CC BY
4В.Д. Катин, д-р техн. наук, проф.
А.Ю. Березуцкий, аспирант e-mail: [email protected]
Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск
УДК 66.041.454:661.98
МАЛООТХОДНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
В НЕФТЕЗАВОДСКИХ ПЕЧАХ
Дан анализ новой эффективной технологии сжигания газообразного и жидкого топлива в режиме двухступенчатого горения в трубчатых печах нефтеперерабатывающих заводов, отличающихся малым выбросом оксидов азота. Рекомендованы к широкому применению апробированные в заводских условиях новые способы сжигания топлива для нефтезаводских печей, защищенные патентами на изобретения.
Ключевые слова: трубчатые печи, предприятия нефтепереработки, малоотходные технологии сжигания топлива, двухступенчатое горение, оксиды азота.
V.D. Ka tin, Dr. Sc. Engineering, Prof.
A.Yu. Berezutskiy, P.G.
THE TWO-STAGE LOW-WASTE TECHNOLOGY OF FUEL COMBUSTION IN REFINERY FURNACES
The analysis of a new efficient technology for burning gaseous and liquid fuels in the two-stage combustion mode in the tube furnaces of oil refineries with low nitrogen oxides emissions is given in the article. The new factory-tested ways of burning fuel for the refinery furnaces, protected by patents for inventions are recommended for widespread use.
Key words: tube furnaces, oil refining, low-waste technology of fuel burning, two-stage combustion, nitrogen oxides.
Обострение экологической обстановки в нашей стране вызывает необходимость принятия экстренных мер по сокращению вредных выбросов в воздушный бассейн городов. Нет сомнений, что от своевременного решения указанной проблемы зависит здоровье и благополучие людей. По данным [1], треть населения России проживает в условиях с плохим состоянием окружающей среды и прежде всего атмосферного воздуха. Нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) относятся к промышленным предприятиям, оказывающим заметное влияние на общее загрязнение атмосферы [2, 3]. В связи с этим проблема охраны атмосферного воздуха от загрязнения в районах размещения НПЗ является наиболее острой.
Трубчатые печи, число которых превышает 1500 на отечественных НПЗ, являются головными аппаратами технологических установок и основными источниками загрязнения воздуха [4]. В то же время, по данным [5], до настоящего времени уровень проектных решений и реальное техническое состояние печного парка не отвечает современным экологическим требованиям, предъявляемым к технологическим процессам и оборудованию. По мнению авторов, приоритетными подходами к решению проблемы являются разработка, дальнейшая модернизация и внедрение ресурсосберегающих установок и способов на базе малоотходных технологий сжигания топлива на НПЗ.
При сжигании жидкого и газообразного топлива в трубчатых печах НПЗ в состав продуктов горения могут входить вредные вещества органического (углеводороды, сажистые частицы, оксид углерода) и неорганического (оксиды азота, NOx) происхождения. Количество загрязняющих веществ органического происхождения в дымовых газах печного парка НПЗ может быть сведено к минимуму полнотой сжигания топлива. Однако указанным путем не удается сократить образование оксидов азота, и в значительных количествах они содержатся при нормальном режиме горения топлива, исключающем его неполноту сгорания [6].
В настоящее время при сооружении новых и реконструкции действующих технологических установок НПЗ одной из главных проблем для проектировщиков становится обеспечение регламентированных санитарными органами предельно допустимых концентраций вредных веществ в атмосферном воздухе, в первую очередь оксидов азота. Так, по имеющимся данным [6], токсичность продуктов сгорания жидкого топлива определяется на 60% содержанием в них оксидов азота, а токсичность дымовых газов природного газа определяется на 92-98 % присутствием NOx. В связи с этим проблема ограничения выбросов NOx приобретает важность и для эксплуатационного персонала НПЗ, обязанного соблюдать нормы предельно допустимых выбросов NОх.
Для решения поставленной проблемы предлагается один из наиболее эффективных способов подавления выбросов оксидов азота из печей, апробированный в условиях НПЗ [7, 8]. Практика последних лет показывает, что перспективным методом снижения образования NOx является ступенчатое сжигание топлива, т.е. такая организация топочного процесса, когда с топливом в топочную камеру вводится только часть воздуха, необходимого для горения. Остальной воздух подается в промежуточную зону факела, в результате чего в факеле снижается концентрация кислорода и тормозятся окислительные реакции с образованием NOx.
Существует несколько вариантов двухступенчатого сжигания топлива [6]:
- часть воздуха подается в горелки вместе с топливом, остальная часть поступает в зону дожигания (встречное дутье);
- горелки в нижней зоне топки работают с недостатком воздуха, а горелки верхней зоны работают с избытком воздуха;
- часть горелок работает с коэффициентом избытка воздуха а < 1, т. е. с недостатком воздуха, другая - отключена по топливу и подается только воздух для дожигания горючих компонентов.
