К. т.н. С.П.Батуев, генеральный директор,

ООО СПКФ «ВАЛЁР», г. Санкт-Петербург

Журнал «Новости теплоснабжения»

№12 (100) 2008 г., http://www.ntsn.ru

Введение

Эффективность использования жидкого котельного топлива в теплоэнергетических установках во многом определяется соответствием его характеристик требованиям потребителей. Традиционная технология подготовки и сжигания высоковязких топочных мазутов (М100) в мазутных хозяйствах котельных сопровождается определенными трудностями, связанными с особенностями мазутного топлива [1-5 и др.].

Тенденция ухудшения эксплуатационных свойств мазутов (увеличение вязкости, плотности, повышенное содержание воды и смолисто-асфальтеновых веществ), которая наблюдается в течение последних лет вследствие увеличения глубины переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах, а также появление на рынке различных видов (или типов) топочных мазутов одной марки (например, мазут марки М100 сейчас имеет около 7 типов), композитного жидкого топлива, смесей топлива и нефтеотходов и т.п., как правило, приводит к дополнительным трудностям при подготовке и сжигании жидкого топлива в котельных установках.

Потребители мазута часто сталкиваются и с недобросовестностью некоторых поставщиков, когда под маркой качественного топочного мазута получают топливо с ненормативными физико-химическими и эксплуатационными свойствами, а иногда и просто нефтеотходы, смешанные в неизвестной пропорции с топочным мазутом.

В условиях, когда в большинстве котельных отсутствует возможность оперативной проверки качества поступающего топлива при его приеме, потребитель вынужден доверять данным сертификата на поставляемую партию мазута. Очевидным становится необходимость экспресс-контроля качества принимаемого топлива непосредственно у потребителя, который обеспечивал хотя бы количественную оценку влажности мазута и помогал принимать решение по выбору той или иной технологической операции в ходе подготовки мазута к сжиганию [6].

Таким образом, первостепенное значение приобретает организация подготовки топлива к сжиганию в мазутных хозяйствах котельных, которая должна быть направлена, прежде всего, на обеспечение надежной и эффективной работы топливосжигающей установки.

Существующие традиционные технологические схемы подготовки жидкого топлива к сжиганию в котельных по целому ряду причин (в том числе экономических), не позволяют в полной мере обеспечить необходимые характеристики топлива перед сжиганием.

Эффективность использования водомазутных эмульсий

Компенсировать несовершенство мазутных хозяйств в условиях продолжающегося ухудшения эксплуатационных свойств топочного мазута и повысить эффективность использования жидкого топлива позволяет способ его сжигания в виде водомазутных эмульсий (ВМЭ), получающий все большее распространение в теплоэнергетике [1-5 и др.]. Он позволяет не только интенсифицировать процесс горения мазута за счет так называемого вторичного распыления (микровзрыва) капель эмульсии в топках и, тем самым, при определенных условиях повысить экономичность сжигания, но и улучшить экологические характеристики котельных: снизить выбросы вредных веществ (сажи, оксидов азота, канцерогенных углеводородов, в частности - бенз(а)пирена) с продуктами сгорания, использовать в качестве водной добавки к топливу загрязненные мазутом сточные воды котельных.

Кроме того, подготовка к сжиганию мазута в виде ВМЭ позволяет решать многие эксплуатационные проблемы мазутных хозяйств: сжигание обводненного мазута без предварительного обезвоживания, обеспечение устойчивого (без срывов) горения, повышение надежности и ресурса технологического оборудования (мазутных насосов, подогревателей, форсунок, котлов).

Технология подготовки и сжигания мазута в виде топливных эмульсий обеспечивает, таким образом, комплексный подход к улучшению экологических и экономических показателей котельных, использующих мазутное топливо.

К настоящему времени разработано и внедрено множество схем и устройств для приготовления и сжигания водомазутной эмульсии в котельных установках [1, 2, 5, 11, 12]. Достаточно подробный обзор устройств для приготовления ВМЭ приведен в работе [4].

Не углубляясь в анализ технических особенностей тех или иных устройств, в общем случае, суть технологии сводится к диспергированию мазутного топлива для качественного улучшения его структуры и повышению однородности с технической возможностью получения ВМЭ (в том числе, с дополнительной добавкой воды к топливу) с различными влажностно-дисперсны-ми характеристиками.

