Создание сверхстойких водоэмульсионных топочных мазутов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 544.773.33

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Создание сверхстойких водоэмульсионных топочных мазутов

С.В. Шаргородский Шаргородский Сергей Викторович, студент Института энергетики, гр. ТЭбп-15-1,

e-mail: s_shargorodskiy@mail.ru, Н.П. Коновалов Коновалов Николай Петрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой физики, e-mail: knp@istu.edu , А.П. Горохов Горохов Александр Павлович, аспирант 4 курса Института энергетики, e-mail: gorokhov_a.p@mail.ru

коррозионный мазут диспергация эмульсия

Так как мазут во время транспортировки, выгрузки, хранения обводняется на котельных и ТЭС, то и соответственно, содержание воды в таком топливе может достигать до 30%. Повышенное содержание воды может привести к снижению теплоты сгорания топлива, неравномерности его горения в топочной камере. Также возможен рост опасности коррозионных процессов в мазутопроводах и конвективных поверхностях нагрева и увеличение потерь теплоты с уходящими из котла газами. Содержание воды в мазуте повышено, что отрицательно влияет на эффективность его сжигания. Для повышения эффективности сжигания обводненного мазута, снижения выбросов в окружающую среду и снижения потерь теплоты нами предлагается метод обработки мазута СВЧ-энергией и диспергацией до состояния тонкодисперсной водомазутной эмульсии.

Ключевые слова: мазут; ТЭЦ; кавитационная обработка; СВЧ-энергия; диспергатор; магнетрон; гомогенная масса; водомазутная эмульсия.

Annotation

Since at boiler stations and CHP-plants residual oil is filled with water during transportation, unloading and storing, the water content of such fuel can reach up to 30%. Increased water content can result in decrease of heat value and fuel combustion disturbance in a furnace. There may also be an increase of the danger of corrosion processes in the fuel oil pipeline and convective heating surfaces and increase of heat loss due to gases leaving the boiler. Increased water content in fuel oil negatively affects the efficiency of its combustion. To improve the efficiency of watered residual oil burning, to reduce environmental emission and heat loss the authors propose residual oil treatment technique with microwave energy and dispersion to the status of fine-dispersed water-oil emulsion.

Keywords: fuel oil; power plants; cavitation processing; microwave energy; a dispersant; a magnetron; a homogeneous mass; water-oil emulsion.

На сегодняшний день существует огромное количество видов топлива, благодаря которому человечество получает как тепловую, так и электрическую энергию. Одним из них является мазут, не смотря на все минусы его хранения, отказаться от него мы не можем. Так как он используется не только в виде основного топлива, а еще в виде растопочного, аварийного и резервного топлива. Поэтому многие ТЭЦ имеют свое мазутное хозяйство и встречаются с рядом проблем связанными с хранением и эксплуатацией мазута [1].

Как показывает практика, мазут, поступающий в котельные установки, имеет повышенное содержание воды, а при использовании паромеханических центробежных форсунок он дополнительно обводняется за счёт пара, подаваемого в зону завихрения форсунки для снижения вязкости перед его распыливанием в топочной камере. Повышенное содержание воды приводит к снижению теплоты сгорания топлива и неравномерному горению факела в топочной камере, что является причиной увеличения потерь тепла и повышения температуры отходящих газов.

Теоретически и экспериментально доказано, что введение в топливо воды в количестве до 10 % не снижает теплотворной способности топлива, а в ряде случаев даже повышает её, что позволяет утилизировать нефтесодержащие воды в процессе сжигания нефтепродуктов.

Это обусловливает актуальность проведения исследований в области разработки технологии гидродинамического диспергирования обводнённых топочных мазутов для получения топливных водонефтяных эмульсий [2].

Повышенное содержание свободной влаги в мазуте отрицательно влияет на эффективность его сжигания. Для устойчивого горения факела и водомазутных эмульсий, снижения выбросов вредных соединений (серы, азота и углекислого газа) в окружающую среду, уменьшения потерь тепла, нами предлагается метод обработки водомазутной смеси СВЧ-энергией с последующей диспергацией до состояния эмульсии.

