Способ подготовки углеводородных высоковязких жидких топлив, преимущественно мазута, к сжиганию в котельных установках

Способ подготовки углеводородных высоковязких жидких топлив, преимущественно мазута, к сжиганию в котельных установках

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к эксплуатации котельных установок, а именно к подготовке углеводородных высоковязких жидких топлив, преимущественно мазута, к сжиганию в котельных и других теплоэнергетических установках.

Для этих целей традиционно используется подогрев топлива до температуры, указанной в ГОСТ для соответствующей марки используемого топлива. Например, согласно ГОСТ 10585-75, мазут марки Ф-5 подогревают до температуры от 40 до 60°С, мазут марки Ф-12 до температур от 70 до 90°С, а мазут марки М-100 до температур от 110 до 130°С. Подогрев топлива обеспечивает снижение вязкости используемого топлива до заданного уровня, что обеспечивает стабильность режима прокачки топлива по подводящему трубопроводу и процесса распыливания его в форсунке, поскольку оба эти процесса зависят от вязкости жидкости.

Известны также различные способы подготовки углеводородных высоковязких жидких топлив (УВЖТ) к сжиганию, заключающиеся в создании условий, при которых ассоциаты асфальтеносмолистых веществ (ААСВ), реально всегда присутствующие в топливе (например, по ГОСТ 10585-75 во флотских мазутах Ф-5 и Ф-12 допускается до 50% асфальтеносмолистых веществ), разрушаются, а вводимые добавки препятствуют восстановлению разрушенных структур, или опытным путем определяется время, в течение которого разрушенные структуры сохраняют свое состояние. Следствием такого воздействия является улучшение теплотехнических и теплофизических характеристик топлива, направляемого на сжигание (снижение механического недожога, уменьшение химического недожога, снижение выброса канцерогенных составляющих продуктов сгорания в атмосферу, понижение вязкости и т.п.), или увеличение выхода светлых нефтепродуктов в случае, если обработанное топливо направляется на перегонку.

Известен способ обработки УВЖТ перед сжиганием в котлотурбинных установках (Иванов С.М., Канторович Б.В. Топливные эмульсии и суспензии. М.: Энергоатомиздат. 1963. с.55-57, 65), включающий подогрев, фильтрацию и продавливание топлива через регулируемую щель при 15-35°С со скоростью 50-130 м/с.

Известное техническое решение не обеспечивает эффективного разрушения ААСВ, что не позволяет в полном объеме улучшить характеристики процесса горения (повысить полноту сгорания и уменьшить выбросы вредных веществ). Кроме того, необходимо отметить, что указанный абсолютный диапазон скоростей продавливания топлива, без указания степени сжатия струи (отношения поперечного размера сжатой струи к ее первоначальному размеру), не позволяет воспроизвести известный способ с получением заявленного результата.

Известен способ переработки УВЖТ, представляющий собой тяжелые нефтяные остатки, путем механической обработки остатка в диспергирующей машине роторного типа, в качестве которой используется гидродинамический роторно-пульсационный аппарат, и обработку ведут в течение 3-10 мин в присутствии водорода, который подают со скоростью 1-2 л / мин (авт.св. СССР №958471, кл. С10G 15/00, 1980).

Следует отметить, что при реализации известного способа происходит гидрирование продуктов механодеструкции УВЖТ водородом, в результате чего улучшается качество топлива (повышается содержание низкокипящих фракций углеводородов, повышается текучесть, уменьшается дисперсность капель топлива при распылении и т.п.).

Известное техническое решение не обладает требуемой технической общностью, поскольку заявленный диапазон значений подачи водорода и время обработки относятся к частному случаю конкретного УВЖТ, обладающего конкретными свойствами (процентом ААСВ и т.п.), обрабатываемого в конкретном аппарате, что не позволяет воспроизвести известный способ с получением заявленного результата в случае использования УВЖТ с отличными свойствами в аппарате того же типа, или другой производительности, или диспергирующем аппарате другого типа.

Известен способ переработки УВЖТ в виде остаточных нефтепродуктов (таких как мазут, гудрон, асфальт) путем висбрекинга в присутствии добавок - ароматизированной фракции или полярного соединения, при этом исходное сырье, остаточный нефтепродукт предварительно подвергают кавитационной обработке (пат. РФ №2021994, кл. С10G 9/14, 15/00. 1993). В результате кавитационного воздействия происходит разрушение ААСВ, а вводимые после кавитационного воздействия добавки, блокирующие парамагнитные центры образовавшихся осколков ААСВ, препятствуют их восстановлению, позволяют увеличить эффективность последующей перегонки или сжигания в случае, если остаточные нефтепродукты будут направлены на сжигание.

Недостатком известного технического решения является необходимость использования специальных добавок, препятствующих восстановлению ААСВ, в количестве, доходящем до 8 массовых % от массы перерабатываемого УВЖТ, что усложняет технологическую схему переработки УВЖТ, а ввод добавок после кавитационного воздействия на УВЖТ сохраняет возможность восстановления ААСВ. Кроме того, поскольку не указаны факторы, определяющие интенсивность кавитационного воздействия (скорость движения УВЖТ, величины зазоров, степень сжатия потока и т.п.), которые предполагается уточнить в процессе эксплуатации, содержание патента не позволяет воспроизвести известный способ с получением заявленного результата без предварительного проведения экспериментальных исследований, ранее выполненных авторами патента.

Известен способ переработки УВЖТ, включающий его диспергирование и термическое фракционирование, причем диспергирование осуществляется непрерывно гидравлическим распылением на капли со средним размером, не превышающим 0,3 мм, а промежуток времени между началом распыления и началом термического фракционирования не должен превышать 5 мин (пат. РФ. №2057785, кл. С10G 15/00, В01J 19/26. 1996). В известном способе, так же как в способах подготовки топлива к сжиганию, за счет гидравлического диспергирования происходит разрушение ААСВ, что обеспечивает повышение выхода светлых нефтепродуктов при последующем термическом фракционировании и более тонкое диспергирование топлива при его распыливании в котельных установках.

Недостатком известного технического решения является его низкая эффективность распыливания и технологическая сложность, связанная с тем, что капли принятой дисперсности "-0,3 мм" не могут быть направлены непосредственно в котельную установку, поскольку их сжигание сопровождается большими выбросами вредных веществ (сажи, бензапирена и т.п.). Оптимальными для сжигания являются капли дисперсностью "-0,1 мм" с преимущественным содержанием капель диаметром "-0,03 мм + 0,02 мм" (Лавров Н.В., Розенфельд Э.И., Хаустович Г.П. Процессы горения топлива и защита окружающей среды. М.: Металлургиздат. 1981. 240 с.), при сжигании которых выбросы вредных веществ снижаются примерно на порядок. Обработанное УВЖТ при хранении свыше 5 мин с течением времени восстанавливает свои первоначальные свойства, что усложняет возможность его использования при сжигании в котельной установке. Кроме того, поскольку в патенте не указан диапазон скоростей движения, который определяет интенсивность заданных видов воздействий (напряжения сдвига при турбулизации жидкости или напряжения сдвига при ударе струи о преграду), содержание патента не позволяет воспроизвести известный способ с получением заявленного результата, без предварительного проведения экспериментальных исследований, ранее выполненных авторами патента.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ подготовки УВЖТ к эксплуатации перед сжиганием в котлотурбинных энергетических установках, включающий подогрев топлива, его фильтрацию и продавливание через регулируемый зазор в струйно-кавитационном режиме со скоростью 20-40 м / при давлении в топливной системе на выходе из зазора 0,5-0,7 кгс/см² (пат. РФ №1766949, кл. С10L 1/04, 1992).

Известное техническое решение обладает малой эффективностью, поскольку не обеспечивает достижения максимально возможного разрушения ААСВ, в терминологиии принятой в патенте: "разложения или диссоциации топлива на близкомолекулярном уровне вследствие кавитации" при применении способа для УВЖТ, имеющих заметное различие в составе, поскольку сам факт достижения максимально возможного разрушения ААСВ никак не контролируется. Следует отметить также, что в формуле изобретения указано, что "давление в топливной системе на выходе из зазора 0,5-0,7 кгс/см²", а в двух приведенных примерах ошибочно указано, что "глубина вакуума составляет 0,55-0,67 кгс/см²", поскольку это соответствовало бы давлению на выходе из зазора 0,45-0,33 кгс/см², что противоречит формуле изобретения. Кроме того, необходимо отметить, что указание абсолютного значения скорости продавливания, без указания степени сжатия струи (отношения поперечного размера сжатой струи к ее первоначальному размеру), не позволяет воспроизвести известный способ с получением заявленного результата, без предварительного проведения экспериментальных исследований, ранее выполненных авторами патента.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ подготовки жидкого топлива на основе мазута к сжиганию в котлоагрегатах, включающий подогрев и эмульгирование топливной смеси мазута, воды и пиролизной смолы, путем интенсивной гидродинамической кавитационной обработки с последующей рециркуляцией обрабатываемой смеси при перепаде давления в зоне кавитации кавитационного устройства в диапазоне 2-25 кгс/см² (пат. РФ №2143312, кл. В01F 3/08, 1997).

Известное техническое решение обладает малой эффективностью, поскольку сам факт достижения максимально возможного разрушения ААСВ, улучшающих свойства гомогенизированной топливной смеси, никак не контролируется. В формуле изобретения количество обработок не указывается, а приведенное в описании количество обработок в терминологии авторов "при числах кавитации от 4 до 8, ничем количественно не обосновывается, а, видимо, определяется конкретными техническими возможностями кавитационных устройств, используемых авторами патента. В случае использования других кавитационных устройств с отличными техническими характеристиками такие рекомендации приведут к завышенным энергозатратам на подготовку топлива к сжиганию или заявленный технический результат не будет достигнут. Так, например, при использовании кавитационного устройства, обеспечивающего более высокую степень разрушения ААСВ и лучшую гомогенизацию топливной смеси, указанное в прототипе количество обработок будет завышенным, что приведет к увеличению энергозатрат, затрачиваемых на подготовку УВЖТ, по сравнению с минимальным числом обработок, при котором достигается заявленный технический результат. При использовании кавитационного устройства с малой степенью разрушения ААСВ, указанное в прототипе количество обработок будет недостаточным, в результате чего заявленный эффект не будет реализован в полном объеме.

Целью изобретения является минимизация энергозатрат на подготовку углеводородных высоковязких жидких топлив перед сжиганием их в теплоэнергетических установка за счет контроля содержания в них низкомолекулярных фракций углеводородов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе подготовки углеводородных высоковязких жидких топлив, преимущественно мазута, к сжиганию в котельных установках, включающем подогрев и эмульгирование топлива путем интенсивного кавитационного воздействия с последующей рециркуляцией при перепаде давления в зоне кавитации кавитационного устройства в диапазоне 2-25 кгс/см², в отличие от прототипа после каждого кавитационного воздействия при давлении на выходе из кавитационного устройства 50-70 кПа одновременно отбирают пробу обработанного углеводородного высоковязкого жидкого топлива, проводят его фракционирование и определяют процентное содержание низкомолекулярных фракций углеводородов в сравнении с их содержанием в исходном топливе, по достижении максимального содержания в обработанном топливе низкомолекулярных фракций углеводородов прекращают рециркуляцию и его направляют на сжигание.

При реализации заявляемого способа определяют процентное содержание низкомолекулярных фракций углеводородов (С_Н) в топливе после каждого кавитационного воздействия в сравнении с содержанием в исходном топливе (С_Н)_исх. Качественный вид опытной зависимости С_Н=ϕ(N), где N - число кавитационных воздействий, показан на фиг.1. Вначале при возрастании числа обработок N величина (С_Н) также существенно возрастает, а затем прирост величины С_Н практически прекращается, достигая максимального значения (С_Н)_max. На основании этой зависимости определяют величину N, при котором значение С_Н достаточно близко к максимальному значению (С_Н)_max для данного топлива. При изменении состава УВЖТ или использовании другого кавитационного устройства в соответствии с конкретным видом новой зависимости С_Н=ϕ(N) подобным образом будут определены новые эксплуатационные режимы.

Следует отметить, что интенсивность кавитационного воздействия определяется не абсолютным значением скорости течения УВЖТ, а числом кавитации χ (Кнэпп Р., Дейли Дж., Хэмсмит Ф. Кавитация. М.: Мир. 1974, 688 с.), которое, как видно из формулы

χ=(Р₀-Р_С)/(ρU²/2)=(P₀-P_НП)/(ρU²/2)≈0,2,

где Р₀ - давление в кавитационном устройстве перед кавитирующим элементом; Р_С - давление в каверне; в суперкавитационном режиме давление в каверне полагается равным давлению насыщенного пара жидкости Р_С=Р_НП; U - скорость невозмущенного потока в кавитационном устройстве перед кавитирующим элементом; ρ - плотность жидкости,

определяется перепадом давления (Р₀-Р_НП) и значением скоростного напора ρU²/2, определяемого величиной скорости U. Именно по этой причине указанные в большинстве известных способов подготовки УВЖТ к использованию диапазоны скоростей движения среды в различных кавитационных устройствах однозначно не определяют меру кавитационного воздействия, поскольку в них не указывается поддерживаемый при этом перепад давления (Р₀-Р_НП). Максимальная интенсивность кавитационного воздействия определяется числом кавитации, опытное значение которого составило χ≈0,2 (Кулагин В.А., Вильченко А.П., Кулагина Т.А. Моделирование двухфазных суперкавитационных потоков. Красноярск.: КГТУ. 2001. 108 с.).

Поддержание давления на выходе из кавитационного устройства 50-70 кПа позволяет увеличить общий перепад давления в зоне кавитации кавитационного устройства.

Результаты выполненных экспериментальных исследований показывают (авт.св. СССР №958471, кл. С10G 15/00. 1980; Ковальчук Т.Н. Модификация нефтяных и нефтеугольных суспензий методом кавитации. Автореф. канд. дис. М.: 1996. ИГИ. 24 с.; Немчин А.Ф., Михайлик В.А., Тодорашко Г.Т. и др. Влияние кавитационного воздействия на углеводородное топливо. // Промышленная теплотехника (Украина). 2002, т.24. №6, с.60-63), что в результате кавитационного воздействия в составе обработанного УВЖТ образуется значительное количество, измеряемое от 10 до 30% низкомолекулярных углеводородных соединений, избыточное по сравнению с их содержанием в исходном сырье до обработки, зависящее от вида исходного сырья и применяемого кавитационного устройства. Как известно из теории и практики горения жидких углеводородных топлив (Роддатис К.Ф. Котельные установки. М.: Энергия. 1977. 432), именно содержание низкомолекулярных, низкокипящих фракций в жидких топливах в решающей мере определяет интенсивность процесса воспламенения и эффективность последующих стадий горения топлива (уровней механического и химического недожога топлива, количество выбросов оксидов азота, серы и канцерогенных веществ и т.п.).

Следует отметить, что образование в составе УВЖТ низкомолекулярных фракций углеводородов приводит к возрастанию теплоты сгорания той части топлива, которая подверглась механодеструкции в результате кавитационного воздействия. Например, если в результате кавитационной обработки смеси бутана (С₄Н₁₀) и изобутана (С₄Н₁₀) с теплотами сгорания -ΔН°₂₉₈=2877,13 кДж/моль и -ΔН°₂₉₈=2868,76 кДж/моль и средней теплотой сгорания -ΔН°₂₉₈=2872,94 кДж/моль соответственно произошло разделение этих соединений на этилен (С₂Н₄) и этан (С₂Н₆) с теплотами сгорания -ΔН°₂₉₈=1410,97 кДж/моль и -ΔН°₂₉₈=1559,88 кДж/моль соответственно (Краткий справочник физико-химических величин. / Под ред. А.А.Равдел, A.M.Пономаревой. Л.: Химия. 1983. 232 с.), то при полном превращении смеси бутана и изобутана в этилен и этан теплота сгорания конечных продуктов механодеструкции выше теплоты сгорания исходного топлива на величину -ΔН°₂₉₈*:

-ΔН°₂₉₈*=1410,97+1559,88-2872,94=97,91 кДж/моль,

что в расчете на моль исходного продукта составляет 3,4% от теплоты сгорания исходного топлива.

Проведенные экспериментальные исследования показали также, что в результате кавитационного воздействия на воду происходит механодеструкция молекул воды с образованием конечных продуктов: озона О₃, перекиси водорода Н₂О₂ и водорода Н₂ (Кулагин В.А. Методы и свойства технологической обработки многокомпонентных сред с использованием эффектов кавитации. Авт. докт. дис. Красноярск. КГТУ. 2004 г. 379 с.).

При производстве товарных мазутов содержание воды в них доходит до 2% (Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов. Л.: Недра. 1989. 304 с.), а в водомазутных смесях составляет от 5 до 20% (Кормилицын В.И., Радаев В.В. Высокоэффективное сжигание водосодержащих мазутов. // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2003. №3, с.22, 23).

Отсюда следует, что при механодеструкции в кавитирующих устройствах параллельно происходящие процессы механодеструкции высокомолекулярных углеводородных молекул и молекул воды сопровождаются процессом гидрирования продуктов механодеструкции углеводородного сырья водородом - продуктом механодеструкции воды, что обеспечивает стабильность образующихся низкомолекулярных соединений. Конечные продукты механодеструкции воды - озона и перекиси водорода - являются высокоактивным окислителем, а водород - высокоактивным горючим, которые равномерно распределены внутри всего объема топлива, что также ускоряет процесс его воспламенения и эффективность последующего горения топлива.

Таким образом, подвод механической энергии, осуществляемый за счет кавитационной обработки в ходе механохимической деструкции позволяет изменить физико-химические свойства исходного сырья (мазута, нефтяных остатков, водомазутных смесей и т.п.) в направлении повышения содержания низкомолекулярных, низкокипящих фракций углеводородов с большей теплотой сгорания и образования в составе смеси высокоактивного окислителя. Оба эти фактора способствуют улучшению технологических и теплотехнических характеристик обработанного топлива в сравнении с их исходными значениями.

Предложенный способ позволяет минимизировать энергозатраты на обработку топлива за счет ограничения числа кавитационных воздействий, которое будет определяться текущими значениями содержания низкомолекулярных, низкокипящих фракций углеводородов в обработанном топливе, а не будет предварительно задано. Например, если заданное число обработок больше оптимального, определяемого по предложенному способу, то излишние энергозатраты связаны с затратами энергии на продавливание топлива через кавитационное устройство во время этого избыточного числа обработок. Если, наоборот, заданное число обработок меньше оптимального, то максимально возможная степень кавитационного воздействия не будет реализована. Для компенсации этого будет необходимо затратить некоторое количество дополнительной энергии, например, за счет сжигания того же топлива, что эквивалентно увеличению энергозатрат на его обработку. Таким образом, предлагаемый способ обработки УВЖТ позволяет минимизировать энергозатраты на обработку при использовании любого кавитационного оборудования.

На фиг.2 изображена принципиальная технологическая установки для реализации предлагаемого способа подготовки углеводородных высоковязких жидких топлив, преимущественно мазута, к использованию при сжигании в котельных установках.

Установка включает: резервуар с исходным топливом 1, подающий насос 2, нагреватель 3, фильтрующее устройство 4, входной регулятор расхода 5, рециркуляционный насос 6, кавитационное устройство 7, выходной регулятор расхода 8, клапан 9, приемный резервуар 10, вакуум-насос 11, устройство для отбора и анализа проб 12, управляющее устройство 13, рециркуляционный трубопровод обработанного топлива 14, участки соединительных трубопроводов 15 и 16, кабели передачи сигналов управления 17-20.

Способ реализуется следующим образом.

