Способы использования битумов и гудронов в качестве энергетического топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

Способы использования битумов и гудронов в качестве энергетического топлива

Д.х.н. Н.Д. Чичирова, профессор, заведующая кафедрой "Тепловые электрические станции",

Т.И. Хамидуллин, аспирант, Казанский государственный энергетический университет

Битумы и гудроны - твердые или смолоподобные продукты, представляющие собой смесь углеводородов и их азотистых, кислородистых, сернистых и металлосодержащих производных [1]. И если гудроны - это остаточные продукты, образующиеся в результате отгонки из нефти при атмосферном давлении и под вакуумом фракций, выкипающих при температуре до 450-600 ОС, то битумы могут быть как природными, так и техническими (искусственными) [1]. Природные и технические битумы практически идентичны по своему составу. Природные битумы - полезные ископаемые органического происхождения с первичной углеводородной основой. Технические битумы являются остатком после переработки нефти, сланцев, угля. Схема классификации гудронов и битумов, а также направления их использования в качестве топлива приведены на рисунке.

Малая глубина переработки нефти, существовавшая изначально, привела к значительному образованию нефтяных остатков, которые необходимо было утилизировать. В 30-х гг 20-то века их стали свозить и накапливать в естественных углублениях: карьерах, оврагах, прудах- накопителях. Известны зарегистрированные сернокислые гудроновые озера в Великобритании, Германии, Бельгии, Голландии, США, России, Китае и других странах [2].

В настоящее время предпринимаются усилия по обезвреживанию прудов-накопителей отходов нефтепереработки, т.к. они представляют собой серьезную экологическую угрозу. Одним из направлений санации прудов-накопителей является использование накопленных гудронов в качестве топлива в энергетике. Причем данное направление, в свою очередь, разделяется на два способа [2]:

¦ нейтрализация гудрона и его сжигание либо в жидком, либо в твердом виде на ТЭС и в котельных;

¦ сжигание гудрона, битума в топках котлов, как компонента жидкого топлива.

Первый способ реализован в Германии, России, Словакии, Латвии. Например, в Германии нейтрализованный гудрон подвергают отверждению, после чего используют как замещающий вид топлива на ТЭС Schwarze Pumpe (г. Нойкирхен, Германия) [2]. В России этот способ применяют на одном из нефтеперерабатывающих заводов, где в составе существующей котельной с котлами ДКВР-10-13 была смонтирована установка по приготовлению водомазутного топлива в двухроторных эмульгаторах ЭР-3 производительностью 5 т/ч каждый. Гудрон подается на сжигание после отделения кислоты, нейтрализации и смешения с водой в эмульгаторах [3]. В Латвии реализован и второй способ сжигания.

Таблица 1. Примеры использования оримульсии в качестве котельного топлива на ТЭС.

Также представляет интерес разработка венгерской фирмы CEVA Hungary KFT, которая предложила технологию, позволяющую использовать кислые гудроны в качестве компонентов топлива. По этой технологии кислые гудроны смешиваются с отработанными маслами в соотношении 1:1. Анализ дымовых газов показал, что выбросы вредных веществ, в том числе NOx в этом случае практически не увеличивались и по сравнению с выбросами при горении котельных видов топлива [2].

В связи с увеличением глубины переработки нефти снижается выход остаточных продуктов. При этом вопрос их утилизации все же остается актуальным. Одним из способов утилизации является сжигание нефтяных остатков в жидком виде на ТЭС. Этот способ реализован на промышленно-отопительной ТЭЦ в г. Шведт (Германия). Здесь расположен нефтеперерабатывающий завод, который утилизирует отходы своего производства путем сжигания в топках энергетических котлов. На ТЭС реализованы следующие мероприятия: тяжелые нефтяные остатки разогреваются паром высокого давления до температуры 260-290 ОС; для дробления частиц кокса применены роторные насосы (3000 об./мин); установлена система фильтрации для удаления частиц кокса; все горелки котлов замещены горелками с низким образованием NOх

Кроме использования гудронов и технического битума в качестве топлива для ТЭС и котельных в мире используется топливо из природного битума - оримульсия, которая состоит из 70% природного битума, 30% воды и 1% эмульгаторов.

