Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование горелок с ротационной форсункой для сжигания мазута с присадкой воды

Лозицкий Н. Г., инж.,

Котлер В. Р., канд.техн. наук

По потребительским свойствам (удобству хранения, транспортировке и особенно - простоте организации топочного процесса) дизельное топливо существенно превосходит все марки мазута. Однако стоит оно дорого, поэтому многие владельцы котлов предпочитают использовать хотя и низкосортный, но более дешевый мазут.

Известно, что при распылении в топке капли мазута прогреваются, легкие фракции испаряются и сгорают, а высокомолекулярные соединения (в виде карбонатов, асфальтенов и смол), составляющие коксовый остаток, выгорают значительно дольше. Даже использование горелок фирмы "Sаасkе" (Бремен, Германия) с ротационной форсункой не позволяет полностью избавиться от содержания в продуктах сгорания мелкодисперсных сажистых частиц.

Кроме того, известно, что эмульгирование небольшого количества воды в мазуте способствует снижению содержания сажи, а также газообразных продуктов неполного сгорания (СО, И,, СН4). Учитывая это, специалисты фирмы "Saacke" совместно с представителями китайского университета (г. Джимей) провели экспериментальное исследование, которое позволило ответить на конкретный вопрос: что дает присадка воды к китайскому мазуту марки 200 при использовании горелки фирмы " Saacke " с ротационной форсункой. Поскольку качество немецкого мазута существенно отличалось от качества китайского, возникла необходимость его смешения с другими продуктами нефтепереработки, содержащими повышенное количество кокса и асфальтенов. Таким образом, по составу был получен аналог китайского мазута марки 200. Ниже приведена его характеристика:

Вязкость (кинематическая), сСт (мм²/с):

при 50 °С................... 254

при 100 °С.................. 24,6

Плотность при 15 °С, г/л.......... 967

Содержание, %:

карбонатов.................. 15,1

асфальтенов.................. 8,9

Зольность, %.................. 0,01

Содержание, %:

седиментов.................. 0,04

азота..................... 0,35

серы...................... 1,5

воды..................... 0,02

углерода................... 87,0

водорода................... 11,1

Теплота сгорания (низшая), МДж/кг.... 40,9

Исследования проводились на паровом котле паропроизводительностью 6 т/ч (тепловая мощность -- 4,2 МВт) с горелочным устройством типа SKVJ 60 (с ротационной форсункой). На рис. 1 приведена схема экспериментальной установки. Подогреватель мазута 7 - двухступенчатый. В первой ступени мазут разогревается паром до температуры 85 °С. Вторая ступень - электрический догрев до температуры, необходимой для эффективного распыления. Система впрыска 2 применялась для подачи воды (давление -- около 10 кгс/см) в мазут (давление -- 2 кгс/см²) и их эффективного смешения. С помощью специальных приборов измерялся расход воды. Диапазон рабочего регулирования горелки с ротационной форсункой 5К\^ 60 (с вентилятором) составлял 0,67-7,36 МВт. Частота вращения распыливающего стакана -- 65 00 мин^-1. Давление первичного воздуха достигало 1000 кгс/м. Большая частота вращения стакана и высокое давление первичного воздуха обеспечивали эффективное распыление мазута.

Рис. 1 Схема экспериментальной установки с измерительными приборами: 1 -- подогреватель топлива; 2 -- система впрыска воды в мазут: 3 -- горелочное устройство SKVJ 60; 4 -- паровой котел производительностью 6 т/ч; 5 -- шкаф с устройствами управления: б -- измерительные приборы; 7 -- компьютер и система обработки информации; 8 -- принтер; 9 -- видеокамера: 10 -- телевизор

Рис. 2 Зависимости концентрации твердых остатков сгорания топлива С. от присадки воды к мазуту при нагрузках 0,67-5,96 МВт

Рис. 3 Зависимости концентрации оксида углерода СО в продуктах сгорания от присадки воды к мазуту при нагрузках 0,67-5,96 МВт

Рис. 4 Зависимости концентрации углеводородов СnНm, в продуктах сгорания от присадки воды к мазуту при нагрузках 2,42 и 4,23 МВт

Паровой котел 4 -- это трехходовой жаротрубный агрегат производительностью 6 т/ч пара давлением 13 кгс/см. Топочный автомат фирмы "Saacke", расположенный в шкафу 5, выполнял функцию автоматического управления горелкой как на этапе пуска, так и в рабочем режиме. Соотношение топливо -- воздух измерялось с помощью механического регулятора. Для отбора проб продуктов сгорания применялся измерительный прибор фирмы "Е. Кjneth" (Швейцария).

Исследование влияния присадки воды на коксообразование проводилось при четырех нагрузках котла (0,67, 2,42, 4,23, 5,96 МВт), постоянном содержании 02 в уходящих газах (3 %) и переменном расходе добавляемой в мазут воды на каждой нагрузке. Кроме того, оценивалось влияние температуры подогрева мазута на процесс образования кокса. Был проведен 21 опыт, результаты которых представлены в виде графиков на рис. 2. Как видно, при всех нагрузках и одинаковой температуре подогрева мазута содержание кокса существенно зависит от количества добавленной воды и снижается примерно до 110 мг/м. При добавлении воды более 8-10% от расхода мазута количество кокса остается постоянным. Существует оптимальная доля присадки воды (в данном случае -- 8-10 %), превышение которой не сопровождается снижением количества кокса, но приводит к уменьшению к. п. д. котла из-за роста тепловых потерь с уходящими газами. Из рис. 3 и 4 видно, что с впрыском воды помимо снижения количества твердых остатков уменьшаются концентрации СО и СnНm, в продуктах сгорания.

Основные результаты опытов, проведенных при сжигании чистого мазута и водно-мазутной эмульсии (при добавке в мазут оптимального количества воды), приведены в таблице.

Рис. 5 Диаграмма содержания твердых частиц в продуктах сгорания при сжигании мазута и водно-мазутной эмульсии

Анализ проб твердого остатка, отобранных без присадки воды и при добавлении воды в мазут, показал (рис. 5), что во втором случае общая концентрация твердых частиц снизилась за счет уменьшения содержания кокса, поскольку количество золы и Нз504 осталось прежним. Это свидетельствует об уменьшении тепловых потерь Q4 от механической неполноты сгорания и приросте к. п. д. котла за счет дополнительного сжигания 719мг кокса на 1 м3 дымовых газов. Теплота сгорания кокса равна 34 МДж/кг. При сжигании 1 кг мазута образуется 12,406м дымовых газов. Следовательно, дополнительное количество теплоты

Q4 = 34000 * 719 * 10 ^-6 * 12,406 = 303 кДж/кг.

Прирост к. п. д. котла ₁ = Q4/Qр ⁼ =303/40900=0,741%, где Qр -- располагаемая теплота, введенная в топку. Но одновременно из-за испарения добавленной к мазуту воды и нагрева пара до txy растут потери теплоты с уходящими газами

Q2=(r+сt)G= = [2258 + 1,87(200-100)] * 0,081 = 198 кДж/кг,

где г -- энтальпия испарения воды, кДж/кг;

с -- теплоемкость пара, кДж/(кг * °С);

t -- разность температур, °С (I = 200 °С);

G -- количество поданной в мазут воды, кг/кг.

Снижение к. п. д. котла из-за дополнительных потерь с уходящими газами dn2 = Q2/Qp = 198/40 900 = 0,484 %. В итоге суммарный к. п. д. котла увеличивается на = ₁ - ₂ = 0,257 %.

Рис. 6 Зависимости концентрации твердых частиц Ст в дымовых газах от температуры t подогрева топлива при сжигании мазута и водно-мазутной эмульсии

сгорание топливо мазут газ

Дальнейшее увеличение расхода воды на 1 % приведет к росту потерь с уходящими газами еще на 0,06 %. Расчеты показывают, что при повышении расхода воды до 12 % к. п. д. котла вообще не изменится, а дальнейшее увеличение присадки воды приведет к снижению к. п. д., несмотря на догорание кокса. Таким образом, неправильный выбор расхода воды может отрицательно сказаться на экономичности котельного агрегата.

При проведении опытов исследовалось также влияние температуры подогрева мазута и водно-мазутной эмульсии на концентрацию твердых частиц в дымовых газах. Результаты этих опытов представлены в графическом виде на рис. 6, из которого видно, что содержание кокса без впрыска воды напрямую зависит от температуры подогрева мазута. При повышении этой температуры с 87 до 120 °С концентрация кокса снижается с 832 до 645 мг/м³, поскольку при уменьшении вязкости значительно улучшается качество распыления мазута. Однако из-за опасности коксования стакана ротационной форсунки возможности повышения температуры подогрева ограничены. Из рис. 6 также видно, что при добавке воды в мазут концентрация кокса остается практически постоянной в диапазоне температур от 90 до 121 °С.

Таким образом, сжигание водно-мазутной эмульсии позволяет существенно снизить содержание сажи в дымовых газах котла благодаря хорошему распылению и смешению капель мазута с воздухом. Расчеты показали, что уменьшение содержания кокса на 100 мг/м³ приводит к снижению тепловых потерь на 0,1 %. Но поскольку с ростом присадки воды увеличиваются потери теплоты с уходящими газами, было установлено оптимальное содержание воды в мазуте для исследованного топлива и типа горелки -- 8-10%. При таком соотношении возможна некоторая экономия тепловой энергии. Кроме того, благодаря присадке воды к мазуту теплопередающие поверхности нагрева котла остаются относительно чистыми, за счет чего увеличивается теплосъем и уменьшается температура уходящих газов.

Присадка воды к мазуту может оказаться полезной и при сжигании тяжелых сортов российского мазута в котлах, оборудованных горелками фирмы "Saacke" с ротационной форсункой.

Размещено на Allbest.ru