16+
Регистрация
РУС ENG
http://www.eprussia.ru/epr/7/103.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 3 (7) март 2001 года

Эксплуатационные проблемы котельных: как повысить КПД низкокачественного топлива?

Сбережение к. т. н. И. Р. Дубровин, к. т. н. Е. Р. Дубровин, инженер В. К. Тучков 9848

От редакции:
Несмотря на пресловутую «утечку мозгов», научный и инженерно-технический потенциал в России необычайно велик. Наша общая беда: мы не умеем использовать это национальное богатство. Сотни интереснейших решений актуальных задач современной промышленности, науки и техники ждут своего часа. Одно из таких решений разработали и внедрили в производство сотрудники Санкт-Петербургского военного инженерно-технического университета, бывшие офицеры ВМФ России.

В России более 35% всей используемой энергии получается за счет сжигания жидкого нефтяного топлива, и доля его потребления постоянно растет из-за увеличения объема поставок природного газа за рубеж. К сожалению, сейчас наметилась тенденция к ухудшению свойств жидкого топлива, поставляемого для котельных, что вызвано низким качеством исходной, сырой нефти в связи с изменением мест её добычи. Использование жидкого нефтяного топлива ухудшенного качества ставит перед обслуживающим персоналом котельных ряд сложных эксплуатационных проблем.

Рассматриваем проблему

К чему ведет применение топлива плохого качества?

Физико-химические показатели потребляемого на местах котельного топлива соответствуют низшим пределам, установленным действующими ГОСТами, а отдельные, например содержание воды, в несколько раз превышают установленные нормы. Поэтому остро встает вопрос использования высоковязкого, низкосортного топлива в котельных, оборудованных паровыми и водогрейными котлами средней и малой мощности. Основным продуктом, поставляемым отечественным потребителям нефтеперерабатывающими предприятиями, является высоковязкий мазут со значительной долей крекинг-остатков. В таком товарном мазуте повышено содержание компонентов гетероорганической фазы (смол, асфальтенов, карбонов, карбонадов). В результате взаимодействия отдельных элементов (смол, твердых частиц, асфальтенов и глобул воды) такого топлива значительно быстрее формируются смолисто-асфальтеновые, смолисто-твердые, смолисто-водяные топливные системы. В тяжелых нефтяных топливах они находятся в виде пленок, желеобразных сгущений, мазеобразных агломератов, грубых водо-топливных эмульсий. Следствием увеличения неоднородности структуры топлива является повышенное образование шлама, коксуемость мазута, снижение качества его распыливания, плохое функционирование горелок, снижение качества горения, а в итоге - снижение надежности, уменьшение рабочего ресурса котельного агрегата в целом.

Почему снижается надежность топливоподачи

Применяемые сегодня в котельных технологические процессы топливоподготовки не рассчитаны для обработки топлива ухудшенного качества. Высоковязкие нефтяные остатки, имеющие большую, чем у воды, плотность и вязкость, оседают в нижней части мазутного резервуара, образуя нефтяной слой высотой 0,3 - 0,4 м от днища резервуара. В этих условиях вода, входящая в состав мазута, коагулирует и располагается в виде водяных прослоек и линз, объём которых может достигать до 7-12% от объема топливного резервуара. Они, как правило, находятся выше дренажных отверстий и приемных трубопроводов насосов, что исключает удаление водяной фазы. Высоковязкий нефтяной остаток обладает низкой текучестью, что затрудняет его всасывание и перекачку топливными насосами. Вместе с топливом насосы захватывают воду, приготавливая грубую водо-мазутную смесь с неконтролируемым содержанием воды. Переменная вязкость и плотность перекачиваемой среды изменяет частоту вращения рабочих органов топливных насосов. Насосы работают на нерасчетных, предельно-допустимых нагрузках в неустойчивом пульсирующем режиме. Это приводит к снижению напора, перепадам давления, и в итоге - к снижению надежности всей топливоподачи. Неконтролируемое содержание воды, переменная вязкость и плотность являются причиной нарушения не только гидродинамических, но и тепловых процессов, происходящих, в частности, в теплообменниках.

Об увеличении тепловых потерь

Для реализации процессов перекачки и сжигания низкокачественного топлива, обладающего высокой вязкостью и низкой текучестью, требуется больший подогрев. Однако, подогрев мазута (более 700о С) является одной из причин расслоения топливных компонентов, при этом происходит интенсивное окисление ароматических углеводородов на поверхностях нагрева днищевых подогревателей. Эффективность подогрева днищевыми подогревателями резко снижается в силу увеличения теплового сопротивления, уменьшения на 30-40% коэффициента теплопередачи и снижения полезной площади теплообмена. Время разогрева топлива в резервуарах увеличивается, а тепловые потери в окружающую среду возрастают. Подогрев низкокачественного мазута в нефтеподогревателях также малоэффективен. Так, при подогреве обводненного мазута начинается парообразование его водяной фазы, что вызывает кавитационные явления и «застой» в проточной части теплообменников. В то же время при подогреве «сухого» мазута происходит вторичное окисление его низкокипящих углеводородов на поверхностях нагрева, полезная площадь которых также снижается из-за образования плотных отложений. Наличие отложений приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи на 31-64% по сравнению с расчетными характеристиками.

