Горелочные устройства для сжигания жидких топлив

На газифицированных или угольных котельных с установленной мощностью свыше 20 МВт в качестве резервного топлива используется мазут, а также в последнее время жидкое печное топливо.. Мазут применяют не только как резервное топливо для котельных агрегатов средней и большой производительности, но и как растопочное топливо для пылеугольных топок и дополни­тельное при комбинированном сжигании газа с жидким топливом В соответствии со СНиП 11-35-76 «Котельные установки» запасы мазута на котельных должны составлять не менее десятисуточного расхода при доставке по железной дороге и пятисуточного автомобильным транспортом. Работа котельных на мазуте осуществляется очень редко (в периоды ограничения потребления газового или угольного топлива), поэтому его обновление растягивается на длительное время. При длительном хранении мазут постепенно ухудшает свои качества и создает дополнительные технические сложности эксплуатационному персоналу. Рассмотрим проблемы, которые возникают перед эксплуатационным персоналом котельных в процессе поступления, длительного хранения, транспортировки из мазутохранилища, подготовке и сжиганию в топке котлов вязких тяжелых мазутов.

Качество мазута

Как известно, нефть добывается из подземных пластов вместе с водой. И, несмотря на то, что нефтеперерабатывающая промышленность должна по ГОСТ 10585-75* поставлять мазут с влажностью от 0, 3 до 1, 5%, на самом деле его влажность в результате сливо-наливных операций и хранения в резервуарах достигает 3-5 %, а при длительном хранении и до 20%. Вода в мазуте частично отстаивается, распределяясь в виде линз, прослоек и т.д., или присутствует в виде глобул (капелек) с размерами от единиц до сотен микрометров. Попытки удаления воды с помощью отстаивания не достигают цели, поскольку плотность тяжелого мазута практически не отличается от плотности воды даже при нагревании до 90 °С.

Табл.5.2.1 Отдельные показатели мазута.

Показатель	Единица измерения	1993-1996 гг.	2003-2005 гг.
Плотность	г/см3	0, 95-0, 97	0, 99-1, 05
Вязкость при 50 °С	М3/С	(260-400)- 1 06	(400-690)- 1 06
Коксуемость	-	10	10-15
Содержание:
серы	%	2-3, 5	3, 5-5
воды	%	1-2	6-12
асфальтенов	%	4-6	7-9

 

В энергетической стратегии развития России до 2020 г. предусматривается не только рост объемов добычи нефти, но и одновременное увеличение глубины ее переработки, что приведет к ухудшению качества мазута. Уже в ближайшее время следует ожидать поставку мазута, имеющего показатели, представленные в таблице.

В процессе добычи, транспортировки, хранения и глубокой переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах в состав высоковязких тяжелых топочных мазутов попадают твердые минеральные примеси, вместе с которыми в мазут переходят соли щелочных металлов, продукты коррозии трубопроводов, резервуаров и оборудования. В процессе крекинговой переработки нефти образуются высокореакционные соединения непредельных углеводородов, в том числе асфальтосмолистые вещества, которые могут переходить в первоначальном виде или трансформироваться в процессе термокаталитического крекинга в асфальтены, карбены и карбоиды. Асфальтены являются естественными поверхностно-активными соединениями, которые склонны к коагуляции и оказывают существенное влияние на вязкость мазута. При хранении и транспортировке мазута по трубопроводам его температура для обеспечения низкой вязкости должна поддерживаться на уровне 50-90 °С. В то же время снижение вязкости мазута только способствует увеличению скорости осаждения грубодисперсных частиц, которые не способно поддерживать во взвешенном состоянии даже тепловое (броуновское) движение молекул дисперсионной среды. Недостаточно эффективная стабилизация дисперсных частиц поверхностно-активными веществами приводит к коагуляции и образованию агломератов, выпадающих в осадок. Карбены и карбоиды, являющиеся основой грубодисперсной части асфальтосмолистых веществ, увеличивают нестабильность мазутов вследствие их склонности к коагуляции и осаждению при отстаивании. Скорость процесса осаждения, обусловленная разностью плотностей твердых коксовых частиц и жидких компонентов мазута, в зависимости от температуры изменяется, увеличиваясь с ее ростом. Осадок накапливается в придонной части емкостей мазутохранилищ, и его прирост составляет от 0, 3 до 0, 7 м в год и более. При длительном хранении мазута осадок покрывает подогреватели, распложенные в мазутных емкостях, что приводит к существенному увеличению термического сопротивления и снижению эффективности их работы. С другой стороны, выпадающие в осадок асфальтены, корбены и карбоиды включают в свой состав сернистые соединения, в результате чего происходит коррозия трубной системы днищевых подогревателей, что приводит к дополнительному обводнению мазута за счет образовавшихся свищей. Необходимо отметить, что существующая на котельной технология подготовки мазута к сжиганию способствует повышению скорости полимеризации асфальтеносмолистых включений. Полимеризация асфальтеносмолистых включений приводит к росту коксования и появлению отложений на поверхностях нагрева подогревателей мазута, котлов. В результате появления отложений ухудшается эффективность работы подогревателей, увеличиваются потери тепла с уходящими газами, вследствие ухудшения коэффициента теплопередачи и появления дополнительного расхода топлива.

