О положительном опыте использования кавитационной обработки обводненного мазута

(Автор: Профессор В.И.Кормилицын)

В настоящее время большинство нефтеперерабатывающих заводов реконструированы с целью более глубокой переработки исходного сырья (нефти), что привело к изменению (ухудшению) ряда физико-химических свойств конечного продукта — мазута (как топлива для котельных и тепловых электростанций): повышение температуры вспышки, вязкости, а при сливе и хранении традиционными нормативными способами в условиях промышленной эксплуатации к повышенному содержанию влаги, до 20% и более. Такой мазут представляет определенную сложность при его сжигании, так как процесс сжигания становится неустойчивым, а присутствие крупных водяных линз и водяных мешков в мазутохранилищах приводит к резкому перепаду давления в перекачивающих насосах, что, в свою очередь, приводит к аварии последних. Кроме этого могут происходить обрывы факела и останов котлов, а также повышенное загрязнение поверхностей нагрева котлов, недожог топлива, отложения загрязнений по газовому тракту. При сжигании обводненного мазута в топках котлов традиционными способами, по сравнению со сжиганием водо-мазутных эмульсий, образуются повышенные выбросы в окружающую среду оксидов азота, сажи, бенз(а)пирена, кроме того — замазученные и замаслянные воды, приводящие к загрязнению окружающей природной среды. Необходимым условием для надежной эксплуатации котельного оборудования является устойчивость факелов, формируемых горелочными устройствами и соответствие их теплообменным и геометрическим характеристикам топочно-горелочных устройств котла. Именно эти условия невозможно удовлетворить при сжигании обводненных мазутов, которые к тому же имеют неравномерное (гнездовое, линзовое) распределение воды в относительно большом объеме горючей массы или приводят к появлению водяных пробок в мазутопроводах. Причем ввиду практически равной плотности мазута и воды в условиях промышленной эксплуатации мазутных хозяйств, локальные распределения воды в мазутохранилищах могут встречаться спонтанно, в любых местах, что существенно ухудшает условия надежной эксплуатации энергетического оборудования. Любые колебания влажности отдельных порций сжигаемого топлива, подаваемого в топки котлов, влекут за собой соответствующее одновременное изменение действительного расхода горючей массы, коэффициента избытка воздуха и изменение режима работы топочно-горелочных устройств, неизбежно нарушая их работу. Это приводит к резкому ухудшению условий сжигания топлива и дестабилизации топочного процесса, вплоть до погасания факела, аварийному останову оборудования, повышенному отложению несгоревшего топлива на экранных трубах и по газовому тракту, выбросу вредных веществ в окружающую среду и ее загрязнению. При последующей эксплуатации оборудования повышается вероятность пожаров, хлопков и взрывов, приводящих к разрушению оборудования, преждевременному выходу его из строя и снижению надежности энергоснабжения. Увеличение влагосодержания сжигаемого мазута при обычном гнездовом или линзовом неравномерном распределении в нем воды всегда приводит к снижению КПД котлов. Поэтому борьба с обводнением мазута является традиционным способом борьбы энергетиков в достижении надежной и экономичной работы оборудования. Но существующие методы в этом направлении малоэффективны и весьма трудоемки. Широко практикуемое удаление воды из мазута отстаиванием не достигает поставленной цели, так как плотности воды и тяжелых марок мазута (а именно сейчас в основном и используются тяжелые мазуты, и есть тенденция ухудшения их качества) очень мало отличаются друг от друга. Водяные линзы и мешки могут спонтанно образовываться практически на любой высоте мазутохранилищ. Так, например, для мазута марки 100 плотность может достигать 1,015 г/см3 при 20°С, а для мазута марки 200 еще выше. Поэтому отстаивание воды из мазута в подобных условиях является весьма проблематичной задачей, так как вода может располагаться послойно (линзами) не только в нижних слоях, а произвольно по высоте и даже в нескольких слоях или гнездах. Другие методы обезвоживания (термические, термохимические, центрифугование, выпаривание в скрубберах, продувки сжатым воздухом и т.д.) в большинстве случаев практически неэффективны из-за низких технико-экономических показателей:
высокая стоимость обезвоживания, превышающая для отдельных методов 25 % стоимости товарного мазута;
сложность и малая производительность установок;
большие потери мазута с дренируемой водой, особенно приобретающие острую проблему в связи с ужесточением требований по охране окружающей природной среды.