Данное топливо было впервые произведено из природного битума, добытого в бассейне реки Ориноко в Венесуэле и по своим характеристикам схоже с тяжелым мазутом. Оримульсия в настоящее время используется в качестве котельного топлива на некоторых ТЭС по всему миру, например, в Канаде, Японии, Литве, Италии и т.д. (табл. 1) [4, 5].

Существует достаточное число оригинальных исследований, в которых проводилось изучение горения оримульсии, были изучены ее характеристики, воспламеняемость [6-9].

В Японии на ТЭС Kashima Kita Electric's оримульсия сжигается с 1992 г., для чего в то время была проведена реконструкция одного из энергетических котлов. С 1999 г. все котлы данной станции были переведены на сжигание оримульсии.

Повышенное содержание в оримульсии азота и серы приводит к большим концентрациям NOх и SOх в дымовых газах, кроме того необходимо решение вопроса, связанного с коррозией оборудования, вызванной повышенным содержанием ванадия в оримульсии. При сжигании оримульсии также должен быть учтен вопрос, связанный с налипанием золы на пароперегревательные поверхности котла [10].

Для снижения выбросов NOх на ТЭС были применены горелки с низким выходом оксидов азота, для снижения выбросов SOх был установлен десульфуризатор (для очистки дымовых газов), а для снижения выбросов золы - электрический золоуловитель [10].

ТЭС New Brunswick Power (Канада) имеет мощность 315 МВт. На этой станции сжигалось до 800 тыс. т оримульсии в год. Для снижения неблагоприятного воздействия на окружающую среду на станции была внедрена установка десульфуризации дымовых газов. На ТЭС оримульсия сжигалась в двух энергетических котлах, дымовые газы выбрасывались через две дымовые трубы высотой 168 м [11].

В Великобритании экспериментальное сжигание оримульсии проводилось с 1989 г. на ТЭС Richborough мощностью 360 МВт. В 1996 г. данная ТЭС была закрыта по причине повышенных выбросов оксидов серы (очистка дымовых газов не была предусмотрена) [12].

Исходя из приведенной выше информации, можно говорить о том, что использование гудронов, битумов в качестве топлива является перспективным направлением в области энергосбережения и экономии традиционных видов топлива (угля, природного газа).

Основываясь на мировом опыте применения гудронов и битумов в электроэнергетике следует рассматривать возможность использования нефтяных остатков (остаточных продуктов нефтепереработки) для сжигания на ТЭС в России. Данное направление будет особенно перспективным для ТЭЦ, расположенных вблизи нефтеперерабатывающих заводов, например, Тобольская ТЭЦ (г. Тобольск, Тюменская область), Нижнекамская ТЭЦ-1 (г. Нижнекамск, Республика Татарстан) и т.д.

Цель исследований, проводимых авторами, заключается в разработке технических решений по сжиганию нефтяных остатков на Нижнекамской ТЭЦ-1 при минимальной реконструкции установленных котлов ТГМ-84, рассчитанных на сжигание мазута марки М-100, который по своим свойствам схож с нефтяными остатками. Для сжигания в топках котлов предполагается использовать отходы нефтепереработки ОАО "Нижнекамскнефтехим".

Таблица 2. Сравнительные физико-химические характеристики тяжелых нефтяных остатков, тяжелого мазута и оримульсии.

В табл. 2 приведены сравнительные физико-химические характеристики тяжелых нефтяных остатков (необходимо отметить, что их характеристики зависят от состава и свойств исходной нефти [13]), тяжелого мазута и оримульсии [1, 14].

Как видно из табл. 2 оримульсия отличается только повышенным влагосодержанием. Именно то, что тяжелые нефтяные остатки и тяжелый мазут имеют схожие характеристики, и делает привлекательным использование остатков нефтепереработки на ТЭС. При этом можно использовать уже установленные котлоагрегаты, рассчитанные на сжигание тяжелого мазута марки М-100 (после проведения соответствующей реконструкции). Однако необходимо учитывать возрастающую нагрузку на окружающую среду со стороны ТЭЦ, связанную с повышенным содержанием серы в остатках. Данная проблема может быть успешно решена за счет внедрения комплексной системы, включающей в себя, например, установку низкоэмисионных горелок и систему очистки дымовых газов от оксидов серы. смолоподобный углеводород гудрон котел

При решении вопросов эффективного сжигания тяжелых нефтяных остатков необходимо особое внимание уделить организации горения топлива. Например, можно применить метод тяжелой кавитации.

Данный метод был реализован для сжигания мазута и оримульсии на нескольких ТЭС США и России. В основе этого метода лежит использование явления кумулятивного удара для улучшения распыления топлива. Эта технология привела к усовершенствованию конструкции центробежных форсунок, в результате чего был разработан специальный кавитатор. Использование кавитаторов высокого давления позволяет снизить или исключить отложения на поверхностях нагрева котлов, исключить использование присадок к тяжелому мазуту, увеличить сроки между остановами котла для очистки, снизить количество выбросов оксидов азота.

Реализация в России проекта по сжиганию нефтяных остатков приведет к практически безотходному процессу нефтепереработки, что снизит негативное воздействие на окружающую среду со стороны нефтеперерабатывающих заводов, экономии потребления природного газа, мазута.

Литература

1. Гун Р.Б. Нефтяные битумы. М.:Химия, 1973. 432 с.

2. Юрченко А.А., Поляков А.А. Сернокислые гудроновые

озера и методы их утилизации. URL:

http://www.corvus.lv/files/pdf/3_SulfuricJarJakes.pdf (дата обращения: 25.06.2011).

3.В России этот способ реализован... [Электронный ресурс]: Новости энергетики. URL: http://vpnews.ru/index14.html (дата обращения: 1.06.2011).

4. Orimulsion and Power Stations // P.O.S.T. note. Vol. 84. October 1996.

5. Rajinder Soni Production and Reserves of Orimulsion Fuel. URL: http://www. boddunan. com/component/content/arti- cle/65-retailing/6522-production-and-reserves-of-orimul- sion-fuel.html (дата обращения: 30.07.2011).

6. Miller C.A. and Srivastava R.K. The combustion of Orimulsion and its generation of air pollution. Prog. Energy Combustion Science Vol. 26, Issue 2, April 2000. P. 131160.

7. Hey-Suk Kima, Mi-Soo Shina, Dong-Soon Janga, Young- Chan Choib, Jae-Goo Lee. Numerical study for the combustion characteristics of Orimulsion fuel in a small-scale combustor. Applied Thermal Engineering, Volume 25, Issues 1718, December 2005, P. 2998-3012.

8. Stanley N. Harding. Chapter 3. Characteristics of Alternative Fuels. Combustion Engineering Issues for Solid Fuel Systems, January 2008. P. 83-131.

9. Christian N. Buchardt, Jan Erik Johnsson, Soren Kiil. Experimental investigation of the degradation rate of adipic acid in wet flue gas desulphurisation plants. Fuel, Volume 85, Issues 5-6, March-April 2006. P. 725-735.

10. Kashima-Kita Orimulsion Burning Boiler. URL:

http://www.mhi.co.jp/en/power/news/sec1/2001_nov_01. html (дата обращения: 17.08.2011).

11. Электростанция New Brunswick Power ... [Электронный ресурс]: Википедия. URL:

http://en.wikipedia.org/wiki/Dalhousiej3enerating_Station (дата обращения: 3.08.2011).

12. В Великобритании экспериментальное сжигание...

[Электронный ресурс]: Abandoned Britain. URL:

http://www.abandoned-britain.com/PP/richborough/1.htm (дата обращения: 5.07.2011).

13. Битумы нефтяные, состав, структура и свойства. URL: http://www.materialsworld.ru/8/bitum.php (дата обращения: 15.09.2011).

14. Thomas HKgglund Comparative advantages of Orimulsion, LN3 and Petcoke. URL:

http://www.sica.int/busqueda/busqueda_archivo.aspx?Archivo=pres_4012_1_10112005.pdf

(дата обращения: 14.06.2011)

15. Синайский Н.А., Гошей Т.А. Использование метода тяжелой кавитации для сжигания мазута и оримульсии // Теплоэнергетика. 2003. № 5.

16. Sinaiskii N.A. Advantages of Plural Cumulative Shock in Combustion Technology, ASME, 1998 // International Joint Power Generation Conference. 1998. Vol. 1. P. 637-642.

Размещено на Allbest.ru