Исследование эффективности обессеривания мазута электродуговым реактором непрерывного действия

Липантьев Р.Е., Тутубалина В.П.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЕССЕРИВАНИЯ МАЗУТА ЭЛЕКТРОДУГОВЫМ РЕАКТОРОМ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Проведены испытания экспериментальной установки для обессеривания мазута, разработанной с целью определения эффективности данного устройства в промышленных масштабах. Ключевые слова: мазут, электродуговой реактор, сернистые соединения.

Целью работы было исследование электродугового реактора непрерывного действия, предназначенного для проведения процессов топливо-подготовки на электрических станциях, в частности, для обессеривания жидких котельных топлив (мазутов), используемых в качестве основного или растопочного топлива. Электродуговой реактор в процессе обработки котельного жидкого топлива снижает его вязкость, в результате чего улучшается его распыление форсунками, повышается текучесть и обеспечивается высокая стабильность горения в топках энергетических котлов тепловых электрических станций [1].

Присутствующие в мазутах высокомолекулярные сернистые соединения вследствие взаимодействия образуют структурированную систему с пониженной текучестью, что затрудняет подготовку мазута к сжиганию в топках котлов. Кроме того, сернистые соединения, являются коррозирующими агентами, вызывают высокую коррозию металлических поверхностей оборудования котлов. Выделяющейся при сгорании мазута серный и сернистый ангидриды способствуют загрязнению окружающей среды вредными выбросами [2].

Снижение концентрации сернистых соединений в мазуте обуславливает высокую стабильность и полноту сгорания, хорошую распыливае-мость его форсунками за счет снижения вязкости мазута, коррозионного воздействия на металлические поверхности котла и вредных выбросов серного сернистого ангидридов в атмосферу [2; 3]. На рис. 1 представлен вид экспериментальной установки. Устройство включает в себя: 1 - электродуговой реактор; 2 - напорный бак; 3 - линию топлива; 4 - насос байпасной линии; 5 - преобразователь электрического тока. Электродуговой реактор имеет: 6 - графитовый электрод; 7 - основание; 8 - перфориро-

ванную изолирующую решетку; 9 - неподвижный положительный электрод; 10 - неподвижный неподключенный электрод; 11 - неподвижный отрицательный электрод; 12 - крышка реактора; 13 - переливной штуцер; 14 - штуцер подачи обессеренного топлива; 15 - штуцер для выхода газа; 16 - сливной штуцер.

Рис. 1. Экспериментальная установка для удаления серы из мазута

На основании паспортных данных котла ДКВР 4/13 было составлено техническое задание на проект установки. Данный котел имеет две горелки ГМ-2, производительностью 210 кг/ч или 0,058 кг/с каждая [4].

Объем реактора = 0,0143 м . Диаметры входного и выходного отверстий равны 0,02 м. Разность высот реактора и напорного бака равна 0,415 м.

Производительность экспериментальной установки и скорость течения мазута были найдены по формулам:

С=5- || = ^ = 0,0009 м3/е,

V = л/2 • д • Н = л/2 • 9,8 • 0,415 = 2,85 м/с,

где р- плотность мазута, кг/м ; Р- давление, Па; Б- площадь сечения выход-

ного отверстия, м2; g- ускорение свободного падения, м2/с; Н- напор, м.

Таким образом, установлено, что для котла ДКВР 4/13 экспериментальная установка обеспечивает необходимую производительность, равную 0,828 кг/с.

В процессах обессеривания жидкого котельного топлива большое значение имеет выбор эффективной конструкции реактора, обеспечив минимальные время пребывания мазута в реакторе при минимальном тепло- и массообмене. В связи с этим, для процесса обессеривания мазута был разработан и испытан электродуговой реактор, снабжённый неподвижными и подвижными электродами, изображенный на рис. 1 [1].

Предварительно подогретый мазут, физико-химические характеристики которого представлены в таблице 1, поступая из линии топлива 3, попадает в напорный бак 2, после чего за счет разности гидростатических давлений напорного бака 2 и электродугового реактора 1 поступает по трубопроводу в электродуговой реактор 1. Для поддержания и возможного увеличения давления мазута в случае снижения его температуры до нижнего предела текучести установлен насос байпасной линии 4.

В электродуговом реакторе 1обессеривание мазута происходит в электрической дуге, вызванной колебательными движениями подвижных графитовых электродов 6, имеющих форму шарика, между неподвижными электродами 9, 10, 11 из нержавеющей стали. В электродуговом разряде под воздействием высоких температур, достигающих в искре 1500°С, происходит избирательное разрушение сернистых соединений с последующим их переходом в парогазовое состояние. На рис. 2 приведена электрическая схема подключения неподвижных электродов 9, 11 к преобразователю электрического тока 5.

