Повышение технико-экономических показателей мазутных хозяйств

УДК 628.162.5

ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МАЗУТНЫХ ХОЗЯЙСТВ

Э.Р. ЗВЕРЕВА, А.Г. ЛАПТЕВ, Л.В. ГАНИНА

Казанский государственный энергетический университет

В данной работе рассмотрены ресурсосберегающие и природоохранные мероприятия в мазутном хозяйстве ТЭС. Предложена технология эмульгирования жидкого топлива и использование многофункциональной присадки к

высокосернистым мазутам, способные улучшить технико-экономические, экологические показатели мазутных хозяйств. Данная технология позволяет существенно сократить стоимость условной единицы топлива, снизить объемы выбрасываемых загрязняющих веществ в атмосферу.

В настоящее время энергосберегающие и природоохранные мероприятия являются актуальными в энергетике и в топливном хозяйстве ТЭС в частности. Прогноз структуры топливно-энергетического баланса России показывает, что нефть и газ останутся доминирующими энергоносителями, при сжигании которых в 2030 г. будет производиться 70 % энергии. Согласно проектам энергетической стратегии России, в ХХ! веке даже в случае самых жестких ограничений добыча нефти в 2010 г. будет на уровне 280-290 млн. т, а в 2030 г. - на уровне 235-245 млн. т. Свыше 30 % добываемой нефти в процессе ее переработки переходит в топочный мазут, основным потребителем которого являются электростанции и котельные.

При сжигании мазутов в атмосферу с дымовыми газами поступают окислы азота и серы, окись углерода, сажа, бенз(а)пирен и другие токсические вещества. Перспективным методом подавления образования этих веществ в топочных процессах является сжигание мазута в виде водомазутной эмульсии.

Водомазутные эмульсии (ВМЭ) - это синтетическое жидкое топливо, представляющее собой дисперсную систему из двух нерастворимых друг в друге жидкостей. ВМЭ отличается от мазута как физико-химическими свойствами, так и особенностями горения и теплообмена. При сжигании в топке водомазутной эмульсии процессы горения ускоряются и происходит снижение токсичных выбросов. Технология сжигания водомазутных эмульсий позволяет:

- снизить содержание в дымовых газах N0* на 20-40 %, СО - на 50 %, сажи - на 70-80 %;

- обеспечить полное сгорание топлива, вследствие чего уменьшаются золовые отложения по газовому тракту, повышается надежность работы котельного оборудования;

- обеспечить надежный распыл и горение при низких температурах, уменьшить длину факела до размеров, соответствующих техническим требованиям, повысить срок службы котельного оборудования;

- обеспечить надежную работу котла при обводнении исходного мазута до

30 %;

- снизить интенсивность низкотемпературной сернокислотной коррозии оборудования;

- утилизировать обмазученные и замасленные сточные воды, получить дополнительную энергию за счет уменьшения энергозатрат на собственные нужды

© Э.Р. Зверева, А.Г. Лаптев, Л.В. Ганина Проблемы энергетики, 2007, № 11-12

(исключить из технологии топливоподготовки операции отстаивания, слива подтоварной воды).

В основу разработки положены известные данные по интенсификации процесса горения и снижению токсичных выбросов при сжигании в топке (камере сгорания) водотопливной эмульсии [1]. Сравнительные данные о горении безводного и эмульгированного топлива показывают, что эмульгированное топливо сгорает значительно быстрее безводного. Скорость горения увеличивается за счет увеличения поверхности горения топлива. Увеличение поверхности горения топлива обуславливается вторичным диспергированием в результате микровзрыва капли ВМЭ.

Смешение топлива происходит в специальном устройстве, которое устанавливается преимущественно перед форсункой топочной камеры. В качестве такого устройства могут использоваться диспергаторы, гомогенизаторы, роторно-пульсационные аппараты, кавитаторы, а также пароакустическая головка-эмульгатор «Факел М».

Разработаны несколько вариантов технологических схем по сжиганию ВМЭ: схема с центральным узлом приготовления ВМЭ, схема с индивидуальным узлом приготовления ВМЭ и комбинированная схема (рис. 1).