Образующийся нефтяной осадок обладает низкой текучестью, что затрудняет его всасывание и перекачку топливными насосами. Вместе с топливом насосы захватывают воду, приготавливая водо-мазутную смесь (эмульсию) с неконтролируемым содержанием воды. Неоднородность состава, переменная вязкость и плотность перекачиваемой среды приводят к появлению нерасчетных, предельно-допустимых нагрузок в топливных насосах, которые начинают работать в неустойчивом пульсирующем режиме. Как известно, используемые для перекачки мазута объемные насосы (винтовые и шестеренчатые) чувствительны к изменениям характеристик перекачиваемой среды, переменному давлению на всасывающей линии и присутствию механических примесей. Это приводит к снижению напорных характеристик с большими перепадами давления в топливоподающем трубопроводе и, как следствие, к снижению устойчивой надежной работы всей топливоподающей системы мазутного хозяйства котельной.

Кроме того, неоднородность состава мазута (переменная вязкость и плотность перекачиваемой среды) является причиной нарушения не только гидродинамических, но и тепловых процессов, происходящих в теплообменных аппаратах мазутного хозяйства, к повышенной коксуемости мазута, к снижению качества его распыливания, ухудшению функционирования горелочных устройств, к снижению качества процесса горения топлива в топках котлов. Это в конечном итоге приводит к снижению экономичности, надежности, ухудшению экологии, к уменьшению межремонтного цикла котельного агрегата в целом.

5.2.2 Проблемы подготовки мазута к сжиганию

По существующей традиционной технологии подготовки к сжиганию и транспортировке температура мазута в резервуарах находится в пределах 80-95 °С и поддерживается за счет местного подогрева паровыми подогревателями, расположенными на днище мазутной емкости. Затем при помощи рециркуляционного разогрева выносными подогревателями разогретый мазут с необходимой вязкостью подается в котельную к котлам. Остатки мазута поступают по рециркуляционной линии обратно в мазутные емкости. Растекание в резервуаре турбулентных затопленных струй и сопутствующие им вихревые токи обеспечивают перемешивание мазута в резервуарах и равномерное распределение температур в объеме резервуаров. В то же время, за счет многократного прокачивания мазута, получается грубая водотопливная смесь (эмульсия), качество которой не соответствует требованиям по условиям горения. Низкое качество топливной смеси приводит к пульсирующему горению мазута в топке котлов. С другой стороны, используемая технология подготовки находящегося на хранении в резервуарах мазута с переменным влагосодержанием не позволяет в должной мере обеспечить качественный процесс отстаивания и удаления воды из мазута до влагосодержания, обеспечивающего условия экономичной и экологичной работы котлов.

Другой проблемой, существенно влияющей на экономическую эффективность работы котельной, является то, что в существующих схемах мазутного хозяйства котельных отработанный конденсат пара из мазутоподогревателей выносных и находящихся в емкостях после охлаждения водой городского водопровода до требуемой температуры (40 °С) сбрасывается в систему производственно-дождевой канализации и после очистки в городской коллектор. Применяемые сейчас методы очистки сточных вод от нефтепродуктов являются дорогостоящими и не всегда эффективными. Особенно это относится к очистке сильно загрязненных нефтепродуктами вод, которые могут появиться при разрывах или свищах в мазутных подогревателях. Поэтому возврат загрязненного нефтепродуктами конденсата в питательный контур паровых котлов может привести к выходу их из рабочего состояния. Потеря конденсата от подогревателей мазута приводит к необходимости дополнения подпиточной химочищенной водой котлового контура и дополнительного топлива.