Из резервуара 1 исходное топливо насосом 2 последовательно подается в нагреватель 3 и в фильтрующее устройство 4 и далее через входной регулятор расхода 5 по трубопроводу 16 на вход рециркуляционного насоса 6. Выходной регулятор расхода 8 закрыт, клапан 9 открыт. Из насоса 6 топливо поступает в кавитационное устройство 7, после кавитационного воздействия обработанное топливо по трубопроводам 15, 14 и 16 поступает на вход насоса 6. Вакуум-насос 11 создает разрежение 60-70 КПа на выходе из кавитационного устройства, способствующее повышению интенсивности кавитационного воздействия. Одновременно в устройстве для отбора и анализа проб 12 производят отбор и фракционный анализ пробы топлива после кавитационного воздействия и определяют содержание низкомолекулярных фракций углеводородов. Эффективность кавитационного воздействия оценивается по повышению выхода низкомолекулярных, низкокипящих фракций углеводородов, отобранных при термическом фракционировании в заданном температурном интервале, например от 20 до 200°С (350°С) по стандартной методике, например, на аппарате АРН-2. Полученную информацию по кабелю 17 передают в управляющее устройство 13, которое вырабатывает управляющие сигналы (команды), передаваемые по кабелям 18, 19 и 20 на регуляторы расхода 5, 8 и клапан 9 соответственно. Процедура выработки управляющих сигналов рассмотрена выше. Регулятор расхода 5, первоначально находившийся в положении "открыто", после заполнения исходным топливом и топливом после кавитационного воздействия насоса 6, кавитационного устройства 7 и трубопроводов 15, 14 и 16, управляющим устройством 13, переводится в положение "закрыто". По исполнении этого управляющего сигнала насос 2 отключается. На основе накапливаемой в управляющем устройстве 13 информации о свойствах обработанного топлива, выходящего из кавитационного устройства 7, в момент времени, определяемый из условия, что содержание низкомолекулярных фракций углеводородов достигло заданного уровня от максимального и практически перестало изменяться, рециркуляция должна быть прекращена, управляющее устройство 13 вырабатывает управляющие сигналы (команды) на открытие регулятора расхода 8 и закрытие клапана 9, обеспечивающих поступление обработанного топлива в резервуар 10. Далее процедура обработки новой порции топлива повторяется. На сжигание в котельную установку обработанное топливо направляется из резервуара 10.

Примеры реализации способа.

Пример 1. Мазут обрабатывался по предложенному способу. В исходном мазуте содержание низкомолекулярных фракций составляло 14%, а содержание воды 3%. При обработке по предложенному способу пятикратное кавитационное воздействие обеспечивало возрастание содержания низкомолекулярных фракций до 21% при снижении содержании воды до 2,9%. При проведении пятой обработки содержание низкомолекулярных фракций практически не изменилось по сравнению с их содержанием после четвертой обработки, что свидетельствовало о достижении их предельного содержания после четырехкратной обработки - минимальном количестве обработок, указанном в прототипе. Энергозатраты на обработку в данном случае были минимальны.

Пример 2. По предложенному способу обрабатывалась тяжелая нефть со следами содержанием низкомолекулярных фракций (менее С₈) и содержанием воды 5%. При обработке по предложенному способу четырехкратное кавитационное воздействие обеспечило возрастание содержания низкомолекулярных фракций (C₅-С₁₀) на 7,7% при снижении содержания воды до 4,91%. При проведении четвертой обработки содержание низкомолекулярных фракций практически не изменилось по сравнению с их содержанием после третьей обработки, что свидетельствовало о достижении их предельного содержания после трехкратной обработки. При этом оптимальное число обработок - три - было меньше минимального числа обработок (четыре), указанного в прототипе. Энергозатраты на обработку по предложенному способу уменьшились по сравнению с прототипом на 25%.

Предложенный способ подготовки углеводородных высоковязких жидких топлив, преимущественно мазута, к сжиганию в котельных установках может использоваться для обработки УВЖТ с любым кавитационным оборудованием.

Способ подготовки углеводородных высоковязких жидких топлив, преимущественно мазута, к сжиганию в котельных установках, включающий подогрев и эмульгирование топлива путем интенсивного кавитационного воздействия с последующей рециркуляцией, при перепаде давления в зоне кавитации кавитационного устройства в диапазоне 2-25 кгс/см², отличающийся тем, что после каждого кавитационного воздействия при давлении на выходе из кавитационного устройства 50-70 кПа, одновременно отбирают пробу обработанного углеводородного высоковязкого жидкого топлива, проводят его фракционирование и определяют процентное содержание низкомолекулярных фракций углеводородов в сравнении с их содержанием в исходном топливе, по достижении максимального содержания в обработанном топливе низкомолекулярных фракций углеводородов, прекращают рециркуляцию и его направляют на сжигание.