Морозова Екатерина Александровна. Разработка и исследование технологии эмульгирования мазута с целью оптимизации режимов горения в топке для повышения надежности, экономичности и экологической безопасности энергетических котлов

Краткое описание

Морозова Екатерина Александровна. Разработка и исследование технологии эмульгирования мазута с целью оптимизации режимов горения в топке для повышения надежности, экономичности и экологической безопасности энергетических котлов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.14.01 / Морозова Екатерина Александровна; [Место защиты: Моск. энергет. ин-т]. - Москва, 2008. - 143 с. : ил. РГБ ОД, 61:08-5/614

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
На правах рукописи
04."2.0 0 S 13334 “
МОРОЗОВА ЕКАТЕРИНА АЛЕКСАНДРОВНА
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭМУЛЬГИРОВАНИЯ МАЗУТА С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ГОРЕНИЯ В ТОПКЕ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ, ЭКОНОМИЧНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ
Специальность: 05 Л 4.01 «Энергетические системы и комплексы»
ДИССЕРТАЦИЯ
НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Зройчиков Н.А.
МОСКВА 2008 г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4.
ГЛАВА 1 .ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 10
1.1. Основные аспекты и проблемы сжигания мазута на ТЭС 10
1.2. Эмульгирование мазута. Основные процессы и механизмы сжигания водомазутной эмульсии на котлах 15
1.3. Методы комплексного подхода применения ВМЭ совместно с режимно¬технологическими мероприятиями для подавления выбросов вредных веществ 25
1.4. Влияние характеристик водомазутной эмульсии на образование сажи и бенз(а)пирена 40
1.5. Выводы по главе 1. Постановка задач исследований 49
ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО КАВИТАТОРА СИСТЕМЫ МЭИ-ТЭЦ-23 И СХЕМЫ УСТАНОВКИ НА ТЭЦ 51
2.1. Обзор существующих типов эмульгирующих устройств, их достоинства и недостатки 51
2.2. Описание конструкции и принципа действия нового гидродинамического кавитатора системы МЭИ-ТЭЦ-23 58
2.3. Численное моделирование процесса кавитации и создание физической модели. Методика расчета конструкционных характеристик 65
2.4. Результаты численного моделирования процесса кавитации 73
2.5. Разработка схемы установки гидродинамического кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23 на участках мазутного хозяйства ТЭЦ 75
2.6. Выводы по главе 2 80
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 81
3.1. Описание объекта проведения экспериментальных исследований 81 
3.2. Подготовка, условия и объемы проведенных экспериментальных работ 82
3.3. Методика проведения испытаний кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23 83
3.4. Описание приготовления препарата для микрокопирования 85
3.5. Описание тепловых испытаний котлов ТГМП - 314 и ТГМ-96 при сжигании мазута и ВМЭ 86
3.6. Погрешности измеряемых параметров 89
3.7. Выводы по Главе 3 90
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССОВ СЖИГАНИЯ ВОДОМАЗУТНОЙ ЭМУЛЬСИИ РАЗЛИЧНОЙ ДИСПЕРСНОСТИ НА ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ ЧИСТОТУ, НАДЕЖНОСТЬ И ЭКОНОМИЧНОСТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ 91
4. ]. Исследования характеристик водомазутной эмульсии, получаемой с использованием кавитатора новой конструкции системы МЭИ-ТЭЦ-23 91
4.2. Результаты тепловых испытаний котлов ТГМП-314 (ст.№8) и ТГМ-96 (ст.№4) ТЭЦ-23 при сжигании мазута и ВМЭ с различной дисперсностью 101
4.3. Анализ результатов измерений концентраций вредных веществ в дымовых газах котлов 102
4.4. Исследование влияния сжигания водомазутной эмульсии на параметры надежности работы котельного оборудования 109
4.5. Исследование влияния сжигания водомазутной эмульсии на экономичность работы котельного оборудования 112
4.6. Расчет снижения валовых выбросов оксидов азота при сжигании ВМЭ 117
4.7. Выводы и рекомендации по главе 4 118
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 121
133
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
В топливном балансе энергетики России растет внимание к альтернативным природному газу видам топлива. Прежде всего, это связано со стратегическими подходами в развитии экономики страны. Использование мазута в виде резервного топлива является традиционным решением, но в последние время доля его сжигания возрастает.
