Полная исследовательская публикация __________________________________________ Зверева Э.Р.

Размещено на http://www.allbest.ru/

102 _____________ http://butlerov.com/ ______________ ©--Butlerov Communications. 2011. Vol.24. No.4. P.97-102.

Тематический раздел: Физическая химия. Полная исследовательская публикация

Подраздел: Теплоэнергетика. Регистрационный код публикации: 11-24-4-97

г. Казань. Республика Татарстан. Россия. _________ ©--Бутлеровские сообщения. 2011. Т.24. №4. __________ 97

Повышение качества топочных мазутов

Зверева Эльвира Рафиковна

Кафедра «Технология воды и топлива». Казанский государственный энергетический университет. Ул. Красносельская, 51. г. Казань, 429991. Pеспублика Татарстан. Россия. Тел.: (834) 519-42-53. E-mail: 6elvira6@list.ru

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.

Остаточный продукт переработки нефти-мазут - продолжает играть важную роль в топливно-энергетическом балансе нашей страны. Весьма существенно его значение на электростанциях и в промышленных котельных как основного и резервного топлива.

Качество мазута оказывает большое влияние на условия его транспортировки, хранения и сжигания, на объем выбросов вредных веществ в атмосферу, а также на работу основного и вспомогательного оборудования тепловых электрических станций.

Потребление высокосернистых вязких мазутов в качестве котельных топлив приводит к выбросу больших количеств не только токсичных оксидов серы и азота, но 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 [1].

В Энергетической стратегии развития России до 2020 года предусматривается не только рост объемов добычи нефти, но и одновременное увеличение глубины ее переработки. Однако с ростом объема выпуска высококачественных нефтепродуктов и по мере углубления переработки нефти доля прямогонного мазута в котельных топливах снижается, а доля гудрона и тяжелых остатков крекинг-процессов растет, то есть качество мазута ухудшается.

Повышение эффективности и надежности сжигания мазутов следует рассматривать с двух позиций: экономичности и экологичности. Достижение экономичности в сочетании с подавлением образования токсогенных продуктов горения и снижением заноса плотными отложениями поверхностей нагрева при сжигании мазутов, особенно высокосернистых и супертяжелых, возможно прежде всего путем интенсификации топочного процесса и управления режимом горения.

Увеличить интенсивность выгорания мазута можно, совершенствуя газодинамические процессы, создавая специальные горелочные устройства, камеры сжигания и режимы горения. При всех достижениях на этом пути ему присущи и определенные недостатки, основным из которых является увеличенное аэродинамическое сопротивление топочных устройств, требующее повышенных напоров воздуха, что вызывает увеличение расхода энергии на собственные нужды и понижает КПД котлов.

Другой простой и эффективный способ повышения интенсивности сжигания жидкого энергетического топлива связан с добавлением в него специальных веществ, улучшающих его эксплуатационные свойства - многофункциональных присадок, совмещающих антикоррозионные, депрессорные, вязкостные и антиокислительные свойства [1-3]. Целью данной рабо-ты является использование отхода теплоэнергетического производства - карбонатного шлама, образующегося при подготовке питательной воды на теплоэлектростанциях, в качестве многофункциональной присадки к топочному мазуту.

Экспериментальная часть. Карбонатный шлам - многофункциональная присадка к топочному мазуту, образующийся при подготовке питательной воды на теплоэлектростанциях (ТЭЦ), не требует затрат на производство и транспортировку [4]. Накопленные объемы шлама водоподготовки, а также его ежегодный прирост являются неограниченным ресурсом для того, чтобы начать их массовое и планомерное применение в энергетической отрасли.

Ежегодно в зависимости от объемов производства электрической и тепловой энергии на ТЭЦ образуется более 6.5 тысяч тонн шлама. Утилизация большого количества шлама химической водоочистки, накопленного в шламоотвалах, является большой проблемой в энергетике. На данный момент запасы таких отходов достаточны для того, чтобы начать их массовое и планомерное применение в энергетической отрасли.

В настоящее время карбонатный шлам используется для регенерации из него извести, в строительной промышленности для приготовления цементных растворов, а также возможно применение шлама осветлителей в сельском хозяйстве для нейтрализации кислых почв. В энергетике карбонатный шлам до сих пор полезно не использовался.

Использование карбонатного шлама возможно только после обезвоживания или сушки при постоянной температуре t = 120-130 С. Высушенный шлам представляет собой сыпучий порошок от серого до бурого цвета с влажностью не более 15% и массовой долей карбонатов Са + Мg - 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%) и кремнекислые и органические соединения [4].

Результаты и их обсуждение. Карбонатный шлам осветлителей в качестве многофункциональной присадки, был испытан на топочном мазуте марки М100. Присадка добавлялась к 100 г мазута в количестве 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2, 3, 4 г (% масс.). Экспериментальные исследования проводились в соответствии с ГОСТ по определению удельного веса, содержания воды, содержания серы, содержания механических примесей, условной вязкости, теплоты сгорания, температуры застывания, зольности, кислотного числа, а также по определению коррозионной активности мазута методом медных пластинок. Усредненные результаты опытов приведены в табл. 1. Относительная ошибка определения не превышала 0.2-2.0%.