Сжигание же обводненного мазута традиционным методом, кроме появления аварийных ситуаций, приводит и к повышенному среднеэксплуатационному коэффициенту избытка воздуха выше оптимального значения. Так, при сжигании мазута даже с кондиционным содержанием воды до 5 % приводит к повышению среднеэксплуатационного коэффициента избытка воздуха на 5,5% и при этом среднеэксплуатационный КПД котла падает на 0,5 — 1,5 %. При обводнении 15% — КПД котлов снижается на 2 — 3,5 %. Поэтому необходимым условием повышения надежности работы и экономичности котлов в условиях их промышленной эксплуатации является равномерное распределение воды по всей массе топлива, но само по себе равномерное распределение воды еще не решает проблемы сжигания обводненных мазутов, хотя и является бесспорным тот факт, что при этом достигается поддержание для данной форсировки топки постоянного уровня коэффициента избытка воздуха, соответствующего определенному поступлению в топку, как и для случая сжигания «сухого» нормативного мазута. Для газомазутных паровых котлов, находящихся в промышленной эксплуатации, остается актуальной проблема охраны окружающей природной среды, наряду со снижением выбросов оксидов азота, сажи и бенз(а)пирена, ликвидации сбросных вод, содержащих нефтепродукты, что также успешно решается сжиганием водо-мазутных эмульсий в топках котлов, для приготовления которых применяются сбросные воды, загрязненные нефтепродуктами, и тем самым практическое решение создания бессточных мазутных хозяйств, котельных и тепловых электростанций. Рационально организованный процесс сжигания ВМЭ существенно улучшает технико-экономические показатели работы паровых котлов и их надежность. Сжигание тяжелых и вязких мазутов, особенно сернистых в качестве энергетического топлива, встречает значительные трудности. Главным из которых является большая вязкость и высокая температура застывания, что вынуждает при сливе цистерн и перекачке топлива подогревать его до температуры 80 — 140°С, а иногда и до более высокой. На практике вязкие жидкие топлива чаще всего разогревают острым водяным паром, непосредственно подачей его в емкость, где он конденсируется, и приводит к повышению влажности топлива. В ряде котельных в условиях промышленной эксплуатации происходит обводнение хранящегося мазута. При влажности ВМЭ около 20% снижение концентрации NOx в дымовых газах достигает 30% и более, а также происходит более глубокое выгорание топлива, меньшее сажеобразование и накопление золовых отложений по газовому тракту. Эффективность этого метода сопоставима со ступенчатым сжиганием топлива и с рециркуляцией продуктов сгорания в зону горения. Кроме этого, сжигание ВМЭ хорошо сочетается с традиционными способами сжигания топлива. Окончательное решение о величине добавочной влаги в мазут для последующего приготовления из исходной смеси водомазутной эмульсии определяется эколого-технико-экономической оптимизацией. Полученные положительные результаты по сжиганию ВМЭ в топках энергетических котлов показывают реальную возможность создания бессточных мазутных хозяйств и тепловых электростанций, исключающие сбросы замазученных и замасленных вод в окружающую среду, более полное использование топлива для выработки тепло- и электроэнергии, энергетическую утилизацию сбросных вод, содержащих нефтепродукты, надежное и экономичное сжигание топлива в топках паровых котлов с меньшими концентрациями вредных веществ в дымовых газах. Качество любых эмульсий, в том числе и топливоводяных, определяется в большей степени их дисперсностью, т.е. размерами частиц дисперсной фазы (воды). Чем выше дисперсность и чем меньше по размеру капельки водяной фазы отличаются одна от другой, тем равномернее распределение воды в топливе, тем устойчивее эмульсии и выше качество ее как горючего. Положительной стороной сжигания водо-мазутных эмульсий является также снижение коксообразования форсунок, более длительный срок работы фильтров тонкой очистки. После кавитационной обработки горючего при превращении его в водомазутную эмульсию размер структурных образований мазута уменьшается в 6-10 раз, а размеры частиц механических примесей изменяются с 40 — 60 мкм до 6 мкм. Устойчивость водо-мазутных эмульсий превышает несколько месяцев, но даже и после столь длительного хранения они не претерпевают каких-либо изменений ( не происходит не только расслоения, но и укрупнения капелек воды ). Не нарушается стабильность водо-мазутных эмульсий и при нагревании их выше 90°С, несмотря на то, что вязкость при этих температурах значительно падает. Повышение температуры эмульсий выше 90°С может привести к вспениванию и выбросу их из открытых емкостей. В то же время повышения температуры водо-топливных эмульсий выше 100 — 110°С при избыточном давлении Р= 0,3-0,4 МПа и выше не сказывается на их стабильности. Не влияют на устойчивость водо-мазутных эмульсий и низкие температуры. Замороженные водо-мазутные эмульсии после отогревания сохраняют свою структуру. Таким образом, водо-мазутные эмульсии относятся к исключительно устойчивым коллоидным системам. Принцип действия устройства для приготовления водо-мазутной эмульсии (кавитатора), выполненного в соответствии с [8], основан на том, что исходная ( грубая ) водо-мазутная смесь, проходя через рабочий участок эмульгирующего устройства, подвергается кавитационной обработке. При этом процессе вода переходит в паровую фазу, а затем снова возвращается в жидкое состояние, но только в мелкодисперсном виде с равномерным распределением по всей массе водо-мазутной эмульсии. Конструктивно кавитатор представляет собой параллельно включенные плоские профилированные каналы с кавитационными решетками. Для выбора оптимального режима работы данный кавитатор регулируется по производительности. Конструктивно кавитатор не имеет вращающихся частей, что позволяет сохранить его абсолютную герметичность и тем самым обеспечить высокую надежность работы, долговечность и противопожарную безопасность. Эксплуатация кавитатора на ряде котельных и ТЭЦ показала, что:
использование кавитатора В.И. Кормилицына обеспечивает надежное, экономичное и экологическое сжигание высокообводненного мазута в топке котла;
обеспечивается устойчивое горение водо-мазутной эмульсии с содержанием воды до 30 % и надежную эксплуатацию котельных установок при высокой степени обводнения исходного мазута;
надежный распыл и горение при низких температурах водо-мазутной эмульсии ( в опытах было снижение температуры топлива до 67°С );
уменьшение длины факела до размеров, соответствующих техническим требованиям, исключение забрасывания топлива на заднюю стенку топки;
изменение цвета факела от красного, при сжигании исходного мазута, до ярко-желто-соломенного, что указывает на повышение качества сжигания;
полное сгорание топлива, о чем свидетельствует отсутствует СО в продуктах сгорания и прозрачный дымовой факел на выходе из дымовой трубы.