В этих условиях оптимизация методов сжигания мазута в части экономичности, надежности и экологичности работы энергетических котлов является актуальной.
Сжигание мазута со значительным содержанием влаги вызывает трудности в поддержании стабильных режимов работы котлов, усложняет эксплуатацию и приводит к нарушениям процессов горения. Возрастает опасность срыва факела, в результате образования водяных пробок в мазутных форсунках. Нарушение оптимального соотношения между подачей топлива и воздуха приводит к затягиванию факела и неравномерности температурного обогрева топочных экранов котла.
Надежность работы оборудования системы топливоподачи (мазутных насосов, мазутоподогревателей, фильтров) во многом зависит от качества рециркулируемого мазута. Процессы старения и обводнения мазута, увеличивают его вязкость и приводят к образованию отложений в насосах, фильтрах и мазутопроводах, вызывая дополнительные затраты на его перекачку.
В процессе слива и длительного хранения в мазуте всегда присутствует вода в виде грубодисперсной фазы. В результате неравномерного распределения в баках, она начинает постепенно осаждаться на дне емкостей. Утилизация таких подтоварных вод вызывает значительные затраты на предприятиях, попутно обостряя проблему загрязнения земли и сточных вод нефтепродуктами.
Для устранения отрицательных моментов при сжигании мазута необходимо решить комплекс проблем: обеспечить надежность сжигания мазута с
повышенной влажностью, снизить образование токсичных веществ (NOx, СО,
бенз(а)пирена, сажи, S02, H2S, и др.), предотвратить снижение надежности работы поверхностей нагрева котлов, обеспечить высокую экономичность использования топлива. Существующими режимно-технологическими мероприятиями на ТЭС не всегда удается снизить выбросы загрязняющих веществ до нормативных значений, поэтому возникает необходимость поиска новых, эффективных и малозатратных методов производства тепло- и электроэнергии. Это сложная и актуальная задача. Одним из путей ее решения является подготовка мазута перед сжиганием, в виде водомазутной эмульсии (ВМЭ). Большую актуальность имеют работы, посвященные изучению влияния дисперсионных характеристик ВМЭ на основные параметры работы котлоагрегатов.
Применительно к котлам средней и большой мощности большинства ТЭС, эта актуальность заключена в следующих вопросах:
- подбор характеристик ВМЭ (дисперсность, влажность) для конкретного типа горелочного устройства котлоагрегата;
сочетание применяемых на котлах режимно-технологических экологических мероприятий со сжиганием ВМЭ различного фазового состава, при сохранении высокой надежности и экономичности работы оборудования.
Из-за большой сложности процессов сжигания мазута решающая роль в разработке таких технологий принадлежит экспериментальным исследованиям.
Целью данной научной работы явилось: создание гидродинамического кавитационного аппарата системы МЭИ-ТЭЦ-23, получение в нем высококачественной водомазутной эмульсии с изменяемыми физическими характеристиками (дисперсность, вязкость) в процессе эксплуатации основного и вспомогательного оборудования ТЭС. Разработка различных вариантов схем установки кавитатора на участках мазутного хозяйства ТЭС. Проведение испытаний с определением характеристик получаемой ВМЭ и полномасштабных промышленных испытаний в комплексе с режимно-технологическими мероприятиями, такими как: рециркуляция дымовых газов, ступенчатое сжигание топлива, применение малотоксичных горелочных устройств, для изучения влияния ВМЭ различной дисперсности, (постоянной влажности) на основные показатели надежности, экономичности и экологической безопасности энергетических котлов различной мощности.