Рис. 2. Электрическая схема расположения электродов

В электродуговом реакторе 1, подвергают десульфированию сернистые топлива в межэлектродном промежутке в электродуговом разряде подвижных насыпных графитовых электродов 6, расположенных над перфорированной изолирующей решеткой 8 из полимерного материала, обладающего диэлектрическими свойствами и высокой термостойкостью. При этом неподвижные электроды 9, 11 электрически соединены между собой и расположены вертикально на расстоянии, достаточном для свободного перемещения графитового электрода.

Реактор содержит четыре положительных, четыре отрицательных и четыре неподключенных неподвижных электродов из нержавеющей стали, верхние концы которых закреплены непосредственно в его крышке 12, а их нижние концы находятся над слоем подвижных графитовых частиц 6, выполняющих функцию подвижных электродов. Такой порядок размещения электродов стабилизирует микроразряды, увеличивая их в объеме, поскольку одновременно возникает множество центров параллельных и перекрестных микродуг в промежутках между соседними электродами. Более того, плотность электрических разрядов в объеме мазута увеличивается за счет образования множества электродуг не только около нижних концов токопроводящих электродов 9, 11, но и при контакте их по всей рабочей длине с взвешенными в жидкой фазе графитовыми твердыми частицами - подвижными электродами. Значительная часть

графитовых подвижных электродов 6 постоянно находится во взвешенном состоянии под действием восходящего потока мазута, поступающего в реактор снизу через изолирующую перфорированную решетку 8, которая имеет отверстия, достаточные для прохождения мазута, но меньшие размером по сравнению с графитовыми шариками 6, что исключает попадание шариков в трубопровод при остановке реактора и изолирует его основание 7 от возможного пробоя электрического тока на корпус. Установка четырех промежуточных контактирующих неподвижных электродов 10, неподключенных к токоподводу, сопутствует равномерному распределению электрических дуг по контурам в искровых промежутках токопроводящих электродов 9, 11. Наличие постоянных контактирующих электродов 10 между противостоящими основными токоподводящими электродами 9, 11 повышает кратность контактирования с подвижными электродами - твердыми графитовыми частицами 6, а, следовательно, возрастает надежность дискретной разрядки в системе.

При прохождении мазута через электродуговой реактор 1 происходит его разделение на две части - жидкую и газообразную. Жидкая составляющая представляет собой обессеренный мазут, который направляется через штуцер подачи обессеренного топлива 14 в линию топлива котла. В случае неконтролируемого расхода топлива предусмотрен переливной штуцер 13, позволяющий эффективно регулировать процесс прохождении мазута через электродуговой реактор 1. Газообразная часть имеет низкую плотность и направляется в расположенный в крышке реактора 12 штуцер для выхода газа 15, а за тем на технологические нужды при достаточной очистке.

Электродуговой реактор имеет следующие технические характеристики:!. внутренний диаметр реактора - 219 мм; 2. высота корпуса - 380 мм; 3. диаметр отверстий в решётке - 5 мм; 5. диаметр стальных электродов - 4 мм; 6. диаметр угольных электродов - 10 мм; 7. производительность реактора - 0,828 кг/с; 9. насос - НМШ 5-25-2,5/6; 10. ёмкость реактора 0,0143 м ;11. марка металла стальных электродов- Св-08X19Н10М3Б; 12. марка металла корпуса реактора - Ст3.

Местом проведения эксперимента послужила промышленная котельная завода ЖБИЗАО «Кулонстрой», расположенная по адресу: г. Казань, ул. Гвардейская, д. 53.На рис. 3 приведена принципиальная схема мазутного хозяйства предприятия ЗАО «Кулонстрой».

Рис. 3. Принципиальная схема мазутного хозяйства

Мазутохранилище служит для хранения мазута и подготовки его к сжиганию (подогрев, перемешивание) и состоит из расходных резервуаров, резервуаров мазутосклада. Резервуары объединены в одну группу-резервуары №1 и№2 расходные. Фактическая емкость мазутосклада со-

3 «-*

ставляет 30 м . Резервуары металлические, цилиндрической формы, подземного исполнения. К резервуарам №1, 2 подводятся следующие трубопроводы: мазутопровод 0 57 мм подачи мазута из приемных емкостей; всасывающий мазутопровод основных насосов 0 57 мм; паропровод подогрева мазута 0 76 мм; дренажный трубопровод для сброса конденсата 0 76 мм.