Ухудшение работы котлов

«Обработанное» традиционными методами нефтяное топливо ухудшенного качества поступает на горение в топки котлов. Существующие котельные установки также не приспособлены для сжигания подготовленного по традиционной технологии низкокачественного топлива. Возникает целый ряд эксплуатационных проблем: ухудшение распыла топлива, срыв пламени, вибрация котлов, увеличение длины факела, завышенный коэффициент избытка воздуха и как следствие - повышенный химический и механический недожог, интенсивные саже-коксоотложения на поверхностях нагрева котла и трубных системах котла, перерасход топлива и снижение КПД всей котельной установки.

Загрязнение поверхностей нагрева

Загрязнение наружных поверхностей нагрева, трубных систем и газового тракта зольными отложениями является одной из актуальнейших проблем, возникающих при эксплуатации современных котельных установок, сжигающих жидкое нефтяное топливо. Формирование этих отложений является результатом действия многих факторов, в том числе конструкции котельного агрегата, его воздухонаправляющего устройства и типа топливной горелки (форсунки), особенностей поверхностей нагрева, трубных систем и газоходов котла и др. Однако не последнюю роль в процессе образования зольных отложений играют вид и качество исходного котельного топлива, технология подготовки топлива к сжиганию и организация процесса его горения. Всего лишь около 2% зольных отложений оседает на поверхностях нагрева. Однако даже это количество является нежелательным и опасным. Во-первых, снижается теплопередача от сгорающих газов металлу трубок, приводя к перерасходу топлива на 10%. Во-вторых, зольные отложения содержат большое количество коррозионно-агрессивных соединений. В лучшем случае наличие зольных отложений на поверхностях нагрева котла приводят к значительному снижению его КПД, в худшем - к отключению потребителей тепловой энергии и ремонтно-восстановительным работам.

Способы очистки поверхностей нагрева

С целью удаления с нагревательных и других поверхностей котла сажи, кокса, золы, окалины, продуктов разрушения футеровки и продуктов коррозии регулярно производится их наружная чистка. Основными способами очистки поверхностей нагрева паровых и водогрейных котлов, применяемыми в настоящее время, являются паровая обдувка, импульсная очистка, дробеочистка, виброочистка, а в отдельных случаях и ручная очистка. Но эти способы очистки наряду с достоинствами обладают целым рядом недостатков, ограничивающих их применение.

Газоимпульсная очистка

Наиболее надежной и перспективной, исключающей недостатки других видов очистки, является газоимпульсная очистка. Метод газоимпульсной очистки относительно нов и действует по принципу периодического выброса некоторой массы продуктов сгорания, энергия которых обеспечивает удаление отложений с очищаемых поверхностей. Длительные работы по совершенствованию систем газоимпульсной очистки показывают, что эффективность их использования может быть значительно повышена, в том числе - за счет изменения состава и структуры зольных отложений, образующихся на поверхностях нагрева котлов при сжигании в них жидкого топлива.

Решение проблемы

Как повысить КПД котельной установки?

Одним из направлений повышения эффективности использования систем газоимпульсной очистки и повышения КПД котельной установки является совершенствование технологических процессов топливоподготовки. Опыт использования для сжигания в котлах предварительно обработанного котельного топлива переменной влажности выявил значительное снижение интенсивности отложений на газовой стороне поверхностей нагрева.

Органические составляющие продуктов сгорания «сухого» топлива, а в зольных отложениях это в основном недогоревшие асфальтено-смолистые вещества, хорошо впитывают воду, «цементируя» тем самым сажистые частицы и другие элементы минерального остатка не только между собой, но с металлом поверхностей нагрева. Применение же при отоплении котла водо-топливной эмульсии (смеси) дает более полное сгорание топлива. Тем самым устраняется причина «прилипания» к трубкам нагара, сажи и золы. В продуктах сгорания водо-топливной эмульсии сажистые частицы имеют значительно меньшие размеры, зольные отложения от сжигания смеси содержат в 20 раз меньше сажистых частиц, и, кроме того, они становятся сыпучими и легко удаляются самообдувом. Исследования зольных отложений показали, что в них практически не содержится продуктов пиролиза, а анализ продуктов сгорания водо-топливной эмульсии свидетельствует об изменении в них состава углеводородов: количество высокомолекулярных соединений углеводородов значительно снижается, а тяжелые углеводороды отсутствуют вообще.

