Оптимизация работы мазутных котлов при помощи ВМЭ на основе продувочной воды котлов и высокого подогрева ВМЭ с частичной газификацией

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация работы мазутных котлов при помощи ВМЭ на основе продувочной воды котлов и высокого подогрева ВМЭ с частичной газификацией

Пантилеев С.П.

Аннотация

Рассмотрены вопросы оптимизации процесса сжигания высокосернистого мазута. Предложен способ получения высоко подогретой водо-мазутной эмульсии (ВМЭ) и оценены результаты такого способа на эффективность работы парового котла с дополнительным эффектом снижения вредных выбросов оксидов серы. Определены основные параметры устройства для конкретного котла и его экологическая и экономическая эффективность. высокосернистый мазут выброс сера

Ключевые слова

Паровые мазутные котлы; щёлочность продувочной воды; эффективность сжигания мазута; продувка паровых котлов; водо-мазутная эмульсия (ВМЭ); высокий подогрев ВМЭ; снижение выбросов серного ангидрида; энергосбережение.

ВВЕДЕНИЕ

В мазуте, сжигаемом в современных котельных и на ТЭЦ, содержится много сернистых соединений (более 3,5%). После сгорания такого мазута образуется диоксид серы и серный ангидрид, являющиеся причиной выпадения так называемых кислотных дождей. Из всего количества окислов серы при сжигании мазута образуется всего 1% серного ангидрида, но и этого достаточно чтобы повысить точку росы (конденсации) паров серной кислоты до 170…180°С. Чтобы предотвратить сернокислую коррозию хвостовых поверхностей (воздухоподогревателей и экономайзеров) приходится повышать температуру уходящих газов и следовательно потери тепла с ними.

Кроме наличия высокого содержания серы современные мазуты в следствии всё более глубокой переработки нефти становятся более тяжёлыми из-за наличия большого количества высокомолекулярных смолисты составляющих. Большинство котлов и их горелочных устройств спроектировано на работу на качественном мазуте и в современных условиях эти котлы не обеспечивают нормативных параметров экономичности. У них растут потери от химического и механического недожёга и самые большие потери с уходящими газами из-за их высокой температуры и высокого коэффициента избытка воздуха (при низких коэффициентах современный мазут плохо горит).

Как решать проблему сжигания современного мазута?

Можно добиваться поставки качественного мазута. Это его разбавлять более лёгкими фракциями, удалять серу. На это никто не пойдёт. Необходимо изменить процесс сжигания в соответствии с существующими характеристиками мазута.

Что в процессе сжигания современных мазутов происходит не так, как надо? Это плохое смесеобразование с воздухом из-за плохого распыливания. Более вязкий мазут в форсунках распыливается на более крупные капли. Поверхность контакта с воздухом и поверхность теплопередачи тепла внутрь кали во много раз меньше, чем та которая была бы при мелких каплях.

Проблему качественного распыливания уже с прошлого века пытаются решить при помощи водо-мазутной эмульсии (ВМЭ), для приготовления которой используют диспергаторы. Эффект у ВМЭ в распыливании зависит на сколько перегрета от 100°С вода в ней.

Сравнение распыливания мазута на номинальном режиме в паровой форсунке и ВМЭ в механической

Распыливание мазута на номинальном режиме в паровой форсунке при давлении мазута и пара 1,4МПа при температуре обоих компонентов 190°С будет обеспечиваться расширением вылетающего пара в 14 раз. Эффект распыливания будет проходить от соударения струй пара и мазута, летящих почти в одном направлении и расширения паровых струй.

Распыливание ВМЭ на номинальном режиме в механической форсунке при давлении ВМЭ 1,4МПа при температуре 190°С будет обеспечиваться расширением капель перегретой продувочной воды, покрытых мазутной плёнкой, вылетающего из сопла форсунки. При радиусе капли в R_кв1=2мкм объём капли будет:

V_кв1=4р R_кв1³/3=4·р·2³/3=33,5мкм³.

При одинаковой плотности воды и мазута объём покрытой мазутной плёнкой капли при доле воды в 0,33 будет:

V_квм1= V_кв1/0,33=33,5/0,33=101,5 мкм³.

Радиус покрытой мазутной плёнкой капли составит:

R_квм1= (3V_квм1/4р)^1/3 =(3·101,5/4р)^1/3=2,86мкм.

Толщина мазутной плёнки составит:

д_квм1= R_квм1 - R_кв1=2,86-2=0,86мкм.