Сделанный автором обзор литературных данных в области сжигания водомазутной эмульсии свидетельствует о том, что практически полностью отсутствуют данные о влиянии дисперсионных характеристик ВМЭ на параметры надежности, экономичности и экологической безопасности котельного оборудования. Нет однозначных результатов влияния влажности ВМЭ на выбросы оксидов азота и бенз(а)пирена. Обзор научных работ приведен в главе 1.
Во второй главе дано подробное описание новой конструкции гидродинамического кавитационного аппарата системы МЭИ-ТЭЦ-23 с регулируемым проходным сечением, сравнение его с ранее разработанными эмульгирующими устройствами. Приведен алгоритм выполнения расчетов, расчетные варианты режимов работы и технические характеристики прибора. Создана трехмерная модель кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23 в программе SolidWorks, на основании которой, в программе CosmosFloWorks построена физическая модель процесса кавитации, оптимизированы параметры работы кавитатора и выбраны основные конструкционные характеристики. Даны возможные варианты схемы установки устройства на участке мазутного хозяйства ТЭС.
В третьей главе изложена методика проведения экспериментальных исследований кавитатора с расширенным объемом измерений и использованием современной приборной базы. Рассмотрены технологии отбора и анализа проб мазута и ВМЭ на дисперсность, вязкость, калорийность, влажность и серосодержание. Дано описание методики проведения тепловых испытаний котлов.
В четвертой главе представлены результаты лабораторных исследований мазута и ВМЭ в различных режимах работы кавитатора на участке мазутного хозяйства ТЭС, выполнен анализ влияния скоростей потока и расхода мазута на дисперсность и вязкость получаемой эмульсии. Проведен анализ экспериментальных исследований при сжигании ВМЭ различной дисперсности,
постоянной влажности на параметры надежности и экологической безопасности котлов ТГМП-314 и ТГМ-96.
Проведена оценка эффективности влияния сжигания водомазутной эмульсии на экономичность работы котельного оборудования.
В заключении диссертационной работы приведен список литературных источников и список приложений.
Научная новизна
Создана математическая модель для получения тонкодисперсной водомазутной эмульсии, на основе которой был построен процесс протекания кавитации в устройстве струно-соплового типа разработки МЭИ-ТЭЦ-23.
Проведена расчетная оптимизация конструктивных и режимных параметров гидродинамического активатора системы МЭИ-ТЭЦ-23.
Получены экспериментальные данные влияния скорости процесса кавитации на дисперсный состав получаемой ВМЭ, на базе которых построена линейная зависимость для данного процесса.
Найдены оптимальные характеристики качества получаемой ВМЭ в зависимости от расхода мазута и исследованы процессы влияния фазового состава приготавливаемой ВМЭ на технологию эффективного сжигания топлива.
Определены динамика и характер распределения концентраций основных загрязняющих веществ в дымовых газах котлов, в зависимости от дисперсности ВМЭ и скорости процесса кавитации.
Практическая ценность работы заключается
В разработке и внедрении в производство кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23 (заявка на патентование изобретения №2008109717), позволяющего получать высококачественную ВМЭ с изменяемыми характеристиками, при изменении величины проходного сечения в процессе эксплуатации основного и вспомогательного оборудования ТЭС при расходах мазута и ВМЭ до 450 т/ч.
Впервые проведены комплексные испытания на котлах типа ТГМ-96 и ТГМП-314 сочетающие наиболее эффективные режимно-технологические мероприятия со сжиганием мазута в виде ВМЭ с изменяемыми характеристиками
дисперсности. Найдены и рекомендованы к длительной практической эксплуатации режимы сжигания топлива, обеспечивающие экологическую чистоту, надежность и экономичность работы мощных котлов СКД.
В результате исследований заложены основы комплексного подхода к решению проблем выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании ВМЭ одновременно с сохранением высокой надежности и экономичности работы котлов.
Личный вклад автора заключается в выполнении всех этапов данной работы, в разработке и осуществлении расчетов нового кавитирующего устройства, начертании сборочных и монтажных чертежей конструкции, в сопровождении его изготовления и внедрения на участке мазутного хозяйства ТЭЦ-23.
В формировании программ комплексных экспериментальных исследований, постановке конкретных задач и методик их проведения, непосредственном участии в проведении опытов, обобщении и анализе полученных результатов с выдачей рекомендаций по совершенствованию режимов работы оборудования ТЭЦ при работе на мазуте.
На защиту выносятся следующие результаты выполненной работы:
1. Расчет математической модели кавитатора МЭИ-ТЭЦ-23, с определением
основных конструкционных характеристик и технических параметров его работы. Разработка схемы установки прибора на участке мазутного хозяйства ТЭЦ.
2. Основные положения методики проведения экспериментальных работ для решения сопряженных задач по обеспечению надежности, экономичности и экологической безопасности энергетических котлов.
3. Результаты экспериментальных исследований по оптимизации кавитационных режимов работы прибора, с определением эффективных характеристик фазового состава получаемой ВМЭ.
4. Анализ результатов промышленных испытаний котлов ТГМП-314 и ТГМ-96 по оптимизации топочных режимов сжигания ВМЭ различной дисперсностью в комплексе с режимно-технологическими мероприятиями.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Котельные установки и экология энергетики» Московского энергетического института (Технического университета). Научный руководитель д.т.н., проф. МЭИ (ТУ), директор ТЭЦ-23- филиал ОАО «Мосэнерго» - Н.А. Зройчиков.

Список литературы

В четвертой главе диссертации представлены результаты экспериментального исследования эффективности работы кавитатора новой конструкции системы МЭИ-ТЭЦ-23, а также результаты комплексных испытаний энергетических котлов ТЭЦ-23 при сжигании мазута в виде ВМЭ.
По результатам испытаний кавитатора системы МЭИ-ТЭЦ-23 сделаны следующие выводы:
-во всех проведенных экспериментах были получены положительные результаты, т.е. кавитатор готовит водомазутную эмульсию высокого качества; -дисперсионный состав ВМЭ имеет прямую зависимость от скорости потока, чем выше скорость, тем эффективнее работает кавитатор, тем выше качество получаемой ВМЭ;
-получена зависимость степени дисперсности ВМЭ от скорости потока среды в проточной части кавитатора. Такая зависимость для устройств подобного типа получена в данном исследовании в первые;
-наиболее эффективным режимом является третий, с перекрытием трех каналов и максимальной скорости потока. Количество крупных водных включений снижается в 2-2,5 раза. На 70-80 % преобладают частицы воды размерами до 1,27-1,37 мкм. При расходе мазута (ВМЭ) на уровне 250 т/ч этот режим работы кавитатора рекомендован как основной;
-микрофотографии образцов ВМЭ явно подтверждают высокую эффективность разработанной модели кавитационного аппарата системы МЭИ- ТЭЦ-23;
-измеренный перепад давления во всех режимах при расходе мазута(ВМЭ) на уровне 250 т/ч не превышает 2,5 кг/см2 , что вполне удовлетворительно по условиям работы оборудования мазутонасосной при сжигании мазута в котлах;
-испытания показали, что внедренный на ТЭЦ-23 кавитатор надежен, удобен в эксплуатации, позволяет без остановки подачи мазута(ВМЭ) к котлам изменять величину проходного сечения и тем самым дисперсность ВМЭ;
По результатам комплексных испытаний котла ТГМП-314 (ст.№8) ТЭЦ- 23 сделаны следующие выводы:
- на мощном энергетическом котле предложен и реализован режим сжигания мазута в виде ВМЭ переменной дисперсности в сочетании с конструктивными и режимно-технологическими мероприятиями (малотоксичная горелка ТКЗ-ВТИ, ступенчатое сжигание, рециркуляция дымовых газов в зону горения);
- найдено оптимальное сочетание режима работы кавитатора системы МЭИ- ТЭЦ-23 и параметров предложенного режима сжигания топлива, позволяющее решать комплексную задачу обеспечения экологической чистоты, надежности и экономичности работы котла;