Обработка СВЧ-энергией необходима для активации молекул мазута и воды. Воздействие микроволновой энергии на водномазутную смесь способствует образованию активных центров перед прохождением через диспергатор, что позволяет получить стабильную гомогенную эмульсию. Проходя через диспергатор, мазут смешивается с водой, образуя устойчивую к расслоению смесь. Под воздействием микроволной энергии структура мазута, прошедшего через диспергатор, изменяется на молекулярном уровне. Кавитационная обработка способствует деструкции высокомолекулярных соединений мазута, что приводит к увеличению активной поверхности молекул топлива. Все это в совокупности обеспечивает повышение качества водомазутных эмульсий. Процесс диспергации позволяет получить мелкодисперсные капли воды, покрытые тонкой оболочкой мазута, благодаря чему достигаются условия устойчивости к расслоению и равномерного горения топлива. Также нельзя не отметить тот факт, что обработанная СВЧ-энергией водомазутная смесь и пропущенная через диспергатор придает свойства, обеспечивающие её полное сгорание и снижение выбросов оксида серы, углерода, и азота в дымовых газах. На рис. 1 изображена принципиальная схема обработки обводненного топочного мазута.

Рис. 1. Принципиальная схема получения стабильной водомазутной эмульсии

Происходит также уменьшение образования кокса из паровой фазы в результате улучшения смешения паров топлива с окислителем, а также локального убавления топливно-воздушной смеси водяным паром. Образование из водяного пара радикалов ОН и увеличение их концентрации непосредственно в зоне пиролиза паров топлива снижает количество предшествующих саже промежуточных соединений. Эффект химического воздействия воды в составе ВТЭ намного значительнее, чем от водяных паров, присутствующих в воздухе или образующихся при окислении водорода топлива. В результате ускорения выгорания отдельных капель топлива, улучшения их смешения с окислителем при сжигании ВТЭ снижается оптимальный коэффициент избытка воздуха. Этот эффект позволяет компенсировать потери тепла на испарение воды и делает предпочтительным прямое сжигание иного топлива в виде ВТЭ вместо его обезвоживания. Кроме того, повышение влажности ВТЭ до 20-30 % мало влияет на теоретическую температуру горения, состав продуктов сгорания, температуру уходящих газов и потерю тепла с ними. Вероятно, это является следствием слабого влияния влажности топлива на жаропроизводительность. Даже при влажности мазута 50 % его жаропроизводительность снижается только на 7 %, в то время как теплота сгорания на 53 %.

За рубежом работы по сжиганию ВТЭ в котлах были начаты в 70-е гг. прошлого века и до сих пор интенсивно проводятся в Японии, США, ФРГ, Франции, Великобритании и других странах. В России (СССР) такие работы были начаты во второй половине 1970-х гг. Ленинградским инженерно-строительным институтом (ЛИСИ) применительно к отопительным котлам, Азербайджанским НИИ энергетики (АзНИИЭ) и позднее Саратовским политехническим институтом (СарПИ) к энергетическим котлам. В настоящее время работы по вопросам приготовления и сжигания водоэмульсионных топлив вновь интенсивно проводятся в ВТИ, Московском энергетическом институте, а также в ряде фирм и организаций.

Зарубежный опыт использования ВТЭ в котельных установках основан, главным образом, на результатах работ по сжиганию эмульсий в малых котлах, в частности отопительных и водогрейных. По энергетическим котлам подобных работ проведено мало, а их результаты недостаточно полны и обобщены. Анализ результатов многочисленных работ по использованию ВТЭ в малых котлах теплопроизводительностью 0,00-20,00 МВт показал, что сжигание ВТЭ влажностью 20-30 % значительно уменьшает загрязнение атмосферы. Благодаря снижению оптимального избытка воздуха, уменьшению загрязнения и коррозии поверхностей нагрева в ряде случаев удается не только компенсировать потерю тепла на испарение воды, но и повысить КПД котлов на 0,5-2,3 %, получив при этом экономию топлива в размере от 5 до 25 %.

