Исследование особенностей использования сернистых мазутов на энергетических предприятиях и анализ путей снижения количества выбрасываемых вредных веществ при их сжигании

Качество мазутов, выпускаемых отечественной промышленностью, во многом определяется свойствами исходной нефти и схемами её переработки, поэтому их эксплуатационные свойства могут изменяться в широких пределах. Известно, что более 60-70% серы в процессе переработки нефти переходит в мазут, который используется в качестве котельного топлива на энергетических предприятиях

Высокое содержание сернистых соединений в жидком котельном топливе вызывает интенсивное образование зольных отложений, сопровождающееся коррозионным износом поверхностей нагрева котельных агрегатов. Кроме этого, при сжигании такого топлива в окружающую среду выбрасывается большое количество диоксида серы и других компонентов, имеющих высокую степень токсичности. Аэрозольные твердые частицы такие, как сажа, пятиокись ванадия, бензо(а)пирен со временем накапливаются на поверхности земли, а также участвуют в приземной циркуляции атмосферы. Токсическая доза ванадия для человека составляет 0,25 мг, а летальная в зависимости от веса – 2-4 мг. По данным авторов

Местом проведения исследования является промышленно-отопительная котельная, расположенная в жилом массиве Советского района г. Казани, назначением которой является осуществление выработки насыщенного пара и приготовление воды на нужды отопления и горячего водоснабжения. В котельной установлены три паровых котла марки ДЕ-6,5/14ГМ Бийского котельного завода. Для рассеивания дымовых газов на предприятии используется стальная дымовая труба высотой 30 м. Котельные агрегаты снабжены горелочными устройствами ГМ-4,5 с номинальной тепловой мощностью 5,2 МВт и расходом жидкого топлива 465 кг/ч. Сернистый мазут марки М100 с содержанием общей серы 4,3% используется на предприятии в качестве резервного топлива. Физико-химические свойства мазута приведены в таблице 1.

Элементный состав мазута определялся с помощью элементного анализатора CHNS/O Perkin Elmer модели 2400 Series II. Результаты анализа приведены в таблице 2. Теплоту сгорания мазута определяли по ГОСТ 21261-91.

Как видно из таблицы 2, рабочий состав мазута практически не отличается от состава исходной нефти. Характерной особенностью высокосернистого мазута является низкое содержание углерода и водорода в рабочей массе по сравнению с малосернистыми аналогами. Уменьшение соотношения углерода к водороду способствует увеличению плотности мазута и снижению его теплоты сгорания. Содержание серы и азота в рабочей массе напротив значительно выше чем в сырой нефти, что объясняется высокой концентрацией первых в следствии углубленной переработки последней

Как известно, при сжигании мазута большая часть отложений оседает на поверхностях нагрева котельного агрегата. Содержащиеся в сернистых мазутах золообразующие ингредиенты такие, как сера и ванадий, дают плотные отложения, которые с трудом удаляются из-за адгезионного сцепления с трубами котельного агрегата. Основным элементом, определяющим загрязнения поверхностей нагрева липкими отложениями, является пятиокись ванадия, который из-за низкой температуры плавления находится на них в размягчённом состоянии. А также при сжигании сернистых мазутов появлению липких отложений способствует образование сульфатов щелочных металлов

Объектом исследования послужил паровой котёл ДЕ-6,5/14ГМ ст.№3 заводской №4956. Котельный агрегат полностью исправен. Режимно-наладочные испытания проводились 21.07.2021 г. Результаты испытаний приведены в таблице 3. Топочная камера котла отделена от конвективного пучка газоплотной перегородкой из плотно поставленных и сваренных между собой труб. Перегородка имеет проход для дымовых газов в пучок, образованный коридорно-расположенными вертикальными трубами, развальцованными в верхнем и нижнем барабанах котла. Газы проходят по всему сечению конвективного пучка и выходят через переднюю стенку в короб, расположенный над топочной камерой, из которого они попадают в экономайзер котла. Исследования проводили с помощью стендовой установки, сваренной и установленной в газоходе на выходе дымовых газов из конвективной части котла. Установка представляет собой станину, на которой закреплены куски пластин и труб диаметром 51х2,5 мм. Суммарное время проведения эксперимента составило 48 суток. За это время котельный агрегат ДЕ-6,5/14ГМ ст. №3, израсходовал 204 тонн мазута. Перерыв в работе составил 18 суток. В промежутках между этапами эксперимента при помощи цифрового микрометра Infors 06-11-45 осуществлялся замер отложений на пластинах и трубах установки по методике, приведенной литературе

Результаты измерений оценивали на предмет содержания грубой погрешности по критерию Романовского. Проведённые расчёты показали, что полученный ряд измерений с доверительной вероятностью 95%, не содержит грубых промахов. Осреднённые значения по всем измерениям показаны в таблице 4.