В узлах управления резервуаров имеются задвижки на трубопроводах, а также фильтры грубой очистки мазута на линии всаса основных насосов и насосов рециркуляции. Обводная линия всаса основных насосов служит для всаса мазута, минуя фильтр грубой очистки в случае загрязнения сетки фильтра и малого протока мазута.

Для оперативного контроля за работой резервуаров на них установлены следующие приборы: датчики для размера температуры мазута резервуара (с трех точек верх, середина, низ приборы выведены на щит управления); датчики для замера уровня мазута (дистанционный уровнемер выведен на щит управления); механический уровнемер местный (установлен на шахтной лестнице); звуковая и световая сигнализация повышения температуры мазута; датчики обнаружения пожара ТВР-2.Кроме того, оба резервуара оборудованы молниеотводами.

Место установки электродугового реактора в технологической схеме, приведенной на рис. 3, предполагало наличие источника электрического тока, а также подвода пара для технологических нужд. В данном случае реактор устанавливался непосредственно в мазутохранилище сразу после резервуара №1 и до насоса подачи мазута, т.е. производилась врезка в трубопровод подачи мазута. Подогретый до 40°С мазут марки М100 направляется через сливной кран в реактор. Из реактора обессеренный мазут поступает на всас подачи мазута, затем по трубопроводу направляется в котельную на горелки котла ДКВР 4/13. Физико-химические характеристики мазута М100 и результаты опытов по его обессериванию представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Физико-химические характеристики мазута М100

Показатели Численные значения Метод испытания

Условная вязкость, °ВУ при 50 °С 100,0 По ГОСТ 6258

Условная вязкость, °ВУ при 80 °С 25,3 По ГОСТ 6258

Температура вспышки не ниже, °С 125,0 По ГОСТ 4333

Температура застывания не выше, °С 25,0 По ГОСТ 20287

Плотность при 80 °С, кг/м3 978,0 По ГОСТ 3900

Содержание серы, % 4,37 По ГОСТ 3877

Таблица 2. Результаты опытов по обессериванию мазута М100 с содержанием общей серы 4,37 % в электродуговом реакторе на различном напряжении

№ опыта Напряжение постоянного тока, В Остаток серы в мазуте, % Степень обессеривания мазута

1 100 2,9 0,29

2 120 2,44 0,404

3 140 1,75 0,52

4 160 1,55 0,62

5 180 1,11 0,729

6 200 0,77 0,812

7 220 0,52 0,873

8 240 0,416 0,895

9 260 0,415 0,9

10 280 0,415 0,9

На основании данных, полученных экспериментальным путем и представленных в таблице 2, было замечено, что при достижении порога напряжения в 260 вольт степень обессеривания мазута перестает увеличиваться и колеблется в пределах 0,9±0,05. На рис. 4 показана графиче-

ская зависимость процесса обессеривания от напряжения на электродах реактора.

о4

U, В

Рис. -^Зависимость степени обессеривания от напряжения на электродах реактора

Выводы:

1. Эксперимент проводился в течении 8 часов. Лабораторные анализы показали, что на выходе из реактора при напряжении 260 вольт серо-содержание мазута уменьшилось до 0,41%, а значения вязкости и температуры изменились и составили 0,0576 м/с и 43,6 С соответственно.

2. В результате предварительного обессеривания в электродуговом реакторе мазут характеризуется низкой вязкостью, что обеспечивает его хорошее распыливание горелками в объеме топки и высокую степень сгорания. Снижение содержания серы в 13,7 раза увеличивает экологичность сжигания мазутов в топках котлов со снижением высокотемпературной и низкотемпературной коррозии.

Источники

1. Липантьев Р.Е., Тутубалина В.П. Установка для обессеривания мазута методом газификации// Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. №5-6. С. 146-149.

2. Росляков П.В., Закиров И.А. Нестехиометрическое сжигание природного газа и мазута на тепловых электростанциях. М.: Изд-во МЭИ, 2001. 144 с.

3. Липантьев Р.Е., Тутубалина В.П. Исследования работы электрических станций на сернистом и малосернистом мазутах// Известия вузов. Проблемы энергетики. 2010. №7-8. С. 144-147.

4. Роддатис К.Ф., Полтарецкий А.Н. Справочник по котельным установкам малой производительности. М.: Энергопромиздат, 1989.

Зарегистрирована 24.11.2011 г.