Утилизация карбонатного шлама систем химводоочистки тепловых электростанций

Зверева Э.Р.

УТИЛИЗАЦИЯ КАРБОНАТНОГО ШЛАМА СИСТЕМ ХИМВОДООЧИСТКИ ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Предложено в качестве многофункциональной присадки к тяжелому, высокосернистому топочному мазуту использовать карбонатный шлам, образующийся при подготовке питательной воды на теплоэлектростанциях. Рассмотрены свойства присадки и ее влияние на эксплуатационные свойства мазутов. Оценена предварительная экономическая эффективность применения предлагаемой присадки.

Ключевые слова: тепловая электростанция, мазут, многофункциональная присадка, шлам водоподготовки.

Энергетическая стратегия развития России на период до 2020 года в качестве приоритетов развития топливно-энергетического комплекса ставит вопросы снижения удельных затрат на производство и использования энергоресурсов за счет рационализации их потребления, применения ресурсо- и энергосберегающих технологий. Снижение техногенного воздействия энергетики на окружающую среду возможно за счет совершенствования структуры производства, внедрения новых технологий, обеспечивающих рациональное производство и использование топливно-энергетических ресурсов, снижения выбросов (сбросов) загрязняющих веществ в окружающую среду, а также сокращения образования отходов производства и других агентов вредного воздействия.

В статье 4 ФЗ РФ от 23.11.2009 г. «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» говорится о необходимости эффективного и рационального использования энергетических ресурсов. Наша страна имеет огромный потенциал энергосбережения, который сопоставим с приростом производства всех первичных энергоресурсов. Потенциал России по энергосбережению способен решить проблему обеспечения экономического роста страны. Но на данный момент он недоиспользуется.

Одной из проблем по повышению энергосбережения и энергоэффективности является недостаток новых технологий. Среди самых действенных способов сокращения влияния человека на окружающую среду является повышение эффективности использования

топлива. Современная энергетика основана в основном на использовании ископаемых различных видов топлива - газ, уголь, нефть, что оказывает пагубное воздействие на природу. Именно поэтому вопрос о том, чтобы постоянно разрабатывать и обязательно внедрять новые энергосберегающие технологии при добыче, переработке и сжигании топлива на данный момент является одним из самых важных для всего мира, а также для обогащенной природными ресурсами России.

Статистические данные показывают, что в России доля энергозатрат в себестоимости продукции равна 30-40%, что значительно превышает показатели западноевропейских стран. Одна из причин этого -устаревшие технологии, оборудование, приборы, которые использует наше производство. Становится очевидным, что повысить конкурентоспособность можно снижая издержки производства. Энергоэффективность в промышленности поможет не только уменьшить издержки на производство продукции, но и увеличить доходы.

Согласно проектам Энергетической стратегии России, в XXI веке даже в случае самых жестких ограничений добыча нефти в 2020 году будет на уровне 450-520 млн тонн. Свыше 30% добываемой нефти в процессе ее переработки переходит в топочный мазут, основным потребителем которого являются электростанции и котельные. Анализ структуры топливно-энергетического баланса России показывает, что основой электроэнергетики остаются тепловые электростанции, удельный вес которых в структуре установленной мощности отрасли сохраняется на уровне 60-70 %. Выработка электроэнергии на тепловых электростанциях к 2020 году возрастет в 1,4 раза по сравнению с 2000 годом.

Важнейшей тенденцией развития не только мировой, но и российской нефтеперерабатывающей отрасли является повышение глубины переработки нефти и рост объема выпуска высококачественных нефтепродуктов. К 2020 году ожидается рост объёмов переработки нефти до 190-215 млн. т/год с одновременным увеличением глубины переработки до 80-85%. Однако, по мере углубления переработки нефти доля прямогонного мазута в котельных топливах снижается, а доля гудрона и тяжелых остатков крекинг-процессов растет, т.е. качество топочного мазута ухудшается. Потребление высокосернистых вязких мазутов в качестве котельных топлив приводит к выбросу больших количеств токсичных оксидов серы и азота и канцерогенных полициклоаренов, в первую очередь - бенз(а)пирена и пентаоксида

ванадия. В результате образования оксидов серы повышается точка росы уходящих топочных газов, что приводит к образованию серной кислоты и, как следствие, к частым ремонтам и замене хвостовых частей котельных агрегатов из-за их коррозии.

