Корягин Виктор Александрович Сжигание водотопливных эмульсий и снижение вредных выбросов на промышленно-отопительных котельных

Краткое описание

САНКТ - ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО - СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КОРЯГИН ВИКТОР АЛЕКСАНДРОВИЧ

СЖИГАНИЕ ВОДОТОПЛИВНЫХ ЭМУЛЬСИЙ И СНИЖЕНИЕ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ НА ПРОМЫШЛЕННО-ОТОПИТЕЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ

05.23.3. - теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург
1998г.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.................................................... 4
1. Анализ современного состояния проблемы повышения эффективности
сжигания водотопливных эмульсий........................ 10
1.1. Приготовление водотопливных эмульсий и их характеристики...13
1.2. Горение капель водотопливной эмульсии................. 34
1.3. Процессы горения факела водотопливной эмульсии.... ....41
1.4. Постановка задач исследования........................ 53
2. Влияние дисперсности капель воды на характеристики
водотопливных эмульсий................................. 58
2.1.Образование эмульсий и дисперсные характеристики водной
фазы.................. ,............................... 58
2.2. Реологические свойства водотопливных эмульсий.... .....74
2.3. Теплотехнические характеристики водотопливных эмульсий....100

3.Особенности процессов горения капли водотопливной эмульсии..118

3.1. Физические процессы горения капель эмульсии.......... 118
3.2. Нагрев и статическое равновесие фаз в капле водотопливной
эмульсии............................................ 123
3.2.1. Теплообмен между топочными газами и каплей......... 123
3.2.2. Нагрев капли водотопливной эмульсии................ 127
3.2.3. Поверхностные силы действующие в капле эмульсии.... 139
3.3. Микровзрыв капли водотопливной эмульсии............ 143
3.3.1. Феноменология микровзрыва.......................... 143
3.3.2. Условия возникновения паровой фазы................. 149
3.3.3. Динамика роста парового пузырька................... 161
3.3.4. Условия микровзрыва капли эмульсии................. 181
4. Подготовка водотопливных эмульсий к сжиганию............ ...195
4.1. Роторные аппараты для приготовления эмульсий............. ..195

4.2. Выбор аппарата для приготовления водотопливных эмульсий...204
4.3. Технологические схемы подготовки водотопливных эмульсий...209
5. Влияние воды, диспергированной в жидком топливе, на процессы

з
горения и образования вредных веществ................... 220
5.1. Выгорание факела водотопливной эмульсии.............. 221
5.2.Образование токсичных вредных соединений в пламени
водомазутной эмульсии................................. 237
5.2.1. Методы измерения концентрации сажистых частиц и
канцерогенных веществ............................ ...238
5.2.2. Влияние дисперсно-влажностных характеристик эмульсии на
выбросы сажистых частиц и ПАУ........................ 247
5.2.3. Подавление синтеза оксидов азота и нитрозаминов в факеле
водотопливной эмульсии............................. 263
5.3.Особенности теплообмена в топочной камере............... 277
б.Технико-экономическая эффективность сжигания водотопливных эмульсий.............................................. 292
6.1. Влияние параметров водотопливных эмульсий на технико-экономические показатели их сжигания в топочных устройствах....293
6.1.1. Изменение составляющих теплового баланса топочного
устройства........................................... 293
б. 1.2.Оптимальные режимные параметры работы топочных устройствЗОЗ
6.2.Экологическая эффективность сжигания водотопливной
эмульсии ............................................. 315
б. 2.1. Термическое обезвреживание загрязненных вод........ 315
6.2.2. Распределение нагрузки и обезвреживаемой влаги между
агрегатами......................................... 318
б.3.Экономическая оценка изменения качества обводненного
жидкого топлива....................................... 323
Основные выводы............................................ 334
Литература................................................. 341
Приложения. . ................................................ ............. 367

