CC BY
132
УДК 632.15
УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ РАБОТЫ КОТЛОАГРЕГАТОВ МЕТОДОМ СЖИГАНИЯ ВОДОМАЗУТНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
Н.В. Мозговой, В.И. Восковых
Сегодня понятия «экология» и «промышленное производство» неразрывно связаны друг с другом. Очень важной задачей является постоянный поиск и внедрение мероприятий, направленных на снижение, предотвращение отрицательного воздействия производственных процессов на природную, окружающую человека среду. Осуществление экологизации производится путем разработки малоотходных технологий, при реализации которых обеспечивается минимальный уровень вредных выбросов, а также внедрением энергосберегающих мероприятий
Ключевые слова: экология, промышленное производство, окружающая среда
В настоящее время природоохранные мероприятия, проводимые на действующих газомазутных ТЭС и котельных, направлены в основном на снижение выбросов оксидов азота, оксида углерода, а также оксидов серы. И совершенно не оправданно вне рассмотрения остаются вопросы, касающиеся предотвращения образования многоядерных ароматических углеводородов, таких, как бенз(а)пирен и других высокомолекулярных углеводородов, которые являются сильнейшими канцерогенами. Более того, многие широко применяемые сейчас методы организации процесса сжигания топлив, преследующие цель подавления образования МОх: ступенчатое сжигание, рециркуляция дымовых газов, сжигание топлива при пониженных избытках воздуха, способствуют усиленному образованию высокомолекулярных углеводородов. Наличие в дымовых газах бенз(а)пирена или диоксинов может быть значительно опаснее для биосферы Земли, чем выбросы МОх или 8О2.
Также чрезвычайно остро стоит вопрос о загрязнении водных бассейнов сточными водами. Применяемые сейчас методы очистки сточных вод от нефтепродуктов являются дорогостоящими и не всегда высокоэффективными. Особенно это относится к очистке сильно загрязненных вод. В то же время разработка и применение безотходных, бессточных технологий почти не практикуются. Отсюда следует, что существующая стратегия проведения природоохранных мероприятий на действующих энергоустановках, использующих природный газ, мазут (и другие виды топлива), не базируется на комплексном подходе и не оправданна ни в экологическом, ни в экономическом отношении. Необходим анализ степени воздействия на природную среду всех вредных выбросов энергетических установок при изменении технологии сжигания топлива и, как следствие, достижение экологосовместимости технологий.
Мозговой Николай Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (4732)43-76-70 Восковых Вячеслав Игоревич - ВГТУ, аспирант, тел. (4372)54-96-56
Современные исследования показывают, что одной из таких технологий для теплоэнергетики, направленных на защиту атмосферного воздуха и водного бассейна от выбросов различных ингредиентов МОх, СО, сажи, многоядерных углеводородов, нефтепродуктов и других вредных веществ является сжигание мазута в виде водомазутных эмульсий использование водомазутной эмульсии (ВМЭ), а также природного газа с применением впрыска в камеру горения сбросных вод [1-4].
Метод сжигания водомазутной эмульсии широко известен. В исследованиях, посвященных этому вопросу, установлено, что для достижения поставленной задачи ВМЭ должна быть приготовлена в виде однородной смеси мазута и добавляемой влаги по типу "вода-масло", в которой вода как дисперсная фаза в виде частиц диаметром несколько микрометров находится внутри топливной оболочки. Только при соблюдении этого условия и влажности водомазутной эмульсии до 20% обеспечиваются надежное воспламенение и устойчивое ее горение с высокой полнотой сгорания. Повышенная эффективность процесса горения эмульсии (даже при предельно низких значениях избытка 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 мазута существенно интенсифицируется. Для приготовления кондиционных ВМЭ требуемых влажности, дисперсности, вязкости и др. должны применяться соответствующие устройства - эмульгаторы.
Использование в качестве добавочной воды сточных вод дает возможность подвергнуть огневому обезвреживанию значительный их объем (примерно до 20% расхода топлива на котел). Это позволяет перевести ТЭС или котельную на малоотходную технологию (по крайней мере путем утилизации всех сточных вод, загрязненных нефтепродуктами). Аналогичный эффект достигается при сжигании природного газа с добавлением влаги.
Сжигание ВМЭ и природного газа с добавлением влаги приводит к снижению уровня темпера-
тур в зоне максимальной генерации оксидов азота и, следовательно, к значительному (на 30-50%) снижению их концентрации в дымовых газах. Более глубокого подавления N0 можно достигнуть в том случае, если в качестве добавочной влаги вместе со сточными водами использовать растворы азотсодержащих веществ при соответствующей организации процесса сжигания топлива. Для снижения концентрации оксидов серы при сжигании сернистых мазутов в составе добавочных вод можно также использовать раствор или слабую взвесь Са(ОН)2 .