В настоящие время на котельных применяются подогреватели мазута - поверхностные теплообменники с противоточным движением сред, с трубчатой теплообменной поверхностью, с компенсацией температурного удлинения за счет нежестких конструкций. Подогреватели мазута типа ПМ представляют собой кожухотрубный аппарат с горизонтальным исполнением. В процессе длительной эксплуатации на ряде предприятий выявлены серьезные недостатки в работе данных подогревателей, к которым следует отнести:

- невозможность использования данных подогревателей на высоковязких мазутах с УВ°> 100 с температурой подогрева до 120-135°С;

- повышенную скорость отложений на внутренней поверхности труб со снижением тепловой мощности (коэффициент теплопередачи снижается по оценкам ЦКТИ до 70%);

- трудности, связанные с очисткой внутренней поверхности труб от отложений окисленных продуктов полимеризации мазута при температурах пара на стенке свыше 120°С;

- относительно низкие скорости движения мазута (0, 2-0, 5 м/с);

- низкая гидравлическая плотность (как по пару, так и по мазуту) не позволяет повторно использовать конденсат греющего пара в технологической схеме котельной, который после охлаждения сбрасывается через очистные сооружения в канализацию;

- обводнение мазута за счет возможного попадания пара или конденсата в топливо в случаях появления свищей в трубной системе подогревателей.

           Современные методы промышленного сжигания мазута в топках котлов основаны на факельном сжигании мелкораспыленного топлива при обязательном условии предварительного его нагрева и принудительного распыливания при помощи форсунок. Для распыления мазута в отопительных котлах нередко используются форсунки с механическим или паровым распыливанием, а также с комбинированным паромеханическим распылом. Механические форсунки требуют высокого давления и даже при этих условиях не могут обеспечить широкий диапазон регулирования нагрузки. Форсунки с паровым распылом требуют расход пара, что трудно осуществить в котельной с водогрейными котлами. В 70-80-х годах некоторое распространение в России получили ротационные форсунки, выпускаемые заводом «Ильмарине». Эти форсунки не нуждались в повышенном давлении мазута. Однако сложность конструкции и шум в работе не позволили обеспечить широкое распространение их в энергетике. Все отечественные форсунки имеют определенные недостатки, которые особенно сказываются при сжигании низкосортного мазута. В последние годы на российском рынке появились ротационные форсунки, лишенные этих недостатков. Одним из таких образцов являются форсунки фирмы «ЗААКЕ (г. Бремен, Германия). Они могут сжигать любое жидкое котельное топливо, в том числе мазуты марок 40 и 100, остатки тяжелых минеральных масел, гудрон и т. д. Они не требуют тщательной фильтрации мазута. Однако все вышеперечисленные форсунки не обеспечивают устойчивость пламени при сжигании сильно обводненного мазута, полноту сгорания грубодисперсных фракций, которые скапливаются в донных отложениях при длительном хранении мазута. Решить эти проблемы путем совершенствования конструкции форсунок не представляется возможным.

Здесь следует отметить, что в решении проблемы сжигания обводненного мазута сделано немало. Разработано достаточно много различных диспергирующих устройств, обеспечивающих диспергацию находящейся в мазуте воды. Наиболее простые из них, так называемые ультразвуковые свистки, осуществляющие грубое перемешивание мазута с водой, работают при условии строгого соблюдения параметров рабочей среды (давление, вязкость, температура и т. п.).

Наиболее распространенный тип диспергаторов - электро-механические, осуществляющие перемешивание воды с мазутом посредством шестерен либо роторов различной конфигурации. Наибольший эффект достигается при использовании виброкавитационных диспергаторов, последовательно осуществляющих перемешивание мазута с водой, измельчение твердых фракций мазута до частиц размером не более 5 мкм и приготовление гомогенной смеси (эмульсии) с высокой степенью дисперсности. Эмульсия получается обратного вида - вода в топливе. Это обеспечивает дополнительное распыление мазута за счет взрыва капелек воды в камере сгорания и как следствие - более полное сгорание топлива и его экономию.

Виброкавитационные диспергаторы позволяют решать сразу несколько задач:

- сжигание твердых фракций мазута;

- устойчивое сжигание обводненного до 30% мазута;

- утилизацию нефтесодержащих вод (при наличии устройств контроля и регулирования влагосодержания мазута).

 

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: