Издательский Центр Аква-Терм

Сжигание высокосернистых мазутов

Опубликовано: 21 июня 2011 г.

2061

В. Котлер
 

Мазуты получают на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) одновременно с производством других продуктов переработки нефти: моторных топлив, масел и более тяжелых углеводородов (гудрон и твердые вещества). Топочные мазуты на НПЗ получают либо в процессе прямой перегонки нефти, либо при высокотемпературной переработке ее промежуточных фракций (крекинг-процесс). Сжигание мазутов требует специального горелочного оборудования.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Важнейшей характеристикой любого жидкого топлива является вязкость. Именно этот параметр положен в основу маркировки нефтяных мазутов. Российским стандартом установлены следующие марки: флотские Ф5 и Ф12, топочные 40 и 100 (раньше к этим цифрам иногда добавляли букву «В», что означало наличие государственного Знака качества). Именно эти марки мазута предназначены для транспортных и стационарных котельных, а также технологических установок.
В пределах указанных марок топочные мазуты делятся на 3 сорта в зависимости от содержания серы: малосернистые (Sr≤0,5 %), сернистые (Sr=0,5–2,0 %) и высокосернистые (Sr=2,0–3,5 %). Содержание серы в мазуте находится в прямой связи с сернистостью нефти, из которой был получен данный мазут на НПЗ.
Вязкость определяет затраты энергии на транспортировку мазута по трубопроводам, длительность сливных и наливных операций. От нее зависит эффективность работы форсунок, которые необходимы для сжигания жидкого топлива в котельных установках. Кроме того, вязкость влияет на скорость осаждения механических примесей при хранении, транспортировке и подогреве мазута.
Как физическую величину ее выражают либо в виде динамической (Н•с/м²), либо в виде кинематической (м²/с). Но чаще используется другая единица – градусы условной вязкости (°ВУ). Эта величина представляет собой отношение времени истечения одинаковых объемов нефтепродукта и дистиллированной воды при определенных условиях.
Приведенные выше марки мазутов как раз и характеризуют вязкость (при определенной температуре). Например, Ф5 – это флотский мазут, у которого при t=50 °C вязкость равна 5 °ВУ, а у Ф12 (при той же температуре) – 12 °ВУ. У менее качественных мазутов, которые обычно поставляются на стационарные котельные и на тепловые электростанции, вязкость оценивается уже при t=80 °C. Мазут марки 40 должен иметь вязкость не более 8 °ВУ, а марки 100 – не более 16 °ВУ.
Для каждой марки мазута нормируются еще и зольность (диапазон – от 0,05 до 0,14 %), содержание механических примесей (от 0,1 для мазута Ф5 до 1,5 для мазута марки 100) и содержание воды (от 0,3 до 1,5 %). Впрочем, таким должно быть содержание воды только при отправке мазута потребителям с НПЗ. Значительное обводнение мазута обычно происходит в процессе его доставки и приемки (в основном – при разогреве мазута паром перед сливом из цистерн). Влага в мазуте усложняет эксплуатацию мазутного хозяйства и может привести к нарушению режима горения из-за образования пробок воды при подаче топлива к форсункам. Кроме того, повышенное содержание воды в сернистых мазутах увеличивает коррозионное разрушение мазутопроводов и аппаратуры вследствие растворения в воде некоторых агрессивных сернистых соединений (например, сероводорода).
Для выяснения степени огнеопасности жидкого топлива при хранении, а также для установления максимально-допустимой температуры его подогрева большое значение имеют такие параметры, как температура вспышки (нижний предел взрываемости) и температура воспламенения (верхний предел температуры вспышки).


Проблемная сернистость

Главной проблемой при использовании мазута в качестве основного топлива в промышленных и отопительных котельных является его сернистость. Сера, находящаяся в мазуте в виде различных соединений, создает проблемы еще до поступления мазута в котел: при хранении высокосернистого мазута в топливных емкостях образуются донные осадки.
При сгорании сера окисляется с образованием, главным образом, диоксида SO2 и в небольших количествах (1–2 % общего количества оксидов серы) – триоксида серы SO3. Последний при температуре ниже «точки росы» образует серную кислоту, которая конденсируется и оседает на поверхностях нагрева. Концентрация серной кислоты достигает 60–95 %, и ее взаимодействие с металлом приводит к образованию сульфатов железа – FeSO4 и Fe2(SO4)3. Именно этот процесс является причиной коррозионных повреждений металла низкотемпературных (хвостовых) поверхностей нагрева.
Чтобы вызвать интенсивную коррозию металла, достаточно нескольких тысячных долей процента SO3 в объеме дымовых газов: «точка росы» дымовых газов при сжигании высокосернистого мазута (~140 °С) оказывается значительно выше температуры конденсации чистых водяных паров.
Интенсивность коррозии в значительной степени зависит еще и от температуры стенки конвективной поверхности нагрева. На графике (рис. 1) видно, что при обычном для промышленных котлов избытке воздуха (αт=1,15–1,25) скорость общей наружной коррозии без использования присадок превышает 1,2 г/(м²•ч), а величина локальной коррозии может быть еще выше.


