Улучшение реологических свойств топочных мазутов

УДК 628162.5

УЛУЧШЕНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОПОЧНЫХ

МАЗУТОВ

Э.Р. ЗВЕРЕВА, И.А. МУТУГУЛЛИНА, Р.В.ЗИННАТУЛЛИНА, А.Р.ХАБИБУЛЛИНА

Казанский государственный энергетический университет

В данной работе рассмотрены проблемы использования низкосортного топлива в энергетических котлах. Приведены результаты влияния деэмульгатора «Дипроксамин-157» на эксплуатационные свойства мазутов.

Ключевые слова: низкокачественное котельное топливо, эмульсия, деэмульгатор, температура застывания, вязкость.

В России более 35% всей используемой энергии получается за счет сжигания жидкого нефтяного топлива, основными потребителями которого являются тепловые электрические станции, промышленные котельные, котельные ЖКХ и предприятия агропромышленного комплекса. К сожалению, сейчас наметилась тенденция к ухудшению свойств жидкого котельного топлива, что вызвано низким качеством исходной сырой нефти в связи с изменением мест её добычи [1]. Снижение качества мазутов также можно объяснить углублением переработки нефти, с ростом объемов получения высококачественных легких нефтепродуктов, при этом доля гудрона и тяжелых нефтепродуктов в котельном топливе растет.

При сжигании низкокачественного мазута в энергетических котлах и промышленных печах сталкиваются с рядом проблем, которые влияют на надежность работы оборудования, приводят к перерасходу топлива, загрязнению окружающей среды и снижению технико-экономических показателей предприятия в целом.

Качество мазута оказывает основополагающее влияние на общую эффективность работы оборудования котельных. Как правило, котлы для сжигания жидких топлив незначительно различаются по своей производительности в силу конструктивной однотипности. А это значит, что достичь повышения эффективности и экономичности ТЭС и котельных можно, лишь выведя качество мазута на новый уровень.

В связи с этим необходим поиск новых технических решений для обеспечения должного качества мазутов [2].

Одно из решений эксплуатационных проблем, связанных с использованием низкокачественного нефтяного топлива, - совершенствование технологии его подготовки, улучшение качества топлива. К таким процессам следует отнести «холодное» хранение, «облагораживание», многократную циркуляцию и рециркуляцию, многоступенчатую подготовку низкокачественного жидкого топлива, а также получение высококачественной водо-топливной смеси. Для котельных установок наибольшая эффективность применения новой технологии топливоподготовки может быть достигнута при одновременном применении газоимпульсной очистки.

Целью внедрения и практического применения новых технологических процессов является повышение эффективности использования низкокачественного топлива непосредственно в условиях котельных при максимальном снижении затрат. Данная цель достигается гомогенизацией топливной структуры и усреднением химического состава топлива в процессе его хранения в резервуарах и использования в

© Э.Р. Зверева, И.А. Мутугуллина, Р.В.Зиннатуллина, А.Р.Хабибуллина Проблемы энергетики, 2012, № 7-8

котельной. Показателем повышения качества низкосортного топлива является активизация и интенсификация процесса его сжигания в котлах. Очевидно, что технология топливоподготовки должна быть реализована в комплексе, включающем хранение, обработку, фильтрацию и другие технологические процессы для улучшения качества топлива.

Топочный мазут остается важнейшим видом топлива и требует соответствующих технологий для обеспечения необходимых потребительских и экологических свойств.

Из-за распространенной на ТЭС и в котельных промышленных предприятий 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.

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). Повысить надежность работы и экономичность котлов в условиях эксплуатации можно за счет равномерного распределения воды по всей массе мазута, т.е. за счет эмульгирования топлива.

При повышенном содержании влаги ухудшаются условия сжигания мазута, факел становится нестабильным, выгорание мазута - неполным, увеличивается количество вредных веществ в продуктах сгорания, снижается теплота сгорания мазута, ухудшается его распыливание и испарение в камере сгорания, происходят перерывы в подаче горючего, вызывающие непроизвольную остановку двигателя (или затухание топки при сжигании котельного топлива). Кроме того, вода в мазутах приводит к коррозионному разрушению металла или сплава вследствие электрохимических и химических процессов.

