Производственно-технический нефтегазовый журнал
+7 (903) 580-85-63 +7 (495) 371-01-74 info@glavteh.ru

Эффективное использование жидкого топлива на объектах теплоэнергетики

Энергосбережение – актуальная тема в энергетике. Для котельных и ТЭС чаще всего для сжигания используется газовое топливо, однако на сегодняшний день в России существует достаточно большое количество теплоэнергетических объектов, на которых в качестве основного используется жидкое топливо (мазут, нефть и другие). Эксплуатация жидкотопливных котельных и ТЭС связана с рядом дополнительных сложностей по сравнению с газовыми, среди которых повышенная коррозия поверхностей нагрева котлоагрегатов, трудности в организации процесса горения и, как следствие, загрязнение поверхностей нагрева котлоагрегатов, значительный объем вредных выбросов в атмосферу в составе дымовых газов.

Проведенные АО «Самаранефтегаз» опытно-промышленные испытания (ОПИ) жидкотопливного объекта на водотопливной эмульсии (ВТЭ) показали, что при соблюдении условий подготовки топлива можно сжигать обводненный мазут или нефть с высоким КПД, не затрачивая дополнительных ресурсов на обезвоживание топлива. Также можно добиться существенного экономического эффекта при переводе котельных на ВТЭ за счет снижения эксплуатационных затрат и дополнительного экологического эффекта.

21.10.2017 Инженерная практика №08/2017
Терентьев Виктор Александрович Специалист 1 категории ОПиУТЭ АО «Самаранефтегаз»
Смирнов Юрий Николаевич Начальник управления энергетики – главный энергетик АО «Самаранефтегаз»
Дворянчиков Иван Вячеславович Заместитель начальника Управления энергетики — главный теплотехник АО «Самаранефтегаз»
Бобров Максим Геннадьевич Начальник участка РНКИПиА АО «Самаранефтегаз»

Рис. 1. Статистика выработки энергии по видам объектов
Рис. 1. Статистика выработки энергии по видам объектов

В Российской Федерации порядка 62% тепло- и электроэнергии вырабатывается ТЭС и котельными, основными энергоресурсами для которых служат газ и твердое топливо. Однако на достаточно большом числе объектов для сжигания применяется жидкое топливо: мазут, товарная нефть.

Безусловно, мазут и нефть в качестве топлива уступают газовому топливу по многим характеристикам: газовое топливо более экологично, более устойчиво к режимам горения, а работающее на газовом топливе оборудование проще эксплуатировать. Следовательно, возникает вопрос: а почему бы не перевести мазутные и нефтяные котельные и ТЭС на природный газ?

Все дело в том, что некоторые объекты ввиду технологических и географических особенностей невозможно перевести на газовое топливо, а следовательно, эксплуатирующему и обслуживающему персоналу приходится разрабатывать и реализовывать энергосберегающие мероприятия именно для жидкого топлива.

Персонал котельных и ТЭС в процессе эксплуатации оборудования, работающего на жидком топливе, сталкивается с целым рядом проблем. Во-первых, это повышенные концентрации NOX, CO и SO2 в составе дымовых газов вследствие сжигания низкокачественного мазута или нефти, а также по причине сложности регулирования процесса горения жидкого топлива. Во-вторых, происходит интенсивная коррозия труб дымового тракта котлов. В-третьих, при длительном хранении физико-химические качества мазута и нефти ухудшаются. И, наконец, происходит образование сажи и отложений на оборудовании.

Очевидно, эксплуатация котельных и ТЭС на жидком топливе представляется более сложной по сравнению с газовым топливом.

К одним из наиболее перспективных способов повышения эффективности эксплуатации котлоагрегатов, использующих в качестве топлива мазут или нефть, относится сжигание водотопливных эмульсий (вода – мазут, вода – нефть).