Рис. 1. Технологическая схема подготовки водомазутной эмульсии: 1 - основной резервуар мазута; 2 - насос первого подъема; 3 - подогреватель мазута; 4 - кавитатор; 5 - фильтры тонкой очистки; 6 - насос второго подъема; 7 - эмульгатор; 8 - ВМЭ к форсункам котлов; 9 - емкость для сточных вод; 10 - емкость для раствора реагентов; 11 - насосы подачи добавочной воды; 12 - узел регулирования расхода добавочной воды; 13 - подвод пара на кавитатор и эмульгатор; 14 - сточные воды от других источников; 15 - датчики влажности воздуха

Схема с центральным узлом приготовления ВМЭ наиболее проста. Но в этой схеме в случае добавки воды в тракт топлива происходит обводнение всего потока мазута, циркулирующего в контуре, включая мазутные баки, что нежелательно. Поэтому необходимо осуществлять надежный контроль влажности мазута на различных участках тракта. Наличие центрального узла эмульгирования имеет

эксплуатационное преимущество в режимах работы котлов без ввода добавочной влаги, что позволяет надежно работать котлам при сжигании мазутов с повышенной влажностью (до 20 %).

При индивидуальном узле приготовления ВМЭ обводнение мазута предусматривается только на входе в отдельные котлы. В этом варианте облегчается использование в качестве добавочных вод растворов реагентов - Са(ОН)2, ^И2^СО и др., употребление которых имеет целью дополнительное снижение выбросов вредных веществ.

Наибольшие возможности для приготовления ВМЭ и гибкость в эксплуатации оборудования достигаются при реализации комбинированного способа приготовления ВМЭ, совмещающего преимущества двух рассмотренных выше вариантов [2].

Качество эмульсии характеризуется в основном двумя показателями: дисперсностью и равномерностью распределения глобул в дисперсионной среде (мазуте). Эффективность сжигания ВМЭ характеризуется наличием и силой микровзрыва. Максимальный эффект микровзрыва капли эмульсии достигается при размерах дисперсной фазы около 8-16 мкм. ВМЭ на базе мазута марки М100 при температуре 60 0С однородны, устойчивы к расслоению в течение 48 часов, что вполне достаточно для стабильной и надежной работы мазутного хозяйства и котельной [3].

Первичное диспергирование осуществляется форсуночным устройством камеры сгорания, а вторичное - происходит уже в камере сгорания при нагревании капли воды, обволоченной пленкой мазута. Капля воды нагревается в течение 1,5 с при температуре 1200 0С, вследствие чего за счет невысокой температуры кипения (испарения) воды данная капля как бы взрывается, разрывая находящуюся на ней пленку мазута на более мелкие капли, которые сгорают за время равное 0,04 с. Мазут же без ввода в него воды сгорает равномерно без взрыва в течении 5-6 с. Из этого следует, что скорость сгорания увеличивается как минимум в 3 раза, соответственно парогенератору передается в 3 раза большее количество теплоты в единицу времени, т.е. повышается его КПД.

Экспериментальные исследования по определению скорости горения капель базируются на изменении размеров (диаметра) и массы капли в процессе горения. Методика экспериментального исследования горения единичной капли была предложена в лаборатории сжигания жидкого топлива научно-исследовательского института металлургической теплотехники (ВНИИМТ). Была создана специальная измерительная система, обеспечивающая определение времени выгорания капли, изменения ее массы, размера и температуры в процессе горения. Данная система состоит из камеры сгорания с лампой освещения, оптической системы, трансформатора, прецизионных весов (датчика веса, усилителя), батареи, телевизионной камеры, микроЭВМ, видеомагнитофона, телевизионного монитора (телевизора). В исследованиях используется фотографирование или киносъемка капли. Измерение массы капли производится каждые 20 мс на тензометрических прецизионных весах, точность измерения - 0,2 мг. Сигнал с датчика через усилитель поступает в микроЭВМ, обрабатывается и в цифровом виде помещается в информационную строку. Наличие в составе стенда микроЭВМ позволяет автоматизировать процесс исследования. ЭВМ осуществляет синхронизацию всей системы, ввод и обработку информации о массе и площади капли, формирование служебной информационной строки и ввод ее на видеомагнитофон и телевизионный монитор [1].

Одним из важных факторов, характеризующих эффективность использования водотопливных эмульсий в топочных процессах, является повышение эффективности и долговечности топочного оборудования. При сжигании эмульсии часть капель последней долетает до поверхностей нагрева и взрывается на них. Это способствует не только предотвращению отложений, но и очистке поверхностей от старых сажистых отложений, которые образовались при сжигании обезвоженного мазута, что позволяет избежать перерасхода топлива [3].