Одним из распространенных методов обезвоживания нефтяных топлив является разрушение эмульсий с применением деэмульгаторов.

Деэмульгаторы - поверхностно-активные вещества, способные вытеснить с поверхности глобул воды, диспергированной в нефти, бронирующую оболочку, состоящую из полярных (входящих в ее состав) компонентов, а также частиц парафина и механических примесей. При определенных соотношениях с эмульсией они должны создавать на месте вытесненной защитной оболочки новую, но с низкими структурно-механическими свойствами, слабо противодействующую слиянию (коалесценции) капель воды, т.е. являться нестойкими стабилизаторами эмульсии.

В настоящей статье приведены результаты исследования по влиянию на технологические свойства топочных мазутов марки М-100 деэмульгатора на основе дипроксамина-157 различных концентраций и в широком диапазоне температур.

Дипроксамин - производный от амина реагент, получаемый путем последовательного оксиэтилирования и оксипропилирования этилендиамина:

Н-(СзН6О)т-(С2Н4О)п ^ (С2Н4О)п(СзН6О)т- Н

КСШСШК

Н-(СзНбО)т-(С2Н4О)п (С2Н4О)п(СзНбО)т - Н

© Проблемы энергетики, 2012, № 7-8

Применяется в качестве активной основы деэмульгаторов и ингибиторов парафиноотложений для нефтяной промышленности и в качестве присадки к турбинным маслам.

Физико-химические свойства дипроксамина приведены в табл. 1. Дипроксамин хорошо растворим в маслах. При этом он не вымывается водой, обеспечивая, тем самым, более длительный эффект эмульсации.

Принцип действия дипроксамина заключается в снижении межфазного натяжения на границе раздела топливо-вода.

Таблица 1

Физико-химические свойства «Дипроксамина» [2]

Наименование показателей Нормы

Внешний вид Прозрачная вязкая жидкость от желтого до коричневого цвета

Массовая доля азота, %, в пределах 0,50-0,55

Водородный показатель (рН) водной эмульсии с массовой долей дипроксамина 157-100%, 5% не выше 12

Массовая доля золы, %, не более 0,5

Плотность, кг/м3 1030

Температура вспышки, 0С 50

Расчетные уравнения и результаты экспериментальных исследований, с учетом погрешности эксперимента, показаны на рисунках 1-2.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2

Концентрация присадки, % масс

Рис. 1. Зависимость условной вязкости мазута М100 от концентрации присадки:  - экспериментальные значения; линия - расчетная кривая

© Проблемы энергетики, 2012, № 7-8

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

Механизм влияния дипроксамина на реологические свойства мазута можно объяснить следующим образом. Топочный мазут марки М100 состоит, в основном, из

парафиновых углеводородов (49,2 % масс.) (табл.2).

Таблица 2

_Структурно- групповой состав топочного мазута марки М100_

Название группы углеводородов Формула Содержание, % масс.

Парафиновые СпН2П+2 49,2

Ароматические СпН2п-6 42,6

Нафтеновые СпН2п 8,2

Содержащиеся в топливе парафины (49,2% масс.) при понижении температуры легко кристаллизуются. Затем кристаллы растут и, при определенных размерах и концентрации, образуют пространственную структуру. В результате этого процесса топливо теряет подвижность и плохо прокачивается через трубопроводы и фильтры. Присадка модифицирует поверхность кристаллов парафинов таким образом, что они теряют способность к слипанию, вследствие чего снижаются вязкость и температура застывания топочного мазута. Суть механизма действия присадки в мазуте состоит в повышении стабильности гетерогенной системы вследствие уменьшения размера частиц ее дисперсной фазы, а взаимодействие присадок с топливными дисперсными системами происходит по адсорбционному механизму.