Рис. 2. Схема сгорания частицы водотопливной эмульсии
Рис. 2. Схема сгорания частицы водотопливной эмульсии

ПРИНЦИП ГОРЕНИЯ ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Изучение данного метода берет начало еще в СССР в 60-х годах ХХ века. С того момента было проведено довольно большое количество опытов и исследований относительно сжигания водотопливных эмульсий (ВТЭ). Расчеты и результаты экспериментальных исследований однозначно говорят о том, что перевод котельных и ТЭС на сжигание нового вида топлива – ВТЭ – дает как экономический, так и производственный эффект.

Размышление о сжигании водотопливных эмульсий в котельных и ТЭС вызывает естественный вопрос: как вода может гореть? Все верно, вода не горит, однако водяной пар, который образуется при вскипании водяной капли при вылете в топку, распадается на радикалы, катализирующие окислительные реакции при горении. А основной эффект при горении водотопливной эмульсии достигается за счет детонирующих микропроцессов в эмульсии при попадании в топку. Рассмотрим «физику» процесса подробнее.

Капли воды размером 1-30 мкм, образующие вокруг себя топливную пленку, называются мицеллами. При попадании мицеллы в топку котла, происходит резкое повышение температуры и мгновенное вскипание капли воды. Пар, образовавшийся при таком паровом микровзрыве, разрывает топливную пленку. Происходит резкое увеличение площади контакта топлива с окислителем, за счет чего топливо сжигается более полноценно. Визуально наблюдается увеличенный размер факела при сжигании водотопливной эмульсии по сравнению с сжиганием того же топлива в «чистом виде» (без добавления воды), а также более яркий цвет факела.

Использование водотопливной эмульсии в качестве основного топлива в котельных, работающих на мазуте или товарной нефти, дает также и экологический эффект. При сжигании эмульсии в топке котла за счет вторичного распыления топлива посредством паровой детонации снижается концентрация вредных веществ (CO и NOX) в составе дымовых газов.

УСЛОВИЯ ЭФФЕКТИВНОГО ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССА

Для того чтобы качество процесса горения водотопливной эмульсии на практике было сопоставимо с результатами теоретических исследований, необходимо выполнение ряда условий при подготовке водотопливной эмульсии.

Углеводороды мазута в чистом виде (без добавления воды и обработки) находятся в агрегатированном (связанном) состоянии. В момент попадания капель топлива в топку процесс горения начнется на активной стороне каждого большого, «слипшегося» полимерного звена-кластера. При этом сгорание топлива будет неполным, некоторые меньшие полимерные звенья (кластеры) не успевают сгорать и либо откладываются на стенках топки, что приводит к ускоренному износу оборудования, либо вместе с дымовыми газами попадают в атмосферу, загрязняя окружающую среду. Если доля воды в мазуте изначально велика, то это тоже не способствует качественному горению. Вода, находящаяся в топливе в виде крупных фрагментов, выпадает в осадок при горении, усиливая при этом процессы коррозии оборудования, а также увеличивая риск отрыва пламени.

Основное условие качественного горения водомазутной или водонефтяной эмульсии в котлоагрегате состоит в обеспечении оптимального размера капель воды и равномерности распределения воды по объему топлива. Считается, что при размере капель до 30 мкм горение эмульсии максимально стабильное.

Правильное эмульгирование обводненного мазута или нефти обуславливает протекание нескольких процессов. Во-первых, происходит разрыв кластеров тяжелого топлива с одновременным образованием большого количества активных сторон молекул, которые быстрее вступают в процесс горения. Во-вторых, происходит разрыв слабых молекулярных связей с образованием углеводородов более легкого состава. И, в-третьих, вода переходит в мелкодисперсное состояние (что не тормозит горение как крупные вкрапления воды, а наоборот обеспечивает равномерное распределение топлива по объему) с образованием в топке котла свободных радикалов H+ и OH–, которые участвуют в процессе горения как катализаторы.