Нами были проведен расчет эффективности использования водомазутных эмульсий различного состава (табл. 1), а именно расчет количества теплоты: а) затраченной на подогрев воды и водяных паров; б) выделившейся при горении водорода, содержащегося в воде эмульсии; в) полученной от сгорания недожога мазута и непосредственно от сгорания самого мазута, содержащегося в эмульсии

[4].

Таблица 1

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании ВМЭ

Соотношение мазут / вода в эмульсии, % Количество теплоты, Q, кДж/кг

100/0 (чистый мазут) 39230

95/5 47750

90/10 45008

85/15 42245

80/20 39486

75/25 36727

70/30 33967

65/35 31208

60/40 28448

55/45 25687

50/50 22927

Произведен расчет выбросов для различных составов эмульсии

предположении полного сгорания топлива (углерод сгорает с образованием СО2). В табл. 2 показано, во сколько раз снижаются выбросы вредных веществ в атмосферу при сжигании ВМЭ по отношению к сжиганию чистого мазута [5].

Таблица 2

Снижение выбросов вредных веществ при сжигании ВМЭ

Выб- росы Соотношение мазут / вода в эмульсии, %

95/5 90/10 85/15 80/20 75/25 70/30 65/35 60/40 55/45 50/50

СО2 1,031 1,087 1,149 1,220 1,299 1,389 1,493 1,613 1,754 1,923

N2 1,048 1,141 1,250 1,384 1,549 1,759 2,034 2,412 2,962 3,838

1,031 1,088 1,151 1,221 1,301 1,392 1,497 1,619 1,763 1,935

В результате проведенных расчетов определен оптимальный состав эмульсии. В качестве топлива на ТЭС экономически и экологически выгодно использовать эмульсию состава: 80 % мазута и 20 % воды. Количество теплоты, получаемое от сжигания 1 кг чистого мазута (неэмульгированного) - 39230 кДж/кг, а количество теплоты, получаемое от сжигания эмульгированного топлива в составе 80/20 -39486 кДж/кг, однако при сжигании неэмульгированного топлива

затрачивается 1 кг мазута, а при сжигании эмульгированного топлива затрачивается 0,8 кг мазута (80 %). Экономия топлива составляет 20 %. Эти 20 % топлива замещаются водой, которая снижает затраты на топливо. Стоимость 1 тонны эмульсии 80/20 составляет 2400 руб. * 80 % + 7 руб. * 20 % = 1921,4 руб. Соответственно экономия денежных средств на 1 тонну топлива составляет: 2400 руб. - 1921,4 руб. = 478,6 руб. (по ценам 2006 г.). При этом снижаются выбросы вредных веществ в атмосферу: СО2 - в 1,22 раза, 802 - в 1,38 раза, N2 - в 1,22 раза. Снижение выбросов ведет к снижению экологических платежей, суммарный предотвращенный ущерб атмосфере оценивается в 36924 руб. на 1 тонну сжигаемого мазута [6].

Для усиления эффективности использования эмульгированных мазутов на ТЭС целесообразно добавление в них специальных веществ - многофункциональных присадок, совмещающих антикоррозионные, депрессорные, вязкостные и антиокислительные свойства. В качестве присадок используют отдельные химические соединения, полимеры, их композиции, а также отходы теплоэнергетических и химических производств.

Применение присадок основано на связывании агрессивных агентов (ванадия и серы), содержащихся в мазуте или образующихся при его сгорании, с переводом их в неагрессивные и не дающие отложений соединения. Вместе с тем присадки в ряде случаев улучшают процесс горения, а также ввод присадок в мазут позволяет снизить исходную коррозионную агрессивность продуктов сгорания [7].

