Исследования МЭИ (Технический университет) по применению водомазутных эмульсий для улучшения технико-экономических и экологических характеристик котельных агрегатов

В настоящее время природоохранные мероприятия, проводимые на действующих газомазутных ТЭС и котельных, направлены в основном на снижение выбросов оксидов азота, оксида углерода, а также оксидов серы. И совершенно не оправданно вне рассмотрения остаются вопросы, касающиеся предотвращения образования многоядерных ароматических углеводородов, таких как бенз(а)пирен и дрyгиx высокомолекулярных углеводородов, которые являются сильнейшими канцерогенами. Более того, многие широко применяемые сейчас методы организации процесса сжигания топлив, преследующие цель подавления образования NO_х – ступенчатое сжигание, рециркуляция дымовых газов, сжигание топлива при пониженных избытках воздуха – способствуют усиленному образованию высокомолекулярных углеводородов. Наличие в дымовых газах бенз(а)пирена или диоксинов может быть значительно опаснее для биосферы Земли, чем выбросы NO_х или SO₂ .

Чрезвычайно остро стоит вопрос о загрязнении водных бассейнов сточными водами. Применяемые сейчас методы очистки сточных вод от нефтепродуктов дорогостоящи и не всегда высокоэффективны. Особенно это относится к очистке сильно загрязненных вод. В то же время разработка и применение безотходных, бессточных технологий почти не практикуются. Отсюда следует, что существующая стратегия проведения природоохранных мероприятий на действующих энергоустановках, использующих природный газ, мазут (и другие виды топлива), не базируется на комплексном подходе и не оправданна ни в экологическом, ни в экономическом отношении. Необходим анализ степени воздействия на природную среду всех вредных выбросов энергетических установок при изменении технологии сжигания топлива и, как следствие, достижение экосоместимости технологий.

Выполненные исследования показывают, что одной из таких технологий для теплоэнергетики, направленной на защиту атмосферного воздуха и водного бассейна от выбросов различных ингредиентов NO_х, СО, сажи, многоядерных углеводородов, нефтепродуктов и других вредных веществ), служит сжигание мазута в виде водомазутных эмульсий (ВМЭ), а также природного газа с применением впрыска в камеру горения сбросных вод.

Метод сжигания водомазутной эмульсии широко известен. В исследованиях, посвященных этому вопросу [2–5], установлено, что для достижения поставленной задачи ВМЭ должна быть приготовлена в виде однородной смеси мазута и добавляемой влаги по типу «вода – масло», в которой вода как дисперсная фаза в виде частиц диаметром несколько микрометров находится внутри топливной оболочки. Только при соблюдении этого условия и влажности водомазутной эмульсии до 20 % обеспечиваются надежное воспламенение и устойчивое ее горение с высокой полнотой сгорания. Повышенная эффективность процесса горения эмульсии (даже при предельно низких избытках воздуха) обусловлена микровзрывом ее капель вследствие различия температур кипения воды и мазута. При дополнительном дроблении капель эмульсии достигается ускорение их испарения и улучшается процесс перемешивания топлива с воздухом, в результате чего с учетом наличия в зоне горения продуктов диссоциации воды процесс сгорания мазута существенно интенсифицируется. Для приготовления кондиционных ВМЭ требуемых влажности, дисперсности, вязкости и других условий должны применяться соответствующие устройства – эмульгаторы.

Использование в качестве добавочной воды сточных вод дает возможность подвергнуть огневому обезвреживанию их значительный объем (примерно до 20 % расхода топлива на котел). Это позволяет перевести ТЭС или котельную на малоотходную технологию (по крайней мере путем утилизации всех сточных вод, загрязненных нефтепродуктами). Аналогичный эффект достигается при сжигании природного газа с добавлением влаги.

Сжигание ВМЭ и природного газа с добавлением влаги приводит к снижению уровня температур в зоне максимальной генерации оксидов азота, и, следовательно, к значительному (на 30 – 50 %) снижению их концентрации в дымовых газах. Более глубокого подавления NO можно достичь в том случае, если в качестве добавочной влаги вместе со сточными водами использовать растворы азотсодержащих веществ при соответствующей организации процесса сжигания топлива. Для снижения концентрации оксидов серы при сжигании сернистых мазутов в составе добавочных вод можно также использовать раствор или слабую взвесь Са (ОН)₂.