При сжигании водотопливной эмульсии в котлоагрегате повышается КПД котла. Это происходит за счет снижения расхода топлива, а также температуры уходящих газов. При этом параметры теплоносителя сохраняются. Интенсифицируется теплообмен излучением в радиационной части котлоагрегата за счет более полного и качественного сгорания топлива.

ОПИ В АО «САМАРАНЕФТЕГАЗ»

В рамках ОПИ специалисты АО «Самаранефтегаз» получили положительный опыт применения метода сжигания водотопливной эмульсии на одной из котельных Общества с применением устройства подготовки эмульсионного топлива – реактор акустический проточный (РАП).

Объектом для проведения опытно-промышленных испытаний была выбрана установка по подготовке нефти «Якушкинская». Выбор был обусловлен следующими критериями: наличие удаленной от газовой инфраструктуры действующей котельной, работающей на жидком топливе, наличие товарной (безводной) нефти, наличие промысловой лаборатории, наличие пруда с амбарной нефтью (нефтешламом). Цель испытаний состояла в оценке возможности применения оборудования по подготовке водонефтяной эмульсии для применения на котельной.

Рис. 3. Установка для подготовки ВТЭ мобильная
Рис. 3. Установка для подготовки ВТЭ мобильная

Рассмотрим состав и принципиальную схему установки типа РАП (рис. 3). Установка общей массой 300 кг смонтирована в фургоне автомобиля и включает в себя насосный агрегат производительностью 18 м3/ч типа НШ; емкость для приема и перемешивания продукта, объемом 1,25 м3; трубную обвязку с запорно-регулирующей арматурой; реактор акустический проточный; смеситель для подачи воды; приемно-отводящие трубопроводы; и щит управления с частотным регулятором.

Испытания согласно поставленной задаче проводились в три этапа. На первом этапе были отобраны пробы исходной нефти до обработки с целью последующих анализов на определение основных физико-химических свойств: плотности, вязкости, обводненности, содержания серы и хлористых солей.

Далее, в нефть в емкости для приема и перемешивания продукта объемом 1,25 м3 была добавлена очищенная техническая (питательная) вода из расчета 15% от общего объема. Данная объемная доля воды в топливе была выбрана, исходя из анализа результатов работы установки РАП при различных концентрациях, а также на основании результатов исследований горения водотопливной эмульсии. Требования к качеству воды согласно паспорту установки РАП отсутствуют. После запуска установки РАП специалисты промысловой лаборатории АО «Самаранефтегаз» произвели повторный отбор проб для определения основных физико-химических свойств топлива.

На третьем этапе подготовленная водонефтяная эмульсия была подана в котел ДКВр 10/13 для сжигания. Произведен анализ состава и параметров дымовых газов.

Рис. 4. Реактор акустический проточный
Рис. 4. Реактор акустический проточный

ОБОРУДОВАНИЕ

Реактор акустический проточного типа (рис. 4) предназначен для проведения преобразований (реакций) в потоке с возможностью неоднократной рециркуляции реакционной смеси. Реактор может использоваться как для жидких, так и для газообразных сред. Работа устройства основана на принципе ультразвуковых колебаний высокой интенсивности с целью получения стойких топливных водомазутных эмульсий с содержанием воды до 20%, а также получении технических эмульсий с длительным сроком «жизни».

Ультразвуковые колебания создаются за счет особой конструкции РАП. Внутренне пространство основной камеры аппарата организовано так, что при попадании потока жидкости происходит так называемое«завихрение» среды. Благодаря этому усиливается турбулентность потока и разрыв отдельных фракций топлива. За счет глубокого эмульгирования нефти пресной водой улучшаются реологические и теплофизические свойства топлива, что дает существенное снижение расхода топлива.