4

ВВЕДЕНИЕ
Сжигание жидких углеводородных топлив обеспечивает в настоящее время получение преобладающей части энергии, потребляемой на земном шаре. По своим технико-экономическим и экологическим преимуществам жидкое топливо уступает только газу и в настоящее время широко используется в стационарной промышленной и транспортной энергетике. Это делает обоснованным поиск решений, направленных на совершенствование процессов сжигания этих топлив в топочных устройствах и различных камерах сгорания. В процессе поиска таких решений особое внимание должно уделяться экологическим аспектам сжигания жидкого топлива.
Основным источником получения жидкого топлива является нефть. Ценность нефти заключается не только в использовании ее для получения светлых продуктов и топлива, но и в использовании ее в качестве сырья для производства других химических продуктов и материалов. В связи с этим углубилась переработка нефти, и расширилось ее использование в нефтехимической, химической, микробиологической и других отраслях промышленности и наметилась тенденция замены маловязких видов жидкого топлива на более вязкие и «тяжелые» остаточные продукты нефтеперегонки - мазуты. Ухудшения свойств жидких энергетических топлив следует ожидать и в связи с ожидаемым освоением нетрадиционных источников углеводородного сырья - тяжелых высоковязких нефтей и природных битумов с ухудшенными физико-химическими свойствами [227].
Эффективность использования жидких энергетических топлив во многом определяется соответствием их характеристик требованиям потребителей. Однако, сравнение свойств и характеристик топочных мазутов и других видов жидких энергетических топлив [28, 120], показывает, что переход энергетики на сжигание мазутов марки М-200 и других более вязких тяжелых топлив вызовет дополнительные труд-

5

ности, имеющие место при транспортировании, сливе, хранении и подготовке к сжиганию, а также различные нарушения процессов горения .
Среди причин, вызывающих эти дополнительные трудности и связанных с изменением состава топлива, особое место занимает повышенное содержание в составе мазута асфальтосмолистых веществ и воды, содержание которой может превышать 10, а у высоковязких топлив достигать 20%.
В этой связи^ разработка простых, надежных и экономичных методов подготовки и сжигания высокообводненных и высоковязких топлив является актуальной и вызвана не только усложнением эксплуатации мазутных хозяйств или необходимостью реконструкции и замены большей части технологического оборудования мазутных хозяйств, но и, в большей мере, возможными нарушениями режимов горения топлива. Присутствие значительного количества воды в топливе приводит к образованию водяных пробок, которые, поступая к форсункам, прерывают равномерную подачу топлива, вызывают охлаждение топочного пространства и даже срыв факела с прекращением процессов горения. Повышенная вязкость и неоднородность состава тяжелых мазутов является причиной ухудшения дисперсности распыла топлива и соответствующего увеличения потерь от неполноты его сгорания. Сжигание же обводненных топлив, наряду со снижением экономической эффективности топочных устройств, вызванным нарушениями режимов горения топлива, сопровождается выбросами недого- ревшего топлива в виде токсичного оксида углерода (СО), сажистых частиц и канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), поступающих с продуктами сгорания в атмосферу. Процессы горения практически всех видов топлива, в том числе и жидких любого качества, связаны с образованием оксидов азота (N0, И02) г а при наличии в составе топлива соединений серы - и с обра-

6

зованием оксидов серы (S02, [174].

S03) также поступающих в атмосферу

Наиболее простым и самым распространенным методом удаления присутствующей в топливе воды является отстаивание. Однако плотность высоковязких тяжелых мазутов, близкая и даже превышающая плотность воды, не обеспечивает ее полного удаления [28, 45, 75, 136]. Применение в мазутных хозяйствах других методов обезвоживания, например, выпариванием, электрообезвоживанием, центрифугова- нием, сдерживается отсутствием специального промышленного оборудования и значительными капиталовложениями на достаточно сложные и дорогостоящие сооружения. Необходимость применения очистных сооружений вызвана тем, что выделенная из жидких топлив вода, из включения «загрязняющего» топливо, сама становится загрязненной нефтепродуктами и без очистки до ПДК не должна сбрасываться в канализацию или водоемы [158].
Промышленные испытания оборудования для очистки нефтесодержащих сточных вод [168, 218] показали, что несмотря на применение даже многоступенчатых схем очистки, остаточное содержание нефтепродуктов в сточной воде составляет 0,5-2 мг/л. В то же время, постоянное повышение требований к степени очистки сточных вод (до 1970г. достаточно было очищать сточные воды от нефтепродуктов до их содержания 0,3 мг/л, затем органы охраны водоемов снижали ПДК на нефтепродукты для водоемов рыбохозяйственного назначения до 0,1 мг/л и в настоящее время до 0,05 мг/л) показывает, что очистные сооружения топливосжигающих предприятий не могут обеспечить требования ПДК на содержание нефтепродуктов. В такой ситуации наиболее простым методом защиты водоемов от загрязнений будет термическое обезвреживание нефтесодержащих сточных вод [29], так как низкая эффективность обезвоживания мазута методом отстаивания и отсутствие эффективных очистных сооружений абсолютного большин-

7

ства мазутных хозяйств приводит к сбросу в канализацию и водоемы загрязненных мазутом вод и разовым сбросам мазута. Кроме этого, сбрасываются загрязненные различными нефтепродуктами подтоварные воды и конденсат из мазутоподогревателей. Концентрация мазута в усредненных стоках может колебаться от 10 до 40 мг/л, а в некоторых потоках содержание нефтепродуктов периодически достигает 100-500 мг/л и выше [28, 158]. При сбросе сточных вод, содержащих тяжелые нефтепродукты (мазут), существует реальная опасность образования донных отложений, отсекающих флору и фауну водоемов от мест обитания и кормления, а содержание серы в таких нефтепродуктах будет губительно воздействовать на молодь и икру рыб [168].

Список литературы

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.
1. Наметившаяся в настоящее время тенденция замены маловязких видов жидкого топлива на более вязкие тяжелые энергетические топлива, транспортировка и подготовка к сжиганию которых сопровождается их обводнением, и повышающиеся экологические требования к условиям их использования требуют разработки новых технологических элементов во всей цепи, связанной с подготовкой и сжиганием таких топлив, что влечет за собой дополнительные затраты на разработки и реконструкцию топливных хозяйств. Однако отечественные разработки в области сжигания высокообводненых жидких топлив дают основание решать предстоящие задачи более простым и дешевым путем - гомогенизацией смеси воды и топлива и сжиганием их в виде водотопливной эмульсии.
2. Анализ теоретических и экспериментальных исследований сжигания водотопливных эмульсий показал эффективность эмульгирования и гомогенизации обводненных жидких топлив как метод повышения их качества и обеспечения требований, предъявляемых к ним потребителями и защитой окружающей среды, и позволил выявить упущенные из внимания исследователей особенности характеристик и свойств эмульсий, связанные с их приготовлением, хранением, подготовкой к сжиганию и сжиганием, а также установить тенденции и противоречия имеющие место в оценках результатов исследований.
3. Экспериментальные исследования реологических свойств и устойчивости водотопливных эмульсий в зависимости от дисперсновлажностных характеристик водной фазы показали, что, кроме характеристик распределения размеров капель воды, для оценки эффективности процесса эмульгирования необходимо использовать показатели изменения удельной поверхности водной фазы. При этом было установлено следующее:
3.1. Недостаточное содержание естественных эмульгаторов -

335

поверхностно-активных веществ в маловязких топливах приводит к коалесценции водной фазы с соответствующим уменьшением ее удельной поверхности и адекватному снижению вязкости таких водотопливных эмульсий при увеличении их влажности выше определенного значения.
3.2. В эмульсиях воды и высоковязких жидких топлив (мазутов) как увеличение влажности, так и уменьшение размеров водной фазы менее 10-20 мкм, соответствующие увеличению удельной поверхности раздела фаз, ведет к росту вязкости, для оценки которой получена эмпирическая зависимость. Однако в полидисперсных эмульсиях имеющих два максимума наиболее вероятных распределений размеров водной фазы, создаются условия для агрегирования капель воды приводящие к росту вязкости и определенному увеличению поверхностного натяжения.
3.3. Определение условий стабилизации или седиментации водной фазы при хранении мазута в резервуарах показало, что наиболее интенсивное осаждение воды происходит в течении первых 100- 150 ч. с образованием прослоек и крупных включений воды на среднем и нижнем уровне хранения обводненного топлива и подтвердило низкую эффективность технологических операций по отстою воды из топлива влажностью менее 10-15%. Полученные характеристики коалесценции капель воды по высоте резервуара в зависимости от дисперсности водной фазы показали, что условная граница высоты слоя с высокой концентрацией водной фазы при отстое эмульсии влажностью 10-40%, по отношению к высоте резервуара, соответствует 0,01 влажности топлива.
4. В дополнение к нормативным методам расчета теплотехнических характеристик жидких топлив и продуктов их сгорания установлено практическое отсутствие влияния размеров дисперсной фазы водотопливных эмульсий на их температуру вспенивания и теплопро-