Опыт эксплуатации печных агрегатов [5, 6] показал возможности уменьшения почти в 2 раза выбросов NOх при двухступенчатом сжигании газообразного и жидкого топлива по сравнению с традиционным одноступенчатым сжиганием.
Конструктивно двухступенчатое сжигание топлива можно осуществить в печах с двух -и многоярусной компоновкой горелочных устройств, когда горелки первого (нижнего яруса) работают с недостатком воздуха (а< 1), а недостающий воздух подается через фурмы воздушного дутья или горелки второго (верхнего) яруса, которые либо выключены (топливо не подается), либо работают с большим избытком воздуха (а > 1). Подавление образования оксидов азота при такой организации сжигания топлива достигается за счет растянутости процесса смешения и горения, уменьшения максимальной температуры факела, снижения концентрации кислорода в зонах максимальных температур. Применение способа двухступенчатого сжигания мазута и нефтезаводских газов в коробчатой печи установки риформинга Кириш-ского НПЗ практически без каких-либо дополнительных затрат позволило снизить уровень образования NOх, на 25-30% [7].
В ДВГУПС был разработан и апробирован новый способ сжигания газообразного и жидкого топлива в режиме малоотходной технологии двухступенчатого горения, защищенный свидетельством на изобретение [9]. Целью данного изобретения является подавление образования токсичных NOx в процессе горения топлива без снижения экономичности работы печей. Способ двухступенчатого горения практически реализуется следующим образом. При сжигании топливо делят на потоки. В горелки первого яруса, к которым воздух подают с недостатком окислителя (а1= 0,85-0,95), подводят приготовленную водомазутную эмульсию с влажностью 10-15 %. В горелки второго яруса, к которым воздух подают с коэффициентом избытка воздуха а2 = 1,30-1,35, подводят топливный газ. Причем общий избыток воздуха, подаваемого в первую и вторую зоны, составляет в топочной камере печи а= 1,10-1,15.
Апробация предлагаемого способа позволила сократить выбросы оксидов азота в атмосферу на 40-50 %. Подавление образования оксидов азота в продуктах горения топлива объясняется тем, что в зоне горения первого яруса выгорание жидкого топлива в виде водомазут-
ной эмульсии протекает при пониженных концентрациях кислорода и более низких температурах в зоне горения вследствие поглощения теплоты водой, добавляемой в топливо. При сгорании газообразного топлива с а= 1,30-1,35 уменьшение выхода оксидов азота обеспечивается за счет поступления во вторую зону горения холодного воздуха с избытком 30-35 %. Полнота и эффективность сжигания топлива при такой организации процесса горения обеспечивается подачей в горелки верхнего яруса горючего газа.
Предлагаемый способ может быть использован на НПЗ при сжигании жидкого и газообразного топлива в технологических печах с двухярусной компоновкой горелочных устройств. В других исследованиях авторов [ 10] отмечается экологический эффект от применения двухступенчатого сжигания нефтезаводских газов и мазута в котельной Ачинского НПЗ. Дальнейшее усовершенствование данного способа позволило получить принципиально новое техническое решение, защищенное патентом на изобретение [11].
Задачей нового способа сжигания топлива является существенное повышение его экологической эффективности за счет снижения образования оксидов азота. Для решения поставленной задачи при известном способе сжигания топлива путем подачи в первую зону горения топлива и воздуха с недостатком окислителя, т. е. при а1< 1 и отвода продуктов сгорания во вторую зону горения, с одновременной подачей в нее горючего газа и воздуха с коэффициентом избытка а2 > 1. В качестве топлива, подаваемого в первую зону горения, по замыслу авторов, следует использовать пропан-бутановый газ, имеющийся в достаточном количестве на технологических установках любого НПЗ, что и является существенным признаком, отличающим новое техническое решение от его прототипа. Выгорание подобного газа протекает при пониженных концентрациях кислорода и более низких температурах, чем при сжигании во-домазутной эмульсии, что значительно снижает концентрацию оксидов азота в продуктах горения. Это объясняется тем, что образование оксидов азота происходит за счет азота воздуха, подаваемого на горение топлива, и в результате отсутствия «топливных» КОх.
Топочное устройство для реализации предлагаемого способа сжигания топлива содержит топку, газовые горелки, расположенные в два яруса по высоте топки, трубопроводы подачи топливного газа и воздуха, подаваемого на горение. Новый способ осуществляется следующим образом: при сжигании топливо делят на потоки. В горелки первого яруса горения по трубопроводу подают пропан-бутановый газ, по другому воздуховоду подают воздух с недостатком окислителя, т. е. а1 = 0,85-0,95. В горелки второго яруса горения подают воздух с коэффициентом избытка а2 = 1,3-1,35 и горючий газ, который сжигается в топочной камере трубчатой печи. При этом общий коэффициент избытка воздуха, подаваемого в зоны горения, составляет а= 1,1-1,15.