Неоднородность состава мазута (переменная вязкость и плотность перекачиваемой среды) является причиной нарушения не только гидродинамических, но и тепловых процессов, происходящих в теплообменных аппаратах мазутного хозяйства. Это приводит к повышенной коксуемости мазута, снижению качества его распыливания, ухудшению функционирования горелочных устройств, снижению качества процесса горения топлива в топках котлов, что в конечном итоге приводит к снижению экономичности, надежности, ухудшению экологии, уменьшению межремонтного цикла котельного агрегата в целом.

Другой, не менее важной проблемой теплоэнергетики является обработка, хранение и утилизация отходов и шламов. Отвалы золошлаковых материалов занимают огромные площади, а их содержание требует значимых эксплуатационных издержек, которые влияют на повышение себестоимости производства энергоносителей. Они являются источником загрязнения окружающей среды. По мере роста количества золошлаковых материалов растет и площадь территорий, отводимых под золоотвалы, что приводит к изъятию их из промышленного и сельскохозяйственного производства.

Большое количество карбонатного шлама (продукта водоумягчения природных вод известкованием и коагуляцией) образуется в результате работы систем химводоочистки (ХВО) на тепловых электростанциях. Карбонатный шлам как продукт, полученный химическим осаждением, обладает комплексом физико-химических свойств: определенным

потенциалом ионизации, поверхностной активностью, высокой

дисперсностью и так далее. Традиционно шламы ХВО складируются и временно накапливаются в шламоотвалах. Учитывая значительное

количество накопленных шламов, безопасность, доступность и дешевизну они имеют хорошую перспективу для широкого использования с целью ресурсосбережения в энергетической отрасли, в частности, в качестве присадки к высокосернистым топочным мазутам.

Использование карбонатного шлама возможно только после обезвоживания или сушки при постоянной температуре 120-130°С.

Высушенный шлам представляет собой сыпучий порошок от серого до

бурого цвета с влажностью не более 15% и массовой долей карбонатов кальция и магния - 80-88%. Состав шламов, образующийся при известковании и коагуляции природных вод, зависит от состава обрабатываемой воды и режима обработки, однако во всех случаях основным компонентом является карбонат кальция (75-85%), а также гидрооксиды магния и железа (по 4-8% каждого компонента) и кремнекислые и органические соединения [1].

Обезвоженный карбонатный шлам водоподготовки Казанской ТЭЦ-1 был испытан в качестве присадки к высокосернистому топочному мазуту марки М100 Нижнекамского НПЗ. В таблице 1 представлены результаты лабораторных испытаний, а в таблице 2 - результаты элементного анализа.

Таблица 1. Показатели качества топочного мазута марки М100 при использовании в качестве

присадки карбонатного шлама

Определяемый показатель Концентрация присадки в мазуте, %

0 0,1 0,5 1 1,5 2 3

Вязкость условная при 80°С, °ВУ 13,4 13,3 13,2 13 12,9 12,8 12,5

Температура застывания, °С 7,3 4,8 3,6 3,8 3,5 1,7 0,7

Содержание влаги, % 1,7 2 2,1 2,2 2 1,8 2

Содержание серы, % 2,9 2,64 2,51 2,51 2,48 2,45 2,37

Теплота сгорания рабочая низшая, кДж/кг 39375 39467 39259 38984 38876 38133 38644