На рис. 1 показано изменение характеристик мазута, происходящее при диспергировании топлива в типовом мазутном хозяйстве котельных [7].

Характер изменения влажности и дисперсности мазутного топлива после диспергирования свидетельствует о значительном уменьшении пределов их колебаний, а также многократном снижении размеров капель воды в топливе.

Безусловно, диспергирование мазута стабилизирует влажностно-дисперсные характеристики, улучшает структуру и однородность исходного топлива, и, уже только этим, позволяет улучшить надежность работы котельных, особенно на обводненных мазутах.

Эти данные хорошо иллюстрируются микрофотографиями структуры мазута до и после диспергирования, которые приведены на рис. 2.

Следует отметить, что в первоначальный период активного внедрения и опытно-промышленных испытаний технологии подготовки и сжигания мазута в виде ВМЭ главным фактором, характеризующим свойства ВМЭ, называлась влажность эмульсии.

Многочисленные исследования были направлены на изучение влияния влажности сжигаемых ВМЭ на теплотехнические и экологические параметры различных топливосжигающих установок (от малых теплогенераторов, отопительных котлов, технологических печей, судовых энергоустановок до крупных энергетических котлов) [1-5, 11-13].

В ходе опытно-промышленных испытаний одной из главных целей являлось нахождение значения «оптимальной влажности» ВМЭ.

Многие работы по сжиганию ВМЭ проводились на топливосжигающих установках с использованием разнообразных способов и устройств для приготовления водотопливных эмульсий. Но это не могло являться причиной достаточно большого расхождения значений «оптимальной влажности», тем более что цифровое значение полученных различными исследователями оптимальных влажностей, даже на одинаковых топливосжигающих установках и при близких режимах сжигания, существенно отличалось.

При более глубоком изучении вопросов сжигания ВМЭ и в ходе накопления опыта эксплуатации различных установок для получения и сжигания ВМЭ было обнаружено, что роль влажности в интенсификации процессов горения ВМЭ не является превалирующей.

В некоторых работах влияние влажности ВМЭ, обеспечивающей максимальную интенсификацию горения, оцениваемую по концентрации сажистых частиц в продуктах сгорания, и повышение экономичности топливосжигающей установки связывается с различными типами устройств для приготовления ВМЭ, и делаются выводы, по существу, об эффективности работы этих устройств.

Учитывая, что основной характеристикой любого способа или устройства для приготовления ВМЭ являются размеры дисперсной фазы (дисперсность) получаемой эмульсии, эффективность сжигания ВМЭ, наряду с влажностью, будет определяться их дисперсной характеристикой. Этот вывод подтверждается рядом исследований [4, 8].

Известно, что главной причиной интенсификации горения мазута в виде ВМЭ является эффект микровзрыва распыленных капель топлива в топке. Рассматривая как необходимое условие микровзрыва капли ВМЭ обязательное расположение капель воды внутри капель топлива, следует предположить, что оптимальный размер дисперсной фазы будет зависеть от дисперсности распыла топлива форсунками горелки.

Действительно, с уменьшением размера капель воды в эмульсии увеличивается вероятность того, что массы воды в каплях не хватает для развития их взрывного вскипания и разрыва водяными парами топливной оболочки. При этом происходит лишь увеличение объема капель эмульсии, но микровзрыв отсутствует. С другой стороны, с увеличением размеров капель воды в ВМЭ, количество воды в капле становится избыточным для обеспечения микровзрыва. При этом возрастает число случаев, когда размеры капель распыливаемого топлива и капель воды будут соизмеримы. Следовательно, часть находящейся в топливе воды не будет участвовать во вторичном распылении топлива, а фактически будет лишь балластом, ухудшающим горение. Из вышесказанного следует практический вывод - выбор того или иного способа и устройства для приготовления и сжигания ВМЭ должен опираться на знание взаимосвязи влажностно-дисперсных характеристик получаемой топливной эмульсии и технических особенностей конкретных топливосжигающих устройств (тип котлов, форсунок, условия и режимы их работы, цель ввода в топливо дополнительного количества воды и т.п.). водомазутный эмульсия топливосжигающий теплотехнический

Влажностно-дисперсные характеристики топливных эмульсий, получаемых тем или иным способом, фактически являются главным параметром, определяющим возможные пределы повышения экономичности и снижения вредных выбросов с продуктами сгорания конкретных котельных установок [4].