Из данных таблицы 4 видно, что с увеличением времени проведения эксперимента величина отложений изменяется неравномерно, что вероятно связано с величиной нагрузки котельного агрегата, которая также отслеживалась по расходу топлива.

Как известно, загрязнения конвективных поверхностей нагрева золой и твёрдыми отложениями снижают эффективность теплопередачи. Поэтому дальнейшее исследования проводились с целью выяснить это значение. Результаты расчётов зависимости коэффициента теплопередачи от толщины отложений приведены в таблице 5.

Как видно из данных, представленных в таблице 5, при величине слоя отложений на поверхностях нагрева котла толщиной 0,04 мм, 0,09 мм и 0,16 мм коэффициент теплопередачи для экранных труб снижается соответственно на 2,5%, 5,5% и 9,4% соответственно. Для труб конвективного пучка эти значения составят 3,7%, 8,0% и 13,4%, а для труб экономайзера 5,3%, 11,2% и 18,3%.

Таким образом, становится отчётливо ясно, что при более низких температурах теплоносителя процент потерь в следствии недогрева значительно возрастает. Данная зависимость проиллюстрирована на рисунке 1.

Рисунок 1 - Влияние толщины отложений золы на величину тепловых потерь

DOI:10.60797/IRJ.2024.145.170.6

Снижение интенсивности теплопередачи приводит также к увеличению температуры уходящих газов и повышению потерь теплоты с ними. Регистрация температуры уходящих газов в течении эксперимента проводилась автоматически. В таблице 6 приведены обобщённые данные по результатам замера температуры дымовых газов до и после экономайзера на завершающие сутки каждого этапа.

Из данных таблицы 6 видно, что повышение температуры уходящих газов на первом этапе с 325℃ до 328℃ и 175℃ до 181℃ способствует увеличению потерь теплоты в газовом тракте до 4,5%. С увеличением толщины слоя отложений потери возрастают до 5,2% на втором, и 6,7 % на третьем этапе соответственно. Эти потери в значительной мере способствуют снижению коэффициента полезного действия котельного агрегата, так как из-за отложений, прежде всего, возрастает термическое сопротивление стенок труб экономайзера, тем самым снижая температуру питательной воды на входе в котёл на 1,5-4,0 ℃ в зависимости от заданного режима горения. Результаты повторных режимно-наладочных испытаний котлоагрегата ст.№3, проведенных в конце третьего этапа эксперимента показаны в таблице 7.

Из результатов проделанной работы видно, что на режимах при 25%-й и 50%-й нагрузке температура уходящих газов возрастает по сравнению с первоначальными данными (таблица 3) с 227 °С до 248 °С и с 249 °С до 268 °С соответственно. При дальнейшем увеличении нагрузки до 75% на заключительном этапе эксперимента разница температур уходящих газов составила 17 °С, вследствие чего коэффициент полезного действия котла снизился на 1,67%. При 100%-й нагрузке значение этого показателя составило 1,56%.

Экспериментальные исследования, описанные в литературе

Для предупреждения наружной коррозии и загрязнения поверхностей нагрева энергетических котлов широкое применение нашли также противокоррозионные присадки, в состав которых входят азотистые вещества и пирофорные соединения железа. Присадки взаимодействуют с асфальто-смолистой частью жидкого топлива и образуют новые низкомолекулярные прочные соединения, что стабилизирует мазут, снижает интенсивность процессов конденсации и полимеризации. Кроме того, компоненты многофункциональных присадок стабилизируют процесс горения, и подавляют каталитическую активность золовой части топлива. Эти мероприятия способствуют снижению наружной коррозии и загрязнения поверхностей нагрева. При этом повышается коэффициент использования оборудования и надежность работы котла, увеличивается КПД и срок службы котельного агрегата

На основе проведенного эксперимента были сделаны следующие выводы:

1. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что высокое содержание сернистых соединений в жидком котельном топливе при его сжигании в котельных агрегатах является источником образования диоксида серы, имеющего высокую степень токсичности.

2. Выявлено, что содержащиеся в сернистых мазутах сера и ванадий образуют плотные зольные отложения на поверхностях нагрева котлоагрегатов, увеличивая их термическое сопротивление.

3. Экспериментально установлено, что с течением времени величина отложений изменяется неравномерно, что связано с величиной нагрузки котельного агрегата. За время проведения эксперимента максимальная толщина зольных отложений на трубах котельного агрегата составила 0,23 мм.

4. Установлено, что при использовании в качестве топлива сернистого мазута, коэффициент полезного действия котельного агрегата снижается, а потери теплоты с уходящими газами увеличиваются. При этом снижается экономичность работы котла в следствии повышения расхода топлива на выработку пара.

5. Сравнительный анализ технико-экономических показателей энергетических установок в зависимости от качества топлива показал, что при использовании малосернистого мазута средняя паропроизводительность одного и того же котельного агрегата возрастает до 7-9% при одинаковом расходе топлива.