Зольность, % 0,127 0,377 1,144 1,74 2,21 2,73 3,25

Содержание механических примесей, % 0,217 0,395 0,56 0,67 0,87 1,203 1,44

Плотность при 20°С, кг/м3 990 1014 1007 996 993 995 1000

Содержание водорастворимых кислот и щелочей отсутствие слабо- кислая

Кислотное число, мг КОН/г ~0

Из таблицы 2 видно, что при добавлении присадки в топочный мазут количественного изменения по компонентам не происходит. Однако соединения присадки сорбируются на поверхности парафинов и оказывают положительное действие на реологические свойства мазута. Парафины при понижении температуры легко кристаллизуются и образуют пространственную структуру, в результате чего топливо теряет подвижность. Присадка же препятствует росту зарождающихся кристаллов и их ассоциации, в результате чего снижаются вязкость и температура застывания топочного мазута (таблица 1). В связи с этим уменьшаются энергозатраты на подогрев мазута и на его перекачку по трубопроводам.

Топливо Содержание, %

С Н Б N

Мазут М100 77,95±0,13 12,07±0,15 6,58±0,13 0,71±0,11

М100 + 0,1% масс. присадки 77,91±0,03 12,04±0,14 6,36±0,2 0,87±0,15

М100 + 0,5% масс. присадки 78,33±0,05 11,99±0,08 7,03±0,21 0,88±0,12

При сжигании топочного мазута в калориметре-интеграторе («калориметрической бомбе») было установлено, что происходит снижение содержания серы и теплоты сгорания топочного мазута по мере увеличения концентрации присадки в мазуте. Однако учитывая, что допустимое расхождение между параллельными опытами по ГОСТ 21261-91 «Нефтепродукты. Метод определения высшей теплоты сгорания и вычисление низшей теплоты сгорания» составляет 130 кДж/кг (31 ккал/кг), можно считать, что калорийность мазута не изменяется при добавлении в него присадки в количестве до 0,5% (масс.) [1].

Механизм действия присадки на оксиды серы, образующиеся при сжигании топочного мазута, можно представить следующими химическими реакциями.

1. Разложение соединений присадки - углекислого кальция СаСО3 при I > 900°С и углекислого магния М§СОз при I > 540°С:

СаСОз Са0+С02Т;

М§С03 М§0+С02Т.

2. Связывание оксидов серы, образующихся при горении мазута:

802+1/202 -> БОзТ;

СаО+БОз -> СаБОД;

М^О+БОз —»

М§(0Н)2+803 -> М§80Д+Н20.

Кроме SO2 непосредственно в факеле можно обнаружить двухатомную серу S2, сероводород H2S и свободные радикалы SO, S, SH. При высоких температурах относительное содержание свободных радикалов SH, SO и S может достигать 30% от общего содержания серы. Свободные сернистые радикалы на определенном этапе превращений, по-видимому, также могут вступать в химические реакции с компонентами

присадки. Не исключено, что возможен и процесс адсорбции сернистых соединений на оксидах магния и кальция, а также на частицах золы. Проведенный элементный анализ состава золы (таблица 3), полученной при сжигании мазута с присадкой, доказывает возможность протекания описанных выше процессов.

Таблица 3. Элементный состав золы мазута с присадкой

Номер опыта Содержание компонентов, %

Mg S Ca Fe № Al

1 8,73 3,31 14,38 20,05 8,25 9,68

2 8,76 3,96 14,65 20,42 8,41 9,86

Таким образом, предложенная присадка к мазуту в виде обезвоженного карбонатного шлама водоподготовки позволяет химически связывать серу, содержащуюся в топливе в процессе его сгорания, тем самым уменьшая низкотемпературную (сернокислотную) коррозию поверхностей нагрева и выбросы оксидов серы в атмосферу [2]. Кроме того, результаты испытаний показали, что с увеличением массовой доли присадки в мазуте повышается его зольность и содержание механических примесей. Однако при этом зольный остаток, полученный при сжигании мазута марки М100 с присадкой, является порошкообразным и более рыхлым и может легко удаляться с поверхностей нагрева под небольшим механическим воздействием или осыпаться под действием своего веса по сравнению с липкой золой, полученной при сжигании необработанного присадкой мазута. Однако согласно ГОСТ 10585-99 «Топливо нефтяное. Мазут. Технические условия» зольность мазута должна оставаться минимальной, а содержание механических примесей не превышать 0,5%, что соответствует значению предельно-допустимой концентрации присадки в мазуте не более 0,5% (масс.).

Все экспериментальные данные подвергались статистической обработке, в ходе которой результаты экспериментальных исследований с учетом погрешности эксперимента были обобщены в расчетные уравнения. Полученные уравнения и результаты экспериментальных исследований с учетом погрешности эксперимента в графическом виде представлены на рис. 1 [2].

С учетом требований, предъявляемых к работе оборудования мазутного и присадочного хозяйств на ТЭЦ, была разработана схема дозирования присадки во всасывающий коллектор мазутных насосов.

Проведены испытания котельного агрегата ТГМ-84 «Б» Новочебоксарской ТЭЦ-3 согласно разработанной рабочей программы проведения режимно-наладочных испытаний, которые показали, что при сжигании топочного мазута марки М100 с присадкой КПД брутто энергетического котла ТГМ-84«Б» повышается на 0,7% по сравнению со сжиганием мазута марки М100, необработанного присадкой.

экспериментальные значения

- расчетная кривая ^(х) =-0,285х + 13,34)  экспериментальные значения

- расчетная кривая

в) г)

экспериментальные значения

- расчетная кривая

экспериментальные значения

- расчетная кривая

Рис. 1. Зависимость условной вязкости мазута при 1=80 °С (а), зольности (б), содержания серы (в) и механических примесей (г) от концентрации присадки

По штатным щитовым и местным эксплуатационным приборам производились следующие измерения: расход, температура и давление питательной воды; расход, температура и давление перегретого пара; давление, температура и вязкость мазута с присадкой перед горелками; расход мазута с присадкой на котел; температура, разрежение и давление по газо-воздушному тракту; температура уходящих газов, холодного воздуха, воздуха после ВП; разрежение в топке. Дополнительно

устанавливаемым газоанализатором измерялись температура дымовых газов, разрежение за котлом и содержание SOx, NОx, О2, СО в продуктах сгорания в контролируемой точке.

На основе собранных данных была составлена режимная карта с указанием оптимальных параметров работы котельного агрегата на топочном мазуте с присадкой в виде обезвоженного карбонатного шлама водоподготовки Казанской ТЭЦ-1, а также определены техникоэкономические (КПД котла брутто) и экологические показатели (SOx в дымовых газах) работы котлоагрегата на мазуте с указанной выше присадкой. Кроме того, был проведен анализ состава дымовых газов при сжигании чистого мазута и мазута с присадкой в виде обезвоженного карбонатного шлама водоподготовки Казанской ТЭЦ-1 (таблица 4).

Таблица 4. Состав дымовых газов

Содержание в продуктах сгорания, % Результаты анализа

мазут без присадки мазут с присадкой

Кислорода 4,6 4,6

Оксида углерода (II) 58,2 58,2

Оксидов азота (NOx) 3,8 3,7

Оксидов серы (SOx) 2,8 2,2

Твердых частиц 0,04 0,1

Таким образом, согласно результатам промышленных испытаний, происходит снижение содержания оксидов серы в дымовых газах на 0,6% и, как следствие, снижение температуры уходящих газов и повышение КПД брутто котельного агрегата на 0,7%.

Для корректной экономической оценки эффективности инвестиций на внедрение дозировочного комплекса присадки на базе одноступенчатой схемы мазутного хозяйства был выбран метод расчета чистого дисконтированного дохода. Расчет проводился для парового котла ТГМ-84«Б», работающего на топочном мазуте марки М100 при максимальной нагрузке.

Результаты расчета (таблица 5) показали, что экономический эффект составляет около 4981 тыс. руб./год при капитальных затратах 1382 тыс. руб. при условии, что мазут используется как основное топливо, а присадка в количестве 0,5% (масс.) не снижает теплотворную способность мазута. Также был проведен расчет предотвращенного

экологического ущерба атмосфере и земельным ресурсам, который суммарно составил 1199 тыс. руб./год.

Таблица 5. Оценка экономической эффективности использования присадки к мазуту

Наименование показателей Величина

Расход мазута при максимально допустимой нагрузке, т/ч 28,8

Стоимость мазута по факту на декабрь 2010 г., руб./т 5882

Себестоимость присадки по факту на декабрь 2010 г., руб./т 5500

Себестоимость электрической энергии по факту на декабрь 2010 г., руб./кВт-ч 0,7

Ориентировочная стоимость дозировочного комплекса присадки с учетом монтажа, тыс. руб. 1382

Среднегодовая стоимость присадки в расчете 5 кг на одну тонну мазута, тыс. руб./год 6938

Среднегодовые затраты на заработную плату, тыс. руб./год 1000

Годовые затраты на обслуживание и ремонт дозирующего устройства, тыс. руб./год 248,8

Годовые затраты на амортизационные отчисления, тыс. руб./год 82,9

Годовые затраты на оплату энергетических ресурсов, тыс. руб./год 53,6

Годовые затраты на прочие расходы, тыс. руб./год 89,6

Экономия затрат на топливо при внедрении присадки, тыс. руб./год 7420

Снижение платежей за выбросы оксидов серы с учетом регионального коэффициента, тыс. руб./год 64

Снижение производственных издержек на проведение ремонтных работ, связанных с коррозией поверхностей нагрева, тыс. руб./год 8850

Эксплуатационные издержки, тыс. руб./год 8413

Экономия от внедрения, тыс. руб./год 16349

Чистый доход, тыс. руб./год 4981

Индекс доходности 4,6

Срок окупаемости, мес. 4

Использование в расчетах указанного методического подхода позволяет в допустимых рамках сделать принципиальные выводы об эффективности внедрения присадки к мазуту с учетом следующих факторов: стоимости дозировочного устройства и присадки; типа котла; режимных факторов; характеристик мазута; затрат на ремонт поверхностей нагрева; удельных расходов топлива, потерь топлива на пуски котлов и региональных особенностей. Индекс доходности капитальных затрат изменяется от 4,6 и выше в зависимости от цены мазута и нормы дисконта, следовательно, при повышении цен на мазут эффективность применения присадки увеличивается [3 ].

Выводы

1. На основании теоретических, расчетных и экспериментальных данных разработана принципиальная схема дозирования присадки к мазуту, выбраны режимные и конструктивные характеристики смесителя для однородного распределения присадки в мазуте.

2. Даны рекомендации по внедрению предложенной многофункциональной присадки к топочному мазуту в виде обезвоженного карбонатного шлама и дозировочного комплекса на базе одноступенчатой схемы мазутного хозяйства Казанской ТЭЦ-1.

3. Экономический эффект применения обезвоженного карбонатного шлама водоподготовки в качестве многофункциональной присадки к топочному мазуту составляет 4981 тыс. руб./год, а срок окупаемости - 4 мес. Суммарный предотвращенный экологический ущерб составляет 1199 тыс. руб./год.

Источники

1. Зверева Э.Р., Ганина Л.В., Андрюшина И.А. Влияние присадки на эксплуатационные свойства топочных мазутов // Химия и технология топлив и масел. 2009. № 5. С. 31-33.

2. Зверева Э.Р. Повышение качества топочных мазутов // Бутлеровские сообщения. 2011. Т. 25. № 4. С. 99-104.

3. Зверева Э.Р. Ресурсо- энергосберегающие технологии в мазутных хозяйствах тепловых электрических станций: монография. Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2010. 184 с.

Зарегистрирована 21.11.2011 г.