Состав внутренней среды капли на выходе из отверстия при давлении 0,1МПа найдём из материального и теплового баланса (потерями пренебрегаем):

Ј_пр=(1-в) Ј_прж + в Ј_прп,

191,2=(1- в)100,1+ 639,1 в

в =91,1/539=0,169,

где Ј_пр =192,9ккал/кг -энтальпия продувочной воды на входе в отверстие форсунки;

в- массовая доля пара в смеси в капле на выходе из отверстия форсунки;

Ј_прж =100,1 ккал/кг -энтальпия продувочной воды на выходе из отверстия (при насыщении на давлении 0,1МПа);

Ј_прп =639,1 ккал/кг -энтальпия пара на выходе из отверстия (при насыщении на давлении 0,1МПа).

Плотность воды на входе в отверстия при давлении 1,3МПа и температуре 190єС:

с₁=1/ v_1ж =1/0,00114=877,19кг/м³,

где v_1ж =0,00114 м³/ кг - удельный объём воды при давлении 1,3МПа и температуре 190єС.

Удельный объём смеси воды и пара в капле на выходе из отверстия при давлении 0,1МПа и температуре 100єС:

v_см2=(1- в) v_2ж+ вс_2п=(1- в)·v_2ж+ в/v_2п=(1-0,169)·0,00104+0,169·1,673=0,198м³/кг,

где v_2ж =0,00104 м³/ кг - удельный объём воды при давлении 0,1МПа и температуре 100єС;

v_2п =1,673м³/ кг - удельный объём пара при давлении 0,1МПа и температуре 100єС.

Плотность смеси воды и пара в капле на выходе из отверстия при давлении 0,1МПа и температуре 100єС:

с_см2=1/ v _см2=1/0,198=5,05кг/ м³.

Объём капли увеличится в с₁/ с_см2=877,19/5,05=173,7раз до:

V_кв1=173,7 V_кв1=173,7·33,5=5819 мкм³.

Капля резко в виде взрыва увеличится в диаметре в 173,7^1/3=5,57 раз до радиуса:

R_кв2=5,57 R_кв1=5,57·2=11,14мкм.

Толщина мазутной плёнки при этом составит:

д_квм2= д_квм1 (R_кв1²/ R_кв2²)=0,86 (2²/11,14²)=0,028мкм.

Это приведёт к её резкому многократному дроблению на мелкие водяные капли, покрытые микронным слоем мазута, микронных размеров. Последние начнут нагреваться и испаряясь и увеличиваться в объёме в v_2п / v_2ж =1,673/0,00104=1608раз. Это приведёт к полному распыливанию мазутной плёнки, которая при температуре испарения начнёт гомогенно гореть.

Расчёты проведены для высоко подогретой капли ВМЭ. Такой подогрев в паровом подогревателе насыщенным паром при давлении 1,3МПа невозможно провести.

Высокий подогрев мазута предлагался в ряде патентов [10 - 12].

Изменения параметров капли ВМЭ при выходе её из сопла форсунки показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Изменения параметров капли ВМЭ.

Распыление ВМЭ в механической форсунке на порядок превосходит распыливание мазута в паровой форсунке.

Мелкие микронные капли, не прогревшиеся до испарения воды, попадая на поверхность труб котла, покрытых нагаром, взрываются от контакта с высокой температурой отложений и разрушают их. Это документально доказано рядом испытаний (смотри рисунки 2 и 3 из [3]).

Рисунок 2. Фотография (экран топки) при работе без диспергатора.

Рисунок 3. Фото работы параллельного котла с диспергатором

Высокий подогрев ВМЭ

Как отмечалось выше в конце прошлого века были предложены способы подогрева мазута и ВМЭ. В перечисленных патентах подогрев производился в радиационных подогревателях, расположенных в топке котла. Там также указывалось, что подогрев мазута нельзя проводить больше 300°С из-за опасности образования коксового осадка на поверхности труб подогревателя. Хотя близкой к нам отрасли переработки нефти с этим явлением борются при помощи добавления в нефть воды до 20%, э это самая настоящая ВМЭ.

В более мягких условиях можно подогреть ВМЭ в конвективном подогревателе ВМЭ приведённой на рисунке 4.

Чего добиваемся применением перегретой до 250°С ВМЭ на продувочной воде? Улучшается качество горения при улучшенном распыле мазута с частичной газификации коксового остатка - потери с химическим и механическим недожёгом в сумме уменьшаются почти на 1%, уменьшается коэффициент избытка воздуха до 1,05, что приводит к уменьшению потерь с уходящими газами. Щёлочность продувочной воды почти полностью нейтрализует самый агрессивный серный ангидрид, что позволяет снизить температуру уходящих газов до 70…80°С. Чтобы её снизить необходимы дополнительные поверхности нагрева для нагрева ВМЭ и подпиточной воды.