Табл. 1. Показатели мазута марки М100 с присадкой

присадка топочный мазут

Экспериментально было установлено, что происходит депрессия температуры застывания на 5-6 С и снижается условная вязкость исходного мазута на 9-11% [4]. В связи с этим уменьшаются энергозатраты на подогрев мазута и на его перекачку по трубопроводам.

Предлагаемая присадка позволяет уменьшить генерацию одного из наиболее опасных коррозионных агентов, образующихся при сжигании мазута в парогенераторах, каким являяется серная кислота, пары которой, конденсируясь на поверхностях нагрева с температурой ниже 330 С, вызывают их активную коррозию.

При проведении экспериментальных исследований было установлено, что содержание серы в испытуемом мазуте, при использовании упомянутой присадки снижается. Следовательно, интенсивность низкотемпературной коррозии уменьшается. При проведении экспериментальных исследований коррозионной активности мазута марки М100 методом медных пластинок пластинки испытание выдержали [4-5].

При определении зольности мазута было установлено, что зола, полученная при сжигании мазута марки М100 с присадкой, является порошкообразной и более рыхлой по сравнению с золой, полученной при сжигании чистого мазута марки М100. Однако зольность мазута, содержащего присадку, увеличивается. Кроме того, с увеличением массовой доли присадки в мазуте увеличивается содержание механических примесей в рамках ГОСТ.

Учитывая также, что калорийность мазута при добавлении в него присадки в количестве до 1% от его массы практически не изменяется (допустимое расхождение между параллельными опытами составляет 445 кДж/кг или 106.5 кал/г) можно сделать вывод, что оптимальная концентрация присадки составляет 0.1-0.5% от массы мазута.

Все исследуемые выше показатели качества мазута марки M100 (табл. 1) зависят от содержания (массовой доли) в нем присадки. Построение расчетных уравнений проводилось для присадки с размером частиц < 0.09 мм. Для определения эмпирических зависимостей применялся регрессионный анализ, предназначенный для получения математической модели в виде уравнения регрессии:

где - показатель выхода объекта исследования,

- входные переменные, имеющие количественный характер,

- известная с точностью до коэффициентов функция, - случайная помеха.

При построении расчетных уравнений с помощью пакета прикладных программ Advanced Grapher 2.2 вычисление коэффициентов выполнялось по методу наименьших квадратов. Степень полинома подбиралась от 1-6 и, анализируя получаемые графические изображения и величину коэффициента детерминации, получали математическую модель в виде уравнения парной регрессии.

Расчетные уравнения экспериментальных исследований с учетом погрешности эксперимента в графическом виде представлены ниже.

Зависимость условной вязкости мазута M100 (при t = 80 °C) от содержания присадки описывается следующим уравнением:

Y (x) = -0.285X + 13. 345, R2 = 0.987, х = 0.036

Зависимость зольности мазута Ml00 от содержания присадки:

Y (x) = 0.066X3 - 0.548X2 + 2.087X - 0. 162, R2 = 0.998, х = 0.050

Зависимость калорийности мазута Ml00 от концентрации присадки описывается уравнением:

Y (x) = 1330.8X2 + 6143.84X + 45097.96 R2 = 1, х = 0.002

Зависимость содержания серы в мазуте Ml00 от содержания присадки:

Y (x) = 0.066X3 - 2.050X2 + 4.017X + 0. 360, R2 = 1, х = 4.10-7

Зависимость температуры застывания мазута Ml00 от концентрации присадки:

Y (x) = 1.773X2 - 9.867X + 14. 31, R2 = 1, х = 3.10-7

Также нами были проведены лабораторные исследования физико-химических показателей шлама водоподготовки Казанской ТЭЦ-1 - насыпной плотности, удельной поверхности, адсорбции, зольности, влажности, гранулометрического состава и растворимости (табл. 2). Относительная ошибка определения не превышала 2-5%.

Табл. 2. Физико-химические свойства присадки

Рис. 1. Принципиальная схема дозирования присадки к мазуту

1 - питатель, 2 - грохот, 3 - питатель, 4 - весоизмерительный транспортер, 5 - узел смешения, 6 - силоизмерительный преобразователь, 7 - сумматор сигналов, 8 - задатчик расхода массы присадки, 9 - регулятор, 10 - электродвигатель, 11 - преобразователь частоты, 12 - источник напряжения, 13 - привод питателя, 14 - промежуточныйбункер.

По приведенным данным (табл. 2) можно сделать вывод, что наименьшая дисперсность присадки (< 0.09 мм) обладает оптимальными физико-химическими характеристиками. Данная дисперсность обеспечивает большую поверхность реагирования, что благоприятно влияет на весь процесс топливоподготовки и сжигания.

Кроме того, зольность присадки с диаметром частиц < 0.09 мм значительно ниже, чем непросеянного шлама [5].

Для внедрения технологии утилизации карбонатного шлама водоподготовки в качестве присадки к топочному мазуту на объектах энергетики нами была разработана принципиальная схема дозирования присадки.