Выгорание пропан-бутанового газа в первой зоне протекает при пониженном количестве воздуха и более низкой температуре, что снижает выход оксидов азота. Снижение образования оксидов азота во второй зоне обеспечивается путем подачи холодного воздуха, понижающего температуру в этой зоне. Подобная малоотходная технология сжигания нефтезаводских газов позволит сократить выбросы оксидов азота и других сопутствующих загрязняющих веществ в атмосферу. При этом не ухудшаются экономические параметры работы технологических печей, более того, несгоревшие компоненты топлива (оксид углерода и углеводороды) в первом ярусе горения эффективно догорают в потоке горящего газообразного топлива горелок второго яруса, что повышает полноту и качество сжигания топлива. Экспериментальная проверка нового способа двухступенчатого сжигания нефтезаводского газа с теплотой сгорания 54,3 МДж/м3 в трубчатой печи технологической установки каталитического риформинга Хабаровского НПЗ подтвердила его достаточно высокую экологичность [5, 8]. Отметим, что предлагаемый авторами способ двухступенчатого сжигания топлива не требует существенных капитальных затрат и имеет преимущества перед традиционными методами сжигания газа и мазута с точки зрения повышения экологичности работы печей на заводах отрасли.
Таким образом, с экологической точки зрения, на НПЗ для печей с многоярусным расположением горелок целесообразно использовать метод двухступенчатого сжигания топлива, позволяющий сократить выбросы токсичных оксидов азота в атмосферный воздух.
Библиография
1. Донской С.Е. Охрана окружающей среды: программа до 2020 года // Экология производства.
- 2012.- № 12. - С. 3-10.
2. Воробьев Е.И. Охрана атмосферы и нефтехимия. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1999. - 232 с.
3. Эльтерман В.Д. Охрана воздушной среды на нефтехимических предприятиях. - М.: Химия, 1998. - 160 с.
4. Катин В.Д. Новые эффективные горелки и форсунки для нефтезаводских печей и котлов. -Хабаровск: ТОГУ, 2013. - 132 с.
5. Катин В.Д., Вольхин И.В. Малоотходные и энергосберегающие технологии сжигания топлива на нефтеперерабатывающих заводах. - Владивосток: Дальнаука, 2013. - 199 с.
6. СигалИ.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. - СПб.: Недра, 1998. - 312 с.
7. Катин В.Д. Методы сокращения вредных выбросов в атмосферу на нефтеперерабатывающих заводах // Безопасность в техносфере. - 2009. - № 1. - С. 50-52.
8. Катин В.Д., Бойко В.А. Защита атмосферного воздуха при малоотходных методах сжигания мазута и нефтезаводских газов в котлах и печах. - Владивосток: Дальнаука, 2012. - 190 с.
9. А. с. 1229515. Российская Федерация: МПК F23 C 11/00. Способ сжигания топлива / В.Д. Катин, Н.В. Елагин.
10. Катин В.Д., Киселев И.Г. Результаты исследований эколого-технического уровня эксплуатации горелок котельно-печного парка Ачинского НПЗ // Нефтепереработка и нефтехимия. - 1999. - № 2.
- С. 38-41.
11. Пат. № 2288404 Российская Федерация: МПК F23C 99/00. Способ сжигания топлива / В.Д. Катин, Н.Г. Пайметов. - Заявл. 16.05.2005; опубл. 27.11.1006, Бюл. № 12.
Bibliography
1. Donskoy S.E. Environmental protections: the program until 2020 // Industrial Ecology. - 2012. -N 12. - P. 3-10.
2. Vorobyov E.I. Protection of the atmosphere and Petrochemicals. - SPb., 1999. - 232 p.
3. Elterman V.D. Protection of ambient air of petrochemical plants. - M.: Khimiya, 1998. - 160 p.
4. Katin V.D. New efficient burners and nozzles for refinery furnaces and boilers. - Khabarovsk: TOGU, 2013. - 132 p.
5. Katin V.D., Volkhin I.V. Low-waste and energy-saving combustion technology in refineries. - Vladivostok: Dal'nauka, 2013. - 199 p.
6. SigalI.Ya. Air basin protection from fuel combustion. - SPb: Nedra, 1998. - 312 p.
7. Katin V.D. Methods of reducing harmful emissions in refineries // Security in the technosphere. -2009. - N 1. - P. 50-54.
8. Katin V.D., Boiko V.A. Air protection of low-waste methods of burning fuel oil and refinery gas in boilers and furnaces. - Vladivostok: Dal'nauka, 2012. - 190 p.
9. Inventor's certificate N 1229515. Russian Federation: IPC F23 C 11/00. Method of fuel combustion / V.D. Katin, N.V. Elagin.
10. Katin V.D., KiselevI.G. The results of studies of ecological and technical level of operation of boilers and furnace burners at the Achinsk Refinery // Refining and Petrochemicals. - 1999. - N 2. - P. 38-41.
11. Pat. 2288404. of the Russian Federation: IPC F23C 99/00. Method of fuel combustion. / V.D. Katin, N.G. Paymetov. - 2006. - Bul. N 12.