Рисунок 4. Принципиальная схема работы парового котла на перегретой ВМЭ на базе продувочной воды

Нагрев ВМЭ до температуры 300°С частью продуктов сгорания, взятых до экономайзера приводит к небольшому понижению температуры уходящих газов за ним, что почти не сказывается на его работе, так как в продуктах сгорания почти полностью нейтрализован серный ангидрид щёлочностью продувочной воды. Дополнительные поверхности нагрева собираются из стандартных биметаллических калориферов. Подогреватель ВМЭ работает в сухой зоне, а подогреватель подпиточной воды уже снимает теплоту конденсации водяных паров из продуктов сгорания, которая при проходе через подогреватель 70% продуктов сгорания с противотоком для ВМЭ даёт экономию топлива до 4%. Её можно подсчитать по разности влагосодержания в продуктах сгорания (это V_Н2О с_Н2О =1,47·0,803=1,18кг воды на 1кг ВМЭ) и за КУТ (для температуры 30°С влагосадержание 30г/м³ и объёме газов V_г =13,28 м³/кг получим 0,399кг воды на 1кг ВМЭ). Это для всех газов, но мы пропускаем через КУТ 70%, то сконденсируется только 0,7(1,18-0,399)=0,547 кг воды на 1кг ВМЭ. При этом дополнительно передастся тепла от продуктов сгорания подпиточной воде Q_КУТ=2500·0,547=1367кДж/кг=326ккал/кг, что в единицах мощности (умножить на расход) составит 1367·0,4927=673кВт=161 ккал/с.

Q_КУТ/ Q_р ^р=326/7258=0,0449=4,48%.

ВЫВОДЫ

Замена паровой мазутной форсунки на механическую форсунку, работающую на ВМЭ, полученной в диспергаторе с добавлением продувочной воды и нагревом её до 300°С приводит к:

Полной нейтрализации серного ангидрида, что позволяет увеличить площадь экономайзера, так точка росы снижается до 60°С, что уменьшает потери с уходящими на 2,5%.

Экономии топлива, идущего на производство пара для форсунки, что составляет 4%;

Уменьшает сажеобразование и механический недожёг в размере 0,741%;

Уменьшает сажеобразование и нагара на трубах, это при уменьшении толщины нагара в 1мм (2мм) уменьшает потери с уходящими газами соответственно на 1,85% (3,4%).

В итоге с явными экологическими преимуществами (отсутствие серного ангидрида в продуктах сгорания и уменьшение в них в 18 раз сажи) мы получаем уменьшение тепловых потерь на 8%.

Список литературы

1. Тепловой расчёт котлов (нормативный метод). - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Изд-во НПОЦКТИ, 1998. -266с. : ил.

2. Отчёт фирмы "Saacke" совместно с представителями китайского университета (г. Джимей). http://www.afuelsystems.com/ru/trga/s12.html

3. www.energy-saving-technology.com

4. Александров В.Г. Паровые котлы средней и малой мощности. Монография / Изд. 2-е перераб. и доп. -Л.: Энергия, 1972. - 200 с., илл.-103, табл. -74, библ.с.

5. СО 34.26.717 Методические указания по испытаниям высокотемпературных поверхностей нагрева котлов для выявления причин коррозионных повреждений. М.: © СПО Союзтехэнерго, 1989.

6. Патент РФ № 2334548 «Устройство для очистки дымовых газов котлов», автор Левшаков А.М. Бул. № 27 (27.09.2008).

7. Патент РФ № 2468293 «Форсунка», авторы Евдокимов Д.Е., Гачков С.И и др Бул. № 27 (27.11.2012).

8. Патент РФ № 2396487 «Форсунка», авторы Таймаров М.А. Бул. № 22 (10.08.2010).

9. Безгрешнов, Александр Николаевич. Теплогидравлические процессы в энергетических установках в примерах и задачах : Учеб. пособие / А. Н. Безгрешнов; М-во общ. и проф. образования Рос. Федерации. Новочеркас. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск : Новочеркас. гос. техн. ун-т, 1999. - 21 см. Ч. 1. - 1999. - 60 с. : ил., табл.

10. АС № 731184 «Способ сжигания водомазутной эмульсии» (Бил. № 16 от 30.04.1980)

11. АС № 391058«СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ МАЗУТА» (Бил. № 31 от 25.07.1973)

12. АС 1103041 «Устройство для подогрева мазута» (Бил. № 26 от 15.07.1984).

Размещено на Allbest.ru