Предлагаемая нами, и ранее не использованная, многофункциональная присадка ЛЬ является отходом теплоэнергетических и химических производств. Данную присадку мы испытали на мазутах марки М100. Проведенные экспериментальные исследования показали, что оптимальной является концентрация присадки 1-2 % от массы мазута. Присадка, в рекомендуемом количестве, легко растворима в мазуте при температурах до 40 0С. При исследовании коррозионной активности методом медных пластинок, в соответствии с ГОСТ 632192, пробы мазута М100 с различной концентрацией присадки (1-4,5 %) ЛЬ испытания выдержали. Использование упомянутой присадки (в концентрации 1-2 %) вызывает депрессию температуры застывания (на 5-7 0С), определенной в соответствии с ГОСТ 20287-91 (рис. 2), и снижает условную вязкость исходного мазута (на 20-30 %), определенную в соответствии с ГОСТ 6258-85 (рис. 3).

>>

и 10 I I I I I I I I I I I

О 0,5 1 1,135 2,245 2,5 3 3,3 4 4,4

Массовая доля присадки, %

Рис. 2. Зависимость температуры застывания мазута М100 от концентрации присадки ЛЬ

30 т-------1-------1------1-------1------1-------1------i-------1

0 1,135 2,245 2,5 3 3,3 4 4,4

Массовая доля ирисадк»

Рис. 3. Зависимость условной вязкости мазута М100 (при t=600C) от концентрации присадки JL

Присадка JL позволяет уменьшить генерацию одного из наиболее опасных коррозионных агентов, образующихся при сжигании мазута в парогенераторах, -серной кислоты, пары которой, конденсируясь на поверхностях с температурой ниже 330 0С, вызывают активную коррозию газоходов, дымососов и дымовых труб парогенераторов.

В топочной камере присутствие в мазуте присадки JL ускоряет выгорание окиси углерода в факеле, что способствует снижению выбросов сажистых частиц и, соответственно, уменьшению избытков воздуха. Таким образом, подавляется образование оксидов азота и серного ангидрида [8].

Выводы

Использование водомазутной эмульсии состава 80 % мазута и 20 % воды позволяет существенно сократить стоимость условной единицы топлива, снизить объемы выбрасываемых загрязняющих веществ в атмосферу, продлить срок службы теплоэнергетического оборудования и повысить надежность его работы. Добавление многофункциональной присадки JL к высокосернистому мазуту М100 способствует уменьшению генерации мощного коррозионного агента - серной кислоты, вызывает депрессию температуры застывания на 5-7 0С и снижает условную вязкость исходного мазута на 20-30 %.

Summary

There is nature protection and resources saving actions in the oil plants of the thermal power station have considered in this paper. The emulsification heating oil technology in combination with multi-function addition JL has offered in this paper. It’s able to improve technical-economic and ecologic indexes when the heating oil is exploited. This technology allows to reduce value of conventional fuel unit and to lower air pollution. Besides, this technology allows to lower power consumption on evaporation and separating water from the heating oil.

Литература

1. Иванов В.М. Топливные эмульсии. - М.: Академия наук СССР. - 1962.

2. Кормилицин В.И., Лысков М.Г., Румынский А.А. Комплексная экосовместимая технология сжигания водомазутной эмульсии и природного газа с добавками сбросных вод // Теплоэнергетика, 1996. - №1. - С. 13-17.

3. Воликов А.И. Сжигание газового и жидкого топлива в котлах малой мощности. - Л.: Ленхиммаш, 1989.

4. Зверева Э.Р., Ганина Л.В. Оптимизация процессов горения мазутных топлив // Сборник трудов 19-ой Межд. науч. конф. «Математические модели в технике и технологиях» - Воронеж, 2006. - Т. 10. - С.61-62.

5. Зверева Э.Р., Ганина Л.В. Влияние эмульгирования жидкого топлива на решение экологических проблем энергетики // Сборник конкурсных работ Всеросс. смотра-конкурса научно-техн. творчества студентов ВУЗов «ЭВРИКА-2006». Новочеркасск, 2006. - С. 275-276.

6. Ганина Л.В., Зверева Э.Р. Расчет эффективности технологии

эмульгирования жидких топлив на объектах энергетики // Тезисы докладов 13-ой Межд. научно-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».- М.: МЭИ, 2007. - Т.3. - С. 119-120.

7. Данилов А.М. Применение присадок в топливах. - М.: Мир, 2005.

8. Зверева Э.Р., Ганина Л.В. Способы подготовки мазута к

сжиганию//Сборник трудов 20-ой Межд. науч. конф. «Математические модели в технике и технологиях» - Ярославль, 2007. - Т.5. - С. 251-252.

Поступила 06.07.2007