Процесс образования многоядерных углеводородов при сжигании органических топлив исследован пока крайне мало. Однако известно, что снижение концентрации С20Н12 в дымовых газах возможно путем организации дожигания продуктов неполного сгорания топлива, повышением температуры в зоне горения более 1500 °С, а также вводом специальных ингибиторов. Установлено также, что при вводе влаги в зону горения с последующей диссоциацией молекул воды на ионы Н+ и ОН-- значительно снижается концентрация С20Н12 в продуктах сгорания топлива.
На основании оценки отмеченных выше факторов: влияния влаги или растворов реагентов в высокотемпературной зоне горения топлива на содержание в дымовых газах различных вредных веществ (М0х, 802 , СО, С20Н12 и др.) и возможного огневого обезвреживания сточных вод сжигание мазута в виде ВМЭ или природного газа с добавлением влаги можно считать комплексной, многоцелевой, экологосовместимой технологией. Применение этой технологии оправданно и экономически, так как при ее осуществлении достигается более рациональное использование теплоты топлива и для реализации этого метода не требуются большие капиталовложения. Выполнение этой технологии на действующих ТЭС и котельных имеет еще одно важное преимущество: перевод котлов на сжигание ВМЭ или природного газа с добавками сточных вод не вызывает необходимости существенного изменения их конструктивного исполнения. Не требуется также никаких изменений и в схеме газового хозяйства. В случае перевода котлов на сжигание ВМЭ должны быть внесены лишь незначительные изменения в схему мазутного хозяйства ТЭС или котельной. Таким образом, предлагаемая технология хорошо совместима с технологиями сжигания топлива на находящемся в промышленной эксплуатации оборудовании.
При проведении исследований разработаны и испытаны несколько вариантов технологических схем по сжиганию ВМЭ. Из них наибольшего внимания заслуживают: схема с центральным узлом приготовления ВМЭ, схема с индивидуальным узлом приготовления ВМЭ и комбинированная схема. Схема с центральным узлом приготовления ВМЭ, расположенным между насосами первого и второго подъемов, наиболее проста. Но в этой схеме в случае добавки воды в тракт топлива происходит обводнение всего потока мазута, циркулирующего в контуре, включая мазутные баки, что нежелательно. Поэтому необходимо осуществлять надежный кон-
троль влажности мазута на различных участках тракта. Наличие в этой схеме центрального узла эмульгирования имеет эксплуатационное преимущество в режимах работы котлов без ввода добавочной влаги, так как позволяет надежно работать котлам даже при сжигании исходного мазута с повышенной влажностью (20% и более). В схеме с индивидуальным узлом приготовления ВМЭ обводнение мазута предусматривается только на входе в отдельные котлы (один или несколько). В этом варианте облегчается использование в качестве добавочных вод растворов реагентов {Са(ОН)2, (МН2)2СО и др.), употребление которых имеет целью дополнительное снижение выбросов вредных веществ.
Наибольшие возможности для приготовления водомазутных эмульсий и гибкость в эксплуатации оборудования достигаются при реализации комбинированного способа приготовления ВМЭ, совмещающего преимущества двух рассмотренных выше вариантов.
В любой из описанных технологических схем основным элементом является устройство для перемешивания мазута с добавочной влагой (водой, паром), приготовления водомазутной эмульсии требуемого качества. Схема с центральным узлом приготовления ВМЭ базируется на применении устройства, принцип действия которого основан на кавитационном эффекте. Это устройство (кавитатор) представляет собой один или несколько параллельных каналов с расположенными внутри рядами тур-булизирущих стержней, за которыми формируется процесс кавитации, являющийся рабочим процессом приготовления ВМЭ. На входе в кавитатор подаются мазут и добавочная влага: сточные воды, растворы реагентов, пар и др. Приготовление ВМЭ происходит вследствие кавитационных эффектов и дополнительной турбулизации потоков, проходящих через каналы кавитатора. При эксплуатации последнего важно предотвратить проскок через кавитатор необработанных потоков топлива.
В схеме с индивидуальным узлом приготовления применяется эмульгатор, принцип работы которого аналогичен кавитатору. Эмульгатор состоит из нескольких последовательно соединенных колен трубы с расположенными в них турбулизи-рующими вставками. Конструктивное исполнение эмульгатора позволяет устанавливать его в мазуто-проводах непосредственно перед форсунками котла (т. е. они могут работать на мазуте высокого давления). Основные характеристики предлагаемых эмульгирующих устройств - это технологичность, простота конструкции и ее изготовления, отсутствие вращающихся частей, хорошее качество получаемой ВМЭ, высокая надежность работы и относительно умеренная стоимость.