Результаты работ по внедрению технологии подготовки и сжигания ВМЭ

В данной статье приводятся основные результаты работ по пуску и наладке технологии подготовки и сжигания водомазутных эмульсий, реализованной по способу [9] и в устройстве [10], в реальных условиях двух разных котельных: энергоцеха № 2 комбината «Печенганикель», г. Никель Мурманской области и ОАО «Слободской спиртоводочный завод», г. Слободской Кировской области. Котельные указанных предприятий оборудованы типовыми котлами ПТВМ-50, ДКВР-10-13, ДКВР-6-13, ДЕ-25-14. Основным топливом является мазут М-100.

Принципиальная технологическая схема установки приготовления ВМЭ показана на рис. 3.

Для получения ВМЭ применялись диспер-гаторы мазута ДМ-30 и ДМ-5, использующие принцип работы роторно-пульсационных аппаратов. Производительность диспергаторов составляла 30 и 5 м3/ч соответственно. Расчет, конструирование и изготовление диспергаторов для получения ВМЭ с необходимыми дисперсными характеристиками производились на основании предварительного анализа особенностей и технических параметров установленного оборудования указанных котельных. Диспергаторы устанавливались в мазутном хозяйстве котельных на участке между фильтром грубой очистки и подающим топливным насосом.

Установки приготовления ВМЭ были оборудованы предварительными смесителями для организации подачи воды в качестве дозированной добавки к мазуту с целью получения топливных эмульсий различной влажности. Добавка воды производилась из технического водопровода.

Оперативный контроль влажности исходного мазута и получаемых ВМЭ осуществлялся с помощью анализатора АВМД в потоке на линии после диспергатора.

Общий вид диспергатора ДМ-5 с предварительным смесителем и блок датчиков с измерителем влажности АВМД показан на рис. 4.

Теплотехнические режимно-наладочные испытания в указанных котельных проводились с привлечением региональных специализированных организаций. Определение состава дымовых газов и концентраций вредных веществ в продуктах сгорания проводились с использованием современных портативных газоанализаторов «Каскад», «Квинтокс», «Тестотерм».

Испытания проводились на различных режимах, при сжигании ВМЭ различной влажности с оптимизацией теплотехнических параметров.

Основные результаты испытаний приведены в табл. 1 и 2.

Анализ данных, приведенных в таблицах, показывает реальный эффект повышения экономичности конкретных котлов (максимальный прирост КПД до 6,1%) и снижения вредных выбросов при переходе на сжигание ВМЭ с оптимальными влажностно-дисперсными характеристиками и при оптимизации режимов горения.

В режиме сжигания диспергированного мазута с исходной влажностью (без добавления воды) также происходит небольшой прирост КПД котла и некоторое снижение выбросов с продуктами сгорания.

Во всех режимах наблюдалось устойчивое сжигание ВМЭ с отчетливо выраженным снижением дымности уходящих газов и увеличением содержания СО2. Это дополнительно свидетельствует об интенсификации выгорания горючих компонентов топливной эмульсии.

Необходимо отметить, что сжигание водомазутной эмульсии с более высоким содержанием воды по отношению к значению, полученному при оптимизации горения, приводило к понижению КПД котлов. При этом концентрации вредных веществ в продуктах сгорания, в частности, NOx, SO2, а также дымность уходящих газов, снижались и при сжигании ВМЭ с влажностью 11%.

Аналогичные факты наблюдались при сжигании ВМЭ в других исследованиях [4, 5, 8, 12, 13].

В этом аспекте понятие «оптимальной влажности» ВМЭ имеет двоякое значение.

С одной стороны оптимальной влажностью ВМЭ можно называть такое значение, которое обеспечивает минимальный (суммарный) выброс вредных веществ с продуктами сгорания (NOx, SO2, сажистые частицы, бенз(а)пирен).

С другой стороны, это значение влажности не всегда является оптимальным с точки зрения экономических показателей работы котла. При этом разумная разница между значениями экологической и экономической «оптимальной влажности» ВМЭ может достигать по разным данным 4-10%, хотя в принципе устойчивое сжигание водотопливных эмульсий может обеспечиваться при предельном значении влажности до 65% [2].

В общем случае, достижение максимально возможного улучшения экономических и экологических параметров котла, работающего на водомазутной эмульсии, возможно только при оптимизации режимов приготовления и сжигания ВМЭ в реальных условиях конкретных топливо-сжигающих установок.