Таблица 1. Результаты анализа товарной нефти УПН «Якушкинская» до обработки (проба №1)
Таблица 1. Результаты анализа товарной нефти УПН «Якушкинская» до обработки (проба №1)

ИЗМЕНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЖИДКОГО ТОПЛИВА

Рассмотрим результаты анализа товарной нефти на первом этапе (до обработки). Как видно из табл. 1, исследуемое топливо содержит небольшое количество воды 0,03%, однако обладает довольно высокой массовой долей серы – 2,85 %. Следовательно, данная нефть при сжигании будет выделять большое количество оксидов серы, что скажется на состоянии оборудования.

На микрофотографиях топлива (рис. 5) видно, что в товарной нефти присутствуют глобулы воды. Диаметр капель составляет 60-80 мкм. Также на микрофотографиях можно обнаружить механические примеси (продукты коррозии, абразивного износа и песка) размером 10-40 мкм.

Рис. 5. Микрофотографии исходной товарной нефти
Рис. 5. Микрофотографии исходной товарной нефти
Таблица 2. Результаты анализа товарной нефти УПН «Якушкинская» после обработки (проба №5)
Таблица 2. Результаты анализа товарной нефти УПН «Якушкинская» после обработки (проба №5)

После добавления в нефть пресной воды из расчета 15% от общего объема был произведен запуск установки и отобраны пробы для определения основных физико-химических свойств топлива после прохождения через установку РАП. Результаты анализа представлены в табл. 2, из которой видно, что после обработки топлива устройством РАП повысилась плотность топлива с 884,9 до 913,2 кг/м3 при температуре нефти 20°С.

Рассматривая микрофотографии топлива после обработки (рис. 6), необходимо отметить, что размеры ячеек эмульсии составляют 300-600 мкм. В ячейках заметны глобулы воды диаметром 6-30 мкм.

Рис. 6. Микрофотографии обработанной товарной нефти
Рис. 6. Микрофотографии обработанной товарной нефти

АНАЛИЗ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ

До начала проведения испытаний были определены характеристики работы котла на различных нагрузках. Для точности показаний оценивались два режима работы котла. Замеры проводились поверенным прибором – газоанализатором Testo-33.

При работе котла на водонефтяной эмульсии были проведены замеры на аналогичных режимах, что и при работе на стандартном топливе – товарной нефти. Результаты замеров приведены в табл. 3. Для проведения испытаний действующий котел ДКВр 10/13 был остановлен на время проведения переключений с одной топливной емкости на другую, после чего котел был запущен в работу. Время работы котла на водонефтяной эмульсии составило два часа.

Таблица 3. Результаты анализа работы ДКВр 10/13 на товарной нефти и ВНЭ
Таблица 3. Результаты анализа работы ДКВр 10/13 на товарной нефти и ВНЭ

На первой и второй нагрузках заметно снижение температуры дымовых газов в среднем на 15°С, наблюдается резкое сокращение выделения оксида углерода CO: на первой нагрузке – на 316 ppm, на второй – на 66 ppm. Также необходимо отметить снижение концентрации SO2 в составе дымовых газов: на первой нагрузке – на 18 ppm, на второй – на 116 ppm. Таким образом, по результатам анализа можно сделать вывод о том, что при переводе котла на сжигание водонефтяной эмульсии качество горения улучшилось. Снижение вредных соединений, таких как CO и SO2, говорит о повышении полноты сгорания топлива, а снижение температуры дымовых газов – о повышении КПД.

Расчет экономической эффективности показал рост операционных затрат за счет дополнительного постоянно работающего топливного насоса мощностью 7 кВт на 129 тыс. руб. в год. При этом снижение затрат на топливо составило 820 тыс. руб. в год при сохранении паропроизводительности котельной на на прежнем уровне (годовая фактическая паропроизводительность котельной – около 40 тыс. т/год). Таким образом, экономический эффект от внедрения РАП на данной котельной составляет порядка 691 тыс. руб. в год.

Следовательно, опыт АО «Самаранефтегаз» показывает, что применение приготовленной с помощью устройства РАП водонефтяной эмульсии, оказывает положительный эффект.