Метод ввода присадок должен выбираться на основании технико-экономического расчета, с учетом стоимости присадок и технологического оборудования для их ввода, а также эксплуатационных расходов. Для обеспечения непрерывной работы мазутного хозяйства должны быть предусмотрены резервные узлы для обеспечения необходимой производительности и проведения периодических осмотров и ремонтов. Также необходимы дополнительные емкости для сбора крупной фракции присадки и последующего ее помола.

С учетом вышеперечисленных требований разработана принципиальная схема дозирования присадки, которая представлена на рис. 1.

Питатель 1 обеспечивает подачу присадки на вибросито 2, так как важен дисперсный состав присадки.

Максимальный размер частиц не должен превышать 90 мкм. Затем просеянная присадка подается в бункер дозатора. В качестве дозатора следует использовать ленточный весовой дозатор, который является наиболее совершенным среди автоматических дозаторов непрерывного действия.

Дозируемый материал через выпускное отверстие бункера 15 вытягивается лентой и подается на весоизмерительный транспортер 4, который движется с постоянной фиксированной скоростью. Сигнал с силоизмерительного преобразователя 7, пропорциональный массе материала на ленте транспортера 4, подается через сумматор 6 на вход регулятора 10, где сравнивается с сигналом задатчика расхода массы 9. Сигнал с выхода регулятора 10. пропорциональный рассогласованию между фактической и заданной производительностью, поступает на вход привода 14 питателя 3. приводя к изменению скорости движении ленты с устранением возникшего рассогласования [228]. Далее присадка подается на узел смешения с мазутом 5. откуда суспензия мазута с присадкой подается на сжигание.

При частоте источника напряжения 13 переменного тока равного 50 Гц сигнал на выходе преобразователя частоты 12 отсутствует и скорость движения транспортера 4 равна заданной. При возникновении отклонения частоты источника 13 от номинальной скорость ленты транспортера 4 меняется и приводит к изменению сигнала, снимаемого с выхода силоизмерительного преобразователя 7. При неизменном расходе на выходе питателя 3 сигнал на входе сумматора 8 остается по величине неизменным и обеспечивает заданный расход массы сыпучего материала. Кроме указанных позиций в схему входит электродвигатель 11.

Все узлы принципиальной схемы должны располагаться на территории топливного цеха внутри здания.

Табл. 3. Оценка экономической эффективности присадки к мазуту

Оценена предварительная экономическая эффективность применения предлагаемой присадки (табл. 3). Расчет экономической эффективности присадки к мазуту в виде карбонатного шлама водоподготовки ТЭС проводился для котла ТГМ-84 Б по предложенной схеме дозирования (рис. 1). При проведении расчетов не учитывались социальные и иные внеэкономические эффекты, фактор риска и инфляция. Налоговая ставка была принята 24%.

Использование в расчетах такого методического подхода позволяет в допустимых рамках сделать принципиальные выводы об эффективности внедрения присадки с учетом следующих факторов: стоимости дозировочного устройства, присадки, типов котлов, режимных факторов, характеристик мазута, затрат на ремонт поверхностей нагрева, удельных расходов топлива, потерь топлива на пуски котлов и региональных особенностей.

При повышении цен на мазут эффективность применения присадки увеличивается. А индекс доходности капитальных затрат изменяется от 6 и выше в зависимости от стоимости мазута и нормы дисконта.

Выводы

1. Предложено в качестве доступной и безопасной (5 класс опасности) многофункциональной присадки к топочному мазуту использовать отход теплоэнергетического производства - карбонатный шлам, образующийся при подготовке питательной воды на теплоэлектростанциях. Данная технология позволяет утилизировать отход производства и снизить воздействие на окружающую среду (в том числе на земельные ресурсы), а также исклюючить затраты на его транспортировку.

2. Экспериментально установлено, что предложенная присадка - карбонатный шлам, образующийся при подготовке питательной воды на теплоэлектростанциях, позволяет улучшить эксплуатационные свойства топочных мазутов (снизить вязкость, температуру застывания, содержание серы и воды, коррозионную активность). Разработана принципиальная схема дозирования присадки к мазуту и оценена экономическая эффективность ее внедрения. Применение указанной присадки позволит сократить объемы выбрасываемых загрязняющих веществ в атмосферу, а также продлить срок службы теплоэнергетического оборудования и повысить надежность его работы.

Литература

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

2. Кузнецов Г.В., Барановский И.В. Исследование физико-химических процессов зажигания хвойного дерева наземным грозовым разрядом. Бутлеровские сообщения. 2010. Т.20. №6. С.52-58.

3. Кузнецов Г.В., Барановским И.В. Пространственная постановка и численное исследование задачи о зажигании слоя лесного горючего материала нагретых до высоких температур. Бутлеровские сообщения. 2010. Т.22. №12. С.30-37.

4. Зверева Э.Р., Ганина Л.В. Присадка к мазуту. Опубл. 10.08.2009. бюлл. №22. Патент РФ №2363722.

5. Зверева Э.Р., Ганина Л.В., Андрюшина И.А. Экспериментальное исследование эффективности присадки к мазуту. Теплоэнергетика. 2010. №6. С.69-71.

Размещено на Allbest.ru