учетом очередности ввода в эксплуатацию генераторов, трансформаторов, линий;
• возможность автоматизации установки в экономически целесообразном объеме;
• достаточная, экономически оправданная степень надежности.
Последнее требование нуждается в разъяснении. Надежность представляет
собой свойство объекта (элементов оборудования, системы из ряда элементов,
электроустановки в целом) выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в определенных пределах.
Проведено обоснование выбора электротехнической части СУ ВЭР. Распределительное устройство (РУ) 10 кВ - закрытого типа с размещением оборудования внутри помещения, РУ 110 кВ - открытое с оборудованием для наружной установки.
Выводы
1. Проведена эскизная проработка СУ ВЭР. В качестве ВЭР используется кубовый продукт вакуумной ректификации. Подобраны основное и вспомогательное оборудование и сооружения на станции.
2. Выполнены расчеты газовых выбросов при сжигании КП в котлах типа Е-75-40 ГМ. Теоретическая температура горения КП в факеле составила 2120 °С. Рассчитан выброс в атмосферу NOx из одного котла, который составил 0,25 г/м продуктов горения или 2,55 г/кг жидкого топлива.
3. В результате рассмотрения известных технологических способов снижения выбросов оксидов азота в атмосферу предложена схема модернизации работы котла Е-75-40ГМ путем использования рециркуляции дымовых газов, впрыска воды в зону горения и использования эффекта двухстадийного сжигания топлива. Предложены конструктивные решения модернизации. Показано, что модернизация может снизить как минимум на 80 % выброс оксидов азота. В таком случае выброс оксидов азота из одного котла составит 0,04 г/м или 0,51 г/кг жидкого топлива.
4. Обоснованно выбрана схема хранения и транспортирования котельного топлива. Предложена тупиковая схема с двухступенчатой подачей топлива в котлы.
5. Проведено обоснование выбора электротехнической части СУ ВЭР. Распределительное устройство РУ 10 кВ - закрытого типа с размещением оборудования внутри помещения, РУ 110 кВ - открытое с оборудованием для наружной установки.
6. В результате работы СУ ВЭР будет получено 984077 тыс. кВт-ч/год электроэнергии.
Summary
Physical properties of k-1 column bottom product (BP) estimation is given. Secondary energy supply utilization station (SE SUS) hardware implementation is selected and study developmental work is conducted. In E-75-40GM type incinerator BP firing air venting is performed. There is choosen the fuel oil (household fuel, boiler fuel) storage and transportation scheme. SE SUS electro technical part choosen basis is conducted.
Литература
1. Нормы технологического проектирования тепловых электрических станций. ВНТП81-М., 1981.
2. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий (СН-245-71), 1972.
3. ГОСТ 17.2.302-78 Охрана природы. Атмосфера. Правила установления допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями, 1971.
4. Руководство по проектированию обработки и очистки производственных сточных вод тепловых электростанций. - М., 1976.
5. Тепловые и атомные электрические станции: Справочник / Под общ. ред.
B.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энергоиздат, 1982.
6. Равич М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. - М.: Издательство АН СССР, 1961.
7. Влияние ввода влаги в топку БКЗ-320-140ГМ на выбросы окислов азота / А.Д. Горбатенко, С.П. Титов, В.П. Лукашавичус и др. // Электрические станции. - 1984. - №5, - С. 59-60.
8. Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов. - Л.: Недра, 1989.
9. Ахмедов Р.Б., Циркульников Л.М. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. - Л.: Недра, 1984.
10. Котлер В.Р., Гуща В.И. Перспективы снижения выбросов оксидов азота промышленными котлами // Промышленная энергетика. - 1988. - № 6. -
C. 23-27.
11. Снижение вредных выбросов в атмосферу с утилизацией теплоты уходящих газов котлов в системах теплоснабжения / О.Г. Ляхов, О.Л. Якимов, Ю.М. Добротворцев и др. // Промышленная энергетика. - 1994. - № 7. - С. 48-51.
Поступила 19.11.2002