- в реализованном режиме сжигания топлива (ВМЭ) достигнут и даже превзойден экологический норматив по концентрациям оксидов азота в дымовых газах-250 мг/нм3;
- в реализованном режиме сжигания топлива (ВМЭ) применение режимно¬технологических мероприятий по снижению выбросов оксидов азота до нормативного уровня не привело к существенному увеличению образования продуктов недожога и других вредных веществ (СО, С20Н12 и др.);
- сжигание мазута в виде высококачественной ВМЭ позволяет сохранять высокую надежность работы котла при применении ступенчатого сжигания и рециркуляции дымовых газов. В первую очередь это отсутствие интенсивной высокотемпературной коррозии экранов топочной камеры из-за образования
H2S в пристенных зонах топки. Практически впервые найденный режим сжигания мазута (ВМЭ) можно рекомендовать к длительной эксплуатации;
- в реализованном режиме сжигания топлива (ВМЭ) сохраняется высокая экономичность работы котла. Переход на сжигание высококачественной ВМЭ в сочетании с предельно низкими избытками воздуха позволяет не только сохранить КПД котла на высоком уровне, но даже повысить его с 91,97% до 92,12%;
- в результате снижения коэффициента избытка воздуха с 1,09 до 1,05, за счет снижения удельных расходов электроэнергии на тягодутьевые установки с 6,57 до 6,46 кВт-ч/Гкал, расчетная экономия топлива на один котел ТГМП-314 ст.№8 составляет 0,71 г/кВт-ч;
- за счет экспериментально полученного снижения концентраций оксидов азота в дымовых газов котлов ТГМП-314 и ТГМ-96, уменьшение общегодового валового объема NOx для всего оборудования ТЭЦ-23 составит 1134,92 т/год, что в свою очередь приведет к существенному снижению платы за негативное воздействие на окружающую среду;
- выполненное исследование представляет собой комплексную методику решения сопряженных задач по обеспечению экологической чистоты, надежности и экономичности работы мощных котлов СКД при сжигании мазута.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Программа развития и технического перевооружения московской энергосистемы до 2020 г. представлена на Совете по надежности РАО ЕЭС России. // Мировая энергетика. - 2006г. - С. 165-169.
2. Воронин В.П., Романов А.А., Земцов А. Пути технического перевооружения электроэнергетики // Теплоэнергетика - 2003. - № 9. - С. 2—6.
3. О стратегии развития электроэнергетики России на ближайшие 15 лет/ Энергетик. -2001. —№ 1 — С. 2-5.
4. Саакян Ю.З. Системные проблемы развития газовой отрасли: возможности и пути решения // Научно-практическая конференция «Естественные монополии России: задачи и их решения» - М., 2006. - С. 71 - 75.
5. Нигматулин Б.И. Структура электроэнергетики России: тенденции и прогнозы // Научно-практическая конференция «Естественные монополии России: задачи и их решения» - М., 2006. - С. 3 - 8.
6. Василенко В.Е., Попова А.А., Пушкарева В.Ю. Ранжирование областей центрального федерального округа по видам выбросов от стационарных источников загрязнения // Экологический вестник России. - 2004. - № 9. - С.22-
7. Ольховский Г.Г. Глобальные проблемы энергетики // Электрические станции. - 2005. — № 1. — С.4-10.
8. Троицкий А.А. Энергоэффективность, как фактор влияния на экономику, бизнес организацию энергосбережения // Электрические станции. — 2005. - № 1. — С.11-16.
9. Тумановский А.Г. Экологические проблемы ТЭС // Электрические станции. — 2005. -№ 1. - С.54—58.
10. В.П. Глебов, А.П. Зыков, Шмиголь И.Н. Основные проблемы ТЭС России в области охраны атмосферного воздуха. Эффективное оборудование и новые технологии в современную энергетику// Сборник докладов ВТИ. - М., 2001г. - С.174 - 176.