Использование водотопливных эмульсий на объектах теплоэнергетики обеспечивает возможность утилизации низкокачественных топлив, таких как залежалые мазуты и обводненные стоки мазутных резервуаров. Данный процесс может обеспечить предприятию значительную экономию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании исследования можно резюмировать следующее. Водотопливные эмульсии – это перспективный способ решения проблем топливного хозяйства. Безусловно, эффективность этой технологии практически полностью зависит от качества приготовления и обработки эмульсии. На данный момент не существует совершенного аппарата для обработки эмульсии, однако технологии совершенствуются с каждым годом. Можно утверждать, что при соблюдении необходимых условий с помощью эмульсий можно повысить качество сжигания жидкого топлива, добиться экономии при переводе котельных на ВТЭ, а также сократить количество вредных выбросов в атмосферу.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Иванов В.М. Топливные эмульсии. – М.: Изд-во Академии наук СССР, 1962.
  2. Федорова У.Д., Лебедева Е.А. Эффективность использования водо-мазутных эмульсий в котельных агрегатах. URL: http://www.scienceforum.ru
  3. Геллер С.В. Эмульгированные топлива: проблемы и перспективы. – URL: http://novainfo.ru/article/1464
  4. Голубь Н.В. Эффективность сжигания водомазутной эмульсии на промышленных ТЭЦ: Дисс. канд. техн. наук. – Саратов,1985.
  5. Акчурин Р.Ю., Балахничев Н.А. Подготовка мазута к сжиганию в кавитационном реакторе // Энергетик. 1986. № 9.
Комментарии

Эту публикацию еще никто не прокомментировал. Станьте первым, поделитесь своим мнением.

Написать комментарий
Комментировать
Читайте далее
Геотермальная теплогенерация
Влияние периодичности внесения физико-химических параметров на точность определения количества попутного нефтяного, природного и сухого отбензиненного газов
Реклама
Свежий выпуск
Инженерная практика №12/2017

Инженерная практика

Выпуск №12/2017

Промысловые трубопроводы. Разработка месторождений. Механизированная добыча нефти
Волоконно-оптический мониторинг трубопроводовМеталлические сборно-разборные трубопроводыРотационная сварка трубопроводов трениемЗащитные покрытия, защита трубопроводов от коррозии и биокоррозииРемонт и противоаварийная защита трубопроводовМоделирование и маркерная диагностика притока в горизонтальные скважины с МГРПВнедрение плунжерных глубинных насосов с канатными штангами
Ближайшее совещание
Трубопроводный транспорт
Трубопроводы — 2018
7-я Производственно-техническая конференция

Промысловые трубопроводы ‘2018. Обеспечение целостности и эффективности систем промыслового транспорта

13-14 февраля 2018 г., г. Пермь
Работа Конференции направлена на обмен опытом и анализ эффективности применения современных методов и технологий для сокращения аварийности промысловых трубопроводов различного назначения, обсуждение опыта и технологий применения трубной продукции из различных сплавов и альтернативных материалов, проведение мониторинга и методов диагностики трубопроводов, в том числе: инфразвуковая система мониторинга, внутритрубная диагностика, методы определение утечек и несанкционированных врезок в нефтепроводы с применением беспилотных летательных аппаратов, а так же другим актуальным вопросам эксплуатации системы трубопроводного транспорта.
Ближайший тренинг
Капитальный ремонт скважин
Ловильный сервис — февраль 2018
Тренинг-курс

Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах

12 – 16 февраля 2018 г, г. Пермь
ООО «Инженерная практика» от имени журнала «Инженерная практика» проводит набор группы специалистов для прохождения производственно-технического тренинга по программе «Ловильный сервис на нефтяных и газовых скважинах». Пятидневный тренинг - курс будет проводиться в г. Перми (отель «Урал») в рамках авторского курса С. Балянова.