Способы улучшения качества топлива

Одно из решений эксплуатационных проблем, связанных с использованием низкокачественного нефтяного топлива, - совершенствование технологии его подготовки, улучшение качества топлива. К таким процессам следует отнести «холодное» хранение, «облагораживание», многократную циркуляцию и рециркуляцию, многоступенчатую подготовку низкокачественного жидкого топлива, а также получение высококачественной водо-топливной смеси путем диспергирования топлива содержащейся в нем водой. Для котельных установок наибольшая эффективность применения новой технологии топливоподготовки может быть достигнута при одновременном применении газоимпульсной очистки. Целью внедрения и практического применения новых технологических процессов является повышение эффективности использования низкокачественного топлива непосредственно в условиях котельных при максимальном снижении затрат. Данная цель достигается гомогенизацией топливной структуры и усреднением химического состава топлива в процессе его хранения в резервуарах и использования в котельной. Показателем повышения качества низкосортного топлива является активизация и интенсификация процесса его сжигания в котлах. Очевидно, что технология топливоподготовки должна быть реализована в комплексе, включающем хранение, обработку, фильтрацию и другие технологические процессы подготовки жидкого топлива ухудшенного качества.

О системе унифицированной топливоподготовки

В течение последних лет сотрудники ВИТУ (авторы этого материала) активно занимаются разработкой и внедрением «Системы топливоподготовки унифицированной», предназначенной для работы в штатной топливоподающей системе (мазутном хозяйстве) котельных установок средней и малой мощности. Первоначально данная система была разработана и практически внедрена на боевых кораблях ВМФ. В 1991 году, в связи с развернувшейся конверсией, система была адаптирована для стационарных тепловых энергетических комплексов (ТЭК) и внедрена на паровых котлах ППО «Стройдеталь» (г. Санкт-Петербург), а в 1992 году - на отопительных котлах Карельского отделения НИИ «Морфизприбор». В 1994 году системой был оборудован ТЭК НПО «Звездочка» (г. Северодвинск) для термической утилизации в водогрейных котлах гидравлической жидкости ПГВ. В 1998 году данной системой были оборудованы котлы ТЭЦ-5 АО «Лен-энерго» (г. Санкт-Петербург) для обеспечения надежного сжигания обводненного мазута в качестве резервного топлива. В 1999 году система была установлена на отопительных котлах нефтебазы «Ручьи» Петербургской топливной компании, причем в этом случае система разрабатывалась для приготовления топливных смесей на основе дизельного топлива, загрязненных нефтесодержащих вод и отработанных нефтяных отходов. Наконец, в 2000 году с целью многократной, многоступенчатой обработки низкокачественного топочного мазута перед сжиганием данная система была внедрена на котельной Пыталовского филиала ПЭГУП «Псковоблэнерго» и в котельном цехе Бэльцского масложирового комбината (Республика Молдова). Длительный опыт использования системы позволил не только значительно повысить эффективность подготовки топочных мазутов как обычного, так и ухудшенного качества, но и снять целый ряд ранее не решаемых в условиях котельных эксплуатационных проблем. Кроме того, повсе-дневное использование системы унифицированной топливоподготовки, наряду с сохранением тепловых и экономических показателей работы котельной установки, позволяет получить одновременно эконмический и экологический эффект.

Экономический эффект

Экономический эффект достигается за счет: уменьшения потерь энергии и ресурсов на собственные нужды котельной; снижения, а иногда и исключения затрат, связанных с оплатой услуг по сбору, очистке, хранению, и вывозу нефтяных отходов и нефтесодержащих жидкостей; возвращения в цикл, т.е. отправки на горение до 8-15% ранее неиспользуемых и выбрасываемых в окружающую среду нефтяных отходов и топливных углеводородов нефтесодержащих вод; экономии штатного топлива от 3-7%; снижения расходов на техническое обслуживание котельной установки; использования дешевых некондиционных нефтяных топлив (до сырой нефти включительно).

Экологический эффект

Экологический эффект достигается за счет: термической утилизации горючих компонентов нефтесодержащих вод и нефтеотходов котельной (до 45% от суточного расхода топлива); огневого обезвреживания негорючей части загрязненных нефтепродуктами вод в высокотемпературных зонах горения; снижения концентрации экологически опасных веществ в уходящих в атмосферу продуктах сгорания топлива (дымовых газах) на 15-20%; уменьшения температуры дымовых газов, выбрасываемых в воздушный бассейн до 25%; сокращения на 20% количества потребляемого атмосферного воздуха, необходимого для организации процесса горения топлива.

Провод, Котельная, Мощность, Топливо, ТЭЦ, Энергия , Кабельная арматура

Похожие Свежие Популярные