Применение устройства по подготовке к сжиганию обводненного мазута в мазутных хозяйствах и сжигание его в котлах котельных и ТЭЦ обеспечивает в целом:
надежную эксплуатацию и повышение КПД котлов и энергетического оборудования;
снижение выбросов вредных веществ в атмосферу с продуктами сгорания топлива и полное пресечение сбросов загрязненных нефтепродуктами вод в окружающую природную среду.
Кроме того применение кавитатора позволяет обеспечить надежное сжигание и с повышенным экологическим эффектом некондиционного мазута, который в результате длительного хранения (более 10 лет) перестал соответствовать требованиям ГОСТ 10585-99 по всем параметрам. Из этого мазута, вследствие длительного его хранения, испарились легкие углеводороды и атомарный водород, температура вспышки в открытом тигле увеличилась со 110°С до 180°С, зольность возросла с 0,14% до 0,3%, теплота сгорания (низшая) в пересчете на сухое топливо снизилась до 1300 кДж/кг (в три раза). Исходный мазут не имел способность к горению, а при кавитационной обработке был успешно сожжен в котлах.
Литература

Кормилицын В.И. Разработка методов улучшения экологических электростанций при сжигании природного газа и мазута в паровых котлах. Дисс.—докт.тех.наук.М.: МЭИ,1992.
Лысков М.Г, Савин Н.Г. Сжигание водомазутной эмульсии, как метод снижение загрязнения окружающей среды // Сборн. Научных трудов МЭИ, 1989. Вып.193. С.41-45.
Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Третьяков Ю.М. Экономичность работы парового котла при управлении процессом сжигания топлива вводом влаги в зону горения // Теплоэнергетика. 1988. №8. С.13-15
Кормилицын В.И., Лысков М.Г., Румынский А.А. Влияние добавки влаги в топку котла на интенсивность лучистого теплообмена У/Теплоэнергетика. 1992г. №1.С.15-18
Дворцова А.П. Очистка сточных вод от нефтепродуктов блочно-модульным комплексом «БОН» // Сборник научно-практической конференции «Решение экологических проблем г.Москвы в рамках программы конверсия городу» 14-16 декабря 1994.Москва.ВИМИ. 1994.С.145-147.
Кормилицын В.И. Экологические аспекты сжигания топлива в паровых котлах. М:Издательство МЭИ, 1998г.336с.
Бруй В.Я., Кормилицын В.И., Радаев В.В. «Отчет»По результатам монтажа, пусконаладочных работ и опытной эксплуатации системы приготовления топлива к сжиганию (создание водо-мазутной эмульсии с требуемыми характеристиками) на центральной котельной части 54055″ Отчет по НИОКР Шифр «Кавитатор».
Кормилицын В.И. Кавитатор. Полезная модель № 8631.
Кормилицын В.И. Кавитатор. Патент №2044960.
Кормилицын В.И. Кавитатор. Заявка о выдаче патента № 2003103405
Кормилицын В.И. Проблема сжигания низкосортных и некондиционных жидких топлив в топках котлов // Энергосбережение, экология, эффективность (ЭЭЭ 2002). Тезисы докладов Российской научно-практической конференции / Отв.редактор О.А.Бартенев, С.С. Савинский. УдГУ. Ижевск, 2002.С.62-66.
Акт промышленного сжигания некондиционного мазута М100 после длительного (более 11-12 лет хранени), 5.02.2003г.

Установки обработки обводненного мазута типа УСБ