Согласно полученным экспериментальным данным соединения присадки сорбируются на поверхности зарождающихся кристаллов парафиновых углеводородов и препятствуют их росту и ассоциации [3], тем самым оказывая положительное

© Проблемы энергетики, 2012, № 7-8

действие на реологические свойства мазута: снижается вязкость и температура застывания. В связи с этим уменьшаются энергетические затраты на подогрев мазута и на перекачку его по трубопроводам.

Улучшение текучести мазута при введении в них депрессоров можно объяснить как поверхностным, так и объемным механизмом их действия.

Поверхностное действие проявляется в том, что молекулы присадки, имеющие длинные алкильные радикалы, встраиваются в растущие кристаллы парафиновых углеводородов, начиная со стадии зародышеобразования. При этом полярные функциональные группы присадки ориентируются в дисперсионную среду и тормозят встраивание парафиновых углеводородов в растущую структуру, что ограничивает ее рост [2,3].

В результате объемного действия молекулы депрессорной присадки, за счет высокой полярности функциональных групп, формируют собственные ассоциаты и мицеллы при температурах более высоких, чем температура ассоциатообразования молекул нормальных парафинов. Такие мицеллы содержат полярные группы внутри ассоциата, а алифатические радикалы направлены в дисперсионную среду. Это способствует сольватации мицелл молекулами нормальных парафиновых углеводородов и созданию аморфизированных структур. Их кристаллизация в охлажденных нефтяных дисперсных системах носит локализованный характер, и при конденсации образуются крупные, слабо связанные друг с другом дендриты. Таким образом, участие подобных сольватированных структур в образовании сплошных пространственных сеток в растворе начинается при более низких температурах [3,4].

Выводы

Топочная присадка на основе дипроксамина 157 может использоваться как для разрушения стойких эмульсий, так и для улучшения реологических свойств мазутов.

Изучен механизм влияния присадки на реологические свойства топочного мазута.

Подтверждена адекватность полученных расчетных уравнений, описывающих динамику изменения показателей качества мазута от концентрации присадки.

Summary

The problems of low-grade fuel's use at power coppers are considered in this paper. The results of influence by the deemulgator «Diproksamin-157" to the operational properties of fuel oil are given.

Key words:bad quality oil fuel, emulsion, deemulgator, hardening temperature, viscosity.

Литература

1. Гумеров А.Г., Карамышев В.Г., Тогашева А.Р., Хазипов Р.Х. Применение деэмульгаторов в процессах подготовки нефти к транспорту // Тр. ин-та проблем транспорта энергоресурсов. 2006. Вып. 66. С.27-54.

2. Агаев С.Г., Гуров Ю.П., Землянский Е.О. Фазовые переходы и структурообразование в модельных системах твердых углеводородов и депрессорных присадок // Нефтепереработка и нефтехимия. 2004. №9. С.37-40.

3.Данилов А.М. Применение присадок в топливах. М.:Мир, 2005. 288 с.

4. Башкатова С.Т., Гришина И.Н., Смирнова Л.А. и др. О механизме действия присадок в топливной дисперсной системе // Химия и технология топлив и масел. 2009. №5. С. 11-13.

© Проблемы энергетики, 2012, № 7-8

Поступила в редакцию

04 мая 2012 г

Зверева Эльвира Рафиковна - канд. тех. наук, профессор кафедры «Технология воды и топлива на ТЭС и АЭС» (ТВТ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (927) 2470335. E-mail: 6elvira6@list.ru.

Мутугуллина Ирина Александровна - канд. тех. наук, зав. кафедрой математики и прикладной механики Бугульминского филиала КНИТУ. Тел.: 8 (8559) 445238. E-mail: vedgaeva@mail.ru.

Зиннатуллина Раиля Вагизовна - магистр кафедры «Технология воды и топлива на ТЭС и АЭС» (ТВТ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ) Тел.: 8 (937) 2807197. Email: zinnatullina-rai@mail.ru.

Хабибуллина Алсу Рустямовна - специалист кафедры «Технология воды и топлива на ТЭС и АЭС» (ТВТ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ) Тел.: 8 (937) 2863042. Email: khabibullinaalsu@yandex.ru.

© Проблемы энергетики, 2012, № 7-8