В технологической схеме сжигания природного газа с добавками сточных вод или растворов специальных реагентов при работе на газе добавляемая влага подается в зону горения через специальные распыливающие устройства, устанавливаемые на стенах топки котла или в горелках. Эти устройства-распылители разработаны и испытаны на
паровых котлах в условиях промышленной эксплуатации. Остальные элементы схемы: баки, насосы, измерительная аппаратура - общие для схем сжигания ВМС и сжигания газа с добавлением влаги, т.е. используются при работе и на газе, и на мазуте. Описанные технологические схемы сжигания природного газа и мазута испытаны на котельных с котлами различных типов: ТГМЧ-204, ТГМП-314, ТГМ-84; ТП-170; БКЗ-75-39, ДКВР-10/13 КВГМ-20. Результаты испытаний подтвердили перспективность предлагаемых технологических схем.
В исходном эксплуатационном режиме и исходном мазуте концентрации оксидов азота в дымовых газах достигали 600-650 мг/м3. При переходе на сжигание ВМЭ их концентрация снизилась до 300 мг/м3, что соответствует уменьшению выбросов на один котел примерно на 170 т/год. В режимах, сочетающих сжигание ВМЭ с пониженными величинами избытка воздуха фиксировались практически нулевые значения концентраций СО в дымовых газах. Одновременно со снижением вредных выбросов перевод котла БКЗ-75-39 на сжигание ВМЭ позволил осуществить огневое обезвреживание около 1 т/ч сточных вод, загрязненных нефтепродуктами. При этом котел на ВМЭ работал устойчиво. Щитовые приборы зафиксировали даже некоторое увеличение паропроизводительности при постоянном расходе исходного мазута, однако наблюдалось снижение температуры на 100С. Следовательно, сжигание ВМЭ приводит к интенсификации выгорания топлива, уменьшению длины факела и увеличению надежности работы пароперегревателя. Температура уходящих газов при переходе на ВМЭ практически не изменилась. Расчетные оценки [5-8] показали, что экономические показатели работы котла для традиционного и рекомендуемого вариантов практически одинаковы.
Следует особо подчеркнуть, что высокий уровень влажности ВМЭ или большой процент добавки влаги при сжигании газа целесообразно устанавливать только в целях огневого обезвреживания большего количества сточных вод. Если такой необходимости нет, то для значительного снижения газообразных вредных выбросов вполне достаточно поддерживать соотношение объемов воды и топлива на уровне 3-5% при соответствующей организации процесса сжигания топлива. В этом случае увеличение потери теплоты с уходящими газами (из-за испарения добавляемой влаги) незначительно и вполне компенсируется интенсификацией процесса сжигания топлива и возможностью перехода на более
низкие значения коэффициента избытка воздуха. При соблюдении описанных выше условий увеличения интенсивности низкотемпературной коррозии не наблюдается.
Результаты исследований по разработке технологии приготовления и сжигания ВМЭ и сжигания природного газа с добавками влаги позволяет рекомендовать эту технологию для всех ТЭС и котельных, сжигающих газ и мазут, как многоцелевую, экологосовместимую технологию по охране биосферы путем снижения вредных выбросов и сажи в атмосферу, а также полным пресечением сбросов в водоемы сточных вод, загрязненных нефтепродуктами, путем их огневого обезвреживания в топках котлов.
Литература
1. Иванов В.М. Топливные эмульсии. М.: изд-во Академии наук СССР. 1962.
2. Голубь Н.В. Эффективность сжигания водомазутной эмульсии на промышленных ТЭЦ. Дисс. канд. техн. наук. Саратов.1985.
3. Акчурин Р.Ю., Балахничев Н.А. Подготовка мазута к сжиганию в кавитационном реакторе // Энергетик. 1986. N 9.С. 8-9.
4. Уменьшение вредных выбросов при сжигании водомазутной эмульсии / Попов А.И., Голубь Н.В.. Ерофеева В.И„ Харитонов А.К., Щупарский А.И. // Энергетик. 1983. №2. С 11-14.
5. 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.
6. Кормилицын В.И. Оптимизация технологических методов подавления оксида азота при сжигании топлива в паровых котлах // Теплоэнергетика. 1989. № 3. С. 15-18
7. Кормилицын В.И. Влияние добавки влаги в топку на интенсивиость лучистого теплообмена / В.И. Кормилицын, М.Г. Лысков., А.А. Румынский. // Теплоэнергетика. 1992..№ 1. С. 41-44.
8. Мозговой Н.В. Методы повышения экологической безопасности котлов-утилизаторов/ Н.В. Мозговой, В. И Восковых // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2007. Том 3, № 2, С. 114 -117.
Воронежский государственный технический университет
IMPROVEMENT OF ECOLOGICAL INDEXES OF WORKING AS OF BOILERS METHOD OF INCINERATION OF WATER AND FUEL OIL EMULSIONS
N.V. Mozgovoy, V.I. Voskovykh
Today concepts «ecology» and «industrial production» indissolubly constrained with each other. A very important task is a permanent search and introduction of measures, directed on a decline, prevention of negative influence of production processes on a natural, circumferential a man environment. Realization of ecologization is produced by development of small wastes technologies, during realization of which the minimum level of harmful extrass is provided, and also by introduction of energosaving measures
Key words: ecology, industrial production, circumferential environment