336

водность и определены границы применимости известных расчетных соотношений коэффициентов теплопроводности смесей жидкости обеспечивающие минимальную погрешность. В противоположность температуре вспенивания, температура вскипания эмульсий определяется размерами водной фазы возрастая до 170-180°С с уменьшением размера капель воды до 1 мкм.
5. Для приготовления водотопливных эмульсий разработан ряд аппаратов, один из которых - роторно-пульсационный ориентирован на использование центробежных насосов и может быть изготовлен в условиях практически любого предприятия. Для маловязких топлив предложено приготовление водотопливных эмульсий непосредственно в ротационных форсунках с включением в их конструкции роторно- пульсационного аппарата.
6. Для оценки эффективности работы эмульгирующих аппаратов предложено использовать значение градиента скорости изменения удельной поверхности дисперсной фазы ДЗ/Лт и составлено балансовое уравнение энергоемкости процесса эмульгирования, из расчетов по которому эффективность работы эмульгирующих аппаратов сравнивается по предложенным коэффициентам энергоемкости и экономичности.
7. Анализ принципиальных схем топливных хозяйств и их типизация позволили предложить способы и определить условия хранения, подготовки и сжигания эмульсий из обводненных жидких топлив в условиях действующих и проектируемых топливосжигающих предприятий.
8. Теоретический анализ условий теплообмена между горячими топочными газами и каплей водотопливной эмульсии и теплофизических процессов в капле позволили констатировать следующее:
8.1. Расчеты средних температур капель эмульсии и температур их поверхности по моделям с быстрым внутренним конвективно-

337

диффузионным перемешиванием (бесконечно большой теплопроводности внутри капли) и модели капли как твердого тела с предельно гомогенным составом показали, что все изменения температур находятся в области, ограниченной предельными характеристиками изменения температур компонентов эмульсии.
8.2. Учет действия сил поверхностного и межфазного натяжения на диспергированные капли воды в капле эмульсии показал, что внутреннее давление в каплях воды может достигать 0,2-0,4 МПа.
8.3. В феноменологической модели микровзрывного разрушения капли водотопливной эмульсии, составленной с учетом современных воззрений физики кипения жидкостей, было установлено, что капли воды в эмульсии практически не имеют готовых (гетерогенных) центров парообразования и находясь в метастабильном состоянии перегреваются до температур свыше 300°С, по достижении которых в капле образуется паровой зародыш. Дальнейший быстрый - взрывной рост парового пузырька, за счет аккумулированной теплоты сверхперегрева по отношению к температуре насыщения воды, приводит к микровзрывному разрушению топливной оболочки.
8.4. Расчеты по теоретической модели поведения сферически- симметричной капли эмульсии с растущим пузырьком, основанной на классических решениях методами математической физики уравнений нестационарной теплопроводности системы сферических тел с подвижными границами показали, что скорость роста парового пузырька в каплях воды радиусом от 0,5 до 10 мкм и более составляет соответственно 5-120м/с и в пределе может достигать значения 150м/с.
8.5. Из аналитически полученного условия разрушения топливной оболочки капли эмульсии следует, что микровзрыв наступает при скорости роста парового пузырька более 40 м/с, которую могут обеспечить капли воды начиная с радиуса 2,5 мкм, а оптимальные

338

дисперсные характеристики водотопливных эмульсий должны находиться в пределах значений радиусов воды 2,5-4,5 мкм.
9. Для определения концентраций сажистых частиц (СЧ), полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и нитрозосоедине- ний (НС) разработаны приставка для газохроматического определения СЧ и приборы для отбора проб ПАУ и НС на движущийся слой сорбента обеспечивающие минимально возможную погрешность отбора и анализа.
10.Экспериментальные исследования влияния воды, диспергированной в жидком топливе, на процессы горения и образования вредных веществ, а также теоретический анализ химических реакций горения показали существенность отличий горения водотопливных эмульсий и безводного топлива и позволили установить следующее:
10.1. При сжигании эмульсии выравниваются распределения полей газового состава при сокращении зон активного горения и догорания СО. Максимум температур факела при влажности эмульсии 7- 10% снизился на 50-60°С и сместился к концу зоны активного горения. Основанная на принципе максимальных локальных температур и концентраций при горении единичны капель, оценка степени диссоциации водяного пара показала, что ее значение может достигать 1,6-2,7%. Влияние вода на химические реакции горения подтверждено практически двухкратным снижением отношения СО/Н2 на начальном участке факела.
10.2. Подтверждена связь между химическими механизмами образования СЧ и ПАУ (бенз (а) пирена - БП) и влияние связи между дисперсностью и влажностью эмульсии на их генерацию. Снижение концентраций СЧ и БП достигало 80-90% при оптимальной влажности 8-12% и размере капель воды в эмульсии 8-10мкм. Определено понятие «оптимальная влажность» водотопливной эмульсии с точки зрения экономических показателей работы топливосжигающего агрегата.

