Д.т.н. В. И. Кормилицын,
м.т.н. А. В. Кормилицына, к.т.н. М. Г. Лысков
Московский энергетический
институт (Технический университет)
В настоящее время большинство
нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) реконструировали технологию переработки
нефти. Более глубокая переработка исходного сырья привела к изменению ряда
физико-химических свойств конечного продукта — мазута.
В результате этих изменений, а также при
перегрузке и хранении мазута традиционными способами потребитель получает мазут
с повышенным содержанием влаги. Обводненный мазут, содержащий твердые фракции,
имеющий повышенную температуру вспышки и другие отклонения от норм, нарушает
режим горения, загрязняет поверхности нагрева, повышает недожег топлива,
образует отложения несгоревших частиц кокса по газовому тракту, приводит к
обрыву факела и аварийному останову оборудования [1—4].
В настоящее время остро стоит вопрос и о
нейтрализации промышленных сбросных потоков, загрязненных органосодержащими
веществами.
Для комплексного решения этих проблем
предлагается предварительная подготовка мазута к сжиганию. Сущность метода
состоит в создании однородно распределенной мелкодисперсной фракции имеющейся в
мазуте влаги и разрушении квазикристаллических и кристаллических структур,
находящихся в составе мазута. На рис. 1а приведена микрофотография исходного
состояния мазута в производственных условиях. Здесь отчетливо просматриваются
включения асфальтов, карбенов, карбоидов и воды, которые ухудшают процесс
сжигания топлива, экономичность и надежность работы котельной установки, а в
продуктах сгорания такого топлива содержится сажа, бензопирен, загрязняющие
окружающую среду.
На рис. 1б приведена микрофотография
исходного мазута, но после его специальной обработки в кавитационном реакторе (кавитаторе,
патент № 8631, 6В 01 F5/00, БИ № 12, 1998).
Кавитатор — это устройство для
приготовления водомазутной эмульсии (ВМЭ), которая используется как топливо в
котлах различных типов. Сжигание мазута в виде ВМЭ дает ряд преимуществ:
а) значительное улучшение экономичности и
экологических характеристик котла за счет снижения СО-выбросов, NОх,
бензопирена и др. вредных веществ;
б) интенсификацию
процесса сжигания топлива;
в) возможность огневого
обезвреживания и утилизации сбросных вод, загрязненных нефтепродуктамии др.
вредными веществами.
Конструктивно кавитатор представляет
собой несколько (от 1 до 8 и более) параллельных, плоских, профилированных
рабочих каналов с двумя кавитационными решетками из цилиндрических стержней в
каждом канале. Рабочие каналы кавитатора располагаются в стальном корпусе
прямоугольного или круглого (труба) сечения. Кавитатор, в отличие от других
аналогичных устройств, дает большие возможности для регулирования
производительности работы без ухудшения качества приготавливаемой ВМЭ. Кавитаторы
можно использовать и в широком диапазоне давлений ВМЭ (от единицы до нескольких
десятков атмосфер) при сохранении абсолютной герметичности и прочности
конструкции. Производительность по ВМЭ в одном устройстве от нескольких сот кг
в час до 250 — 300 т/ч.
В качестве добавочной влаги могут
использоваться:
а) чистая вода (питательная вода
котлов, конденсат турбин);
б) вода продувки котлов;
в) водяной пар;
г) сточные воды, содержащие
нефтепродукты и другие вредные вещества;
д) растворы специальных реагентов,
вводимых в топку котла для подавления образования вредных веществ при сжигании
мазута.
Кавитатор может работать на исходном
мазуте с содержанием в производственных условиях влаги до 20%. В результате
достигается высокодисперсионная однородная смесь водомазутной эмульсии с
частицами воды 2-5 мкм. Кавитаторы имеют широкий диапазон по
производительности, габариты не превышают 100x200x400 мм, хорошо вписываются в
схемы мазутных хозяйств котельных.
Для сжигания водомазутной эмульсии
необходимо ее предварительно подготовить в виде однородной смеси мазута и
добавляемой влаги по типу вода-масло, в которой вода с содержащимися в ней
органическими примесями, как дисперсная фаза, в виде частиц диаметром несколько
микрометров находится внутри топливной оболочки по предложенному техническому
решению. Это обеспечивает надежное воспламенение и устойчивое горение топлива в
топках котлов с высокой полнотой сгорания и хорошими технико-экономическими
характеристиками их эксплуатации. Повышенная эффективность сгорания эмульсии
(даже при предельно низких избытках воздуха) обусловлена микровзрывом ее капель
вследствие различия температур кипения воды и мазута. При дополнительном
дроблении капель эмульсии достигается ускорение их испарения и улучшается
процесс перемешивания топлива с воздухом, в результате чего с учетом наличия в
зоне горения продуктов диссоциации воды процесс сгорания топлива существенно
интенсифицируется. Для приготовления кондиционных ВМЭ предложены эмульгаторы (кавитаторы)
и диспергаторы [5, 8].
Сжигание ВМЭ может быть осуществлено
совместно со сжиганием твердого топлива и природного газа.
Если же надо выполнить огневое
обезвреживание сбросных вод в топках котлов при сжигании любого вида топлива,
то применяется схема с подачей воды через специальные диспергаторы. Расход воды
составляет около 6% от расхода мазута или эквивалентного количества его теплоты
при сжигании другого вида горючего.
Сжигание ВМЭ совместно с природным газом
приводит к снижению уровня температур в зоне максимальной генерации оксидов
азота и, следовательно, к значительному (на 30 — 50 %) снижению их концентрации
в дымовых газах. Более глубокого подавления NОх
можно достигнуть в том случае, если в качестве добавочной влаги вместе со
сточными водами использовать растворы азотосодержащих веществ при
соответствующей организации процесса сжигания топлива. Считается, что снижение
концентрации одного из характерных канцерогенов, относящегося к полициклическим
ароматическим углеводородам, — бензопирена (С20Н12), в
продуктах сгорания, возможно, происходит в процессе сжигания топлива при
температуре в зоне горения более 1500 °С, которая достигается в топках котлов.
Установлено также, что при наличии влаги в зоне горения происходит диссоциация
молекул воды на ионы Н+ и ОН– , которые существенно снижают
концентрацию С20Н12 в продуктах сгорания топлива.
На основании анализа отмеченных выше
факторов: влияния влаги или растворов с загрязняющими веществами в
высокотемпературной зоне горения топлива на содержание в дымовых газах различных
вредных веществ (NОx, СО, С20Н12 и др.) и огневого
обезвреживания сбросных вод, рекомендуется комплексная многоцелевая, экосовместимая
технология для ее реализации в промышленности. Применение этой технологии
оправдано и экономически, так как при ее осуществлении достигается рациональное
использование теплоты топлива и для реализации этого метода не требуются
большие капиталовложения [6, 7]. Выполнение этой технологии на действующем
оборудовании котельных не требует существенного изменения их конструктивного
исполнения, а также никаких изменений в схеме газового хозяйства. Необходима
лишь дополнительная установка малозатратных устройств для приготовления ВМЭ и
ее автономной подачи в топку котла через специальные диспергаторы. Таким
образом, предлагаемая технология хорошо совместима с технологией сжигания
топлива в находящихся в промышленной эксплуатации водогрейных и энергетических
котлах.
Применение кавитаторов для
приготовления водомазутных эмульсий эффективно и малозатратно. Они обеспечивают
не только приготовление тонкодисперсной эмульсии с частицами воды, но и
измельчают присутствующие в мазуте асфальтены, карбены и карбоиды, что существенно
улучшает процесс сжигания топлива.
Некоторые технологические схемы
подготовки ВМЭ и их экологическая эффективность приведены в [4, 8, 9]. Более
подробную информацию можно получить у Исполнителя. Работа включает широкий
спектр услуг, от представления конструкторской документации, консультаций,
авторского надзора при совместном исполнении с Заказчиком до сдачи полностью
законченной работы «под ключ», передачи лицензии на выполнение работ.
Испытания и опытно-промышленная
эксплуатация кавитаторов на многих ТЭС (ТЭЦ) и котельных России и других стран
показали их существенные преимущества, высокую надежность и большое удобство в
течение значительного периода времени при минимальных затратах.
Внедрение этих технологий осуществляется
под руководством д.т.н. проф. кафедры котельных установок и экологии энергетики
МЭИ Кормилицына В. И.
На ТЭЦ МЭИ установлена
опытно-промышленная демонстрационная установка для огневого обезвреживания
сбросных вод.
Литература:
1.
Кормилицын В. И., Лысков М.
Г., Румынский А. А. Комплексная экосовместимая технология сжигания водомазутной
эмульсии и природного газа с добавкой сбросных вод./ Теплоэнергетика, 1996, №
9, с. 13 — 17.
2.
Кормилицын В. И., Лысков М. Г.,
Третьяков Ю. М. Экономичность работы парового котла при управлении процессом
сжигания топлива вводом влаги в зону горения./Тепло-энергетика, 1988, № 8, с.
13 — 15.
3.Кормилицын В. И. Оптимизация технологических методов
подавления оксида азота при сжигании топлива в паровых котлах./Теплоэнергетика,
1989, № 3, с. 15 — 18.
4.Кормилицын В. И., Лысков М. Г., Румынский А. А.
Влияние добавки влаги в топку на интенсивность лучистого теплообмена./Теплоэнергетика,
1992, № 1, с.41 — 44.
5.Устройство для подготовки к сжиганию
обводненного мазута./Авторы: Кормилицын В. И., Лысков М. Г., МарченкоВ. М., Пирумов
У. Г., Хохлов Л. К./ Патент Российской Федерации на изобретение № 2044960,
1992.
6.Лысков М. Г., Савин Н. Г., Писаревский А. М.
Экономическая эффективность сжигания ВМЭ в топках паровых кот-лов./Сб. научных
трудов МЭИ. 2989. № 209, с. 39 — 43.
7.Кормилицын В. И., Лысков М. Г., Ромакин С. С.,Рудаков
В. П., Шмырков О. В. Повышение экономичности сжигания топлива в паровых котлах
изменением характеристик топливного факела в топке. /Энергосбережение и водоподготовка,
1997. № 1, с. 46 — 52.
8.Кормилицын В. И. Экологические аспекты сжигания
топлива в паровых котлах./М., издательство МЭИ, 1998. —336 с.
9.Кормилицын В. И., Лысков М. Г., Липов Ю. М.,
Кормилицына А. В. Приготовление водомазутной эмульсии и ее сжигание в топках
котлов для снижения загрязнения природной среды и улучшения
технико-экономических показателей котельных установок./Научно-техническая
конференция (с международным участием) «Инженерная экология — ХХIвек».
Тезисы докладов. 23 — 25 мая 2000 г. М.: МЭИ (ТУ),2000. с. 216 — 217.