Процесс образования многоядерных углеводородов при сжигании органических топлив исследован пока крайне мало. Однако известно, что снижение концентрации С₂₀Н₁₂ в дымовых газах возможно путем организации дожигания продуктов неполного сгорания топлива повышением температуры в зоне горения более 1500 °С, а также вводом специальных ингибиторов. Установлено также, что при вводе влаги в зону горения с последующей диссоциацией молекул воды на ионы Н+ и ОН – значительно снижается концентрация С₂₀Н₁₂ в продуктах сгорания топлива.

На основании оценки отмеченных выше факторов – влияния влаги или растворов реагентов в высокотемпературной зоне горения топлива на содержание в дымовых газах различных вредных веществ (NO_x, SO₂, СО, С₂₀H₁₂ и др.) и возможного огневого обезвреживания сточных вод – сжигание мазута в виде ВМЭ или природного газа с добавлением влаги можно считать комплексной, многоцелевой, экосовместимой технологией. Применение этой технологии оправдано и экономически, так как при ее осуществлении достигается более рациональное использование теплоты топлива и не требуются большие капиталовложения. Выполнение этой технологии на действующих ТЭС и котельных имеет еще одно важное преимущество: перевод котлов на сжигание ВМЭ или природного газа с добавками сточных вод не вызывает необходимости существенного изменения их конструктивного исполнения. Не требуется также никаких изменений и в схеме газового хозяйства. В случае перевода котлов на сжигание ВМЭ должны быть внесены лишь незначительные изменения в схему мазутного хозяйства ТЭС или котельной. Таким образом, предлагаемая технология хорошо совместима с технологиями сжигания топлива на находящемся в промышленной эксплуатации оборудовании.

При проведении исследований разработаны и испытаны несколько вариантов технологических схем по сжиганию ВМЭ. Из них наибольшего внимания заслуживают схема с центральным узлом приготовления ВМЭ, схема с индивидуальным узлом приготовления ВМЭ и комбинированная схема. Схема с центральным узлом приготовления ВМЭ, расположенным между насосами первого и второго подъемов, наиболее проста. Но в этой схеме в случае добавки воды в тракт топлива происходит обводнение всего потока мазута, циркулирующего в контуре, включая мазутные баки, что нежелательно. Поэтому необходимо осуществлять надежный контроль влажности мазута на различных участках тракта. Наличие в этой схеме центрального узла эмульгирования имеет эксплуатационное преимущество в режимах работы котлов без ввода добавочной влаги, так как позволяет надежно работать котлам даже при сжигании исходного мазута с повышенной влажностью (20 % и более). В схеме с индивидуальным узлом приготовления ВМЭ обводнение мазута предусматривается только при входе в отдельные котлы (один или несколько). В этом случае облегчается использование в качествe добавочных вод растворов реагентов (Са(ОН)₂, (NН₂)₂СО и др.), употребление которых имеет целью дополнительное снижение выбросов вредных веществ.

Наибольшие возможности для приготовления водомазутных эмульсий и гибкость в эксплуатации оборудования могут быть достигнуты при реализации комбинированного способа приготовления ВМЭ, совмещающего преимущества двух рассмотренных выше вариантов.

В любой из описанных технологических схем основным элементом выступает устройство для перемешивания мазута с добавочной влагой (водой, паром) при приготовлении водомазутной эмульсии требуемого качества. Схема с центральным узлом приготовления ВМЭ базируется на применении устройства, принцип действия которого основан на кавитационном эффекте. Это устройство (кавитатор) представляет собой один или несколько параллельных каналов с расположенными внутри рядами турбулизирущих стержней, за которыми формируется процесс кавитации, являющийся рабочим процессом приготовления ВМЭ. На входе в кавитатор подаются мазут и добавочная влага: сточные воды, растворы реагентов, пар и др. Приготовление ВМЭ происходит вследствие кавитационных эффектов и дополнительной турбулизации потоков, проходящих через каналы кавитатора. При эксплуатации последнего важно предотвратить проскок через кавитатор необработанных потоков топлива.

В схеме с индивидуальным узлом приготовления применяется эмульгатор, принцип работы которого аналогичен кавитатору. Эмульгатор состоит из нескольких последовательно соединенных колен трубы с расположенными в них турбулизирующими вставками. Конструктивное исполнение эмульгатора позволяет устанавливать его в мазутопроводах непосредственно перед форсунками котла (т.е. они могут работать на мазуте высокого давления). Основныe характеристики предлагаемых эмульгирующих устройств – технологичность, простота в конструкции и изготовлении, отсутствие вращающихся частей, хорошее качество получаемой ВМЭ, высокая надежность работы и относительно умеренная стоимость. В технологической схеме сжигания природного газа с добавками сточных вод или растворов специальных реагентов при работе на газе добавляемая влага подается в зону горения через специальные распыливающие устройства, устанавливаемые на стенах топки котла или в горелках. Эти устройства - распылители разработаны и испытаны на паровых котлах в условиях промышленной эксплуатации. Остальные элементы схемы (баки, насосы, измерительная аппаратура) общие для схем сжигания BMС и сжигания газа с добавлением влаги, т.е. используются при работе и на газе, и на мазуте. Описанные технологические схемы сжигания природного газа и мазута испытаны на котельных с котлами различных типов: ТГМЧ-204, ТГМП-314, ТГМ-84; ТП-170; БКЗ-75-39, ДКВР-10-13 КВГМ-20. Результаты испытаний подтвердили перспективность предлагаемых технологических схем. Натурные эксперименты на паровых котлах БКЗ-75-39, ТП-170, ТГМ-84 показали, что при приготовлении и сжигании ВМЭ по разработанной методике котлы работают устойчиво и их технико-экономические показатели не ухудшаются, а в ряде случаев улучшаются при значительном снижении выбросов вредных веществ с дымовыми газами и сточными водами в окружающую среду. Паровой котел БКЗ-75-39 (ТЭЦ комбината «Североникель») был переведен на сжигание ВМЭ по индивидуальной схеме с установкой эмульгатора перед форсунками котла. Натурные испытания проведены при паропроизводительности котла, близкой к номинальной.

В исходном эксплуатационном режиме и исходном мазуте концентрации оксидов азота в дымовых газах достигали 600 – 650 мг/м. При переходе на сжигание ВМЭ их концентрация снизилась до 300 мг/м³, т.е. почти на 50 %, что соответствует уменьшению выбросов на один котел примерно на 170 т/г. В режимах, сочетающих сжигание ВМЭ с пониженными величинами избытка воздуха фиксировались практически нулевые значения концентраций СО в дымовых газах. Одновременно со снижением вредных выбросов перевод котла БКЗ-75-39 на сжигание ВМЭ позволил осуществить огневое обезвреживание около 1 т/ч сточных вод, загрязненных нефтепродуктами. При этом котел на ВМЭ работал устойчиво. Щитовые приборы зафиксировали даже некоторое увеличение паропроизводительности при постоянном расходе исходного мазута, однако наблюдалось снижение температуры перегретого пара на 10 °С. Следовательно, сжигание ВМЭ приводит к интенсификации выгорания топлива, уменьшению длины факела и увеличению надежности работы пароперегревателя. Температура уходящих газов при переходе на ВМЭ практически не изменилась. Следует особо подчеркнуть, что высокий уровень влажности ВМЭ или большой процент добавки влаги при сжигании газа целесообразно устанавливать только в целях огневого обезвреживания большего количества сточных вод. Если такой необходимости нет, то для значительного снижения газообразных вредных выбросов вполне достаточно поддерживать соотношение объемов воды и топлива на уровне 3 – 5 % при соответствующей организации процесса сжигания топлива. В этом случае увеличение потери теплоты с уходящими газами (из-за испарения добавляемой влаги) незначительно и вполне компенсируется интенсификацией процесса сжигания топлива и возможностью перехода на более низкие значения коэффициента избытка воздуха. При соблюдении описанных выше условий увеличения интенсивности низкотемпературной коррозии не наблюдается. Измерения концентраций бенз(а)пирена в различных режимах сжигания мазута и ВМЭ проведены на котле ТГМ-84. Результаты этих исследований доказали, что при коэффициентах избытка воздуха 1,05 – 1,07 переход на сжигание ВМЭ с умеренной влажностью (до 7 %) позволяет снизить концентрации в дымовых газах в 2 – 3 раза, а при предельно низких избытках воздуха это снижение еще значительнее. Аналогичные результаты по выявлению влияния ввода добавочной влаги в зону горения на концентрацию бенз (а) пирена в дымовых газах получены при сжигании природного газа в паровом котле ТГМП-204, что характеризует хорошую экосовместимость предлагаемой технологии сжигания топлива на ГРЭС, ТЭЦ и в котельных для комплексного снижения вредных воздействий энергетических объектов на окружающую среду.

Результаты исследований по разработке технологии приготовления и сжигания ВМЭ и сжигания природного газа с добавками влаги позволяют рекомендовать эту технологию для всех ТЭС и котельных, сжигающих газ и мазут, как многоцелевую, экосовместимую технологию по охране биосферы путем снижения вредных выбросов и сажи в атмосферу, а также полным пресечением сбросов в водоемы сточных вод, загрязненных нефтепродуктами, путем их огневого обезвреживания в топках котлов.