339

10.3. Подавление синтеза оксидов азота при влажности эмульсии 10-20% составило 35-45%. Определение ГОХ по длине факела показало, что на начальном участке факела воздействия воды на образование N0* не наблюдается. Раздельное определение концентраций N0 и Ш2 показало, что в пламени эмульсии образуется более чем в 2 раза диоксида азота по сравнению с концентрацией Ю2 в уходящих газах. Дан вероятный механизм химических реакций, объясняющих этот эффект. Отмечено определенное увеличение выхода Юх при сжигании эмульсий с оптимальной влажностью по условиям подавления выбросов СЧ и ПАУ и дано объяснение этому эффекту.
10.4. Сравнение значений лучистых потоков направленных от факела к горелке и экранам и обратных потоков к факелу совместно с расчетно-теоретическим анализом радиационного теплообмена в топке показало более высокое значение локальной степени черноты топки в зоне активного горения при сжигании эмульсии а^=0,9б, чем при сжигании мазута а =0,91. В хвостовой части факела степень черноты снижается и соотношение между а и а® меняется на противоположное. Определение расчетным путем интегральной степени черноты топки подтвердило снижение излучательной способности пламени водотопливной эмульсии с одновременным увеличением коэффициентов тепловой эффективности экранов примерно на 0,05 и снижение температуры слоя загрязнений на них на 60-200°С.
11. Анализ технико-экономических показателей сжигания водотопливных эмульсий показал реальность и обоснованность возможности прироста КПД топливосжигающих агрегатов на 1-2%. С использованием метода математического планирования экспериментов показана возможность получения регрессионных зависимостей экономических и экологических характеристик работы агрегата, позволяющих определять оптимальные значения режимных параметров работы, удовлетворяющие как экономическим, так и экологическим требова-

340

ниям. Рассмотрены особенности термического обезвреживания нефтесодержащих сточных вод в топках котлов и предложен метод распределения нагрузки и обезвреживаемой влаги между агрегатами.
12. Экономическая оценка изменения качества обводненного жидкого топлива при переводе его в водотопливную эмульсию показала, что при незначительных капиталовложениях на эмульгирующий аппарат и его монтаж изменение текущих затрат в целом снижается при влажности эмульсии до 10% (если имеется возможность снижения коэффициента избытка воздуха), остается примерно постоянным при влажности эмульсии 15-20%, а при дальнейшем росте влажности потери тепла на испарение влаги уже будут превалировать над возможными статьями экономии затрат.
13. Технико-экономическая оценка сжигания водомазутных эмульсий, установок обезвоживания мазута и очистки нефтесодержащих сточных вод по удельным текущим затратам показало, что сжигание эмульсий имеет эксплуатационные расходы в б,5-8,5 раз ниже аналогичных расходов систем обезвоживания и очистки, а из сравнения вариантов по приведенным затратам следует, что сжигание эмульсии экономичнее в 15-17 раз, чем обезвоживание обводненного топлива и очистка нефтесодержаших сточных вод.
14. Определенная универсальность сжигания водотопливных эмульсий заключается в возможности решения триединой задачи: подавления синтеза токсичных и вредных веществ в продуктах сгорания, утилизации горючих отходов и термического обезвреживания стоков, содержащих такие отходы, а также прямого повышения экономической эффективности за счет повышения КПД топливосжигающих агрегатов при снижении избытков воздуха и других положительных эффектах.

341

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамзон А.А. Поверхностно-активные вещества. Свойства и применение.-Л.: Химия,1975. -248 с.
2. Абрамов А.К. Повышение эффективности стальных отопительных котлов малой мощности при сжигании газообразного и жидкого топлива. Автореф. дисс. ... канд.техн.наук.-Л., 1983. -25с.
3. Абрамов Н.Н., Калугин О.Ю., Мадера А.Г. и др. Вероятностный
анализ трехмерных процессов теплопроводности в сложных конструкциях изделий. Тепломассообмен-ММФ: Избр.докл.секц.8,9.-
Минск, 1989, с.3-9.
4. Абрамович В.А., Овчинников В.М., Пекшев В.В. Исследование работы котла типа ДКВР на топливноводяных эмульсиях. Рукопись деп.в ЦНИИТЭИ МПС.-М., 1988, № 4366-жд 88.-13 с.
5. Абэ Масакацу.-«Ненре оеби нэнсе», Nenryo oyobi nensho, Fuel and Combust., 1978, v.45, № 4, p.305-312.
6. Авдеева А.А., Белосельский Б.С., Краснов M.H. Контроль топлива на электростанциях.- М.: Энергия, 1973.- 384 с.
7. Аведисьян К.Т. Влияние давления на рост пузырьков в каплях предельно перегретой жидкости. Труды американского общества инженеров-механиков.Теплопередача, 1982, т.104, №4,с.160-168.
8. Адамсон А. Физическая химия поверхностей.-М.: Мир, 1979.-
568с.
9.