 
Рис. 1. Зависимость скорости коррозии от температуры стенки при сжигании высокосернистого мазута:  1 – без присадки; 2 – с жидкой присадкой ВНИИНП-102; o – с присадкой каустического магнезита в топку и газоход котла

Кроме низкотемпературной коррозии, сжигание высокосернистых мазутов сопровождается интенсивным образованием отложений на поверхностях нагрева, что снижает теплоотвод от дымовых газов. В результате повышается температура уходящих газов и снижается КПД котла. Измерения, выполненные сотрудниками ВТИ при сжигании высокосернистого мазута на водогрейном котле типа ПТВМ, показали, что при температуре воды на входе в котел 50–60 °С рост температуры уходящих газов наиболее интенсивно происходит в первые 15–20 ч и составляет в среднем 2–2,5 °С/ч при нагрузке 80 % номинальной и около 1,5 °С/ч – при нагрузке 40–50 %. При работе того же котла в пиковом режиме с температурой воды на входе 95–100 °С скорость роста температуры не превышает 0,25 °С/ч.

Рис. 2. Горелка для сжигания мазута 


Измерения, выполненные на котлах при сжигании высокосернистого мазута, показали, что сера может частично соединяться с твердыми продуктами сгорания или особыми присадками, вводимыми в факел. Зола высокосернистых мазутов содержит ванадий, натрий, никель и др. При горении значительная часть этих компонентов возгоняется, а затем конденсируется на поверхностях нагрева. На первичные отложения осаждаются частицы золы, а также сажевые частицы. Из-за этого в области высоких температур образуются плотные отложения, снижающие интенсивность теплообмена и не поддающиеся даже механической очистке.

Преодоление трудностей при сжигании высокосернистых мазутов

При сжигании в промышленных котлах мазутов с высоким содержанием серы, наиболее отработанным и эффективным способом борьбы с низкотемпературной коррозией является создание условий, уменьшающих образование серного ангидрида SO3. Расчетные и экспериментальные результаты (рис. 2) подтверждают, что снижение избытка воздуха заметно уменьшает содержание SO3. Благодаря этому «точка росы» дымовых газов приближается к «точке росы» водяных паров, т.е. к 50–60 °С, и скорость коррозии снижается в несколько раз. Имеются надежные данные по сжиганию высокосернистого мазута на большом числе котлов. Использование метода малых избытков воздуха (αт=1,01–1,02) в сочетании с предварительным подогревом воздуха позволило увеличить непрерывную рабочую кампанию до семи–восьми месяцев, снизить в несколько раз интенсивность низкотемпературной коррозии и повысить КПД котла.

 
Рис. 3. Зависимость концентрации SO3 от коэффициента избытка воздуха при сжигании высокосернистого мазута на двух котлах (I и II). Штриховые линии получены расчетным путем, сплошные – опытные кривые


Другим эффективным средством предотвращения загрязнения и коррозии поверхностей нагрева является применение присадок. Еще в середине прошлого века для устранения этих проблем при сжигании сернистого мазута начали применять твердые (порошкообразные) минеральные присадки (каустический магнезит и др.). Позже широкое распространение получили жидкие присадки, при использовании которых значительно упрощается система ввода присадок и повышается их эффективность. Чаще других использовались жидкие присадки на органической основе, разработанные ВНИИНП, и водорастворимые минеральные присадки ВТИ.
При сжигании мазута с содержанием серы 3,5 % и золы – до 0,2 % на котле паропроизводительностью 75 т/ч значительный успех удалось получить при использовании присадки ВНИИНП-106, содержащей азотистые добавки: скорость низкотемпературной коррозии была снижена до значений, не превышающих 0,2 г/(м²•ч) при температурах металла 90 °С и выше. Однако за счет применения режимов с малыми избытками воздуха коррозия такой же интенсивности достигалась и при более низкой температуре металла (75 °С).
Многие специалисты считают, что практически полное устранение коррозии низкотемпературных поверхностей нагрева может быть обеспечено только при работе котлов с предельно низкими избытками воздуха (α=1,01–1,02). Но такие режимы могут быть реализованы только в котлах, оборудованных бесприсосными топками, т.е. работающих под наддувом, или с уравновешенной тягой, но с газоплотными экранами в топочной камере. Такие котлы, естественно, будут несколько дороже обычных, но возможность работы с предельно низкими избытками воздуха, во-первых, приведет к повышению КПД котла, а во-вторых, устранит еще и высокотемпературную ванадиевую коррозию, которая также снижает надежность работы мазутных котлов.
При сжигании сернистых мазутов на водогрейных котлах ПТВМ загрязнению и коррозии подвержены в первую очередь трубы конвективного пучка. На интенсивность загрязнения определяющее влияние оказывают температура металла труб и, конечно, серосодержание сжигаемого мазута. Для борьбы с загрязнением конвективных пучков часто используют различные методы очистки (паровая и воздушная обдувка, газоимпульсная очистка). Иногда используется и водная обмывка, но в этом случае (для снижения вредного влияния обмывки на коррозию) в начальный период обмывки подается 3%-й раствор щелочи.


Рис. 4. Водогрейный котел ПТВМ

Длительность межобмывочной кампании зависит не только от качества топлива, но и от режима его работы. На водогрейных котлах ПТВМ при сжигании сернистого мазута в течение месяца температура газов за котлом вырастала на 40–80 °С, что приводило к снижению экономичности на 2–4 %. Поэтому обмывку сетевой или продувочной водой приходилось проводить раз в месяц. Необходимо учитывать, что применение водных обмывок требует сооружения на ТЭЦ или в котельной специальных установок для очистки обмывочных вод.
На некоторых водогрейных котлах был опробован метод дробеочистки конвективных поверхностей нагрева. Очистка проводилась на работающих котлах с нагрузкой до 50 % номинальной. После очистки температура уходящих газов снижалась на 10–20 %, что повышало КПД котла.
И все же наиболее надежным способом уменьшить загрязнение и коррозию конвективного пучка являются – работа с минимальными избытками воздуха и поддержание температуры стенки труб конвективного пучка на уровне 115 °С и выше.
 




Поделиться:

вернуться назад