Компенсация потери тепла на испарение возможна также за счет ликвидации жидких стоков в составе ВТЭ вместо их очистки, уменьшения загрязнения и коррозии поверхностей нагрева, снижения вредных выбросов в атмосферу. Уменьшение загрязнения поверхностей нагрева при сжигании ВТЭ связано со значительным уменьшением сажеобразования. Известно, что на поверхностях нагрева котлов отлагается до 40 % общей массы образовавшихся сажевых частиц. Равномерный слой сажи толщиной всего в 1,0 мм уменьшает теплоотдачу на 10 %, а КПД котла -- примерно на 3 % (за счет роста температуры уходящих газов). При сжигании же эмульсий за счет меньшего загрязнения поверхностей нагрева теплоотдача к ним возрастает на 4 %, а температура уходящих газов снижается на 5…8 % (при постоянном избытке воздуха) [5].

Существенное влияние на процесс сажеобразования оказывает качество ВТЭ, и в первую очередь ее дисперсность и равномерность.

Высокодисперсная структура ВМЭ обеспечивает вторичный распыл топлива в пламени. Мицелла, попавшая в зону горения, начинает нагреваться. Температуры кипения воды и мазута существенно отличаются (примерно на 200-250°С). Вода резко вскипает, а мазут остается в жидком состоянии и препятствует испарению капель воды. При достижении внутри мицеллы критического давления происходит микровзрыв (водяной пар разрывает свою оболочку и распыляет ее). Происходит многократное увеличение площади соприкосновения топлива с кислородом воздуха, что равнозначно распылению топлива при давлении на форсунках 150-300 кг/см3. Экономия происходит за счёт более полного сгорания исходного мазута. Кроме того, во время горения эмульсии снижается температура отходящих газов (без снижения температуры в топке и КПД котла) [3].

В таблице представлены характеристики мазута марки М100 и мазута прошедшего через технологию диспергирования и обработки СВЧ-энергий.

Характеристика мазутных топлив

Одной из эффективных технологий для теплоэнергетики, направленной на энерго-ресурсосбережение и защиту атмосферного воздуха и водных бассейнов от выбросов NOx, СО, сажи, многоядерных углеводородов, нефтепродуктов и других вредных веществ, является сжигание мазута в виде водомазутных эмульсий (ВМЭ). Использование для энергетических или технологических целей ВМЭ позволяет улучшать технико-экономические показатели работы котлов и печей в результате более рационального использования теплоты топлива, а также экологическую обстановку в районе размещения предприятия, использующего мазут. При сжигании ВМЭ можно выделить следующие стадии: нагрев капли, испарение углеводородной и водной фаз, взрыв капли эмульсии, зажигание и горение паров углеводородов, пиролиз тяжелых углеводородов в паровой фазе с выделением частиц твердых углеводородов и их выгорание. Установлено, что при микровзрывах осколки частиц из мазута и воды разбрызгиваются на дальние расстояния от начальной капли [4].

Таким образом, совокупная реализация всех рассмотренных положительных моментов, связанных с использованием в качестве жидкого топлива тонокодисперсных ВМЭ, может обеспечить существенное уменьшение удельных расходов топлива на выработку единицы тепловой энергии в отопительных и производственных котельных (тепловой и электрической энергии для тепло-электростанций - ТЭС), технологических печах, и снижение экологической нагрузки на окружающую природную среду.

Библиографический список

1. Назмеев Ю.Г. Мазутное хозяйство ТЭС. М. : Изд-во: МЭИ, 2002. 612 с.

2. Синяк Ю. В., Некрасов А. С., Воронина С. А. и др. Топливно-энергетический комплекс России: возможности и перспективы // Проблемы прогнозирования. 2013. № 1. С. 4-21.

3. Ишкильдин А. Ф. Новые технологии переработки тяжелых нефтяных остатков // Нефтегазопереработка и нефтехимия: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (Уфа, 24 мая 2006 г.). Уфа: Изд-во ГУП ИНХП РБ, 2006. С. 66-67.

4. Котлер В. Р., Беликов В. Р. Промышленно-отопительные котельные: сжигание топлив и защита атмосферы. СПб.: Энерготех, 2001. 272 с.

5. Росляков, П. В. Методы защиты окружающей среды: учебник для вузов. М. : Издательский дом МЭИ, 2007. 336 с.

Размещено на Allbest.ru